ES2226906T3 - Aparatos y metodo para extraccion de biomasa. - Google Patents
Aparatos y metodo para extraccion de biomasa.Info
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Abstract
Aparato (10) para extraer residuo disolvente de un lecho de biomasa (112), que comprende un vaso de extracción (11) para contener biomasa, que permite que un disolvente o mezcla de disolventes entre en contacto con la biomasa allí dentro para efectuar la extracción; una fuente (19) de vapor conectable para suministrar vapor a la biomasa en el vaso de extracción (11); un separador para separación de vapor que ha entrado en contacto con biomasa en el vaso de extracción (11) y disolvente arrastrado en el mismo; y una línea de suministro (23), para vapor / disolvente, que es interconectable selectivamente entre el vaso de extracción (11) y el separador (24) para permitir el paso de vapor y disolvente arrastrado en el mismo hacia el separador (24) donde el separador (24) incluye una entrada para recibir vapor y disolvente del vaso de extracción y una salida (25), estando conectada operativamente la salida a un condensador para condensar el vapor tras la extracción del disolvente del mismo por medio del separador (24).
Description
Aparatos y método para la extracción de
biomasa.
Esta invención concierne a aparatos y a un método
para "extracción" de biomasa. Esto es, la extracción de
sabores, fragancias o ingredientes farmacéuticamente activos de
materiales de origen natural (estos materiales se denominan
"biomasa").
Los ejemplos de materiales de biomasa incluyen
pero no se limitan a sustancias saborizantes o aromáticas como
cilantro, clavos, anís estrellado, café, zumo de naranja, semillas
de hinojo, comino, jengibre, y otras clases de cortezas, hojas,
flores, frutos, raíces, rizomas y semillas. La biomasa también puede
extraerse en forma de sustancias biológicamente activas como
pesticidas y sustancias farmacéuticamente activas o precursores de
las mismas, obtenibles por ejemplo de material de planta, de un
cultivo celular o caldo de fermentación.
Existe interés creciente técnico y comercial en
el uso de disolventes casi críticos en tales procesos de extracción.
Los ejemplos de tales disolventes incluyen dióxido de carbono
licuado o, de interés especial, una familia de disolventes basados
en especies orgánicas hidrofluorocarbonadas ("HFC").
Con el término "hidrofluorocarbonado" nos
estamos refiriendo a materiales que contienen sólo átomos de
carbono, hidrógeno y flúor y que por tanto están libres de
cloro.
Los hidrofluorocarbonados preferidos son
hidrofluoroalcanos y particularmente los hidrofluoroalcanos
C_{1-4}. Ejemplos apropiados de hidrofluoroalcanos
C_{1-4} que se pueden emplear como disolventes
incluyen, entre otros, trifluorometano (R-23),
fluorometano (R-41), difluorometano
(R-32), pentafluoroetano (R-125),
1,1,1-trifluoroetano
(R-143a),1,1,2,2-tetrafluoroetano
(R-134), 1,1,1,2-tetrafluoroetano
(R-134a), 1,1-difluoroetano
(R-152a), heptafluoropropanos y especialmente
1,1,1,2,3,3,3-heptafluoropropano
(R-227ea),
1,1,1,2,3,3-hexafluoropropano
(R-236ea),
1,1,1,2,2,3-hexafluoropropano
(R-236cb),
1,1,1,3,3,3-hexafluoropropano
(R-236fa),
1,1,1,3,3-pentafluoropropano
(R-245fa),
1,1,2,2,3-pentafluoropropano
(R-245ca),
1,1,1,2,3-pentafluoropropano
(R-245eb),
1,1,2,3,3-pentafluoropropano
(R-245ea) y
1,1,1,3,3-pentafluorobutano
(R-365mfc). Si se desea se pueden usar mezclas de
dos o más hidrofluorocarbonados.
Son preferidos R-134a,
R-227ea, R-32,
R-125, R-245ca y
R-245fa.
