ES2372890T3 - Licuefacción de biomasa basada en almidón. - Google Patents

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John Gervase Mark Heathcote
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Abstract

Un proceso para el tratamiento de una corriente de alimentación basada en almidón, que comprende: mezclar juntos la corriente de alimentación basada en almidón y un fluido de trabajo para formar una suspensión; hidratar la corriente de alimentación basada en almidón con el fluido de trabajo; añadir una enzima de licuefacción a la suspensión; bombear la suspensión al interior de un conducto (22) de diámetro considerablemente constante de un dispositivo (100) de activación de almidón; e inyectar un fluido de transporte a velocidad elevada en el interior de la suspensión a través de la boquilla (38) que comunica con el conducto (22), hidratando de este modo la corriente de alimentación basada en almidón y activando el contenido de almidón de la suspensión; en el que el fluido de trabajo es agua y el fluido de transporte es vapor.

Description

Licuefacci6n de biomasa basada en almid6n
Campo de la invenci6n
La invenci6n se refiere a un proceso de tratamiento de biomasa apropiado para su uso en la producci6n de biocombustible. De manera mas especifica, la presente invenci6n se refiere a un proceso mejorado y a un aparato para convertir biomasa con base de almid6n en azucares para la posterior fermentaci6n.
El proceso para convertir la biomasa con base de almid6n en azucares resulta conocido en la producci6n de biocombustible como licuefacci6n. Este proceso de licuefacci6n implica extraer almid6n de la corriente de alimentaci6n basada en almid6n y posteriormente convertir el almid6n extraido en polisacaridos de cadena corta para su posterior sacarificaci6n, fermentaci6n y destilaci6n para dar lugar a un alcohol tal como etanol, por ejemplo.
Tipicamente, los procesos de licuefacci6n implican la etapa de hidrataci6n inicial de mezcla de la corriente de alimentaci6n con base de almid6n molida con agua para formar una suspensi6n. El agua se puede pre-calentar antes de mezclarse con la corriente de alimentaci6n. De manera adicional, la suspensi6n se puede calentar en un recipiente con el fin de activar el almid6n, y posteriormente se calienta de nuevo y se mezcla con la enzima de licuefacci6n con el fin de convertir el almid6n en azucares de cadena corta. Tipicamente, la etapa de activaci6n usa tanques con camisa de vapor o calentamiento con rociado de vapor para calentar la suspensi6n hasta la temperatura deseada. Al mismo tiempo los dispositivos de mezcla de agitaci6n, los bucles de recirculaci6n de la suspensi6n o una combinaci6n de los provocan la mezcla de la suspensi6n. No obstante, a pesar de la presencia de las bombas de recirculaci6n, estos metodos de calentamiento pueden dar lugar a la creaci6n de zonas en el tanque de la suspensi6n o en el recipiente en las que la temperatura sea mucho mayor que en el resto del tanque. En dichos procesos "de liberaci6n lenta", el almid6n hidratado al comienzo del proceso puede verse danado si entra en contacto con estas zonas de alta temperatura, dando lugar a un rendimiento menor. Estas configuraciones tampoco proporcionan una mezcla particularmente eficaz, como queda evidenciado por el problema de dano de calor comentado anteriormente.
Normalmente, los procesos convencionales usan recipientes separados para las etapas de activaci6n y conversi6n del proceso. Normalmente, la transferencia de la suspensi6n desde el recipiente de activaci6n hasta el recipiente de la etapa de conversi6n se consigue usando bombas centrifugas, que imparten una elevada fuerza de cizalladura sobre la suspensi6n y como resultado de ello provocan dano sobre el almid6n hidratado. La etapa de conversi6n tambien puede usar tanques con camisa de vapor o con camisa de agua, o los tanques se puede calentar por medio de dispositivos de calentamiento por rocio, para elevar la temperatura de la suspensi6n hasta el nivel apropiado para el rendimiento 6ptimo de la enzima. De manera alternativa, se emplean dispositivos de cocci6n de chorro para calentar la suspensi6n que entra en el interior del recipiente de la etapa de conversi6n. La suspensi6n no solo puede sufrir el mismo dano por calor que en la etapa de inactivaci6n, sino que las zonas de temperatura tambien contribuye a limitar el rendimiento de glucosa del proceso. El calor excesivo de estas zonas favorece las reacciones de Maillard, donde las moleculas de azucar se destruyen debido a la interacci6n con las proteinas tambien presentes en la suspensi6n. La combinaci6n de estas perdidas de Maillard con las perdidas por cizalladura procedentes de las bombas de transferencia limita el rendimiento disponible de glucosa. De manera adicional, los procesos de licuefacci6n existentes requieren un largo tiempo de residencia de la suspensi6n en la etapa de conversi6n con el fin de garantizar que se convierte tanto almid6n como sea posible en azucares. Esto conduce a un proceso de producci6n mas largo con mayores costes. Es un objetivo de la presente invenci6n mitigar u obviar una o mas de estas desventajas. Dos patentes describen un proceso (documento de Gran Bretana 1028211) y un aparato correspondiente (patente de Gran Bretana 995660) para preparar glucosa o maltosa a partir de almid6n, en las que se mezcla una suspensi6n acuosa de almid6n con una alfa-amilasa en un tanque, y se somete a gelatinizaci6n y licuefacci6n en un recipiente, en el que se calienta hasta 95 oC por medio de mezcla con vapor procedente de una tuberia y se somete a fuerzas de impacto y/o de cizalladura. El aparato comprende un tubo que tiene al menos un estrechamiento a traves del cual se pasa la suspensi6n de almid6n, y que presenta en la pared del tubo, mas alla del estrechamiento en la zona de transici6n hasta el corte transversal completo, uno o mas orificios de entrada para el vapor o para la disoluci6n quimica.
