CZ2006754A3

CZ2006754A3 - Zpusob zpracování biomasy trav, zejména víceletých pícnin, na cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu a/nebo krmiv, a na další produkty, zarízení k provádení tohoto zpusobu, a použití biomasy jetele lucního k tomuto zpracování

Info

Publication number: CZ2006754A3
Application number: CZ20060754A
Authority: CZ
Inventors: Kolár@Ladislav; Kužel@Stanislav; Pokorný@Petr; Píša@Jirí
Original assignee: Jihoceská univerzita v Ceských Budejovicích, Zemedelská fakulta
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2008-06-11
Also published as: CZ301956B6

Abstract

Zpusob zpracování biomasy trav podle vynálezu využívá známého principu zcukrení biomasy (1) enzymatickou hydrolýzou v bioreaktoru (3), pri kterém vzniká cukerná surovina pro výrobu bioetanolu nebo krmiv, napr. melasy. Podstata zpusobu a zarízení vynálezu spocívá v desintegraci biomasy (1) v desintegracním zarízení (16), extrakci pevné složky (9) desintegrované biomasy (1) v atmosférickém hydrotermickém extraktoru (2), a následném loužení roztokem NaOH v loužícím reaktoru (18) pred hydrolýzou v bioreaktoru (3). Hydrolýza je s výhodou aktivovánaživým enzymem celulázou s prídavkem pufru pH = 4,6 a Omelianského roztoku, pricemž enzymatický systém se kultivuje z inokula. Kapalná složka (10) desintegrované biomasy (1), tzv. "zelený džus" se využívá k izolaci fyziologicky cenných látek v biorafinerii (11) a následne také jako cukerná surovina.Pevný podíl izolace (13) a pevný podíl hydrolýzy (7) se využívá pro výrobu pevných paliv. Predmetemvynálezu je rovnež zarízení k provádení popsanéhozpusobu zpracování a použití biomasy jetele lucního k tomuto zpracování.

Description

Způsob zpracování biomasy trav, zejména víceletých pícnin, na cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu a/nebo krmiv, a na další produkty, zařízení k provádění tohoto způsobu, a použití biomasy jetele lučního k tomuto zpracování

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu zpracování biomasy trav, zejména víceletých pícnin enzymatickou hydrolýzou na cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu nebo krmiv, na kapalnou frakci pro izolaci fyziologicky cenných látek a na pevná paliva. Dále se týká zařízení k provádění tohoto způsobu, a použití biomasy jetele lučního k tomuto zpracování. Tento vynález vznikl s finanční podporou grantu MSM 6007665806.

Dosavadní stav techniky

Snaha využít biomasu k energetickým účelům je celosvětovým trendem, který je důsledkem snižujících se zásob fosilních paliv a nafty. Je známo několik základních způsobů zpracování a zužitkování biomasy, jako např. přímým spalováním, anaerobní digescí (výroba bioplynu), zplynováním (výroba generátorového a vodního plynu), pyrolýzou (výroba hořlavých plynů a tzv. „biooleje“ podobného naftě), a také chemickým zpracováním biomasy.

Chemické zpracování biomasy se provádí v zásadě dvěma známými způsoby, a to zcukřením (hydrolýzou) celulózy biomasy, a zpracováním zplynovacích produktů biomasy s pomocí katalytických reakcí při Fischer - Tropschových syntézách na nejrůznější produkty, hlavně však směs uhlovodíků blížící se svým složením běžné naftě.

Druhý způsob je značně technicky náročný a investičně nákladný, a proto jen stěží využitelný v podmínkách malých a středních podniků, které se orientují spíše na prvý způsob, tj. na zcukření (hydrolýzu) celulózy biomasy, který je technicky jednodušší.

-2• · · · · · • · ♦ • · · · • · · • · · · « • · · · • · · · ·· ··

Tento způsob zpracování biomasy vede k získání cukerných roztoků, které se mohou využít jako energetické krmivo pro skot (tzv. „umělá melasa“), nebo jako surovina pro výrobu bioetanolu běžným kvašením. Krmivo pro skot je upřednostňováno v oblastech s vysokými stavy skotu, zatímco v oblastech s nižšími nebo postupně se snižujícími stavy skotu je upřednostňováno zpracování cukerných roztoků na bioetanol.

Zcukření (hydrolýza) celulózy biomasy se provádí buďto kyselou hydrolýzou při vyšších teplotách a tlacích, nebo enzymatickou hydrolýzou enzymem celulázou při teplotě do 60°C, popř. kombinacemi obou těchto postupů.

Kyselá hydrolýza je jednodušší, ale nutnost práce při teplotách kolem 200°C a odpovídajícím tlaku je investičně nákladná. Enzymatická hydrolýza pracuje za nižších teplot, avšak je náročná na čistotu a zabránění kontaminace prostředí, a její výsledky jsou značně závislé na účinnosti enzymatického preparátu a kvalitě suroviny.

