BRPI1100645B1 - Processo de transformação de vinhaça em adubo organo-mineral - Google Patents

Description

“PROCESSO DE TRANSFORMAÇÃO DE VINHAÇA EM ADUBO ORGANO-MINERAL” CAMPO DE APLICAÇÃO A presente patente de invenção refere-se ao processo industrial de transformação de vinhaça, particularmente os componentes residuários do processo de produção de etanol em usinas de cana de açúcar. Este componente é inicialmente concentrado em sólidos através de peneira molecular. Os resíduos já concentrados são secos em equipamento do tipo moinho-micronizador-secador transformando-se em pó seco que, depois de devidamente acondicionados, são utilizados como fertilizante agrícola em geral.

FUNDAMENTOS DA TÉCNICA O desenvolvimento industrial e tecnológico pelo qual passou o planeta no último século trouxe consigo um grande aumento no consumo de fertilizantes para suprir a crescente necessidade de melhorias de rendimento agrícola, particularmente a demanda de alimentos. É de conhecimento dos habilitados na área que o vinhoto, vinhaça ou restilo corresponde a um resíduo pastoso e malcheiroso que sobra após a destilação fracionada do caldo de cana de açúcar (garapa) fermentado, para a obtenção do etanol (álcool etílico). Sabe-se que para cada litro de álcool produzido, 12 litros de vinhoto são deixados como resíduo. Quando jogado nos rios ou mesmo no solo constituem uma séria fonte de poluição. Pode, no entanto, ser aproveitado na lavoura como substituto de fertilizantes, na produção de biogás ou na pecuária como complemento de alto teor protéico da ração animal.

Também é de conhecimento que para obtenção de fertilizantes é necessária a presença de componentes básicos, tais como o carbono orgânico, potássio, nitrogênio, fósforo e enxofre entre outros. Estes elementos básicos, devidamente dosados com utilização de formulação específica, são preparados em equipamento peculiar denominado moinho-micronizador-secador.

No caso do processo de preparação de fertilizante proveniente do resíduo da cana de açúcar, a primeira etapa se inicia com a adequação do referido resíduo na forma de vinhoto, restilo ou vinhaça. Este resíduo contém carbono na forma orgânica e quantidades significativas de sais orgânicos de potássio, nitrogênio e fósforo e deve ser tratado para que ocorra a remoção da água presente neste fluído. Os componentes mencionados estão presentes nos percentuais médios de: 97,88% de água, e 2,12% de sólidos. Estes sólidos têm aproximadamente a seguinte análise média. Matéria orgânica 1,575% ('onde se incluem 469mg/L de fenol), Potássio 0,3800%, Nitrogênio 0,0497%, Fósforo 0,0103%, cálcio 0,0723% e magnésio 0,0333%.

Portanto, uma quantidade expressiva de água, 80%, tem de ser extraída de forma econômica e eficiente a fim de evitar os altos custos de transporte da vinhaça até o canavial com objetivo de fertilização. O processo de remoção da maior parte da água é feito através de membrana fixada em peneira molecular vibratória de alta intensidade. Este equipamento de tecnologia inovadora, também conhecido como processo de cisalhamento auxiliado por vibração, que em virtude desta intensa vibração do conjunto de membranas osmóticas impede a aderência de substâncias incrustantes. Em decorrência deste método a operação é feita de forma contínua e uniforme com elevadas taxas de produção quando comparadas aos sistemas convencionais. Estes têm de compensar aquela vantagem pelo incremento de área das membranas e grandes vazões de fluido representando custos elevados do equipamento e de operação, além de terem interrupções periódicas para limpeza química com conseqüentes perdas de produção. O procedimento atualmente utilizado de descarte da vinhaça é oneroso por se utilizar de caminhões tanque ou de bombas centrífugas e de longas tubulações até o campo.

Outro problema relacionado à utilização da vinhaça em bruto é o conteúdo de fenol. É sabido que a presença deste componente torna a vinhaça tóxica e, portanto elemento poluente com restrições de lançamento no meio ambiente (CONAMA, Resolução 357). O fenol presente na vinhaça está numa concentração média de 469mg/L, sendo este valor aproximadamente mil vezes superior ao permitido para lançamento como efluente que é de 0,5mg/L.

Dessa forma, nenhum processo desenvolvido e utilizado nos dias de hoje, aproveitando a vinhaça concentrada como adubo é tão eficiente quanto o ora apresentado, descrito a seguir.

