CZ21678U1 - Zařízení na pěstování a komplexní zpracování rasové biomasy bohaté na polysacharidy na výrobu bioethanolu a výživového/krmivového doplňku - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro pěstování a zpracování biomasy jednobuněčných řas zahuštěním buněčné suspense, její mechanickou desintegrací, následnou enzymovou hydrolýzou polysacharidů na zkvasitelné sacharidy, částečnou enzymovou hydrolýzou proteinů, fermentací, destilací, rektifikací na bioethanol, zatímco nerozpustná frakce biomasy představuje vysoce kvalitní výživový/krmivový doplněk.

Dosavadní stav techniky

V současné době jsou vyvíjeny různé technologie konverze biomasy na ušlechtilá kapalná biopaliva, jako bioethanol, biodiesel, biobutanol atp. Ta jsou tradičně vyráběna z biomasy převážně cíleně pěstovaných zemědělských plodin, což s sebou nese mnoho nevýhod jako zdražování potravin, vyčerpávání zemědělské půdy, zvýšenou potřebu hnojení a z ní plynoucí kontaminace vod, atd. Nejen pěstování vstupní suroviny, ale i značná energetická náročnost jejího následného zpracování při konverzi na biopalivo způsobuje, že výhodnost biopaliv v současné podobě se jeví přinejmenším jako diskutabilní jak po stránce ekologické, tak z hlediska ekonomické a energetické efektivity jejich výroby.

Jedním z nejvíce využívaných biopaliv je v současnosti ethanol. Tradičním substrátem pro jeho výrobu jsou zkvasitelné cukry pocházející ze zemědělských plodin obsahujících škrob tj. obílí, kukuřice, nebo přímo zkvasitelné cukry - cukrová řepa a třtina. Nevýhodou těchto technologií je hlavně vysoká cena vstupního materiálu. Proto se dále intenzivně zkoumají postupy využívající i výrazně levnější suroviny obsahující lignocelulózu, ať už je to biomasa odpadní tj. sláma, dřevní štěpka, použitý papír, atp., nebo cíleně pěstovaná tj. energetické traviny, rychle rostoucí dřeviny, atp. Jejich cena jakožto vstupní suroviny je v porovnání se škrobnatými plodinami téměř zanedbatelná, nicméně hydrolýza lignocelulózy na zkvasitelné sacharidy je značně energeticky, a tím i ekonomicky nákladná, což je zatím hlavní limitace těchto technologií.

V evropských zemích je zemědělský půdní fond podle své kvality využíván od intenzivní zemědělské výroby až po pěstování trvalých travních porostů. Využívání těchto zemědělských oblastí na pěstování biomasy pro energetické účely je značně diskutabilní. Alternativním zdrojem biomasy resp. zkvasitelných cukrů mohou být jednobuněčné řasy (Chlorella sp.) schopné vysoce účinné fixace CO₂, které lze pěstovat ve fotobioreaktorech umístěných v místech nevyužitelných pro zemědělskou výrobu. Jednobuněčné řasy (Chlorella sp.) lze pěstovat specifickým způsobem (není předmětem technického řešení) tak, aby obsahovaly v sušině biomasy až 70 % hm. polysacharidů - škrob, celulóza, β-glukany, hemicelulózy, přičemž celulóza lokalizovaná v buněčné stěně řas není vázána v lignocelulózovém komplexu, tudíž je snadněji enzymaticky hydrolyzovatelná.

Biomasa řasy Chlorella je cenným zdrojem bílkovin - podle kultivačních podmínek 20 až 60 % hm. sušiny, polysacharidů - podle kultivačních podmínek 20 áž 70 % hm. sušiny, vitamínů a minerálů cca 10% hm. sušiny, lipidů, včetně polynenasycených mastných kyselin - cca 20% hm. sušiny, chlorofylů - cca 3 % hm. sušiny, karotenoidů - velmi účinné antioxidanty - cca 0,5 % hm. sušiny a vlákniny - cca 5 % hm. sušiny, které se uplatňují nejen ve výživě lidí a zvířat, ale i ve farmacii a kosmetice. Řasa Chlorella se dále vyznačuje tzv. Chlorella růstovým faktorem (CRF) známým také pod zkratkou CGF (z angl. Chlorella Growth Factor). Připravuje se z vodného extraktu buněk a má velmi komplexní složení zahrnující řadu látek, známých i dosud neidentifikovaných. Připisuje sejí mnoho funkcí v organismu, např. lapač volných radikálů, snižuje obsah krevních lipidů, podporuje obnovu a tvorbu bílých krvinek a podporuje celkovou obranyschopnost organismu. Příznivě působí na řadu dalších funkcí, takže lze mluvit o harmonizující roli tohoto komplexu na zdraví lidí i zvířat.

