BRPI1016220B1

BRPI1016220B1 - processo de metanização a partir de uma fase líquida que é um co-produto resultante da extração de um produto principal obtido a partir de uma matéria prima vegetal

Info

Publication number: BRPI1016220B1
Application number: BRPI1016220A
Authority: BR
Inventors: Delport Claude; Mahler John; Maillard Sarah
Original assignee: Aiat Anstalt; Ondeo Ind Solutions
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2010-04-27
Publication date: 2018-09-11
Also published as: WO2010125517A2; EP2425002A2; FR2945048A1; US20120094351A1; WO2010125517A3; FR2945048B1; BRPI1016220B8; BRPI1016220A2

Description

(54) Título: PROCESSO DE METANIZAÇÃO A PARTIR DE UMA FASE LÍQUIDA QUE É UM COPRODUTO RESULTANTE DA EXTRAÇÃO DE UM PRODUTO PRINCIPAL OBTIDO A PARTIR DE UMA MATÉRIA PRIMA VEGETAL (51) Int.CI.: C12P 5/02; C02F 3/28; C12P 7/10 (30) Prioridade Unionista: 30/04/2009 FR 09 02116 (73) Titular(es): ONDEO INDUSTRIAL SOLUTIONS. AIAT ANSTALT (72) Inventor(es): JOHN MAHLER; CLAUDE DELPORT; SARAH MAILLARD (85) Data do Início da Fase Nacional: 27/10/2011

1/21 “PROCESSO DE METANIZAÇÃO A PARTIR DE UMA FASE LÍQUIDA QUE É UM CO-PRODUTO RESULTANTE DA EXTRAÇÃO DE UM PRODUTO PRINCIPAL OBTIDO A PARTIR DE UMA MATÉRIA PRIMA VEGETAL”

DOMÍNIO TÉCNICO DA INVENÇÃO [0001] A presente invenção refere-se a um processo de metanização a partir de uma fase líquida que é um co-produto resultante da extração de um produto principal obtido a partir de uma matéria prima vegetal.

ANTECEDENTES TÉCNICOS [0002] A invenção é, por exemplo, relativa a um processo de metanização a partir de um produto extraído de um mosto fermentado, notadamente a partir da vinhaça resultante da destilação de um mosto fermentado de uma matéria prima vegetal no âmbito da produção de álcool, partir de uma matéria prima vegetal, notadamente de plantas amiláceas e/ou plantas sacaríferas e/ou plantas lignocelulósicas.

[0003] Tal processo de produção de álcool é, por exemplo, do tipo que comporta as etapas seguintes:

- preparação, com a matéria prima vegetal, de uma massa apropriada para fermentar, chamada mosto,

- fermentação do mosto assim preparado,

- separação por filtração, notadamente por filtração-prensagem, da fase sólida e da fase líquida da mistura fermentada,

- destilação da referida fase líquida do mosto fermentado, por exemplo, em uma coluna de destilação, com recuperação do álcool em topo da coluna, de vinhaça em fundo de coluna.

[0004] Um exemplo de tal processo é conhecido do pedido de patente WO A1 2008/003692 em nome do Sr. John MAHLER que visa notadamente à produção de álcool a partir da matéria prima vegetal amilácea.

[0005] O processo pode também prever a recuperação das flegmassas obtidas no nível da etapa de retificação.

[0006] A fase líquida da vinhaça é co-produto da produção de álcool, cujo

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 12/80

2/21 potencial pode ser explorado, por exemplo, com o propósito de produção de energia térmica e/ou elétrica, fazendo o mesmo sofrer um tratamento de metanização.

[0007] Em tal processo de produção de álcool, a técnica empregada para a separação do co-produto em fase líquida é tal que o teor em peso de sólidos em suspensão na fase líquida da vinhaça antes da metanização é inferior a 1%, particularmente, 0,25% e mais particularmente 0,2% ou ainda preferivelmente da ordem de 0,1% (Análise de acordo com a norma NF EN 872).

[0008] De maneira geral, pode tratar-se da metanização da vinhaça obtida notadamente no âmbito da produção de álcool metílico, de álcool etílico, de álcool butílico, e outros, a partir de uma matéria prima vegetal (MPV), amilácea e/ou sacarífera e/ou celulósica. Além destes diferentes tipos de álcool, a metanização de acordo com a invenção pode também encontrar a ser aplicável ao co-produto em fase líquida resultante da produção de outros produtos como, por exemplo, a produção de cerveja, de cidra, de champanhe, de vinagre, de produtos derivados da soja, aminoácidos, ácido cítrico, ácido succínico e outros ácidos, a produção de leveduras, de vitaminas, de antibióticos, de repolho, de queijos, da fermentação a partir da matéria prima vegetal contendo princípios açucarados, princípios amiláceos e princípios celulósicos.

[0009] O tratamento das vinhaças fortemente carregadas em DCO (demanda química de oxigênio), nitrogênio, fósforo, matérias sólidos em suspensão, cálcio, magnésio, potássio, sulfato, sódio, e outro, é difícil e complexo. Os volumes a empregar conduzem a obras de tratamento de dimensão de tamanho grande e custos de investimento elevados para as instalações de produção.

[0010] Além disso, as concentrações elevadas de cálcio e de magnésio favorecem os fenômenos de precipitação nas instalações de tratamento e em função do pH podem retardar consideravelmente a atividade da biomassa. Por outro lado os compostos nitrogenados, fosforados, potássio, sulfato, sódio, e outros, podem ter efeitos de inibição da atividade biológica.