Un hidrofluorocarbonado especialmente preferido
para su uso en la presente invención es
1,1,1,2-tetrafluoroetano
(R-134a).
Es posible realizar extracción de biomasa
empleando otros disolventes, tales como clorofluorocarbonados
("CFC's") e hidroclorofluorocarbonados ("HCFC's") y/o
mezclas de disolventes. Los CFC's y los HCFC's no se autorizan para
usos alimentarios y consecuentemente se emplean raramente en
procesos de extracción en los que se pretende que el residuo vacío
de biomasa se use, por ejemplo, como alimento animal.
Los procesos conocidos de extracción empleando
estos disolventes normalmente se llevan a cabo en equipos de
extracción en ciclo cerrado. En la Fig. 1 se muestra un ejemplo
típico 10 de tal sistema.
En este sistema típico, el disolvente licuado se
deja filtrar por gravedad en flujo de caída a través de un lecho de
biomasa mantenido en un recipiente 11. Desde allí fluye hasta un
evaporador 11, donde se vaporiza el disolvente volátil mediante
intercambio de calor con un fluido caliente. Luego se comprime el
vapor del evaporador 12 mediante un compresor 13. Luego, el vapor
comprimido se alimenta a un condensador 14 donde se licúa mediante
intercambio de calor con un fluido frío. Luego el disolvente licuado
se recoge opcionalmente en un recipiente intermedio de
almacenamiento 15 o se devuelve (línea 16) directamente al
recipiente de extracción 11 para completar el circuito.
Una de las áreas claves de interés que se
relaciona con el uso de disolventes tal como se emplean en procesos
de extracción de biomasa es el elevado nivel de disolvente residual
en el material de biomasa después de finalizar la extracción. Los
altos niveles de disolvente HFC (u otro) se pueden considerar
indeseables en varios aspectos:
- \bullet
- liberación de HFC a la atmósfera
- \bullet
- pérdidas de HFC en el proceso de reciclado aumentando más los costes
- \bullet
- relleno, incineración, compostaje y otras publicaciones regulatorias sobre eliminación de biomasa
- \bullet
- conformidad en el uso de biomasa exprimida como suplemento de alimentación animal
Con el fin de mejorar la tasa de extracción de
disolvente, normalmente la biomasa se corta o muele de alguna forma
para incrementar el área superficial en contacto con el disolvente
de extracción. Aunque aumenta convenientemente la tasa de extracción
de los componentes deseados durante el proceso de extracción de
biomasa, esta área superficial aumentada actúa para aumentar la
cantidad de disolvente que puede quedar absorbido sobre y en la
biomasa tras la extracción. Algún método eficiente en coste de
conseguir niveles aceptables de disolvente HFC residual en la
biomasa agotada sería claramente de valor significativo en el
desarrollo de la tecno-
logía.
logía.
Una combinación de evacuación y calor (por
ejemplo, usando una camisa calefactora rodeando al vaso de
extracción 11) puede actuar para reducir los niveles de disolvente
residual en la biomasa en un periodo de tiempo. Sin embargo, este
método tiene varias desventajas potenciales que incluyen:
- \bullet
- tiempo prolongado de evacuación para conseguir bajos niveles de residuo
- \bullet
- pobre transferencia de calor al lecho empacado de biomasa desde la camisa del vaso produciendo un calentamiento irregular y posible deterioro térmico de la biomasa (carbonización, caramelización, etc.)
Esta carbonización y caramelización son
especialmente indeseables porque pueden impactar negativamente en el
valor comercial de los extractos de biomasa.
La DE-A-3538745
desvela un método para extraer residuos de disolvente de biomasa. El
método de la DE-A-3538745 incluye el
paso de transportar residuo de biomasa, con disolvente absorbido
sobre la misma, en un contenedor desde un vaso de extracción de
biomasa a un vaso separado (es decir,
desdisolventizador-tostador).