De acuerdo con un primer aspecto de la presente invenci6n, se proporciona un proceso para el tratamiento de una corriente de alimentaci6n basada en almid6n, que comprende:
mezclar juntos la corriente de alimentaci6n basada en almid6n y un fluido de trabajo para formar una suspensi6n;
hidratar la corriente de alimentaci6n basada en almid6n con el fluido de trabajo;
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anadir una enzima de licuefacci6n a la suspensi6n y bombear la suspensi6n hacia el interior de un conducto de diametro considerablemente constante de un dispositivo de activaci6n de almid6n; e
hidratar mas la corriente de alimentaci6n basada en almid6n y activar el contenido de almid6n de la suspensi6n inyectando un fluido de transporte a velocidad elevada en el interior de la suspensi6n a traves una boquilla que comunica con el conducto;
en el que al fluido de trabajo es agua y el fluido de transporte en vapor.
La inyecci6n del fluido de transporte en el interior de la suspensi6n puede: aplicar una fuerza de cizalladura a la suspensi6n; atomizar la fase liquida dentro de la suspensi6n para crear un regimen de flujo por goteo disperso; formar una zona de baja presi6n aguas abajo de la boquilla; y generar una onda de choque de condensaci6n en el interior del conducto aguas abajo de la boquilla por
medio de condensaci6n del fluido de transporte.
La primera etapa de hidrataci6n incluye calentar la suspensi6n en el interior de un primer recipiente y/o mantenerla a una primera temperatura pre-determinada durante un primer periodo de tiempo pre-determinado. El proceso ademas puede comprender la etapa de transferir la suspensi6n a un segundo recipiente desde el
dispositivo de activaci6n de almid6n, y mantener la temperatura de la suspensi6n en el segundo recipiente durante
un segundo periodo de tiempo pre-determinado. La etapa de transferencia de la suspensi6n al segundo recipiente puede incluir hacer pasar la suspensi6n a traves de una unidad de acondicionado para elevar la temperatura de la suspensi6n.
La etapa de calentamiento de la suspensi6n en el primer y segundo recipientes tambien puede incluir la etapa de agitar la suspensi6n durante los respectivos periodos de tiempo primero y segundo. La etapa de activaci6n puede incluir recircular la suspensi6n a traves del dispositivo de activaci6n de almid6n.
El fluido de transporte se puede inyectar a velocidad supers6nica. La etapa de inyecci6n del fluido de transporte puede comprender inyectar el fluido de transporte a velocidad elevada en el interior de la suspensi6n a traves de una pluralidad de boquillas que comunican con el conducto. La etapa de inyectar el fluido de transporte en la suspensi6n puede ocurrir en un solo paso de la suspensi6n a traves del dispositivo de activaci6n de almid6n.
El bombeo de la suspensi6n se puede llevar a cabo usando una bomba de baja cizalladura. De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invenci6n se proporciona un aparato para el tratamiento de una corriente de alimentaci6n basada en almid6n, comprendiendo el aparato: un medio de hidrataci6n para mezclar e hidratar la corriente de alimentaci6n con un fluido de trabajo para
formar una suspensi6n; y un dispositivo de activaci6n de almid6n en comunicaci6n fluida con el primer medio de hidrataci6n; en el que el dispositivo de activaci6n de almid6n comprende: un conducto de diametro considerablemente constante que tiene una entrada en comunicaci6n fluida con el
primer medio de hidrataci6n y una salida; y
una boquilla de fluido de transporte que comunica con el conducto y adaptada para inyectar el fluido de transporte a velocidad elevada en el interior del conducto. El medio de hidrataci6n puede comprender un primer recipiente que tiene una salida en comunicaci6n fluida con la
entrada del conducto. El medio de hidrataci6n puede comprender un medio de calentamiento para calentar el fluido
de trabajo y/o la suspensi6n. El aparato ademas puede comprender un segundo recipiente que tiene una entrada en comunicaci6n fluida con la salida del conducto. El segundo recipiente puede incluir medios de aislamiento para aislar los contenidos del segundo recipiente.
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De manera alternativa, el aparato ademas puede comprender una secci6n tubo de residencia que tiene una entrada en comunicaci6n fluida con la salida del conducto. El tubo de residencia puede incluir medios para el aislamiento de los contenidos del tubo de residencia a medida que pasan a traves suyo.
La boquilla de fluido de transporte puede ser anular y circunscribe el conducto. La boquilla de fluido de transporte puede presentar una entrada, una salida y una parte de cuerpo intermedia entre la entrada y la salida, en la que la parte de cuerpo presenta un area de corte transversal menor que la de la entrada y la salida.
El aparato puede comprender un suministro de fluido de transporte adaptado para suministrar fluido de transporte a la boquilla de fluido de transporte.
El aparato puede comprender una pluralidad de dispositivos de activaci6n de almid6n en seres y/o en paralelo unos con otros, en el que el suministro de fluido de transporte esta adaptado para suministrar fluido de transporte a la boquilla de fluido de transporte de cada dispositivo. El aparato puede comprender una pluralidad de tubos de suministro de fluido de transporte que conectan el suministro de fluido de transporte con cada boquilla, en el que el tubo de suministro de fluido de transporte incluye un medio de acondicionado del fluido de transporte.
El medio de acondicionado del fluido de transporte puede adaptarse para variar la presi6n de suministro del fluido de transporte a cada boquilla.
De manera alternativa, el aparato puede comprender un suministro de fluido de transporte dedicado para cada boquilla de fluido de transporte. Cada suministro de fluido de transporte puede incluir un medio de acondicionado de fluido de transporte. Cada medio de acondicionado se puede adaptar para variar la presi6n de suministro del fluido de transporte a cada boquilla respectiva.