BREVE DESCRIÇÃO DO INVENTO O processo descrito na presente patente de invenção tem a finalidade de solucionar tanto problemas econômicos do descarte, concentração e destinação da vinhaça como, também, os problemas ambientais devido à toxidez decorrentes da presença de fenol. O presente processo elimina o fenol pela oxidação total com peróxido de hidrogênio, H202, através da reação de "Fenton. Assim, é preservada a matéria orgânica boa, o potássio, o fósforo e o nitrogênio, para poder serem utilizados sem problemas. A remoção final da água é feita em moinho secador auxiliado por gases quentes efluentes da caldeira geradora de vapor da usina.

DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A complementar a presente descrição de modo a obter uma melhor compreensão das características do presente invento e de acordo com uma preferencial realização prática do mesmo, acompanha a descrição, em anexo, um conjunto de desenhos, onde, de maneira exemplificada, embora não limitativa, se representou seu funcionamento: A figura 1 representa um fluxograma do processo de tratamento da vinhaça para obtenção de fertilizante.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

De acordo com o fluxograma, a presente invenção se refere a “PROCESSO DE TRANSFORMAÇÃO DE VINHAÇA EM ADUBO ORGANO-MINERAL” mais particularmente, trata-se de um processo industrial de transformação de vinhaça, ou seja, da transformação de residuários do processo de produção de etanol em usinas de cana de açúcar.

Segundo a presente invenção, como indicado no fluxograma anexo, a vinhaça (1) é proveniente da torre de destilação da usina (2) e é recebida na unidade recuperação de água e de preparo de adubo (URPA) através do fluxo de chegada (F1). A temperatura da vinhaça (1) é da ordem de 85-90°C, isto permite que se faça um aproveitamento do calor para aquecimento de água (3) de condicionamento periódico da peneira molecular (15). O fluxo aquoso vai ao aquecedor de água (4) onde entrega parte do calor para água de condicionamento das membranas, que circula através da linha (F2) e bomba centrífuga (5). A vinhaça levemente resfriada segue para a torre de resfriamento (6) com ar ambiente. Neste equipamento ocorre a redução de temperatura até nível desejado de 55°C e remoção também de certa quantidade de água pelo processo evaporativo. O fluxo prossegue para o tanque de armazenamento ou Tanque de Vinhaça Quente 55°C (7). A água aquecida, por sua vez, é armazenada no Tanque de Água Quente 55°C (8). A temperatura necessária à etapa seguinte é de 55°C, caso este valor oscile para cima ou para baixo haverá prejuízo na eficiência do sistema. Por este motivo o tanque depósito está provido de aquecedor/resfriador de calor (9a) e (9b) que tanto pode aquecer a vinhaça como resfriá-la, mantendo-se assim, via instrumentação e controle, o exato ponto de temperatura projetado. Estes detalhes podem ser vistos onde aparecem os símbolos de reciclo, para aquecimento ou resfriamento, do fluxograma anexo. A vinhaça saindo da torre de resfriamento (6) segue através de bomba centrífuga (10) para um filtro de linha (11) a fim de impedir a presença de materiais estranhos no fluxo que se processa. O líquido livre de partículas estranhas é estocado no tanque de vinhaça (7). Deste tanque o fluxo é novamente filtrado no filtro (12) a fim de garantir absoluta pureza do fluido antes de ser bombeado para a peneira molecular. As bombas centrífugas de alta pressão (13) e (14), de 40 a 60 bar, impulsionam a vinhaça para a peneira molecular (15). Estes valores elevados de pressão são necessários devido à pressão osmótica contrária e que tenta impedir o fluxo de água limpa através da barreira membrana osmótica.

Como todo processo onde se utilizam membranas osmóticas tem, como grande problema, o entupimento dos tecidos porosos, a peneira molecular (15) deste processo resolveu isto fazendo vibrar todo o conjunto numa alta frequência, preferencialmente entre 53 a 55Hz. Com esta inovação tecnológica foi possível atingir altos índices de pureza da água com grandes vazões (tipicamente 5.000 litros de água por hora, cada módulo) de líquido permeado. Tal efeito permitiu obter grande vantagem frente a outros processos, posto que a remoção de grandes quantidades de água com alto grau de pureza, tornou o processo eficiente e econômico para o reaproveitamento da referida água. O resultado obtido após a peneira molecular (15) são dois fluxos, um de água muito pura, destinada à utilização industrial, via tanque e bomba (16), outro para reposição nas torres de resfriamento (6) e (6a), lavagem da cana de açúcar, ou reposição nas caldeiras geradoras de vapor.

Nesta etapa do processo um nível muito alto de recuperação de água é atingido, mais de 80%. Então, a vinhaça, agora concentrada na ordem de 10% de sólidos totais segue para o reator de oxidação catalítica (17) para eliminação do fenol. Esta etapa é necessária, pois as concentrações de fenol subiram na proporção da remoção de água, ou seja, pelo menos cinco vezes, criando-se desta forma um problema maior ainda de disposição no campo pela mudança de patamar que já ultrapassa (469mg/L) para disposição ao solo da vinhaça. Caso houvesse a pretensão de permanecer com o mesmo sistema aceito atualmente de aspersão no campo.