El objeto de este transporte de residuo
contaminado parece ser permitir al vaso de extracción que quede
disponible para una campaña de extracción adicional tan pronto como
sea posible tras la finalización de la campaña precedente.
Sin embargo, el método de la
DE-A-3538745 no tiene en cuenta las
dificultades de hermetización del contenedor de transporte contra la
pérdida de disolvente. Este problema es especialmente agudo cuando
el disolvente empleado es de más elevada volatilidad que el
disolvente hexano propuesto en la
DE-A-3538745.
Según un primer aspecto de la invención se
proporciona un aparato como el definido en la reivindicación 1.
El uso del aparato de vapor quita ventajosamente
disolvente (que es típicamente un HFC como 1,1,1,2-
tetrafluoroetano, o mezclas de HFC's) de la biomasa. Luego el
disolvente se introduce en el vapor y se conduce al separador, donde
se separan el disolvente y el vapor para permitir la recuperación o
eliminación del disolvente.
El aparato según la invención incluye un
condensador flujo adelante del separador, para condensar el vapor y
facilitar la separación del disolvente y del vapor.
En uso del aparato, el vapor puede entrar en
contacto con la biomasa una vez; u opcionalmente el aparato puede
incluir medios como tuberías y válvulas para permitir que el vapor
entre en contacto con la biomasa más de una vez.
Preferiblemente, el generador de vapor suministra
vapor a o casi a la presión atmosférica.
Alternativamente, el generador de vapor
suministra vapor a presión superatmosférica.
En realizaciones preferidas el separador es o
incluye un material adsorbente para sacar el disolvente introducido
con el vapor. Más preferiblemente, el material adsorbente es o
incluye carbón activado. Estas peculiaridades hacen convenientemente
al disolvente adecuado para reciclaje o permiten la rápida
eliminación del disolvente.
El material adsorbente de filtro puede asimismo
actuar para reducir cualesquiera materiales orgánicos volatilizados
presentes en la biomasa agotada, mejorando de nuevo la calidad del
condensado efluente. Dependiendo de la naturaleza del adsorbente y
del atractivo económico, se puede obtener un vapor concentrado de
HFC recuperado a partir de la regeneración térmica del adsorbente.
Alternativamente, el adsorbente cargado proporciona un
empaquetamiento conveniente, compacto y eficiente en coste para una
eliminación adecuada.
La reivindicación 6 define una forma preferida de
vaso extractor. La finalidad de una conexión opcional a un vacío o
aspiración es permitir la evacuación del vaso el final de la
extracción de biomasa, extrayendo del vaso por tanto del vaso la
mayor parte del disolvente de allí. Esto significa que el vapor
sirve principalmente para sacar disolvente que está adsorbido en la
superficie de la biomasa.
La conexión al vacío se puede usar
convenientemente asimismo para purgar el vaso de por ejemplo, agua,
cuando se necesite extraer un nuevo lecho de biomasa.
Preferiblemente, el vaso de extracción es
vertical en su uso, con la entrada en su extremo inferior y la
salida en su extremo superior. Esto permite ventajosamente la carga
del vaso de extracción con un lecho empacado de biomasa. Este lecho
empacado puede ocupar sustancialmente la sección transversal
completa de parte del vaso ventajosamente.
Esta disposición tiene ventajas en la reducción
de consumo de energía del aparato de extracción de biomasa mostrado
en la Fig. 1.
El vaso de extracción puede incluir opcionalmente
una camisa condensadora (enfriamiento) operable selectivamente. Esto
permite que la condensación de vapor se produzca ventajosamente
dentro del vaso de extracción.
Preferiblemente, el vaso de extracción incluye
aislamiento térmico. Esto reduce ventajosamente la transferencia de
calor desde el vaso durante los procesos de extracción de biomasa y
desorción (recuperación de disolvente).
De acuerdo con un segundo aspecto de la invención
se provee un método como el definido en la reivindicación 12. Este
método se puede poner en práctica convenientemente usando un aparato
como el definido aquí.