[0011] A etapa de metanização é assim relativamente longa, e pode durar mais de 30 dias, o que é extremamente prejudicial para um tratamento industrial em

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 13/80

3/21 grande escala. Além disso, a poluição residual dos efluentes resultantes da metanização é elevada e a instalação deve ser completada por um estágio de tratamento biológico aeróbio conduzindo a volumes de reatores grandes e uma produção de lamas biológicas significativa.

[0012] O documento WO 2004/1 13549 (WILKENING) refere-se igualmente a um processo de produção de etanol e de metano a partir da biomassa. A duração da etapa de metanização continua a ser longa. Embora o processo WILKENING faça referência a um teor de SS igual a 1%, ele não propõe nenhuma solução industrial para conduzir a tal taxa. Além disso, testes realizados pelos requerentes mostraram que os baixos rendimentos obtidos para a metanização não permitem visar uma aplicação industrial rentável, notadamente em relação às durações necessárias para a metanização.

[0013] A invenção tem notadamente por objetivo reduzir o tempo necessário para a etapa de metanização e também diminuir a produção de lamas, oferecendo possibilidades de reciclagem dos efluentes resultantes da metanização, notadamente sob a forma de água que possa ser utilizada notadamente no processo de produção do produto principal e de reduzir assim o consumo da água utilizada para a produção do mosto.

BREVE SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0014] Neste objetivo, a invenção propõe um processo de metanização, a partir de uma fase líquida que é um co-produto resultante da extração de um produto principal obtido a partir de uma matéria prima vegetal, caracterizado pelo fato de que o teor em peso de sólidos em suspensão (SS) na referida fase líquida é inferior a 0,25%, e o tratamento de metanização da referida fase líquida é efetuado por meio de um digestor com rendimento muito elevado.

[0015] Para a definição de um digestor com rendimento muito elevado, trata-se de um digestor cujo rendimento é superior a 90%.

[0016] Preferivelmente, o teor em peso de sólidos em suspensão (SS) na referida fase líquida é inferior a 0,2%, notadamente inferior ou igual a 0,1%.

[0017] O digestor com rendimento muito elevado pode comportar um leito de

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 14/80

4/21 lamas granulares, fluidificadas, recirculadas ou expandidas em um ou vários estágios ou lamas floculadas de acordo com um fluxo ascendente da fase líquida. [0018] O digestor com rendimento muito elevado pode igualmente ser:

- um reator contendo um leito fluidificado de biomassa (culturas fixadas sobre um suporte livre móvel);

- ou um reator contendo um leito fixo de biomassa (cultura fixada sobre um suporte imóvel).

[0019] A invenção propõe assim um processo de metanização com rendimento muito elevado, a partir de uma fase líquida que é um co-produto resultante da extração de um produto principal obtido a partir de uma matéria prima vegetal, o teor em peso de sólidos em suspensão (SS) na referida fase líquida sendo inferior a 0,25%, com vantagem inferior a 0,2%, notadamente inferior ou igual a 0,1%.

[0020] De acordo com o processo, o rendimento de eliminação da poluição carbonatada (DCO e DBO₅) é da ordem de 90% e até cerca de 97%.

[0021] O rendimento muito elevado obtido quando da metanização permite notadamente eliminar quase toda a poluição biodegradável solúvel, o que permite visar diretamente um tratamento usando dispositivos com membrana, e notadamente usando a técnica de osmose reversa.

[0022] Ao contrário, a aplicação da osmose reversa na sequência de uma metanização “clássica” não permite tratamento por osmose reversa, notadamente devido à obstrução das membranas, ou então necessita de um tratamento biológico intermediário complementar, entre a saída da metanização e a entrada da osmose reversa. Além disso, a implementação de tal tratamento intermediário de acabamento produz, ela própria, lamas para as quais é necessário então visar soluções complementares de eliminação ou de reciclagem.

[0023] De acordo com outras características do processo de acordo com a invenção:

- o tratamento de metanização é realizado de acordo com uma alimentação pulsada da referida fase líquida em um digestor do tipo “Anapulse”;

- o tratamento de metanização é realizado por meio de um reator de leito

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 15/80

5/21 fluidificado de biomassa em um digestor do tipo “Anaflux”;

- o tratamento de metanização é realizado por meio de um reator de leito fixo de biomassa em um digestor de tipo “Anafiz”

- pelo menos um efluente resultante da metanização é submetido a uma etapa de extração e de descarbonatação, e em que pelo menos uma fração do efluente descarbonatado obtido é reciclada em topo de metanização;

- a referida fração reciclada está compreendida entre 0 a 400% em peso das vinhaças e das flegmassas;

- a fração do efluente descarbonatado que não é reciclada em topo de metanização, está sujeita a uma filtração apropriada para parar as partículas de dimensões da ordem de 0,2 pm, notadamente as bactérias;

- a referida filtração da fração do efluente extraído e descarbonatado que não é reciclado é realizada por osmose reversa, notadamente para uma reciclagem diretamente para o processo de produção ou as diferentes plantas;

- antes da referida filtração, a referida fração do efluente descarbonatado é submetida a um tratamento biológico da poluição carbonatada e/ou é nitrogenada, e/ou um tratamento físico-químico da poluição fosforada;

- gás carbônico (CO₂), notadamente gás carbônico produzido durante do processo é utilizado:

- para a neutralização da cal a fim de produzir a cal carbonatada,

- para a substituição parcial de pelo menos um ácido utilizado para a referida extração do produto principal;