El aparato puede ademas comprender una unidad de acondicionado de la temperatura ubicada entre el dispositivo de activaci6n de almid6n y el segundo recipiente, estando la unidad de acondicionado de temperatura adaptada para incrementar la temperatura del fluido que pasa desde el dispositivo hasta el segundo recipiente.
El aparato ademas puede comprender una tuberia de recirculaci6n adaptada para permitir la recirculaci6n de fluido entre la salida del dispositivo de activaci6n de almid6n y el primer recipiente.
El aparato ademas puede comprender una bomba de baja cizalladura adaptada para bombear fluido desde el medio de hidrataci6n hasta el dispositivo de activaci6n de almid6n.
El medio de calentamiento puede comprender una camisa de agua caliente que rodea al primer recipiente. De manera alternativa, el medio de calentamiento puede encontrarse lejos del medio de hidrataci6n.
El medio de aislamiento puede comprender una camisa de agua caliente que rodea al segundo recipiente. De manera alternativa, el medio de aislamiento puede comprender una capa de material aislante que cubre el exterior del segundo recipiente.
El aparato ademas puede comprender un primer y un segundo medios de agitaci6n ubicados en el primer y segundo recipientes, respectivamente. El primer recipiente puede incluir un medio de recirculaci6n para recircular la suspensi6n desde la salida hasta su entrada.
A continuaci6n, se describe una realizaci6n preferida de la presente invenci6n, unicamente a modo de ejemplo, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
La Figura 1 es una vista esquematica de un aparato de procesado de bio-combustible;
La Figura 2 es una vista de secci6n longitudinal a traves del dispositivo de activaci6n de almid6n apropiado para su uso en el aparato que se muestra en la Figura 1; y
La Figura 3 muestra una grafica del perfil de temperatura y presi6n deuna suspensi6n a medida que pasa a traves del dispositivo que se muestra en la Figura 2.
La Figura 1 ilustra esquematicamente un aparato que extrae almid6n de una corriente de alimentaci6n basada en almid6n y posteriormente convierten el almid6n extraido en azucares. El aparato, generalmente designado como 1, comprende un primer recipiente 2 que actua como un primer medio de hidrataci6n. El primer recipiente 2 tiene un medio de calentamiento, que es preferentemente una camisa 4 de agua caliente que rodea al recipiente 2 y recibe agua caliente procedente de suministro de agua caliente (no mostrado). El recipiente 2 tambien incluye un agitador 6 que es alimentado por un motor 8. El agitador 6 esta suspendido desde el motor 8 de manera que cae dentro del recipiente 2. En la base del recipiente 2 se encuentran la salida 10 y el medio de valvula 12 que controla el flujo de fluido desde la salida 10. Aguas abajo del primer recipiente 12 se encuentra una primera tuberia de suministro 16, cuyo extremo aguas arriba conecta fluidamente con la salida 10 y el medio de valvula 12 mientras que el extremo aguas abajo de la tuberia de suministro 16 conecta fluidamente con el reactor 18. Se puede proporcionar una bomba
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14 de baja cizalladura en al tuberia de suministro 16. La bomba 14 puede ser una bomba centrifuga que ha sido modificada con el fin de reducir la cizalladura a medida que el fluido es bombeado a traves de la misma.
El reactor 18 esta formado por uno o mas dispositivos de activaci6n de almid6n. La Figura 2 muestra con detalle un dispositivo impulsor de fluido apropiado que puede actuar como dispositivo de activaci6n de almid6n. El dispositivo 100 impulsor de fluido comprende un alojamiento 20 que define un conducto 22. El conducto 22 presenta una entrada 24 y una salida 26, y es de diametro considerablemente constante. La entrada 24 esta formada en el extremo frontal de una protusi6n 28 que se extiende hacia el interior del alojamiento 20 y que define exteriormente su impelente 30. El impelente 30 presente un entrada 32 de fluido de transporte. La protusi6n 28 define internamente su parte del conducto 22. El extremo distal 34 de la protusi6n 28 lejos de la entrada 24 se encuentra ahusado sobre su superficie relativamente externa en 36 y define una boquilla 38 de fluido de transporte entre el mismo y la parte ahusada 40 correspondiente de la pared interna del alojamiento 20. La boquilla 38 se encuentra en comunicaci6n fluida con el impelente 30 y es preferentemente anular de forma que circunscriba al conducto 22. La boquilla 38 presenta una entrada de boquilla 35, una salida de boquilla 39 y una parte de cuerpo 37 intermedia entre la entrada de boquilla 35 y la salida de boquilla 39. La boquilla 38 presenta una geometria interna convergente-divergente, en la que la parte de cuerpo 37 presenta un area de corte transversal que es menor que el area de corte transversal bien de la entrada de boquilla 35 o bien de la salida de boquilla 39. La salida de boquilla 39 se abre hacia el interior de la camara de mezcla 25 definida en el interior del conducto 22.
Haciendo referencia una vez mas a la Figura 1, el reactor 18 se encuentra conectado a un suministro 50 de fluido de transporte por medio de un tubo 48 de suministro de fluido de transporte. La entrada 32 de fluido de transporte del o de cada dispositivo 100 de activaci6n de almid6n que compone el reactor se encuentra conectada de forma fluida con el tubo 48 de suministro de fluido de transporte para la recepci6n del fluido de transporte desde el suministro 50 de fluido de transporte.