Oba výše popsané způsoby zcukření (hydrolýzy) mají společnou nevýhodu v tom, že pokud jsou využívány pouze pro výrobu bioetanolu, tak energie vložená do výroby úpravy biomasy je 2 - 3,5x větší než energie vyrobeného bioetanolu. Proto je snaha vyrobit kromě bioetanolu z biomasy současně i pevná paliva, krmivá, fural, organické kyseliny, vlákninu na izolační desky a další produkty, jejichž prodejem lze dosáhnout ekonomické návratnosti a zisku.

Příklad kyselé hydrolýzy biomasy je popsán např. v českém užitném vzoru č. 16562, č. 16083 a na www.biom.cz Jako vstupní biomasa byly použity dřevěné štěpky, sláma a sběrový papír. Kontinuální jednostupňová hydrolýza je prováděna při teplotě 180 - 210°C a tlaku 1,1 ~ 1,6 MPa. V kyselém prostředí dochází k rozštěpení lignocelulózového komplexu, k přeměně celulózy na glukózové sacharidy a k přeměně hemicelulóz na zkvasitelné hemicelulózové cukry. Vedlejší produkty této hydrolýzy jsou surový lignin, fural a organické kyseliny, jako např. kyselina octová a kyselina mravenčí. V návaznosti na hydrolýzu se získaný cukerný roztok zpracovává klasickým lihovým kvašením.

9999 I* • · ·

9 9

9 · • 9 · 9

9· ·9

-399 99 «

999 9 9

9 9 <

99

Zařízení pro zpracování biomasy sestává z hydrolyzéru, dále z plnících, přivádějících a výtlačných zařízení pro transport biomasy a hydrolyzované suspenze, a zexpanderů, do kterých je předávána hydrolyzované hmota, a kde dochází k jejímu ochlazení a ke snížení tlaku. Parní fáze z expanderů je přes tepelný výměník vedena do zásobníku furalové směsi, ze kterého je prováděna separace furalu. Součástí linky je i zařízení na rozdělení hydrolyzované suspenze na cukerný roztok (kapalnou složku) a tuhou složku obsahující lignin a zbytkovou celulózu.

Příkladem enzymatické hydrolýzy biomasy je dánský systém IBUS, který zpracovává slámu, trávu, obilnou biomasu, melasu, cukrovou třtinu, cukerné suroviny a domovní odpadky. Výstupním produktem jsou krmivá, bioetanol, vláknina, hnojivá a pevná biopaliva. K úpravě biomasy se používá jen horká voda a enzymy. Zařízení sestává ze tří reaktorů, kterými je protlačována řezanka lignocelulózového materiálu: prvý reaktor pro namáčení (80° - 100°C), druhý reaktor hydrotermické předúpravy (160° - 200°C), a třetí reaktor hydrotermické předúpravy (190° - 230°C). Tento systém má značnou nevýhodu právě ve vysokých teplotách předúpravy, protože samotná enzymatická hydrolýza probíhá při teplotě cca 50°C, a jen kvůli předúpravě je nutno ohřívat biomasu na uvedené teploty.

Kapalná fáze z druhého reaktoru, obsahující organické kyseliny, hemicelulózy, soli a cukry, se vede k zahuštění do odparky, z niž se získá 254 kg/hod 70 % melasy. Pevná fáze vláknitého charakteru z 3. reaktoru po odvodnění na 25 - 30 % sušiny jde do bioreaktoru, kde je hydrolyzována celulázou při pH = 4,5 - 5,5 a teplotě 45° - 50°C po dobu 24 hodin při aktivitě enzymu 7 FP/g (za 30 min při pH = 5 uvolní enzym 7 mg redukujících látek z papíru Whatmann č. 1, vyjádřených jako glukóza) na sušinu enzymového preparátu. Protiproudně (do 3. reaktoru) se přivádí voda s kondenzátem z odparky v množství 4 t/hod.

Z bioreaktoru enzymatické fermentace jde vlákninová břečka do kvasného bioreaktoru, ve kterém se zakvasí zákvasem pekařských kvasnic, předem 18 hodin rozkvašovaným. V kvasném bioreaktoru při teplotě 30 - 33°C a pH = 4,5 - 5,0 probíhá kvašení celkem 120 hodin. Při něm vznikne 0,45 - 0,47 g etanolu/1 g glukózy břečky. Produkt z kvasného bioreaktoru, nazývaný „vlákninové pivo“, jde do

-4• ··· · · • · · • · · • · · • · · · • · · · ··♦ ··· ·· «· • · • · · · • · · • · · · • · ·· destilace s rektifikací. Výsledek je produkce 217 kg/hod bioetanolu. Pak se oddělí kapalná a pevná frakce.