- 40 a 95% da efluente após tratamento de metanização, de extração e de descarbonatação e de filtração podem ser reciclados sob a forma de água isenta de bactérias;

- além disso, o filtrado liquido constituindo a água de reciclagem, a filtração por osmose reversa produz um retido que sofre em seguida uma etapa dita de evaporação-concentração, e em que os condensados recuperados após evaporação-concentração podem ser utilizados sob a forma de água.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 16/80

6/21 [0024] Outras características e vantagens da invenção aparecerão na leitura da descrição seguinte, dada a título de exemplos não limitativos, para a compreensão da qual faz referência aos desenhos anexos nos quais:

- a figura 1 é uma representação esquematizada dos grandes grupos principais de operações que comporta geralmente um primeiro exemplo de um processo de produção de um produto principal e de um co-produto em fase líquida apta a ser metanizada, a separação da fase líquida intervindo antes da extração do produto principal;

- a figura 2 é uma representação esquematizada dos grandes grupos principais de operações que comporta geralmente um segundo exemplo de um processo de produção de um produto principal e de um co-produto em fase líquida apta a ser metanizada, a separação da fase líquida intervindo após a extração do produto principal;

- a figura 3, sob forma de três partes 3A, 3B e 3C consecutivas e em cadeia, é uma representação detalhada dos grupos principais de operações que comporta um exemplo de um processo de produção de um produto principal e de um co-produto em fase líquida apta a ser metanizada, a separação da fase líquida intervindo antes da extração do produto principal, e os grupos principais de operações que comporta um exemplo de um processo de metanização e de tratamento dos efluentes de metanização de acordo com os ensinamentos da invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA dAS FiGURAS [0025] Representou-se na figura 1 um processo de obtenção de um produto principal obtido a montante da metanização. Trata-se, por exemplo, do etanol, do bioetanol, etc.

[0026] Este processo comporta notadamente, a partir de MPV, uma etapa de preparação de um mosto, uma etapa de atividade biológica (por exemplo, uma etapa de transformação e produção do produto principal) e uma etapa de separação antes de extração das fases líquida e sólida.

[0027] A etapa dita de separação, quer ela ocorra antes ou após (ver figura 2) da

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 17/80

7/21 extração do produto principal, conduz à produção de dois co-produtos.

[0028] Um co-produto principal ou co-produto 1 que é a fase líquida resultante da etapa de separação.

[0029] Um co-produto secundário ou co-produto 2 que é a fase sólida resultante da etapa de separação.

[0030] Que a separação ocorra antes ou após a extração do produto principal, a técnica de separação, por exemplo, de acordo com os ensinamentos do documento de John MAHLER acima citado, a característica principal do co-produto 1 (fase líquida) é o seu em peso de sólidos em suspensão (SS).

[0031] A separação fase sólida (CO-PRODUTO 2)/fase líquida (CO-PRODUTO 1) é efetuada em condições tais que o teor em peso de sólidos em suspensão (SS) na fase líquida (CO-PRODUTO 1) antes da metanização, é inferior a 0,25%, e preferivelmente inferior a 0,2%, notadamente inferior ou igual a 0,1%.

[0032] As figuras 1 e 2 são dois esquemas de princípio ilustrando as duas versões (antes e após a extração), da separação com o propósito da produção do co-produto principal ou do co-produto 1 que vai em seguida sofrer o processo de metanização.

[0033] A figura 3 é uma representação global detalhada que retoma “a montante” e de modo mais detalhado um exemplo da produção por extração do produto principal e a separação dos dois co-produtos em um exemplo no qual esta separação ocorre antes da extração, ou seja, correspondendo à representação esquemática da figura 1.

[0034] Encontra-se na figura 3, a matéria prima vegetal MPV que é aqui constituído por cereais.

[0035] A preparação do mosto indicada na figura 1 é detalhada na figura 3 sob a forma das etapas de limpeza-trituração dos cereais, o empastamento por adição de água, enzimas de liquefação e hidróxido de sódio, de liquefação por meio de vapor de água, e sacarificação por adição de ácido, enzimas modificadoras de viscosidade e enzimas de sacarificação.

[0036] A liquefação e a sacarificação visam à obtenção de um açúcar

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 18/80

8/21 fermentável.

[0037] Após esta preparação do mosto, intervém a etapa de atividade biológica que, por exemplo, é um processo de fermentação por adição de leveduras, de sais, de ar e de água.

[0038] Após este desenvolvimento, ou atividade biológica, por fermentação, passa-se ás etapas de separação (aqui antes de extração).

[0039] A separação das fases líquida e sólida compreende uma primeira etapa dita de tratamento (processo Mahler) por adição de produtos que permitem modificar o pH e adjuvantes de filtração, por exemplo, á base de polímeros, em seguida uma etapa de separação física como tal, ao meio, por exemplo, de um filtro-prensa, as duas fases líquida e sólida, a separação sendo, por exemplo, por filtração e prensagem.

[0040] Na parte à direita da figura 3A são indicados diferentes produtos e elementos necessários às diferentes etapas ou sub-etapas de preparação do mosto, de desenvolvimento e produção do produto principal (atividade biológica) e separação.

[0041] Na parte à esquerda da figura 3A, indicou-se que a fermentação produz gás carbônico (CO2) que pode ser lavado (por meio de água) de maneira, como conhecido, a recuperar uma parte do álcool contido no gás carbônico resultante da fermentação. Se esta lavagem do CO2 resultante da fermentação for realizada, a água de lavagem do gás, carregada com álcool recuperado, é acrescentada à fase líquida resultante da separação que é o co-produto principal ou co-produto 1 resultante do processo de separação.