Ubicada aguas abajo del reactor 18 y conectado fluidamente con el mismo se encuentra una unidad 52 de acondicionado de temperatura (TCU). Preferentemente, la TCU 52 comprende un dispositivo impulsor de fluido considerablemente identico al que se muestra en la Figura 2, y por tanto no se describe en detalle en el presente documento. La TCU 52 puede bien estar conectada con el suministro 50 de fluido de transporte o puede presentar su propio suministro dedicado de fluido de transporte (no mostrado).
Aguas abajo de la TCU 52 hay un segundo tubo de suministro 54, que conecta fluidamente la salida de la TCU 52 con un segundo recipiente 56. El segundo recipiente 56 es similar al primer recipiente 2, y por tanto presenta una camisa 58 de agua caliente que rodea al recipiente 56 y recibe agua caliente procedente del suministro de agua caliente (no mostrado). El recipiente 56 tambien incluye un agitador 60 que se encuentra alimentado por un motor
62. El agitador 60 se encuentra suspendido desde el motor 62 de forma que cae dentro del recipiente 56. En la base del recipiente 56 se encuentran la salida 64 y un medio de valvula 66 que controla el flujo de fluido desde la salida
64.
A continuaci6n, se describe con detalla un metodo para el procesado de una corriente de alimentaci6n basada en almid6n que usa el aparato que se muestra en las Figuras 1 y 2. En primer lugar, se introduce una corriente de alimentaci6n basada en almid6n molida en el interior de un primer recipiente 2 con un caudal de adici6n de masa controlada. Ejemplos de corriente de alimentaci6n apropiada incluyen maiz molido seco, trigo o sorgo. Por separado, se mezcla una enzima de licuefacci6n con un fluido de trabajo, que es agua, y posteriormente se anade el fluido de trabajo a la corriente de alimentaci6n del recipiente 2 para formar una suspensi6n y para comenzar a hidratar la corriente de alimentaci6n. Un ejemplo de enzima de licuefacci6n apropiada es Liquozyme SC DS® fabricado por Novozymes of Bagsvaerd, Dinamarca. La concentraci6n preferida de enzima en el recipiente es de 0,09-0,18 ml/kg. Preferentemente, la proporci6n de corriente de alimentaci6n con respecto a contenido de liquido es la suspensi6n es de 20-40 % en peso. De manera opcional, tambien se pueden anadir uno o mas agentes de ajuste de pH y/o un tensioactivo a la suspensi6n en este momento.
El agua caliente se alimenta en al interior de la camisa de agua 4 que rodea al recipiente 2 y posteriormente la camisa de agua caliente produce el calentamiento hasta una temperatura de tipicamente 30-60 oC, del modo mas preferido de 30-40 oC y mantiene la suspensi6n a esta temperatura durante 30-120 minutos. El motor 8 acciona el agitador 6, que agita la suspensi6n del recipiente 2 con una agitaci6n suave (es decir, de baja cizalladura) mientras que la suspensi6n se mantiene en el recipiente 2.
Se mantiene la suspensi6n a la temperatura deseada en el recipiente 2 durante un periodo de tiempo suficiente para permitir la preparaci6n del contenido de almid6n para la hidrataci6n completa. Cuando la suspensi6n se ha impregnado en el recipiente 2 durante el tiempo suficiente, se abre la valvula 12 para permitir que la suspensi6n salga del recipiente por medio de la salida 10. La bomba 14 impulsa la suspensi6n en condiciones de baja cizalladura desde el recipiente 2 hasta el primer tubo de suministro 16 hasta el reactor 18.
Haciendo referencia de nuevo a la Figura 2, cuando la suspensi6n alcanza el o cada dispositivo de activaci6n 100 que forma el reactor 18, la suspensi6n pasa hacia el interior del dispositivo 100 a traves de la entrada 24 y sale por la salida 26. El fluido de transporte, que es vapor, es alimentado desde el suministro 50 de fluido de transporte a una presi6n preferida de entre 5-7 bar a la, o a cada, entrada 32 de fluido de transporte por medio del tubo 48 de
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suministro de fluido de transporte. La introducci6n del fluido de transporte a traves de la entrada 32 y del impelente 32 provoca un chorro de vapor para su distribuci6n a traves de la boquilla 38 a velocidad elevada, preferentemente supers6nica. A medida que el vapor es inyectado en el interior de la suspensi6n, tiene lugar un momento y una transferencia de masa entre los dos, que preferentemente da lugar al atomizado del componente del fluido de trabajo de la suspensi6n para formar un regimen de flujo por goteo disperso. Esta transferencia es mejorada por medio de turbulencia. Preferentemente, el vapor aplica una fuerza de cizalladura a la suspensi6n que no solo atomiza el componente de fluido de trabajo sino que tambien rompe la estructura celular de la corriente de alimentaci6n suspendida en el seno de la suspensi6n, de forma que los granulos de almid6n presentes se separan de la corriente de alimentaci6n.
Los efectos del proceso sobre la temperatura y la presi6n de la suspensi6n se pueden observar en la grafica de la Figura 3, que muestra el perfil de temperatura y presi6n a medida que la suspensi6n pasa a traves de varios puntos del dispositivo 100 impulsor de fluid de la Figura 2. La grafica se ha dividido en cuatro secciones A-D, que corresponden a varias secciones del dispositivo 100 impulsor de fluido. La secci6n A corresponde a la secci6n del conducto 22 entre la entrada 24 y la boquilla 38. La secci6n B corresponde a la secci6n aguas arriba de la camara de mezcla 25 que se extiende entre la boquilla 38 y una parte intermedia de la camara 25. La secci6n C corresponde a una secci6n aguas abajo de la camara de mezcla 25 que se extiende entre la parte intermedia anteriormente mencionada de la camara 25 y la salida 26, mientras que la secci6n D ilustra la temperatura y la presi6n de la suspensi6n a medida que pasa a traves de la salida 26.