En las reivindicaciones 13 a 17 se definen nuevas
características ventajosas del método.
El método de la invención es superior al simple
calentamiento y/o evacuación porque
- \bullet
- la temperatura de la biomasa es elevada rápida y directamente por medio de un íntimo contacto con vapor
- \bullet
- el flujo de vapor actúa para mantener una baja presión parcial de disolvente HFC en el espacio de vapor alrededor de la biomasa añadiendo así transferencia de HFC desde la biomasa al flujo de vapor
- \bullet
- el agua del vapor es probable que actúe para desplazar HFC de la superficie de la biomasa por medio de adsorción preferencial mejorando adicionalmente así la tasa y eficiencia de adsorción en relación con el flujo de otros gases como nitrógeno.
Sigue ahora una descripción de una realización
preferida de la invención por vía de ejemplo no limitador,
haciéndose referencia a los dibujos que se acompañan en los que:
la Fig. 1 es una representación esquemática de un
circuito de extracción de biomasa en bucle cerrado de la técnica
anterior; y
la Fig. 2 es una representación esquemática del
aparato según la invención, que se puede incluir en el circuito de
la Fig. 1.
En referencia a la Fig. 2, se muestra en ella una
parte del circuito de la Fig. 1, modificado de acuerdo con la
invención. El resto del circuito en parte ilustrado en la Fig. 2 es
tal como muestra la Fig. 1.
La Fig. 2 muestra el vaso de extracción 11 del
aparato de la Fig. 1, en forma de cilindro hueco cerrado en los
extremos 11a, 11b y estando construido en la realización preferida
de tubo rebordeado. En la realización preferida, el vaso 11 es
vertical como se muestra, aunque son posibles otras orientaciones,
por ejemplo, inclinado u horizontal. En el uso del aparato un lecho
empacado 112 de biomasa es soportado dentro del vaso de extracción
11, siendo la sección transversal del lecho empacado 112
sustancialmente la misma que la sección transversal completa del
vaso 11 en una parte sustancial de su longitud.
El vaso 11 se emplea para extracción de biomasa,
durante la cual un disolvente como HFC se alimenta al fondo 11a del
vaso 11 vía una entrada 113. El disolvente pasa hacia arriba a
través de la biomasa, entrando en contacto con ella y arrastrando
extracto de biomasa. La mezcla de disolvente y extracto es conducida
vía la salida 114 y línea de desagüe 115 al resto del circuito de
extracción de la Fig. 1. En otras palabras, el licor disolvente /
extracto pasa vía línea 115 al evaporador 12 de la Fig. 1.
También se puede conectar a la entrada 13 una
fuente de vapor (por ejemplo, el suministro de vapor de la factoría,
o un generador de vapor) desde una línea 19. Esto se consigue por
ejemplo, por medio de una válvula de control de flujo 17 a la que se
conectan la línea de disolvente 18 y la línea de vapor 19. La
válvula de control de flujo es operable por ejemplo, por control
computerizado para dirigir al disolvente de la línea 18 o al vapor
de la línea 19 vía la entrada 13.
Por tanto, la línea de vapor es conectable para
suministro de vapor a presión atmosférica o superatmosférica a la
biomasa en el vaso 11.
La línea de vapor 19 incluye una válvula de
drenaje opcional 27 para drenar fluido a partir de la línea 19.
Una válvula de control de flujo es operable por
ejemplo, por control computerizado, para conectar la salida 114 a la
línea de desagüe 115 de disolvente / extracto; a aspiración o a
vacío (generado, por ejemplo, por una bomba de vacío) 21 (con fines
descritos más adelante); o a una línea adicional de vapor 23 para
desaguar vapor, que ha entrado en contacto con biomasa y a
disolvente arrastrado con el mismo, hasta un separador en forma de
separador hueco 24, en comunicación fluida con la línea 23 y que
contiene un material adsorbente como carbón activado.