[0042] A jusante da separação, e passando à parte 3B da figura 3, a título de comentário, neste exemplo particular, a fase líquida, também é chamada vinho fermentado filtrado.

[0043] A fase sólida, ou co-produto 2, também é chamada ‘grãos’ (ou ainda “torta”). Este co-produto 2 tem, por exemplo, um uso de combustível.

[0044] Antes de ser utilizada como combustível, o co-produto 2 pode sofrer uma lavagem por uma água de lavagem quente, esta água de lavagem co-produto 2

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 19/80

9/21 sendo então acrescentada ao co-produto 1 (vinho fermentado filtrado), e isto antes da extração do produto principal.

[0045] Comenta-se agora os diferentes tratamentos do vinho fermentado filtrado (co-produto 1) ao qual foi acrescentada eventualmente a água de lavagem dos “grãos” (co-produto 2).

[0046] A etapa principal seguinte é então a etapa de extração ou dos produtos principais que é aqui, por exemplo, uma etapa de destilação.

[0047] O produto principal pode, de acordo com uma primeira opção A, sofrer uma desidratação cuja fonte de energia é, por exemplo, vapor sob pressão, a fim de produzir o bioetanol. As flegmassas alcoólicas resultantes da desidratação podem ser re introduzidas a montante da destilação.

[0048] De acordo com outra opção B, o produto principal resultante da destilação sofre uma retificação, por exemplo, por meio de vapor sob pressão, para a produção de álcool retificado.

[0049] Além do álcool retificado, a retificação conduz à produção de flegmassas não alcoolizadas que vão em seguida ser utilizadas e re- introduzidas a montante da metanização.

[0050] As duas opções A e/ou B de desidratação e de retificação podem ser combinadas.

[0051] Além da produção do produto principal acabado ou dos produtos principais acabados (aqui bioetanol e/ou álcool retificado), a destilação conduz à produção de vinhaças líquidas.

[0052] São estas vinhaças, eventualmente aumentadas com as flegmassas provenientes da retificação, que vão sofrer a metanização.

[0053] O processo de metanização mencionado nas figuras 1 e 2, de maneira conhecida, é constituído essencialmente de uma primeira etapa dita de acidogênese, depois de uma segunda etapa dita de metanogênese.

[0054] A etapa de metanogênese produz biogás, um efluente tratado e um pouco de lama cujas diferentes utilizações serão comentadas posteriormente.

[0055] Como evidente, a metanização conduz a título principal à produção de

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 20/80

10/21 metano que pode, por exemplo, ser utilizado como combustível com o propósito da produção de energia.

[0056] Além das lamas e do metano, a metanização produz um efluente tratado que, em seguida, é aqui submetido a uma etapa dita de extração e de descarbonatação.

[0057] A etapa de extração e de descarbonatação conduz á produção de lamas e de um efluente descarbonatado.

[0058] Fora das lamas, o efluente assim extraído e descarbonatado é submetido em seguida no todo ou em parte a uma etapa de filtração por osmose reversa.

[0059] Na realidade, uma primeira parte ou fração do efluente extraído e descarbonatado é imediatamente reciclada a montante da metanização.

[0060] Esta fração reciclada está compreendida entre 0 e 400% em massa das vinhaças e das flegmassas.

[0061] A fração do efluente extraído e descarbonatado que não é reciclada a montante ou topo da metanização é submetida a uma filtração. Preferivelmente, a filtração é realizada por osmose reversa sobre membranas.

[0062] Para obter água a reciclar não comportando bactérias podendo causar uma infecção e um bloqueio da atividade biológica específica da produção do produto principal, submete-se o efluente de metanização extraído e descarbonatado a uma filtração que é apropriada para parar as bactérias e partículas de dimensões da ordem de 0,2 pm e superiores.

[0063] Este tratamento de filtração, notadamente por osmose reversa, permitindo parar as bactérias, dá, como filtrado, uma água de qualidade muito boa, livre de sais, que pode ser reciclada a nível processo de produção principal notadamente sem risco de infecção podendo bloquear a atividade biológica.

[0064] A título opcional (opções 1 e 2) e previamente à filtração por osmose reversa, a fração do efluente extraído e descarbonatado é submetida a tratamentos específicos do efluente da qual um tratamento biológico do carbono para eliminação da poluição carbonatada residual (opção 1) e um tratamento físico-químico do fósforo (opção 2).

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 21/80

11/21 [0065] O filtrado, ou permeado, obtidos por filtração por osmose reversa é uma água que pode ser reciclada e notadamente ser utilizada como água nas etapas de preparação do mosto, atividade biológica e separação. Os condensados de evapoconcentração (evaporação/concentração) descritos a seguir poderão também ser utilizados a este nível ou em outras plantas de produção.

[0066] Esta filtração é apropriada para parar partículas de dimensões da ordem de 0,2 pm (0,2 mícron), notadamente, por exemplo, as bactérias.

[0067] Além da filtração líquida constituindo a água de reciclagem, a osmose reversa produz também um concentrado ou retido que poderá em seguida, por exemplo, sofrer uma etapa dita de evaporação-concentração ou de evapoconcentração, notadamente por aquecimento ao vapor.