El vapor se inyecta en la suspensi6n al comienzo de la secci6n B de la grafica de la Figura 3. La velocidad del vapor, que preferentemente se inyecta a velocidad supers6nica, y su expansi6n tras abandonar la boquilla 38 provoca una reducci6n de presi6n inmediata. En un punto determinado por el vapor y las condiciones geometricas, y la tasa de transferencia de calor y de masa, el vapor comienza a condensar, reduciendo mas la presi6n y provocando otro incremento de la temperatura. La condensaci6n del vapor puede continuar y formar un onda de choque de condensaci6n en la parte aguas abajo de la camara de mezcla 25. La formaci6n de la onda de choque de condensaci6n provoca un incremento rapido de presi6n, como se puede observar en la parte C de la Figura 3. La parte C tambien muestra que la temperatura de la suspensi6n tambien continua aumentando por medio de la condensaci6n del vapor.
Como se ha explicado anteriormente, a medida que el vapor se inyecta en el interior de la suspensi6n a traves de la boquilla 38 tiene lugar una reducci6n de presi6n en la parte aguas arriba de la camara de mezcla 25. Esta reducci6n de presi6n forma un vacio al menos parcial en esta parte aguas arriba de la camara 25 adyacente a la salida de boquilla 39. Los ensayos han revelado que se puede conseguir aproximadamente 90 % de vacio en la camara 25 a medida que el vapor es inyectado y posteriormente se condensa.
Como se ha afirmado anteriormente, la fuerza de cizalladura aplicada a la suspensi6n y el posterior flujo turbulento creado por medio del vapor inyectado rompen la estructura celular de la corriente de alimentaci6n suspendida en la suspensi6n, liberando los granulos de almid6n de la corriente de alimentaci6n. A medida que la suspensi6n pasa a traves de del vacio parcial y de la onda de choque de condensaci6n formada en la camara 25, se rompe mas debido a los cambios de presi6n que tienen lugar, como se ilustra por medio de los perfiles de presi6n de las secciones B y C de la Figura 3.
A medida que los granulos son separados de la corriente de alimentaci6n en el reactor 18, se hidratan casi instantaneamente, se calientan y se activan debido a la introducci6n de vapor. El dispositivo(s) 100 que constituye el reactor 18 bombea y calienta de forma simultanea la suspensi6n y completa la hidrataci6n y activa o gelatiniza el contenido de almid6n a medida que se produce el paso de la suspensi6n. Ademas, el reactor 18 mezcla las enzimas con la suspensi6n, proporcionando una distribuci6n homogenea y un elevado nivel de contacto con el almid6n que ahora se encuentra en fase liquida. Preferentemente, la temperatura de la suspensi6n a medida que abandona el reactor se encuentra entre 74-76 oC. cuando el reactor 18 comprende un numero de dispositivos de activaci6n de almid6n en serie, la presi6n del vapor suministrado a cada dispositivo impulsor de fluido se puede controlar de forma individual mediante medios de acondicionado de fluido (no mostrados) de manera que unicamente se alcance la temperatura 6ptima de la suspensi6n a medida que esta abandona el ultimo dispositivo impulsor de fluido de la serie. El medio de acondicionado de fluido de transporte puede estar unido directamente al suministro 50 de fluido de transporte, o puede estar ubicado en los tubos 48 de suministro de fluido de transporte.
Se escoge la temperatura a la cual la suspensi6n abandona el reactor 18 para evitar cualquier dano termico de los contenidos de la suspensi6n durante la etapa de activaci6n.
No obstante, esta temperatura puede estar por debajo de la temperatura de rendimiento 6ptimo de la enzima de licuefacci6n, y puede ser necesario aumentar la temperatura de la suspensi6n sin someter la misma a temperaturas excesivamente elevadas o a fuerzas de cizalladura adicionales. Este calentamiento suave se consigue usando la TCU 52 aguas abajo del reactor 18.
Como se ha descrito anteriormente, la TCU 52 comprende uno o mas dispositivo de impulso de fluido del tipo que se ilustra en la Figura 2. Cuando existe mas que dispositivo de impulso de fluido en la TCU 52, preferentemente estan colocados en serie. La presi6n del vapor suministrado al dispositivo(s) de impulso de fluido de la TCU 52 esta
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controlada de manera que sean comparativamente menor que la del vapor suministrado al dispositivo(s) 100 del reactor 18. Una presi6n de entrada de vapor preferida para el dispositivo(s) de impulso de fluido de la TCU se encuentra entre 0,5-2,0 bar. Por consiguiente, la velocidad de fluido de transporte es mucho menor debido a que el vapor inyectado no aplica fuerza de cizalladura o choque de condensaci6n a la suspensi6n a medida que esta pasa a traves de la TCU 52. En lugar de ello, la TCU 52 usa propiamente el vapor de baja presi6n para aumentar suavemente la temperatura de la suspensi6n.
Una vez que y ha pasado a traves de la TCU 52, la suspensi6n se encuentra preferentemente a una temperatura entre 83-85 oC. Posteriormente, la suspensi6n fluye aguas abajo a traves del segundo tubo de suministro 54 hacia el interior del recipiente 56. La camisa de agua 58 recibe agua caliente que mantiene la suspensi6n a la temperatura anteriormente mencionada. La suspensi6n es mantenida en el segundo recipiente 56 durante el tiempo de residencia suficiente para permitir que la enzima convierta o hidrolice el contenido de almid6n en dextrinas mas cortas. Durante este tiempo de residencia, el motor 62 acciona el agitador 60 para mover suavemente la suspensi6n. Se ha comprobado que un tiempo de residencia de aproximadamente 30 minutos es suficiente en el presente proceso, en comparaci6n con el tiempo de residencia tipico de 120 minutos de los procesos existentes de licuefacci6n. Se controla el progreso de la conversi6n durante el tiempo de residencia midiendo el equivalente de dextrosa (DE) de la suspensi6n. Al final del tiempo de residencia, se puede transferir la suspensi6n a un tanque de fermentaci6n (no mostrado) por medio de la salida 64 y la valvula de control 66 del segundo recipiente 56.