Pevná frakce, zvaná „vlákninový základ“, je pevným biopalivem, které v množství 247 kg/hod je vedeno k dalšímu zpracování (např. peletizaci). Kapalná frakce se spojuje s kapalnou frakcí z hydrotermické předúpravy a jde spolu s kapalnou frakcí z druhého reaktoru na odparku k výrobě melasy. Celý systém je sice účinný, ale investičně velmi nákladný (2 tlakové reaktory, protiproudý pohyb drceného materiálu a kapalné fáze s rozdílnými tlaky a teplotami). Je orientován na 3 hlavní produkty: bioetanol, energetické krmivo pro zemědělství (melasa) a pevné biopalivo. Je charakteristický zpracováním materiálu o vysoké sušině (25 - 40 %), což je výhodné z hlediska technologického, ale velmi náročné z hlediska mechanicko-strojírenského. Důsledkem tohoto faktu je značná investiční náročnost.

Výše popsané známé způsoby zpracování biomasy jsou technicky složité, investičně nákladné, a pro všechny druhy biomasy nepřinášejí optimální výsledky, např. pro zpracování trav z trvalých travních porostů, zejména víceletých pícnin nejsou příliš vhodné, protože jsou zaměřeny spíše na zpracování biomasy s vyšším podílem ligninu, přičemž ostatní produkty z této výroby mají malou tržní hodnotu.

Nejen v České republice, ale i v dalších zemích je zemědělský půdní fond z velké části tvořen tzv. méně příznivými oblastmi (LFA), které nejsou vhodné pro intenzivní zemědělskou výrobu, ale jsou vhodné pro pěstování trvalých travních porostů, zejména víceletých pícnin, které umožňují zachování půdní úrodnosti a jsou přitom nenáročné. Orientace těchto zemědělských oblastí na energetiku, v kombinaci se zemědělskou dotační politikou, by přispěla k zachování zemědělského půdního fondu a k trvale udržitelnému rozvoji těchto oblastí.

Úkolem vynálezu je proto vytvoření takového způsobu a zařízení pro zpracování biomasy s nižším podílem ligninu, který by umožňoval efektivní zpracování biomasy z trvalých travních porostů, zejména víceletých pícnin, pro výrobu bioetanolu, pevných paliv, krmiv a dalších průmyslově využitelných produktů.

-5···· 9 9 • · · • · · • · · · • · · · • · · · ·· ·· • · • · ··

9 · • · 9 9 ··

Podstata vynálezu

Tento úkol je vyřešen předloženým vynálezem. Způsob zpracování biomasy trav, zejména víceletých pícnin na cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu a/nebo krmiv a další produkty, zahrnuje hydrotermickou předúpravu biomasy v alespoň jednom reaktoru hydrotermické předúpravy a následnou enzymatickou hydrolýzu (zcukření) biomasy enzymem celulázou v bioreaktoru, kde produkt enzymatické hydrolýzy se dále zpracovává kvašením a destilací na bioetanol, a/nebo zapracováním pevné složky do tuhých paliv. Podstata způsobu zpracování podle vynálezu spočívá v tom, že biomasa se nejprve desintegruje na břečku jejíž největší částice mají zrnitost max. 0,5 mm, poté se extrahuje horkou vodou o teplotě od 70 do 100° C po dobu od 0,5 do 10 hod. za atmosférického tlaku, z výstupu extrakce se separuje kapalný podíl extrakce a pevný podíl extrakce, kde kapalný podíl extrakce tvoří cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu a/nebo krmiv, a pevný podíl extrakce se dále louží 2,5%-ním roztokem NaOH po dobu od 12 do 36 hodin při teplotě 40 až 80° C, a po promytí se enzymaticky hydrolyzuje celulázou po dobu od 12 do 36 hod při teplotě 40 až 60° C, přičemž z produktu hydrolýzy se separuje kapalný podíl hydrolýzy a pevný podíl hydrolýzy, kde kapalný podíl hydrolýzy tvoří cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu a/nebo krmiv. Uvedeným způsobem lze efektivně zpracovat biomasu s nižším podílem ligninu, a získat komerčně využitelné produkty jako např. bioetanol, krmivá, fyziologicky cenné látky apod.

Ve výhodném provedení způsobu podle vynálezu je pevný podíl hydrolýzy dále zpracován při výrobě pevných paliv, zejména lisováním pelet a briket ze směsi obsahující kromě pevného podílu také vhodné pojivo.