-1 CZ 21678 Ul

Řasy jako fotoautotrofní mikroorganismy mají schopnost řádově rychlejšího růstu než vyšší rostliny a nižší nároky na spotřebu vody a hnojení. Jejich pěstování ve velkoobjemových kultivačních zařízeních, tzv. fotobioreaktorech, je relativně nenáročné a produkce biomasy při nich může dosáhnout až 100 tun suché biomasy na hektar za rok, v závislosti na kultivačních podmínkách. Fotobioreaktorů existuje celá řada konstrukčních variant, přičemž jejich základní rozdělení je na otevřené a uzavřené vůči okolnímu prostředí. V uzavřených systémech je snazší kontrola kontaminace, nicméně pořizovací náklady uzavřených systémů jsou vyšší než pro otevřené bazénové fotobioreaktory. Otevřené nádrže jsou tvořeny kruhovou nádrží s otáčivým ramenem či kolesem k míchání kultury. Hlavním omezením souvisejícím s činností těchto otevřených bazénů je omezená možnost kontroly kontaminace a nízká sklizňová hustota rasové biomasy tj. 1 až 3 g suché hmoty řas na litr buněčné suspenze v živném médiu. Dále existují tzv. tenko vrstvě spádové fotobioreaktory, např. užitný vzor CZ 9966, které umožňují dosahovat vysokou sklizňovou hustotu ras okolo 15 až 30 g.l*¹, což ve spojení s periodickým přidáváním malých dávek živin omezuje proliferaci nežádoucí mikroflóry. Biomasa řasy Chlorella narostlá v tenkovrstvém spádovém fotobioreaktorů vyhovuje legislativním požadavkům na potraviny využitelné v lidské výživě.

Aby mohl být plně využit růstový potenciál jednobuněčných řas, musí být řasová suspenze sycena oxidem uhličitým v koncentracích o jeden až dva řády vyšších než je jeho obsah ve vzduchu. Zde lze s výhodou využít přímo spalin vznikajících například ve spalovnách komunálního odpadu, kogeneračních jednotkách, nebo například kvasných plynů z lihovarů, čímž dochází zároveň ke snížení nákladů na produkci řasové biomasy a snížení emisí tohoto skleníkového plynu přímo v místě jeho vzniku. Čistota spalin bohatých na oxid uhličitý bude klíčová pro eventuální využití řasové biomasy jako výživového či krmivového doplňku. Jak bylo prokázáno, použití dostatečně čistých spalin ze spalovny komunálního odpadu jako zdroje CO2 pro řasy vedlo k získání řasové biomasy splňující všechny legislativní požadavky EU na obsah kontaminujících látek v potravinách - Doušková, I. et al. Simultaneous flue gas bioremediation and reduction of microalgal biomass production costs. Applied Microbiology and Biotechnology (2009), 82(1), 179-185.

Polysacharidovou tj. škrob, celulóza, složku biomasy je možné konvertovat na zkvasitelné cukry kyselou hydrolýzou při vysokých teplotách kolem 200 °C a tlacích nebo enzymatickou hydrolýzou amylolytickými enzymy - do 85 °C, enzymem celulázou - do 60 °C, či kombinací obou těchto postupů. Nevýhodou kyselé hydrolýzy jsou vysoké investiční i provozní náklady, protože se při ní pracuje s vysokými tlaky, teplotami a v silně korozivním prostředí díky nutnosti použití agresivních chemikálií. Enzymatická hydrolýza probíhá za nižších teplot, avšak při použití termostabilních enzymů při ní nehrozí riziko mikrobiální kontaminace a tím ztrát suroviny. Enzymatická hydrolýza také více vyhovuje z hlediska využití produktů zpracování řasové biomasy v lidské výživě či ve farmaceutickém průmyslu.