El uso de un dispositivo de activaci6n de almid6n del tipo descrito permite a la presente invenci6n calentar y activar el contenido de almid6n de la suspensi6n, mientras se evita la creaci6n de zonas de calor extremo, que pueden danar el contenido de almid6n. El hecho de evitar estas zonas tambien reduce o elimina los efectos de Maillard provocados por la reacci6n de las proteinas con el almid6n extraido. Estas reacciones pueden evitar la conversi6n del almid6n en azucar y por tanto reducir los rendimientos. Ademas, la mezcla con agitaci6n suave y el bombeo a baja cizalladura a una temperatura mas baja tambien garantiza que no haya fuerzas de cizalladura que puedan danar el contenido de almid6n de la suspensi6n, al tiempo que se mantiene en el recipienteo es transportada entre recipientes. Dicho dano limita el rendimiento final de glucosa disponible a partir de la corriente de alimentaci6n.
El dispositivo(s) de activaci6n de almid6n del reactor tambien garantiza que los componentes de la suspensi6n se mezclen de manera mas completa que la que seria posible usando unicamente las paletas de un agitador sencillo y/o bucles de recirculaci6n. El atomizado del componente liquido de la suspensi6n ademas garantiza una mezcla de la suspensi6n mas homogenea que la que resultaba posible previamente. Esta mezcla mejorada aumentar la eficacia de la enzima a la hora de convertir almid6n en dextrinas mas cortas, reduciendo el tiempo necesario para lograr los valores DE deseados en la suspensi6n cuando se comparaci6n con los procesos existentes.
De manera alternativa, si se desea, este proceso puede conseguir valores DE mas elevados que los que son posibles con los procesos existentes.
La acci6n de cizalladura y la condensaci6n/choque de presi6n aplicados al componente de la corriente de alimentaci6n de la suspensi6n cuando se encuentra en el interior del reactor mejoran mas el rendimiento de la presente invenci6n ya que existe una mayor exposici6n de la estructura celular de la corriente de alimentaci6n. Esto permite virtualmente que todos los granulos de almid6n de la corriente de alimentaci6n se separen, proporcionando de este modo mejores tasas de activaci6n de almid6n en comparaci6n con los procesos convencionales ya que la activaci6n enzimatica se encuentra complementada por la activaci6n mecanica en el reactor. Esto tambien permite que el proceso proporcione una proporci6n de conversi6n de almid6n en azucar de considerablemente 100 %. Por tanto, el proceso de la presente invenci6n unicamente requiere que la suspensi6n pase una vez a traves del reactor antes que se encuentre lista para pasar al segundo recipiente para la etapa de conversi6n. Ademas, los rendimientos mejoran mucho ya que no da tiempo a que se produzcan perdidas durante el proceso.
La exposici6n de mas almid6n tambien significa que se necesita menos enzima para lograr el valor DE deseado de 12-18 antes de que la suspensi6n sea transferida a los procesos de sacarificaci6n y fermentaci6n. Ademas, la condensaci6n/choque de presi6n provoca la muerte bacteriana a una temperatura relativamente baja, reduciendo de este modo las perdidas en cualquier proceso de fermentaci6n posterior.
Tambien se ha descubierto que el proceso y el aparato de la presente invenci6n pueden mejorar las tasas de fermentaci6n en el posterior proceso de fermentaci6n. La hidrataci6n mejorada de la presente invenci6n tambien hidrata algunas proteinas de la corriente de alimentaci6n. Estas proteinas hidratadas actuan como corriente de alimentaci6n adicional para fermentar la levadura, mejorando de este modo el rendimiento de la fermentaci6n de la levadura.
En resumen, se ha comprobado que el proceso y el aparato de la presente invenci6n proporcionan un numero de ventajas son respecto a las configuraciones existentes. Estas ventajas incluyen un aumento de hasta 14 % en los rendimientos de conversi6n de almid6n en azucares, una reducci6n de hasta 50 % de la cantidad necesaria de enzima de licuefacci6n, una reducci6n de hasta 75 % del tiempo de residencia para que tenga lugar la conversi6n y una reducci6n de hasta 30 % del tiempo necesario para la posterior fermentaci6n de los azucares convertidos para dar lugar a alcohol.
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Como se ha descrito anteriormente, el reactor puede comprender una pluralidad de dispositivos de activaci6n de almid6n colocados en serie y/o en paralelo. Cuando el reactor comprende grupos de cuatro o mas dispositivos en serie, no es necesario mantener la suspensi6n en el intervalo deseado de temperatura de 30-60 oC mientras se produce el desarrollo en el primer recipiente. En lugar de ello, cada uno de los dispositivos del reactor inyecta un fluido de transporte a presi6n elevada en el interior de la suspensi6n, de manera que en este ejemplo la temperatura de la suspensi6n a medida que abandona el primer recipiente necesitar ser unicamente de 20-30 oC. Se puede anadir un aditivo de antibi6tico al mismo tiempo que la primera enzima, si se desea. La reducci6n de la temperatura de la suspensi6n de 20-30 oC reduce la necesidad de control de la infecci6n antibi6tica.
Mientras que la presente invenci6n unicamente necesita usar un dispositivo de activaci6n de almid6n en el reactor, si el caudal de proceso requerido lo demanda, el reactor puede comprender una combinaci6n de dispositivos impulsores de fluido en serie y/o en paralelo. Este puede ser tambien el caso de la unidad de acondicionado de la temperatura formada por uno o mas de dichos dispositivos impulsores de fluido.