V dalším výhodném provedení vynálezu se z břečky desintegrované biomasy separuje její pevná složka, která je dále extrahována v hydrotermickém extraktoru, a kapalná složka desintegrované biomasy, tzv. „zelený džus“, ze které se v biorafinerii izolují fyziologicky cenné látky, jako např. rostlinná barviva, fytoestrogenní látky, karotenoidy apod., a poté se separuje kapalný podíl izolace, který tvoří cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu a/nebo melasy, a pevný podíl izolace, který tvoří materiál pro výrobu pevných paliv. Fyziologicky cenné látky zde představují další ···· ·» • · · • · · • · · · • · · · ·· ·· · ·· • · • · · » • « · • · ·

-6samostatně komerčně zajímavé produkty, využitelné v potravinářském, farmaceutickém, kosmetickém a chemickém průmyslu.

Alternativně se kapalná složka desintegrované biomasy, tzv. „zelený džus“, před izolací v biorafinerii tlakově hydrolyzuje kyselou hydrolýzou na tzv. „hnědý džus“, což rozšiřuje možnosti získávání fyziologicky cenných látek, ale za cenu vyšších nákladů.

Enzymatická hydrolýza může využívat komerčně dostupné celulózy, ale z hlediska razantního snížení výrobních nákladů je výhodné, když se enzymatická hydrolýza v bioreaktoru aktivuje živým enzymem celulázou, kontinuálně připravovaným z inokula a živné půdy, s přídavkem roztoku acetátového pufru pH = 4,6, k němuž se s výhodou přidává živné prostředí Omelianského roztoku.

Příprava celulázového enzymatického systému probíhá tak, že se z produkčního kmene mikroorganismu Trichoderma viride (ressei) kultivuje inokulum, které se převede do inokulačního tanku s živnou půdou tvořenou mletou sušenou biomasou, celulázou, pufrem a Omelianského roztokem, kde se kultivuje enzym celuláza pro použití v bioreaktoru. Příprava inokula se kontroluje analytickou metodou.

V dalším výhodném provedení se z inokulačního tanku inokulum převede do produkčního tanku, kde se opět smísí s živnou půdou a dále se kultivuje enzym celuláza pro použití v bioreaktoru.

Použití produkčního tanku má mimo jiné i tu výhodu, že se přebytek technické celulázy z produkčního tanku může použít ke zkvalitnění a zchutnění objemových a jiných krmiv. Technická celuláza se v tomto případě koncentruje ultrafiltrací a stabilizuje kyselinou sorbovou pro další použití.

Z ekologického a nákladového hlediska je výhodné, že po loužení se roztok

NaOH zpěvného podílu extrakce separuje a používá se kpřípravě louhového roztoku pro nové loužení, a že po promytí vodou se prací voda z pevného podílu

-7·*« »· « · • · · · · ·

9 9 9

9 9 9 · · ·

9

9· 9 9 9 ·

9 9 9 ·9 extrakce separuje odstředěním. Celá technologie je tak prakticky bezodpadová, s výjimkou odstředěné prací vody.

Pro diverzifikaci výstupní cukerné suroviny je výhodné, že kapalný podíl extrakce a kapalný podíl hydrolýzy se přivádí na odparku, kde se teprve upraví konečná koncentrace cukrů bud na cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu nebo na cukernou surovinu pro výrobu krmiv. Tento způsob výroby umožňuje libovolně měnit sortimentní strukturu výsledného produktu dle požadavků odběratelů.

Ze stejného důvodu je výhodné, že i kapalný podíl izolace se přivádí na odparku, kde se upraví konečná koncentrace cukrů bud na cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu nebo na cukernou surovinu pro výrobu krmiv.

Předmětem vynálezu je rovněž zařízení pro zpracování biomasy, trav, zejména víceletých pícnin, jehož podstata spočívá vtom, že zahrnuje desintegrační zařízeni pro desintegraci biomasy na částice o zrnitosti max. 0,5 mm, které je propojeno s atmosférickým hydrotermickým extraktorem s navazujícím druhým separátorem pevného a kapalného podílu, kde kapalný podíl extrakce tvoří cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu a/nebo melasy, a výstup pevného podílu extrakce je připojen k loužicímu reaktoru s loužicí lázní NaOH a s prací lázní H2O, na který navazuje třetí separátor loužicí a prací lázně a louženého pevného materiálu, jehož výstup je připojen k bioreaktoru pro enzymatickou hydrolýzu s navazujícím čtvrtým separátorem pevného a kapalného podílu, kde kapalný podíl hydrolýzy tvoří cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu a/nebo melasy, a pevný podíl hydrolýzy tvoří materiál pro výrobu pevných paliv. Zařízení je určeno k provádění výše popsaného způsobu výroby, a jeho předností je zejména to, že pracuje za nízkých teplot a s atmosférickým tlakem.