Po zcukření polysacharidové frakce biomasy probíhá mikrobiální fermentace, to jest konverze zkvasitelných cukrů na ethanol pomocí kvasinek Saccharomyces cerevisiae za vedlejší tvorby oxidu uhličitého a kvasničné biomasy. Kvasinky Saccharomyces cerevisiae jsou výhodným zdrojem bílkovin tj. 40 až 50 % hmotn. sušiny a aminokyselin, dále obsahují lipidy, tj. nenasycené mastné kyseliny, fosfatidy tj. lecitin, ergosterol a steroly, nukleotidy, puriny - obě tyto skupiny látek se podílejí na stavbě DNA, minerály, jako Ca, P, K, Mg, Na, stopové prvky, vitaminy, zejména thiamin - Bl, riboflavin - B2, pyridoxin - B6, niacin - B3, kys. listová, kys. pantotenová - B5, kys. pangamová - B15, kalciferol - D, cholin, kobalamin - B12 a jiné biologicky účinné látky, například biotin - H, inozitol, protianemický faktor, cytochrom, melaninové pigmenty atd.

Výhody předloženého technického řešení spočívají zejména v tom, že umožňuje ekologicky šetrné pěstování řasové biomasy na odpadním oxidu uhličitém na místech nekonkurujících zemědělské výrobě a dále umožňuje bezodpadové využití řasové biomasy, která se po extrakci ve vodě rozpustného Chlorella růstového faktoru (CRF), hydrolýze polysacharidové frakce a fermentaci hydrolýzou vzniklých zkvasitelných cukrů v bioreaktoru separuje na pevnou nerozpustnou frakci s vysokou výživovou/krmivovou hodnotou a kapalnou frakci, která jde do destilace s rektifikací a odvodněním, výsledkem je bezvodý bioethanol.

-2CZ 21678 Ul

Úkolem technického řešení je proto vytvoření takového zařízení pro pěstování a zpracování řaso vé biomasy, které by umožňovalo komplexní a efektivní zpracování biomasy na bioethanol a vysoce hodnotné výživové/krmivové doplňky za současné minimální tvorby odpadů.

Podstata technického řešeni

Nevýhody dosavadních technologií získávání ethanolu ze Škrobnatých a lignocelulózových surovin řeší a odstraňuje technické řešení na pěstování a komplexní bezodpadové zpracování řasové biomasy bohaté na polysacharidy.

Předmětem technického řešení je zařízení pro pěstování a zpracování řasové biomasy, jehož výhoda spočívá v tom, že buněčná tj. řasová suspenze se kultivuje ve spádovém fotobioreaktoru, do kterého se jako zdroj oxidu uhličitého přivádí ochlazené odpadní spalinové plyny, např. ze spalovny komunálního odpadu, spalovny bioplynu, nebo kvasný plyn z lihovarů či pivovarů.

Další výhodou kultivačního systému je, že se dosahuje vysoké koncentrace buněčné suspenze v kultivačním médiu tj. 15 až 30 g.l^{1 * 3 4} sušiny řasové hmoty, která se zahušťuje přímo v zásobní nádrži spádového fotobioreaktoru, konstruované jako sedimentační nádrž s kónickým dnem, pomocí např. vysrážení chitosanem, nebo magnetickou separací na suspenzi s koncentrací 50 až 70 g.l’¹ sušiny. Následně je tato suspenze vedena do separátoru tj. odstředivky, kde je dále zahuštěna na 150 až 250 g.lVe výhodném provedení zařízení je voda ze dvou separačních kroků následujících po kultivaci řas recyklována zpět do spádového fotobioreaktoru.

Ve výhodném uspořádání technického řešení se hustá buněčná suspenze z odstředivky vede do mechanického desintegrátoru buněk, např. balotinového mlýnu, z něhož vystupuje suspense desintegrované řasové biomasy do extraktoru, do kterého je přivedena horká voda a za stálého míchám přechází do roztoku ve vodě rozpustná frakce řasové biomasy zvaná Chlorella růstový faktor (CRF). Po extrakci je směs vedena do separátoru, kde je pomocí odstředivky separována na zahuštěnou frakci - 150 až 250 g.l¹ a kapalnou obsahující CRF. Dále je výhodou, že kapalný roztok CRF lze zahustit, např. na vakuové odparce, pak je produktem kapalný koncentrát CRF, nebo technické řešení umožňuje dále zahuštěnou kapalnou frakci sušit, např. ve sprejové sušárně, a pak je produktem práškový CRF.