El aparato tambien puede incluir uno o mas tubos de recirculaci6n que pueden recircular de forma selectiva la suspensi6n desde aguas abajo del dispositivo de activaci6n de almid6n hasta aguas arriba del dispositivo, de manera que la suspensi6n pueda pasar a traves del dispositivo mas que una vez si fuese necesario. Cuando se incluye, el primer recipiente tambien puede incluir una configuraci6n tal que la suspensi6n pueda pasar a traves del primer recipiente mas que una vez si fuese necesario.
En lugar de presentar camisas de agua, de manera alternativa, el primer y/o segundo recipientes puede comprender una capa de aislamiento sobre su superficie exterior. La capa de aislamiento mantiene la temperatura de la suspensi6n en el interior del recipiente dentro de los intervalos deseados comentados anteriormente. Se puede pretratar el fluido de trabajo con medios de calentamiento externos (no mostrados) antes de que se produzca la mezcla con la corriente de alimentaci6n. La temperatura de la suspensi6n se mantiene en la temperatura deseada en el recipiente 2 bien usando la camisa 4 de agua caliente o la capa de asilamiento.
La bomba centrifuga de baja cizalladura que impulsa la suspensi6n desde el primer recipiente hasta el interior del reactor se puede sustituir por otra bomba apropiada de baja cizalladura, tal como una bomba de membrana o una bomba peristaltica, por ejemplo.
Mientras que la unidad de acondicionamiento de la temperatura (TCU) descrita anteriormente comprende uno o mas dispositivos de impulso de fluido del tipo que se muestra en la Figura 2, se pueden sustituir por un intercambiador de calor. El intercambiador de calor puede ser un intercambiador de calor de cubierta y tubo de forma que la suspensi6n pasa a traves del tubo y el agua caliente pasa a traves de la cubierta que rodea al tubo.
La concentraci6n preferida de la enzima de licuefacci6n de la suspensi6n durante el desarrollo en el primer recipiente asume de media un contenido de humedad de en la corriente de alimentaci6n de 15 % y un contenido medio de almid6n de 75 % en peso seco.
Mientras que preferentemente la enzima es introducida en la suspensi6n aguas arriba del dispositivo de activaci6n de almid6n, la enzima tambien se puede introducir en el dispositivo o aguas abajo del dispositivo despues de la activaci6n del contenido de almid6n.
Mientras que la realizaci6n ilustrada de la invenci6n incluye los recipientes tanto primero como segundo para la manipulaci6n de la suspensi6n, debe apreciarse que no es necesario que la invenci6n incluya los recipientes para proporcionar las ventajas destacadas anteriormente. En lugar del primer recipiente, el primer medio de hidrataci6n puede ser un tubo o un dispositivo de mezcla en linea en cuyo interior se introducen la corriente de alimentaci6n, el fluido de trabajo y la enzima, aguas arriba del dispositivo de activaci6n de almid6n. De forma similar, se puede sustituir el segundo recipiente por una tuberia en la cual tiene lugar la conversi6n del almid6n activado para dar azucares.

Claims (30)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Un proceso para el tratamiento de una corriente de alimentaci6n basada en almid6n, que comprende: mezclar juntos la corriente de alimentaci6n basada en almid6n y un fluido de trabajo para formar una
    suspensi6n;
    hidratar la corriente de alimentaci6n basada en almid6n con el fluido de trabajo;
    anadir una enzima de licuefacci6n a la suspensi6n;
    bombear la suspensi6n al interior de un conducto (22) de diametro considerablemente constante de un
    dispositivo (100) de activaci6n de almid6n; e
    inyectar un fluido de transporte a velocidad elevada en el interior de la suspensi6n a traves de la boquilla (38) que comunica con el conducto (22), hidratando de este modo la corriente de alimentaci6n basada en almid6n y activando el contenido de almid6n de la suspensi6n;
    en el que el fluido de trabajo es agua y el fluido de transporte es vapor.
  2. 2.
    El proceso de la reivindicaci6n 1, en el que la etapa de hidrataci6n incluye calentar la suspensi6n y/o mantenerla a una primera temperatura pre-determinada dentro del intervalo de 30-60 oC dentro de un primer recipiente (2) durante un primer periodo de tiempo predeterminado.
  3. 3.
    El proceso de la reivindicaci6n 2, que ademas comprende la etapa de transferir la suspensi6n a un segundo recipiente (56) desde el dispositivo de activaci6n de almid6n (100), y mantener la suspensi6n a una segunda temperatura predeterminada mas elevada que la primera temperatura pre-determinada en el segundo recipiente (56) durante un segundo periodo de tiempo pre-determinado.
  4. 4.
    El proceso de la reivindicaci6n 3, en el que la etapa de transferencia de la suspensi6n al segundo recipiente (56) incluye hacer pasar la suspensi6n a traves de la unidad (52) de acondicionado de temperatura para incrementar la temperatura de la suspensi6n desde la primera temperatura predeterminada hasta la segunda temperatura predeterminada.
  5. 5.
    El proceso de la reivindicaci6n 3 o de la reivindicaci6n 4 que ademas comprende la etapa de agitar la suspensi6n en el primer y segundo recipientes (2,56) durante los respectivos periodos de tiempo primero y segundo.
  6. 6.
    El proceso de cualquier reivindicaci6n anterior, en el que el vapor se inyecta a velocidad supers6nica.
  7. 7.
    El proceso de cualquier reivindicaci6n anterior, en el que la etapa de inyectar el vapor comprende inyectar el vapor en el interior de la suspensi6n a traves de una pluralidad de boquillas (38) que comunican con el conducto (22).