[0068] Previamente à evapo-concentração (opção 4), a totalidade ou parte do concentrado resultante da osmose reversa pode sofrer, a título opcional (opção 3), uma etapa de tratamento biológico da poluição carbonatada e nitrogenada (também chamada nitrificação-desnitrificação) e/ou uma etapa de tratamento físico-químico da poluição fosforada (desfosfatação).

[0069] A totalidade ou parte do concentrado tendo sofrido estas etapas de tratamento biológico e/ou físico-químico são então em seguida submetidos à evapoconcentração.

[0070] A evapo-concentração conduz primeiro à produção de condensados (líquidos) que podem ser utilizados de novo como água de reciclagem nas diferentes etapas de processo. Uma parte dos condensados líquidos pode também ser reciclada a montante da etapa de filtração por osmose reversa.

[0071] Além dos condensados líquidos, a evapo-concentração produz lamas. O potencial destas lamas poderá ser explorado (por exemplo, para o enriquecimento dos solos agrícolas) ou pode ser descartado.

[0072] No exemplo descrito, os condensados líquidos resultantes da evapoconcentração são utilizados diretamente sob a forma de água no nível das plantas de produção e/ou reciclados a montante da filtração por osmose reversa.

[0073] A título de variante não representada, os condensados líquidos

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 22/80

12/21 resultantes da evapo-concentração podem sofrer uma etapa de extração e, na sequência desta extração, uma parte dos condensados é utilizada em água reciclada no processo de produção, uma outra parte podendo ser reciclada a montante da filtração por osmose reversa e/ou outra parte podendo ainda ser reciclada a montante da metanização.

[0074] Diferentes etapas mencionadas previamente conduzem á produção de lamas. Trata-se, por exemplo, de lamas de metanização, lamas de descarbonatação e lamas de evapo-concentração, etc.

[0075] De acordo com diferentes técnicas conhecidas, estas lamas podem, por exemplo, ser desidratadas.

[0076] As lamas podem também ser queimadas quer “em perda” por incineração, quer por combustão com o propósito de uma recuperação de energia.

[0077] O potencial das lamas pode também ser explorado (produção de componentes para o enriquecimento dos solos agrícolas, metanização das lamas e produção de biogás, ou outros) ou a lama pode ser descartada.

[0078] De acordo com a invenção, o tratamento de metanização que compreende a etapa de acidogênese e uma etapa de metanogênese é realizado de acordo com um fluxo ascendente através de um leito de lamas fixadas sobre um suporte ou um leito de lamas floculadas ou granulares constituídas por agregados compactos de bactérias e ou grânulos de um diâmetro médio geralmente superior a 0, 1 mm. A fase líquida (co-produto 1) é introduzida em um reator, por exemplo, em parte baixa por uma rede de condutos perfurados.

[0079] Na utilização de lamas floculadas ou granulares, a alimentação das vinhaças em fase líquida pode ser pulsada com vantagem.

[0080] O reator de metanização é fechado para uma reação anaeróbica. Uma saída do biogás está prevista em parte superior. O biogás composto principalmente do metano é utilizado, por exemplo, para uma produção de energia elétrica, através de uma turbina ou qualquer outro dispositivo adequado, e/ou para produzir calor. [0081] Por exemplo, um reator, igualmente chamado digestor, deste tipo é conhecido sob o nome de “Anapulse”, e descrito notadamente no Memento

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 23/80

13/21

Tecnique de L'Eau de Degrémont, 10^â. edição, páginas 975-976. Tal reator habitualmente está previsto para cervejarias, bebidas açucaradas, refinarias de açúcar, fabricas de amido, fábricas de papel, fábricas de levedura, etc, efluentes. [0082] A metanização pode também ser realizada em reatores com lamas granulares fluidificadas, recicladas ou expandidas em simples ou duplos estágios. [0083] A metanização pode também ser realizada, por exemplo, em um reator ou digestor do tipo “Anaflux” que é um digestor com culturas fixadas sobre um suporte livre no reator. Um reator, também chamado digestor, deste tipo é descrito notadamente Memento Tecnique de l'Eau de Degrémont, 10^â. edição, páginas 977978.

[0084] Tal reator habitualmente está previsto para efluentes de cervejarias, bebidas açucaradas, fábricas de açúcar, fabricação de amido, artigos de papelaria, produção de levedura, etc.

[0085] A metanização pode também ser realizada, por exemplo, em um reator ou digestor de tipo “Anafiz” que é um reator ou digestor de cultura fixada sobre uma guarnição (por exemplo, em plástico, polipropileno, polietileno), a varejo ou a granel. Um reator, também chamado digestor, deste tipo é descrito notadamente no Memento Tecnique de l”Eau de Degrémont, 9^â. edição, páginas 753 a 756.

[0086] Graças ao tratamento avançado de separação fase sólida (Co-produto 2)/fase líquida (Co-produto 1), a metanização pode ser efetuada industrialmente, por exemplo, em um reator de lamas granulares, ou de leito fluidificada o que permite reduzir consideravelmente a duração da metanização. Esta duração torna-se inferior a cerca de seis dias e, por exemplo, da ordem de três a quatro dias, enquanto que geralmente é superior a vinte dias, e poderia atingir trinta dias e mais, para o tratamento de metanização da fase líquida ou de vinhaça tal qual em saída da coluna de destilação.