Ve výhodném provedení zařízení je mezi desintegračním zařízením a hydrotermickým extraktorem uspořádán prvý separátor pevného a kapalného podílu, jehož výstup s pevnou složkou biomasy je připojen k reaktoru hydrotermické extrakce, a výstup s kapalnou složkou biomasy je připojen k biorafinerii pro izolaci cenných látek. Přítomnost tohoto prvého separátoru není ale v zásadě nutná, bylo by možné loužit a hydrolyzovat i desintegrovanou břečku.

-8Dále je výhodné, když mezi prvým separátorem a biorafinerií je uspořádán tlakový hydrolyzér pro kyselou hydrolýzu, který rozšiřuje možnosti využití izolace fyziologicky cenných látek.

Také je výhodné, že na vstup bioreaktoru je připojen inokulační tank a/nebo produkční tank s živým enzymem celulázou, dále přívod acetátového pufru a Omelianského roztoku. Produkční tank může být propojen se skladem technické celulázy. Živý enzym je velice účinný, jeho účinnost je konstantní, a ve srovnání s nakupovaným enzymem má mnohem nižší cenu.

V dalším výhodném provedení vynálezu je kapalný podíl izolace z biorafinerie, a/nebo kapalný podíl extrakce zextraktoru, a/nebo kapalný podíl hydrolýzy z bioreaktoru přes alespoň jeden zásobník přiveden na odparku, která je propojena se skladem cukerné suroviny pro bioetanol a se skladem cukerné suroviny pro krmivá. Výhody tohoto řešení z hlediska univerzální výroby „na sklad'¹ jsou popsány výše.

Nakonec je výhodné takové provedení zařízení, u něhož výstup pevného podílu hydrolýzy z bioreaktoru a/nebo pevného podílu izolace z biorafinerie je přiveden k peletovacímu lisu.

Překvapivé použití biomasy jetele lučního ke zpracování na cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu a/nebo melasy, pro izolaci fyziologicky cenných látek, a pro výrobu pevných paliv, zejména pelet, je dalším předmětem předloženého vynálezu, poněvadž jetel luční byl až doposud používán výhradně pro krmné účely.

Výhody řešení podle předloženého vynálezu spočívají zejména vtom, že umožňuje bezodpadové využití biomasy s nižším podílem ligninu pro energetické, krmné a zpracovatelské účely jednoduchým způsobem s nízkými výrobními náklady a v zařízení pracujícím za běžného atmosférického tlaku a nízkých teplot. Kromě bioetanolu a krmiv jako např. melasy lze popsaným způsobem z trav, např. z jetele lučního, získat i fyziologicky cenné látky využitelné v dalších oblastech. Trávy a víceleté pícniny lze pěstovat v oblastech LFA (less favourable areas), kde je možno

9· · · · · · ·

- ·· ·· ··· ··· ' takto zachovat půdní úrodnost a zároveň tyto oblasti komerčně orientovat na energetiku, v kombinaci se zemědělskou dotační politikou. Tato kombinace přispěje nejen k zachování zemědělského půdního fondu, ale i k trvale udržitelnému rozvoji těchto oblastí.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže osvětlen pomocí výkresu, na němž představuje obr. 1 schematické znázornění zařízení pro zpracování biomasy podle vynálezu.

Příklady provedení vynálezu

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní příklady uskutečnění vynálezu jsou představovány pro ilustraci, nikoli jako omezení příkladů provedení vynálezu na uvedené případy. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zjistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde speciálně popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících patentových nároků.

V následně uvedeném přikladu provedení je popsán způsob a zařízení pro zpracování biomasy jetele lučního, ale předmět vynálezu zahrnuje v širším měřítku zpracování biomasy trav, zejména víceletých pícnin.

V tomto příkladu provedení je vstupní surovina tvořena biomasou 1 nadzemní hmoty čerstvého nebo senážovaného jetele lučního. Čerstvý jetel luční má až 90 % vody a 10 % sušiny a tím se odlišuje od biomas které byly pro obdobné účely dosud používány. Biomasa 1 se nejprve desintegruje v desintegračním zařízení 16, např. v drtiči s dvěma protiběžnými šneky, v kladívkovém šrotovníku, v drtící stolici, v lisu apod. na částice o zrnitosti max. 0,5 mm. Tím vznikne břečka, která je zpracována v prvém separátoru 21 pevného a kapalného podílu. Jde o odstředivé zařízení, které od sebe odděluje pevnou složku 9 desintegrované biomasy 1, a kapalnou složku 10 desintegrované biomasy i. V jiném příkladu provedení ale může být desintegrovaná biomasa 1 bez separace zpracována přímo v hydrotermickém extraktoru 2.

·*« ·

Kapalná složka 10 desintegrované biomasy I, tzv. „zelený džus“ se zpracovává v biorafinerii H, kde se chemickou cestou izolují fyziologicky cenné látky, jako např. rostlinná barviva, fytoestrogenní látky, karotenoidy atd., které jsou dále samostatně komerčně využitelné.