No tanque de oxidação (17) provido de mexedor (17a), a vinhaça é continuamente adicionada de peróxido de hidrogênio, H202 catalisador sulfato de ferro FeS04 e acidulante H2S04 (ácido sulfúrico), a fim de ajustar o pH em 3 (três) pontos. As quantidades de reagentes são proporcionais ao teor de fenol presente, em dosagens um pouco maiores das estequiométricas a fim de garantir a completa oxidação do fenol. É importante ressaltar que a adição de ácido sulfúrico em nada compromete a qualidade do produto final, uma vez que as reações químicas o levarão a formação de sais, sem nenhum perigo ambiental. Caso se deseje e para que fique completamente garantido o estado de neutralidade química do produto, quantidades certas de carbonato de cálcio CaC03, podem ser adicionadas para se atingir pH em 7 (sete) pontos. A vinhaça pré-evaporada a 10%, e devidamente removida de fenol segue para a etapa final de micronização e remoção da água e adição eventual, se desejado, de outros dos componentes do adubo. Deste ponto em diante é possível transportar e utilizar a vinhaça concentrada no campo ou então em estado seco com 10-15% de umidade. O equipamento de micronização (18), cumpre a tarefa de remoção final da água desde 90% de umidade até 12-15%. O processo de micronização resulta numa névoa ou neblina que é água finamente dividida (1 a 5 micras) e que por este motivo fica em suspensão, sem, no entanto ser considerada vapor.

Através de um rotor interno (18a) girando a grande velocidade, acima de 200 metros por segundo a água é particionada da vinhaça em finas gotas (1 a 10 micras). Estas gotas de água juntamente com os sólidos da vinhaça são separadas no fluxo de ar via ciclone (18b) de configuração específica. O pó seco, agora denominado de adubo organo- mineral (AOM), sai do equipamento através de válvula rotativa e esteira (18c) diretamente para a unidade de ensacamento (19), armazenagem para posterior destinação como fertilizante no campo. Os gases quentes efluentes da caldeira, em estado bruto, com os particulados presentes são adicionados ao secador (18) para auxiliar na tarefa de remoção de água.

Cumprida esta fase retornam ao sistema de abatimento final de particulados para que se evite qualquer poluição ao meio ambiente.

Importante mencionar que o concentrado na forma líquida, sem fenol, pode ser lançado no campo como adubo, bem como pode ser reduzido a um adubo em pó ou grãos como acima explicado. É certo que quando o presente invento for colocado em pratica, poderão ser introduzidas modificações no que se refere a certos detalhes de construção e forma, sem que isso implique afastar-se dos princípios fundamentais que estão claramente substanciados no quadro reivindicatório, ficando assim entendido que a terminologia empregada teve a finalidade de não limitação.

Referências: 1 GARCIA, I.G., VENCESLADA, B.,PENA,P.R.L.,GOMÉZ,E.R., Biodegradation of phenol compounds in vinasse using Aspergillius terreus and Geotrichum canditum, Water Research, v. 31,n.8,p.2005-2011,1997. 1 H.J.H. Fenton descobriu em 1894 que vários metais têm propriedades especiais de transferência de oxigênio que melhoram a utilização de peróxido de hidrogênio. Na verdade, alguns metais têm um forte poder de catalisador para gerar altamente reativos radicais hidroxila (. OH). Desde esta descoberta, o ferro usado com catalisador do peróxido de hidrogênio tem sido chamado de reação de Fenton. Atualmente, a reação do Fenton é utilizada para tratar uma grande variedade de poluição da água, tais como fenóis, formaldeído, BTEX e pesticidas químicos, borracha, etc.

Claims (14)