[0087] O efluente resultante da metanização é submetido à etapa de extração e de descarbonatação em um tanque fechado e desodorizado. Uma corrente de gases, geralmente ar, é insuflada no fundo do tanque para eliminar o gás carbônico (CO₂) e oxidar o gás sulfúrico (H₂S) que pode estar presente no efluente levando-os

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 24/80

14/21 para um tratamento de desodorização. O efluente é em seguida descarbonatado. [0088] O tratamento ou etapa de extração-descarbonatação permite notadamente reciclar no metanizador um efluente que é pouco carregado em cálcio e magnésio, os quais teriam tendência a depositar-se sobre as lamas granulares ou os suportes de biomassa, sobre os materiais suportes de biomassa e os agregados de lamas, com neste caso como consequência uma diminuição do rendimento de eliminação da poluição carbonatada após problemas biológicos e hidráulicos.

[0089] A invenção refere-se também a uma solução aos vários problemas técnicos encontrados quando da metanização de acordo com o estado anterior da técnica:

- os rendimentos de eliminação do DCO e DBO5 obtidos nos reatores de metanização eram insuficientes, os funcionamentos irregulares ligados a fenômenos de inibição devido a concentrações elevadas e superiores ou próximas dos limiares de toxicidade de certos componentes como SS, os ânions, cátions, não permitiam atingir equilíbrios energéticos favoráveis das instalações;

- a gestão dos resíduos líquidos e sólidos associados era complexa e onerosa;

- o tamanho dos equipamentos e os investimentos eram elevados devido ao tempo de permanência alto nos reatores de metanização;

- os fenômenos de precipitação tinham lugar nas instalações de tratamento.

[0090] Todos estes problemas e inconvenientes não permitiam a obtenção, em escala industrial, de uma solução de tratamento das vinhaças tecnicamente e economicamente viável.

[0091] Além disso, o biogás produzido é “limpo”, notadamente em relação ao sulfeto de hidrogênio H2S. A redução dos sulfatos em vinhaças permite evitar os aspectos nefastos do H2S, notadamente quando da metanização (odor, corrosão, e poluição sob forma em seguida de SO2).

[0092] Tratando-se de H₂S, é uma parte do substrato que serve normalmente à produção de metano, que é “utilizada” para a transformação do SO₄ ^2- em H₂S.

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 25/80

15/21 [0093] Realiza-se, portanto, assim um ganho de rendimento quando da metanização dedicando uma maior parte do substrato para a produção de metano. [0094] As abreviaturas utilizadas na descrição são esclarecidas a seguir:

[0095] Alcalinidade: (NF EN ISO 9963-1) [0096] AGV: Ácidos graxos voláteis (análise cromatográfica) [0097] Ca: Cálcio (NF EN ISO 11885) [0098] DBO5: Demanda bioquímica de oxigênio durante cinco dias (NF EN 18991, NF EN 1899-2) [0099] DCO: Demanda química de oxigênio (NFT 90-101, ISO 6060: 1989) [00100] K+: Potássio (NF EN ISO 11885, NF EN ISO 14911) [00101] SS: Sólidos em suspensão, Sólidos em suspensão totais (NF [00102] em 872, NFT 90 -105-2) [00103] Mg: Magnésio (NF EN ISO 11885) [00104] MS: Matérias secas (NF U 44-171) [00105] MVS: Matérias voláteis em Suspensão (NF U 44-171) [00106] Na+: Sódio (NF EN ISO 11885, NFT 90-019, NF EN ISO 14911) [00107] NGL: Nitrogênio global (NF EN ISO 11905-1) [00108] NH4: Amônio (NF T 90-015-1 NF T90-015-2) [00109] NO2: Nitrito (NF EN ISO 13395, NF EN 26777) [00110] NO3: Nitrato (NF EN ISO 13395, NF EN ISO 10304-1) [00111] P orto: Ortofosfato (NF EN 1189, NF EN ISO 6878) [00112] P total: Fósforo total (NF EN 1189, NF EN ISO 6878) [00113] pH: potencial de hidrogênio (NF T 90-008) [00114] SO4^2-: Sulfato (Norma NF EN ISO 10304-1) [00115] TH: Título hidrotimétrico (NFT 90-003) [00116] TA: Título Alcalimétrico (NF EN ISO 9963-) [00117] TAC: Título alcalimétrico completo (NF EN ISO 9963-) [00118] A tabela 1 descreve, a título de exemplo, a composição da fase líquida (CO-PRODUTO 1) após separação a montante da extração e resultante da produção de bioetanol a partir de plantas amiláceas, sacaríferas ou lignocelulósicas.

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 26/80

16/21 [00119] Tabela 1:

Parâmetros	CO-PRODUTO 1
pH	2 a 10
TH (°F)	0 a 1000
PA (°F)	0 a 500
TA (°F)	0 a 500
Ca (g/l)	0 a 4
Mg (g/l)	0 a 2.5
COD (g/l)	1.5 a 300
SS (g/l)	0.1 a 5
NH4+ (g/l)	0 a 2.5
TN (g/l)	0 a 5
TP (g/l)	0 a 2.5
orto-P (g/l)	0 a 2
NO2 (mg/l)	0 a 500
NO3 (mg/l)	0 a 500

[00120] A tabela 2 apresenta as condições operacionais para a realização das etapas de tratamento por acidogênese e por metanogênese [00121] Tabela 2:

Parâmetros	Tratamento por acidogênese	Tratamento por metanogênese
pH	4-7	6-9
t (^oC) mesófilo	30-40 ^oC	30-37 ^oC
t (^oC) termófilo	38-60 ^oC	50-60 ^oC
Condições	Anoxias/anaeróbias	anaeróbias
tempo de permanência	5 a 24 h	1 a 6 dias
produção de metano		0,25 a 0,35 nM³/g ^DCOeliminado
AGV (g/l)	1 a 25	<0,5 em saída do

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 27/80

17/21

metanizador

[00122] Os resultados obtidos de acordo com a invenção após tratamento por metanização, extração e descarbonatação são os seguintes:

- da ordem de 90% de diminuição de DCO e DBO₅ e até a cerca de 97%.