Alternativně může být předtím kapalná složka 10, tzv. „zelený džus“, dále přeměněná na tzv. „hnědý džus“, a to kyselou hydrolýzou v prostředí HCI v tlakovém hydrolyzéru 22 pracujícím v prostředí s pH = 3,0 při teplotě 200° C. Kyselá hydrolýza rozšíří možnosti využití zeleného džusu, není ale bezpodmínečně nutná, a její účinky je nutno hodnotit se zřetelem k nákladům na tlakový hydrolyzér 22.

Z biorafinerie H odchází kapalná složka izolace 12, kterou tvoří „zelený džus“ z něhož byly izolovány cenné látky, do prvého zásobníku 25 kapalného podílu, který je dále propojen s druhým zásobníkem 26 kapalného podílu (oba zásobníky 25, 26 obsahují cukerné roztoky pro výrobu bioetanolu nebo melasy), a dále do odparky 8.

Z biorafinerie 11 odchází také pevná složka izolace 13, kterou tvoří využitá odvodněná desintegrovaná biomasa, což je vhodný materiál pro výrobu pelet na peletovacím lisu 30.

Naproti tomu pevná složka 9 desintegrované biomasy 1, která vychází z odstředivky prvého separátoru 21, se dále zpracovává tak, že je extrahována horkou vodou o teplotě 90° C po dobu 4 hod v hydrotermickém extraktoru 2, který pracuje za běžného atmosférického tlaku. Tento extraktor 2 může zpracovat i neseparovanou desintegrovanou biomasu 1, přičemž tlakový hydrolyzér 22 a biorafinerie H mohou být zařazeny až za extraktor 2.

Výluh z extrakce, obsahující zbytky vodorozpustných cukrů, hemicelulóz a ostatních organických látek, se nazývá kapalný podíl extrakce 4, a je oddělen od sušiny v druhém separátoru 17 kapalného a pevného podílu (s výhodou opět odstředivka), odkud je již jako cukerná surovina pro výrobu bioetanolu nebo melasy odveden do prvého zásobníku 25 cukerné suroviny.

Pevný podíl extrakce 5, který je tvořen pevnými částicemi biomasy 1 je přemístěn do periodicky pracujícího loužicího reaktoru 18, kde je loužen roztokem, který snižuje stupeň krystalinity celulózy a ligninovou bariéru. Používá se 2,5%-ní roztok NaOH, který působí 24 hodin při teplotě 60° C. Po loužení se v třetím separátoru (19) odstředí loužicí lázeň, která se recykluje k opětovnému použití po obnovení koncentrace čerstvým NaOH. Loužení slouží k předúpravě biomasy 1 před vlastní enzymatickou hydrolýzou v bioreaktoru 3, přičemž loužení usnadňuje působení enzymů tím, že narušuje rostlinnou tkáň a membránové tmely. Po loužení se pevný podíl extrakce 5 v loužicím reaktoru 18 promyje vodou, a prací lázeň se opět odstředí ve třetím separátoru 19. Pevný podíl extrakce 5, ošetřený louhem a promytý, se převádí do bioreaktoru 3, kde se mísí s roztokem acetátového pufru pH = 4,6 (je přiváděn přívodem 23), s Omelianského roztokem, v množství 1g (NH₄)₂SO4 + 1g K₂ HPO₄ + 0,5 g kryst. MgSO₄ + 0,1 g NaCl na každý litr pufru (je přiváděn přívodem 24), a hydrolyzuje se enzymem celulázou (přívod 31) po dobu 24 hodin při teplotě 53° C.

Po hydrolýze v bioreaktoru 3 postupuje zcukřená hmota do Čtvrtého separátoru 20 pevného a kapalného podílu. Pevný podíl hydrolýzy 7 je vhodný pro výrobu topiva, zejména pelet, a je proto směšován s pevným podílem izolace 13 a přiváděn k peletovacímu lisu 30, kde se za pomoci vhodných přísad lisuje do pelet. Kapalný podíl hydrolýzy 6 tvoří cukernou surovinu pro další výrobu bioetanolu nebo melasy. V druhém zásobníku 26 se smísí s kapalným podílem extrakce 4 a kapalným podílem izolace 12, které jsou přiváděny z prvého zásobníku 25, a směs cukerných roztoků postupuje dále na odparku 8.

Na odparce 8 se upraví koncentrace cukrů tak, aby odpovídala buď podmínkám kvašení na bioetanol, nebo podmínkám krmivářským jako energetický krmný zdroj, zejména melasa. Pro kvašení na bioetanol je vhodná koncentrace 32° Bé, pro krmivá dle požadavku odběratele.