V dalším výhodném provedení technického řešení je zahuštěná frakce po dvoustupňové separaci následující po kultivaci řas vedena do míchaného bioreaktoru s regulací teploty a pH, kde probí30 há vícestupňová enzymová hydrolýza polysacharidů založená na komerčních enzymových preparátech. Hydrolýza polysacharidů tj. ztekucení a zcukrení, v husté řasové biomase se skládá z následujících kroků:

1. úprava pH vsádky kyselinou fosforečnou a přídavek termostabilní α-amyíázy, ohřev směsi na požadovanou teplotu po definovanou dobu za stálého míchání;

2. úprava teploty a pH směsi vhodné pro amyloglukozidázu či β-amylázy, a udržování teploty po požadovanou dobu za stálého míchání;

3. úprava teploty a pH směsi vhodné pro působení celulolytických a proteolytických enzymů a udržování teploty a pH po požadovanou dobu za stálého míchání;

4. úprava teploty a pH směsi a přídavek kvasinek Saccharomyces cerevisiae a udržování fer40 mentační teploty po dobu potřebnou ke konverzi zkvasitelných cukrů na ethanol.

Zvláště výhodné je, že vhodnou volbou enzymů s blízkou optimální teplotou a pH působení lze kroky 2 až 3 vzájemně zkombinovat do jednoho kroku a tím po kroku 2 nebude nutná úprava teploty a pH směsi. Technické řešení umožňuje výhodně využít také skutečnost, že pokud je v komerčních amylolytických a celulolytických enzymových komplexech obsažena dostatečná vedlejší proteolytická aktivita, což se ověřuje experimentálně, není přídavek proteáz nutný.

Výhodou technického řešení je také to, že pokud se ve třetím kroku enzymové hydrolýzy udrží teplota do 30 °C, lze použít souběžnou tj. simultánní, fermentaci zkvasitelných cukrů na ethanol pomocí kvasinek Saccharomyces cerevisiae, které by se přidaly do bioreaktoru spolu s celulázo-3CZ 21678 U1 vým a proteázovým komplexem. Také je výhodné, že fermentace je vsádková a probíhá ve stejném bioreaktoru jako enzymová hydrolýza a z fermentace lze v průběhu kvašení glukózy na ethanol, kdy se koncentrace ethanolu pohybuje mezi 8 až 10 % obj., vést oxid uhličitý jako vedlejší produkt do spádového fotobioreaktoru na kultivaci řas, čímž se dále vylepšuje bilance CO₂ v zařízení.

Zvláště výhodná je separace pevné frakce prokvašené zápary před destilací, díky Čemu je minimalizováno organické znečištění (BSK, CHSK) výpalků. Destilace, rektifikace a případné odvodnění se v technickém řešení provádí multitlakovým způsobem, který je energeticky šetrný.

Výhodnost technického řešení dále spočívá v tom, že komplexně využívá řasovou biomasu ve vícestupňovém procesu enzymové hydrolýzy různých polysacharidových frakcí, jako je škrob, celulóza, hemicelulóza, s cílem získat maximální výtěžek zkvasitelných cukrů - glukózy a následně ethanolu a dále snižuje náklady produkce ethanolu tím, že pomocí proteolytických enzymů uvolňuje z řasové biomasy živiny - aminokyseliny, pro kvasinky ve fermentačním procesu a činí tím přídavek anorganického zdroje dusíku zbytečným. Výhodou je také, že kyselina fosforečná, která v zařízení slouží na úpravu pH enzymové hydrolýzy, slouží při fermentaci jako živina. Použití termostabilních enzymů zejména v 1. a 2. kroku enzymové hydrolýzy dále způsobí, že energeticky náročný krok sterilace reakční směsi před fermentaci lze vynechat.