Cuando se controla a la válvula 20 para conectar
la salida 114 a la línea de vapor 23, el vapor y el disolvente pasan
al contenedor 24 donde el material adsorbente separa al vapor y al
disolvente uno del otro.
Como se muestra en la Fig. 2, el contenedor 24
incluye una salida 25 separada de la línea 23, por medio de la cual
el vapor pasa a un contenedor (no mostrado) y de aquí, en forma
líquida, a un desagüe de efluente o depósito.
Otras características opcionales del aparato, que
pueden mejorar la utilización de energía en funcionamiento, incluyen
pero no se limitan a:
- \bullet
- recuperación de calor del condensado al agua de alimentación del generador de vapor
- \bullet
- empleo de una camisa alrededor del vaso de extracción como condensador de vapor para minimizar la condensación dentro del vaso de extracción durante la desorción.
- \bullet
- empleo de un vaso de extracción aislado para mantener la temperatura interna del vaso durante ambas etapas de extracción y desorción
El aparato puede incluir también opcionalmente un
bucle de recirculación conmutable para el vapor, con el que se puede
provocar que el vapor entre en contacto con la biomasa más de una
vez. El bucle de recirculación puede estar constituido por la línea
26, mostrada en línea discontinua en la Fig. 2. El flujo de vapor
vía la línea 26 puede estar determinado mediante, por ejemplo,
válvulas controladas por computador que conectan la línea 26 a la
entrada 113 y a la salida 114 en cualquier extremo. El grado de
empleo de una cantidad dada de vapor se determinaría por el grado en
que se satura con el disolvente.
En funcionamiento del aparato de la Fig. 2, a
continuación de la terminación de extracción de biomasa, la válvula
17 se cierra de manera que no entre en el vaso 11 ni disolvente (de
la línea 18) ni vapor (de la línea 19).
Luego la salida 114 se conecta, mediante la
operación de la válvula 20, al vacío 20. Seguidamente, la mayor
parte del disolvente líquido del vaso 11 es succionado del vaso 11
vía la línea de vacío 21, hasta que el disolvente que queda en el
vaso 11 está constituido sustancialmente por disolvente adsorbido en
la biomasa.
En este punto se opera la válvula 20 para
conectar la salida 114 a la línea 23 y se opera la válvula 17 para
conectar la entrada 113 a la línea de vapor 19. Luego el vapor fluye
dentro del vaso 11 y entra en contacto con la biomasa, eliminando
por esto el disolvente de la biomasa y conduciéndolo vía la línea 23
al separador constituido por el contenedor 24 y el material
adsorbente de allí dentro.
Si está presente la línea 26, algo o todo el
vapor se puede reciclar una o más veces, empleando el control de las
distintas válvulas del aparato, de forma que el vapor entra en
contacto con la biomasa más de una vez.
Tras pasar a través del material adsorbente del
contenedor 24, el vapor pasa vía la línea 25 a condensación y
desagüe.
Después de que la desorción de disolvente de la
biomasa está completa, se descarga la biomasa del vaso de extracción
y se recarga el vaso con biomasa nueva y se evacua empleando el
vacío 21 antes de la introducción de nuevo disolvente del circuito
de extracción de disolvente.
A continuación del proceso de desorción se puede
sacar si se desea el material adsorbente del contenedor 24 y se
puede calentar para recuperar del mismo el disolvente.
Alternativamente, el material adsorbente que
incluye disolvente adsorbido se puede eliminar en por ejemplo, un
basurero o por incineración.
Si el aparato incluye un generador de vapor, se
puede emplear convenientemente el calor del condensador de vapor
como precalentamiento de agua para el generador de vapor.