- produção de metano compreendida entre de 0,25 e 0,35 Nm³/kg DCO eliminado.

[00123] Após a metanização, o efluente é extraído a fim de eliminar o CO2 e aumentar o pH e assim reduzir as quantidades de reagente a introduzir para a descarbonatação.

[00124] Após extração, a cal é acrescentada (0,1 a 5 g/l) de forma a aumentar o pH até a 10-11.

[00125] A mistura é agitada durante 0,5 a 5 h. Após reação, uma etapa de decantação permite separar os flocos formados que vão decantar em fundo de tanque e o efluente descarbonatado é recuperado em superfície.

[00126] As concentrações do efluente resultante do tratamento por metanização após reciclagem da efluente extraído e descarbonatado (0 a 400% em massa das vinhaças e das flegmassas) são dadas na tabela 3 que segue.

[00127] Tabela 3:

Parâmetros	Efluente resultante da metanização após reciclagem do efluente extraído e descarbonatado
pH	6.5-8.5
Temperatura (°C)	30-37
TH (°F)	50-200
PA (°F)	0-150
TA (°F)	50-500
COD (mg/l)	500-7500
SS (mg/l)	50-1000
NH4+ (mg/l)	5-1500
TN (mg/l)	5-1500
TP (mg/l)	2-100

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 28/80

18/21

orto-P (mg/l)

2-100

[00128] A diminuição do TH obtido após tratamento por extração e descarbonatação das vinhaças como tal é dada como exemplo na tabela 4 seguinte. [00129] Tabela 4

Parâmetros	Efluente extraído e descarbonatado
TH das vinhaças como tal (^oF)	0-1000
TH após extração + descarbonatação (^oF)	0-50
Rendimento (%)	< 95%

[00130] Uma fração do efluente extraído e descarbonatado (0 a 400% em peso das vinhaças e das flegmassas) é reciclada em topo de metanização de forma a reduzir o TH no reator, limitar os aumentos de pH e livrar-se dos fenômenos de precipitação que poderiam ser desfavoráveis para o processo biológico anaeróbico. [00131] Além disso, esta etapa de extração -descarbonatação protege também a etapa de filtração por osmose reversa dos fenômenos de precipitações minerais de carbonato.

[00132] A fração do efluente extraído e descarbonatado não reciclada para o digestor é dirigida para o tratamento por osmose reversa a fim de reduzir, ou mesmo eliminar quase totalmente os parâmetros seguintes: DCO, DBO₅, SS, NGL, NH₄+, NO₃ ^-, NO₂ ^-, P, Ca²+, Mg²+, K+, Na+, outros, com o propósito de reciclagem da água tratada.

[00133] As concentrações do efluente após tratamento por osmose reversa são apresentadas como exemplo na tabela 5.

[00134] Tabela 5:

Parâmetros	Concentração do efluente após tratamento por osmose reversa
pH	5.5-8
TH (°F)	0
PA (°F)	0-100
TA (°F)	0-100

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 29/80

19/21

COD (mg/l)	0-50
SS (mg/l)	0
NH4+ (mg/l)	0-200
NO3^- (mg/l)	0-10
TN (mg/l)	0-200
TP (mg/l)	0-10
orto-P (mg/l)	0-10
K+ (mg/l)	< 50
Na+ (mg/l)	< 50
SO₄ ^2- (mg/l)	< 100

[00135] O esquema de tratamento (soma de todos os tratamentos) tal como foi definido, notadamente o pré-tratamento do mosto fermentado antes de extração, o tratamento por metanização, o tratamento por extração -descarbonatação, e a reciclagem de uma fração da efluente extraído e descarbonatado em topo de metanização permite um aumento dos valores limites inibidores para os processos biológicos, nas matérias primas, em comparação com os valores definidos comumente para o tratamento por metanização.

[00136] Este aumento de limiar limite é possível devido ao desempenho elevado dos tratamentos de eliminação realizados.

[00137] Testes realizados pelos requerentes mostraram que as características das vinhaças após destilação dos mostos fermentados são influenciadas fortemente pela composição dos mostos fermentados e, em particular, pela concentração de SS; com efeito, os SS dos mostos, constituídos principalmente de matérias orgânicas serão, quando da destilação, levados a temperatura elevada e em parte significativa modificados e solubilizados (por exemplo, reações de Maillard provocando a formação de compostos não biodegradáveis, ou mesmo tóxicos); outros compostos como, por exemplo, as proteínas, os aminoácidos, o nitrogênio e o fósforo orgânico participando na fração coloidal e solúvel dos mostos fermentados antes de destilação sofrerão igualmente os efeitos da temperatura (por exemplo, reações de Maillard) que provocam a formação de compostos não biodegradáveis, ou mesmo

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 30/80

20/21 tóxicos. Resulta, daí, após destilação na presença destes SS e colóides, características de biodegradabilidade das vinhaças muito diferentes que influenciam muito negativamente e fortemente:

- primeiramente, a proporção de digestores a serem usados, necessitando de volumes grandes, ou mesmo a tecnologia a ser usada, necessitando de separadores complementares e dispendiosos,

- e, em segundo lugar, o rendimento de eliminação da poluição.