  8. 8.
    El proceso de cualquier reivindicaci6n anterior, en el que la etapa de inyectar el vapor en la suspensi6n ocurre en un s6lo paso de la suspensi6n a traves del dispositivo (100) de activaci6n de almid6n.
  9. 9.
    El proceso de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que la etapa de inyectar el vapor incluye recircular la suspensi6n a traves del dispositivo (100) de activaci6n de almid6n.
  10. 10.
    El proceso de cualquier reivindicaci6n anterior, en el que el bombeo de la suspensi6n se lleva cabo usando una bomba (14) de baja cizalladura.
  11. 11.
    Un aparato para tratar la corriente de alimentaci6n basada en almid6n, comprendiendo el aparato: un medio de hidrataci6n para mezclar e hidratar la corriente de alimentaci6n con un fluido de trabajo para
    formar una suspensi6n; y
    un dispositivo (100) de activaci6n de almid6n en comunicaci6n fluida con el medio de hidrataci6n;
    en el que el dispositivo (100) de activaci6n de almid6n comprende:
    un conducto (22) de diametro considerablemente constante que presenta una entrada (24) en comunicaci6n
    fluida con el medio de hidrataci6n y una salida (26); y una boquilla (38) de fluido de transporte que comunica con el conducto (22) y esta adaptada para inyectar un fluido de transporte a velocidad elevada en el interior del conducto (22).
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  12. 12.
    El aparato de la reivindicaci6n 11, en el que el medio de hidrataci6n comprende un medio de calentamiento para calentar el fluido de trabajo y/o la suspensi6n.
  13. 13.
    El aparato de la reivindicaci6n 12, en el que el medio de hidrataci6n comprende un primer recipiente (2) que tiene una salida (10) en comunicaci6n fluida con la entrada (24) del conducto (22).
  14. 14.
    El aparato de la reivindicaci6n 13, en el que el medio de calentamiento comprende una camisa de agua caliente
    (4) que rodea al primer recipiente (2).
  15. 15.
    El aparato de la reivindicaci6n 12 o de la reivindicaci6n 13, en el que el medio de calentamiento se encuentra lejos del medio de hidrataci6n.
  16. 16.
    El aparato de la reivindicaci6n 13, que ademas comprende un segundo recipiente que tiene una entrada en comunicaci6n fluida con la salida (26) del conducto (22).
  17. 17.
    El aparato de la reivindicaci6n 16, en el que el segundo recipiente (56) incluye medios de aislamiento para aislar los contenidos del segundo recipiente (56).
  18. 18.
    El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 15, que ademas comprende una secci6n de tubo de residencia que tiene una entrada en comunicaci6n fluida con la salida (26) del conducto (22).
  19. 19.
    El aparato de la reivindicaci6n 18, en el que el tubo de residencia incluye un medio de aislamiento para aislar los contenidos del tubo de residencia a medida que pasan a traves del mismo.
  20. 20.
    El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 19, en el que la boquilla (38) del fluido de transporte es anular y circunscribe el conducto (22).
  21. 21.
    El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 20, en el que la boquilla (38) del fluido de transporte presenta una entrada (35), una salida (39) y una parte de cuerpo (37) intermedia entre la entrada (35) y la salida (39), en el que la parte del cuerpo (37) presenta un area de corte transversal que es menor que la de la entrada (35) y la de la salida (39).
  22. 22.
    El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 21 que ademas comprende un suministro (50) de fluido de transporte adaptado para suministrar fluido de transporte a la boquilla (38) de fluido de transporte.
  23. 23.
    El aparato de la reivindicaci6n 22 que comprende una pluralidad de dispositivos (100) de activaci6n de almid6n en serie y/o en paralelo unos con otros, en el que el suministro (50) de fluido de transporte esta adaptado para suministrar fluido de transporte a la boquilla (38) de fluido de transporte de cada dispositivo (100).
  24. 24.
    El aparato de la reivindicaci6n 23, que comprende una pluralidad de tuberias (48) de suministro de fluido de transporte que conectan el suministro (50) de fluido de transporte con cada boquilla (38), en el que cada tuberia (48) de suministro de fluido de transporte incluye un medio de acondicionamiento de fluido de transporte.
  25. 25.
    El aparato de la reivindicaci6n 24, en el que el medio acondicionador de fluido de transporte esta adaptado para variar la presi6n de suministro del fluido de transporte hacia su respectiva boquilla (38).
  26. 26.
    El aparato de la reivindicaci6n 22, que comprende un suministro (50) de fluido de transporte dedicado para cada boquilla (38) de fluido de transporte.
  27. 27.
    El aparato de la reivindicaci6n 26, en el que cada suministro (50) de fluido de transporte incluye un medio de acondicionamiento de fluido de transporte.
  28. 28.
    El aparato de la reivindicaci6n 27, en el que cada medio de acondicionamiento esta adaptado para variar la presi6n de suministro del fluido de transporte hacia cada boquilla (38) respectiva.
  29. 29.
    El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 28 que ademas comprende una unidad (52) de acondicionamiento de temperatura ubicada aguas abajo del dispositivo (100) de activaci6n de almid6n, estando la unidad (52) de acondicionamiento de temperatura adaptada para aumentar la temperatura del fluido que abandona el conducto (22) del dispositivo (100).
  30. 30.
    El aparato de cualquiera de las reivindicaciones 11 a 29, que ademas comprende una tuberia de recirculaci6n adaptada para permitir la recirculaci6n de fluido desde aguas abajo del dispositivo (100) de activaci6n de almid6n hasta aguas arriba del dispositivo (100) de activaci6n de almid6n.
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