Celulázový enzymatický systém pro tuto výrobu se připravuje tak, že produkční kmen Trichoderma viride (ressei) z nádobek sagarem a živinami (nejčastěji ve zkumavkách) se v laboratoři vícestupňovou kultivací v baňkách se sterilním kultivačním mediem převede na inokulum. Inokulum z baněk se převede do

-12• · » · · · • · · • · · • · · · • · · · • · ♦· ·· ·· ·· ♦ · * • v » · ♦ ♦ ♦ • · · · · · · ··· ·· · * inokulačního tanku při poměru objemu inokula k objemu kultivačního media 1 : 10. Baňky i inokulační tank jsou plněny živnou půdou tohoto složení: mletá sušená hmota jetele lučního v květu (10 g) a karboxymetylcelulóza (10 g) zn. AKUCELL se rozmixuje v citrátofosfátovém sladinovém pufru pH = 4,6, který se připraví smísením 532 ml 0,1 M kyseliny citrónové (19,2 g/l) a 468 ml 0,2 M Na2HPC»4 (28,4 g bezvodé soli/l v množství 1 000 ml sladiny s 8 % extraktu). Tento roztok se obohatí 1 g (NH₄) ₂SO₄, 1 g K2HPO4, 0,5 g kryst. MgSO₄ a 0,1 g NaCl na každý litr živné půdy. Inokulace se vždy provádí po sterilizaci živné půdy inokulem v poměru objemu 1:10 ke kultivačnímu mediu. Kultivuje se při 40° C a provzdušňuje se filtrovaným a sterilizovaným vzduchem, který současně plní funkci míchání. Odvod par a použitého vzduchu se realizuje přes vatový filtr.

Pro krmení bude možno použít také přebytek technické celulázy z produkčního tanku 15, který je skladován ve skladu technické celulázy 29, a který pro tyto účely bude koncentrován ultrafiltrací a stabilizován kyselinou sorbovou. Enzym bude možno použít ke zkvalitnění a zchutnění objemných krmiv.

Zařízení podle vynálezu je možno v jiných příkladech provedení s ohledem na výrobní prostory, druh biomasy a hospodárnost provozu různě modifikovat. Tak např. nádoba hydrotermického extraktoru 2 může být používána současně i jako loužicí reaktor 18, aby byla využita technologie. Stejně tak mohou být separátory 17,19, 20, 21 slučovány, resp. každý z nich může být využíván vícenásobně tak, aby nemusela být v lince instalována čtyři jednotlivá separační zařízení. Stejná zásada platí pro zásobníky 25, 26, sklady 27, 28, 29, odparku 8 a další součásti technologie. Každé z těchto zařízení může být v lince použito jednou nebo vícekrát, podle potřeby.

Průmyslová využitelnost

Způsob zpracování biomasy trav, zejména víceletých pícnin, na cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu a/nebo krmiv a na další produkty, zařízení k provádění tohoto způsobu, a použití biomasy jetele lučního k tomuto zpracování, podle vynálezu, jsou využitelné v zemědělství, ve zpracovatelském průmyslu, a v oblastech obnovitelných zdrojů energie a trvale udržitelného rozvoje.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob zpracování biomasy (1) trav, zejména víceletých pícnin na cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu a/nebo krmiv a další produkty, zahrnující hydrotermickou předúpravu biomasy (1) v alespoň jednom reaktoru hydrotermické předúpravy a následnou enzymatickou hydrolýzu (zcukření) biomasy enzymem celulázou v bioreaktoru (3), kde produkt enzymatické hydrolýzy se dále zpracovává kvašením a destilací na bioetanol, a/nebo zapracováním pevné složky do tuhých paliv, vyznačující se tím, že biomasa (1) se nejprve desintegruje na břečku jejíž největší částice mají zrnitost max. 0,5 mm, poté se extrahuje horkou vodou o teplotě od 70 do 100° C po dobu od 0,5 do 10 hod. za atmosférického tlaku, z výstupu extrakce se separuje kapalný podíl extrakce (4) a pevný podíl extrakce (5), kde kapalný podíl extrakce (4) tvoří cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu a/nebo krmiv, a pevný podíl extrakce (5) se dále louží 2,5%-ním roztokem NaOH po dobu od 12 do 36 hodin při teplotě 40 až 80° C, a po promytí se enzymaticky hydrolyzuje celulázou po dobu od 12 do 36 hod při teplotě 40 až 60° C, přičemž z produktu hydrolýzy se separuje kapalný podíl hydrolýzy (6) a pevný podíl hydrolýzy (7), kde kapalný podíl hydrolýzy (6) tvoří cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu a/nebo krmiv.