[00138] As perdas de SS e a baixa dos rendimentos resultam, por fim, em uma grande limitação da produção de energia mas também a consideração dos fluxos poluentes residuais elevados para o dimensionamento do tratamento de acabamento que pode conduzir a custos extras incompatíveis com a rentabilidade de tratamento e a reciclagem da água tratada em processo.

[00139] Os testes foram efetuados, cujos resultados figuram na tabela 6 seguinte. [00140] Tabela 6: Influência de SS das vinhaças sobre o tratamento

Concentração de SS	1%	0,5%	0,2%	0,1%
DCO	39 g/l	35,5 g/l	30,5 g/l	30 g/l
DBO5	12 g/l	12,0 g/l	12 g/l	12 g/l
DCO/DBO5	3,25	3,96	2,54	2,5
Rendimento metanização	62,8%	69,8%	93,4%	96,7%
Tempo permanência no sistema de metanização	> 10 dias	> 10 dias	3 dias	3 dias
Produção metano em litro de CH4 por litro de vinhaça	7,9	8,1	9,98	10,15
% de energia produzida a partir da torta obtida para a seção em quantidade da destilação

[00141] Esta tabela 6 indica os resultados muito surpreendentes obtidos com teores de vinhaças (CO-PRODUTO 1) em SS de 0,2% e 0,1% que conduzem a tempos de permanência no sistema de metanização de 3 dias apenas, com rendimento de metanização superior a 90%.

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 31/80

21/21 [00142] Nesta tabela 6, para a definição do rendimento de metanização, trata-se do cálculo iguala: DCO de entrada - DCO de saída: DCO de entrada.

[00143] Para a definição da percentagem de energia produzida a partir da torta, a taxa de 100% teórica corresponde à totalidade das matérias secas contidas inicialmente nos mostos. A título de exemplo, trata-se da ordem de 55 a 65 kg por hectolitro de álcool produzido.

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 32/80

1/2

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo de metanização a partir de uma fase líquida que é um coproduto resultante da extração de um produto principal obtido a partir de uma matéria prima vegetal, caracterizado pelo fato de que o teor em peso de sólidos em suspensão (SS) na referida fase líquida é inferior a 0,20%, e o tratamento de metanização da referida fase líquida é efetuado por meio de um digestor tendo um rendimento superior a 90%.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o digestor é um leito de lamas granulares, fluidificadas, recirculadas ou expandidas em um ou vários estágios ou de lamas floculadas, de acordo com um fluxo ascendente da fase líquida.
3. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o digestor é um reator contendo um leito fluidificado de biomassa (culturas fixadas sobre um suporte livre móvel).
4. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o digestor é um reator de leito fixo de biomassa (cultura fixada sobre um suporte imóvel).
5. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o tratamento de metanização é efetuado ao longo de uma alimentação pulsada da referida fase líquida em um digestor do tipo “Anapulse”.
6. Processo de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o tratamento de metanização é efetuado por meio de um reator contendo um leito fluidificado de biomassa em um digestor do tipo “Anaflux”.
7. Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o tratamento de metanização é efetuado por meio de um reator contendo um leito fixo de biomassa sobre um suporte imóvel em um digestor do tipo “Anafiz”.
8. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que pelo menos um efluente resultante da metanização é submetido a uma etapa de extração e de descarbonatação, e que pelo menos uma

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 33/80

2/2 fração do efluente descarbonatado obtido é reciclada no topo da metanização.
9. Processo de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que a referida fração reciclada está compreendida entre 0 a 400% em peso de vinhaças e de flegmassas.
10. Processo de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que a fração do efluente descarbonatado que não é reciclada no topo da metanização é submetida a uma filtração apropriada para parar partículas de dimensões da ordem de 0,2 pm, notadamente as bactérias.
11. Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a referida filtração da fração do efluente descarbonatado que não é reciclada é realizada por osmose reversa.
12. Processo de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que, antes da referida filtração, a referida fração do efluente descarbonatado é submetida a um tratamento biológico da poluição carbonatada e/ou é nitrogenada, e/ou a um tratamento físico-químico da poluição fosforada.
13. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que o gás carbônico (CO₂), notadamente o gás carbônico produzido durante o processo é utilizado:

- para a neutralização da cal a fim de produzir a cal carbonatada,

- para a substituição parcial de pelo menos um ácido utilizado para a referida extração do produto principal.
14. Processo de acordo com a reivindicação 10 ou 11, caracterizado pelo fato de que 40 a 95% do efluente após tratamento metanização, de extração e de descarbonatação e filtração podem ser reciclados sob a forma de água isenta de bactérias.
15. Processo de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a filtração por osmose reversa produz também um retido que sofre em seguida uma etapa dita de evaporação-concentração, e em que os condensados recuperados após evaporação-concentração podem ser utilizados na forma de água.

Petição 870180051296, de 15/06/2018, pág. 34/80

1/5

FIGURA 1 ▼

Metanização

2/5

FIGURA 2

Matéria prima vegetal MPV

Preparação do mosto

Atividade biológica

Produto principal 4- Extração d o produto principal

Co-produto 2

Metanização s»«à««Hi^^Sft!a^g»!ÊâeíeeÉ&^!s^seStí3ías?0«3a»fe£a3iei5S

FIGURA 3A

3/5 i@â8g^aâSÈS3ÍES^SsSÈs£àtó!Z2$

4/5

FIGURA 3B >!

Reciclagem do efluente extraído e descarbonatado ir

5/5

FIGURA 3C