Claims (17)
1. Aparato (10) para extraer residuo disolvente
de un lecho de biomasa (112), que comprende un vaso de extracción
(11) para contener biomasa, que permite que un disolvente o mezcla
de disolventes entre en contacto con la biomasa allí dentro para
efectuar la extracción; una fuente (19) de vapor conectable para
suministrar vapor a la biomasa en el vaso de extracción (11); un
separador para separación de vapor que ha entrado en contacto con
biomasa en el vaso de extracción (11) y disolvente arrastrado en el
mismo; y una línea de suministro (23), para vapor / disolvente, que
es interconectable selectivamente entre el vaso de extracción (11) y
el separador (24) para permitir el paso de vapor y disolvente
arrastrado en el mismo hacia el separador (24) donde el separador
(24) incluye una entrada para recibir vapor y disolvente del vaso de
extracción y una salida (25), estando conectada operativamente la
salida a un condensador para condensar el vapor tras la extracción
del disolvente del mismo por medio del separador (24).
2. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1
donde la fuente (19) de vapor suministra vapor a presión
atmosférica.
3. Aparato de acuerdo con la reivindicación 1
donde la fuente (19) de vapor suministra vapor a presión
superatmosférica.
4. Aparato de acuerdo con cualquier
reivindicación precedente donde el separador (24) es o incluye un
material adsorbente para extraer disolvente arrastrado con el
vapor.
5. Aparato de acuerdo con la reivindicación 4
donde el material adsorbente es o incluye carbón activo.
6. Aparato de acuerdo con cualquier
reivindicación precedente donde el vaso de extracción (11) es una
cámara cilíndrica cerrada por ambos extremos y con una entrada (113)
en un extremo y una salida (114) en su otro extremo, siendo el
interior hueco de la cámara para contener la biomasa, siendo la
entrada (113) conectable selectivamente a la fuente de disolvente
(18) y a la fuente de vapor (19); y la salida (114) del vaso de
extracción (11) siendo conectable selectivamente como parte de un
circuito para recuperar extracto de biomasa; a un vacío (21); o a
dicho separador (24).
7. Aparato de acuerdo con la reivindicación 6,
donde el vaso de extracción (11) es vertical en uso, con la entrada
(113) en su extremo inferior y la salida (114) en su extremo
superior.
8. Aparato de acuerdo con cualquier
reivindicación precedente, donde el vaso de extracción contiene un
lecho empacado (112) de biomasa.
9. Aparato de acuerdo con la reivindicación 8
donde el lecho empacado (112) de biomasa ocupa sustancialmente la
sección transversal completa de al menos una parte del vaso de
extracción (11).
10. Aparato de acuerdo con cualquier
reivindicación precedente que incluye una camisa condensadora de
vapor alrededor de al menos parte del vaso de extracción (11).
11. Aparato de acuerdo con cualquier
reivindicación precedente que incluye aislamiento térmico para el
vaso de extracción (11).
12. Un método para extraer residuos de disolvente
de un lecho (112) de biomasa en un vaso de extracción (11), que
comprende poner en contacto la biomasa con vapor en el vaso de
extracción (11); pasar el vapor y el disolvente arrastrado con el
mismo a un separador (24); separar en vapor y el disolvente uno de
otro en el separador (24); y condensar el vapor tras pasarlo por el
separador (24).
13. Un método de acuerdo con la reivindicación 12
donde el paso de separación incluye poner en contacto un adsorbente
con la mezcla vapor / disolvente.
14. Un método de acuerdo con la reivindicación 12
o la reivindicación 13 que incluye el paso de evacuar
sustancialmente el vaso (11) antes de que el vapor entre en
contacto con la biomasa.
15. Un método de acuerdo con la reivindicación 13
o con cualquier reivindicación dependiente de aquella, que incluye
el paso de calentar el adsorbente para recuperar disolvente del
mismo.
16. Un método de acuerdo con la reivindicación 13
y la reivindicación 14 cuando dependa de aquella que incluye el paso
de desechar el adsorbente y el disolvente con aquél.
17. Un método de acuerdo con la reivindicación 12
o con cualquier reivindicación dependiente de aquella, donde el paso
de condensar el vapor incluye recuperar el calor del condensado y
emplear el calor recuperado para precalentar agua para generación de
vapor.
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