2. Způsob podle nároku 1,vyznačující se tím, že pevný podíl hydrolýzy (7) je dále zpracován při výrobě pevných paliv.

3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že z břečky desintegrované biomasy (1) se separuje její pevná složka (9), která je dále extrahována v hydrotermickém extraktoru (2), a kapalná složka (10) desintegrované biomasy (1), tzv. „zelený džus“, ze které se v biorafinerii (11) izolují fyziologicky cenné látky, jako např. rostlinná barviva, fytoestrogenní látky, karotenoidy apod., a poté se separuje kapalný podíl izolace (12), který tvoří cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu a/nebo melasy, a pevný podíl izolace (13), který tvoří materiál pro výrobu pevných paliv.

Μ

-X

4. Způsob podle nároku 3, v y z η a č u j ί c ί se t í m , že kapalná složka (10) desintegrované biomasy (1), tzv. „zelený džus“, se před izolací v biorafinerii (11) tlakově hydrolyzuje kyselou hydrolýzou.

5. Způsob podle alespoň jednoho z nároků 1 až 4, vy z n a č u j í c í se tím, že enzymatická hydrolýza se v bioreaktoru (3) aktivuje živým enzymem celulázou, kontinuálně připravovaným z inokula a živné půdy, s přídavkem roztoku acetátového pufru pH = 4,6.

6. Způsob podle nároku 5, vyznačující se tím, že k pufru se přidává živné prostředí Omelianského roztoku.

7. Způsob podle nároku 5 nebo 6, vy zn a č u j í c í se t í m , že při přípravě celulázového enzymatického systému se z produkčního kmene mikroorganismu Trichoderma viride (ressei) kultivuje inokulum, které se převede do inokulačního tanku (14) s živnou půdou tvořenou mletou sušenou biomasou, celulázou, pufrem a Omelianského roztokem, kde se kultivuje enzym celuláza pro použití v bioreaktoru (3).

8. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že z inokulačního tanku (14) se inokulum převede do produkčního tanku (15), kde se opět smísí s živnou půdou a dále se kultivuje enzym celuláza pro použití v bioreaktoru (3).

9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že přebytek technické celulázy z produkčního tanku (15) se koncentruje ultrafiltrací a stabilizuje kyselinou sorbovou pro použití mimo bioreaktor (3) ke zkvalitnění a zchutnění objemových krmiv.

10. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že po loužení se roztok NaOH z pevného podílu extrakce (5) separuje a používá se k přípravě louhového roztoku pro nové loužení.

11. Způsob podle nároku 1 nebo 10, vyzn a č uj í c í se t í m , že popromytí vodou se prací voda z pevného podílu extrakce (5) separuje odstředěním.

• · · · · · • · · • · · • · · · • · • ··· • · * • · ·

12. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že kapalný podíl extrakce (4) a kapalný podíl hydrolýzy (6) se přivádí na odparku (8), kde se upraví konečná koncentrace cukrů buď na cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu nebo na cukernou surovinu pro výrobu krmiv.

13. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že kapalný podíl izolace (12) se přivádí na odparku (8), kde se upraví konečná koncentrace cukrů buď na cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu nebo na cukernou surovinu pro výrobu melasy.

14. Zařízení pro zpracování biomasy (1) trav, zejména víceletých pícnin, na cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu a/nebo krmiv a další produkty, sestávající z alespoň jednoho reaktoru pro hydrotermickou předúpravu biomasy (1), z bioreaktoru (3) pro enzymatickou hydrolýzu, a z odparky (8), vyznačující se t i m , že zahrnuje desintegrační zařízení (16) pro desintegraci biomasy (1) na částice o zrnitosti max. 0,5 mm, které je propojeno s atmosférickým hydrotermickým extraktorem (2) s navazujícím druhým separátorem (17) pevného a kapalného podílu, kde kapalný podíl extrakce (4) tvoří cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu a/nebo melasy, a výstup pevného podílu extrakce (5) je připojen k loužicímu reaktoru (18) s loužicí lázní NaOH a s prací lázní H₂O, na který navazuje třetí separátor (19) loužicí a prací lázně a louženého pevného materiálu, jehož výstup je připojen k bioreaktoru (3) pro enzymatickou hydrolýzu s navazujícím čtvrtým separátorem (20) pevného a kapalného podílu, kde kapalný podíl hydrolýzy (6) tvoří cukernou surovinu pro výrobu bioetanolu a/nebo melasy, a pevný podíl hydrolýzy (7) tvoří materiál pro výrobu pevných paliv.

15. Zařízení podle nároku 14, vyznačující se tím, že mezi desintegračním zařízením (16) a hydrotermickým extraktorem (2) je uspořádán prvý separátor (21) pevného a kapalného podílu, jehož výstup s pevnou složkou (9) biomasy (1) je připojen k reaktoru (2) hydrotermické extrakce, a výstup s kapalnou složkou (10) biomasy (1) je připojen k biorafinerii (11) pro izolaci cenných látek.