1) “PROCESSO DE TRANSFORMAÇÃO DE VINHAÇA EM ADUBO ORGANO-MINERAL” mais particularmente, trata-se de um processo industrial de transformação de residuários do processo de produção de etanol em usinas de cana de açúcar; caracterizado por o processo de transformação compreender as etapas de (i) recuperação da água industrial, (ii) detoxificação da vinhaça, (iii) secagem da vinhaça, (iv) retirada do pó seco e (v) armazenamento do adubo organo-mineral; o processo transcorre na seguinte sequência: a) a vinhaça (1) é proveniente da torre de destilação da usina (2) é recebida na unidade recuperação de água e de preparo de adubo (URPA) através do fluxo de chegada (F1); b) o fluxo aquoso no aquecedor de água (4) onde entrega parte do calor para água de condicionamento das membranas que circula através da linha (F2) e bomba centrífuga (5); c) a vinhaça, levemente resfriada, é direcionada para a torre de resfriamento (6) com ar ambiente; d) o fluxo prossegue para o tanque de armazenamento ou Tanque de Vinhaça Quente 55°C (7); e) a água aquecida é armazenada no Tanque de Água Quente 55°C (8); f) a vinhaça sai da torre de resfriamento (6) e segue através de bomba centrífuga (10) para um filtro de linha (11); g) o líquido livre de partículas estranhas é estocado no tanque de vinhaça (7); h) do tanque (7) o fluxo é novamente filtrado (12) antes de ser bombeado para a peneira molecular (15) através das bombas centrífugas de alta pressão (13) e (14); i) da peneira molecular (15) são resultantes dois fluxos, um de água muito pura de utilização industrial, via tanque e bomba (16), outro para reposição nas torres de resfriamento (6) e (6a), lavagem da cana de açúcar ou reposição nas caldeiras geradoras de vapor; j) a vinhaça, agora concentrada na ordem de 10% de sólidos totais, segue para o reator de oxidação catalítica (17) provido de mexedor (17a) para, através da adição continuada de reagentes, obter o adubo organo-mineral (AOM) com fenol eliminado e com ajuste do pH; k) a vinhaça, pré-evaporada a 10% e devidamente removida de fenol, segue para a etapa final de micronização e remoção da água no equipamento de micronização (18); l) através de um rotor interno (18a), com velocidade acima de 200 metros por segundo, a água é particionada da vinhaça em finas gotas (1 a 10 micras); estas gotas de água juntamente com os sólidos da vinhaça são separadas no fluxo de ar via ciclone (18b) de configuração específica; m) o pó seco ou adubo organo-mineral (AOM) sai do equipamento através de válvula rotativa e esteira (18c) diretamente para a unidade de ensacamento (19), armazenagem e posterior destinação como fertilizante; e n) os gases quentes efluentes da caldeira, em estado bruto, com os particulados presentes são adicionados ao secador (18) de remoção de água.

2) “PROCESSO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela temperatura da vinhaça (1), proveniente da torre de destilação da usina (2), ser da ordem de 85-90°C.

3) “PROCESSO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pela torre de resfriamento (6) promover a redução de temperatura da vinhaça até o nível desejado de 55°C e remover certa quantidade de água pelo processo evaporativo.

4) “PROCESSO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo no Tanque de Água Quente 55°C (8) ser provido de aquecedor/resfriador de calor (9a) e (9b) que tanto aquece com resfria a vinhaça com controle de temperatura via instrumentação, de maneira a manter o exato ponto de temperatura projetado.

5) “PROCESSO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelas bombas centrífugas de alta pressão (13) e (14) serem da ordem de 40 a 60 bar.

6) “PROCESSO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelas membranas osmóticas da peneira molecular (15) vibrarem em alta frequência, preferencialmente entre 53 a 55Hz.

7) “PROCESSO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo equipamento de micronização (18) remover 90% de umidade de água, alcançando um índice de umidade da vinhaça entre 12-15%.

8) “PROCESSO”, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo processo de micronização resultar numa névoa ou neblina de água dividida entre 1 a 5 micras.

9) “PROCESSO” de acordo com a reivindicação 1, particularmente em relação às etapas “j”, “k”, Ί” e “m”, caracterizado pelo fato de no tanque de oxidação (17), a vinhaça ser continuamente adicionada de peróxido de hidrogênio, H2O2 catalisador sulfato de ferro FeS04 e acidulante H2S04 (ácido sulfúrico).

10) “PROCESSO” de acordo com as reivindicações 1 e 9 e numa opção preferencial, caracterizado pelo ajuste do pH ser de 3 (três) pontos.

11) “PROCESSO” de acordo com as reivindicações 1 e 9 e numa opção alternativa que garante o estado de neutralidade química do adubo (AOM), caracterizado pelo fato de ser adicionado carbonato de cálcio CaC03 até que se atinja pH em 7 (sete) pontos.

12) “ADUBO ORGANO-MINERAL” obtido pelo processo de transformação da vinhaça descrito nas reivindicações de 1 a 11, caracterizado pela vinhaça ser apresentada concentrada em estado seco com 10-15% de umidade.

13) “ADUBO ORGANO-MINERAL” de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo adubo organo-mineral (AOM) poder ser apresentado na forma líquido concentrado, sem fenol.

14) “ADUBO ORGANO-MINERAL” de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo adubo organo-mineral (AOM) poder ser incrementado de outros componentes e serapresentado na forma de pó ou grãos.