Celé zařízení technického řešení je prakticky bezodpadové, neboť kultivační médium odseparované v krocích sedimentace a odstředění řasové biomasy je možné recyklovat a použít během další kultivace řas, tamtéž je využit i oxid uhličitý vznikající během ethanolového kvašení. Pevný podíl získaný po odstředění hydrolyzátu představuje vysoce hodnotný výživový doplněk, neboť obsahuje vysoké množství hodnotných bílkovin, vitaminů, kvalitních lipidů, chlorofylu, růstových faktorů (Chlorella růstový faktor) a dalších biologicky hodnotných látek, které pocházejí jak z biomasy řas, tak kvasinek. Díky odstranění tohoto pevného podílu před destilací je také minimalizováno množství i organické znečištění (BSK, CHSK) jinak obtížně zpracovatelných výpalků. Předností tohoto zařízení je, že pracuje za nízkých teplot a při atmosférickém tlaku.

Nakonec je výhodné takové zapojení zařízení na zdroj odpadního spalinového CO₂, např. spalovna komunálního odpadu, které umožňuje využití odpadního tepla či elektrické energie jako vedlejšího produktu ze spalovny jako vstupu energie, např. na ohřev, pohon rotujících separátorů, do jednotlivých částí zařízení.

Přehled obrázku na výkrese

Technické řešení bude blíže osvětleno na konkrétním příkladu provedení s pomocí Obr. 1, kde je schematické znázornění zařízení pro zpracování řasové biomasy podle technického řešení. Příklady provedeni technického řešení

V následně uvedených příkladech provedení je popsáno zařízení pro komplexní zpracování biomasy řas Chlorella vulgaris, ale předmět technického řešení zahrnuje v širším měřítku obdobná zařízení pro zpracování biomasy i jiných jednobuněčných řas. Dále popsané příklady uskutečnění technického řešení jsou pouze ilustrací, nikoli omezením možností provedení a velikosti technického řešení na uvedený příklad. Konkrétní doby trvání a optimální podmínky, jako jsou teplota, pH, doba trvání, dílčích kroků probíhajících v technickém řešení a dávky jednotlivých činidel budou záležet na množství a složení zpracovávané biomasy.

Příklad 1

Zařízení pro komplexní zpracováni biomasy řas Chlorella vulgaris, pracuje v režimu konverze polysacharidové frakce biomasy na bioethanol a na zahuštěný, nebo sušený výživový doplněk. Materiálová bilance uvedena v následujícím příkladu vychází z experimentálně ověřené účinnosti enzymové konverze rasových polysacharidů na zkvasitelné cukry (95 %) a mikrobiální konverze glukózy na ethanol (90 %).

-4CZ 21678 U1

V tomto příkladu provedení je řasová biomasa pěstována ve spádovém fotobioreaktoru i, v němž dochází ke kultivaci řas v kultivátoru 2 a následné separaci řasové biomasy vysrážením a sedimentací v sedimentační nádobě 3. Do fotobioreaktoru I se jako zdroj oxidu uhličitého přivádí ochlazené odpadní spalinové plyny, např. ze spalovny komunálního odpadu, spalovny bioplynu, s obsahem CO₂ 6 až 8 % obj., nebo CO2, jako vedlejší produkt kvašení, z lihovarů či pivovarů vhodně naředěný vzduchem z přívodu 17 vzduchu. Zdrojem 18 světla pro fototrofní řasy je sluneční záření, nebo může jim být také umělý zdroj osvětlení. Do fotobioreaktoru 1 naplněného 6,0 m³ z nádrže 19 vody, nebo recyklovanou vodou přivedenou přívodem 20 ze separátorů biomasy, zejména odstředivky 4 vstupují vstupem 21 složky živného média v počátečném množství (mg/1): (NH2)2CO 1100, KH2PO4 237, MgSO4.7H2O 204, C10H12O8N2NaFe 40, CaCl2 88, H3BO3 0,83, CuSO4.5H2O 0,95, MnCl2.4H2O 3,3, (NH4)6Mo7O24.4H2O 0,17, ZnSO4.7H2O 2,7, CoSO4.7H2O 0,6 a (NH4)VO3 0,014. Takto připravené médium je inokulováno rasovou suspenzí 22 narostlou v laboratorních podmínkách - 20 až 25 g/1 sušiny biomasy, neboje použita suspenze napěstovaná v předcházející kultivaci, v poměru objemu 1 : 100 ke kultivačnímu médiu ve spádovém fotobioreaktoru. Kultivace ras v kultivátoru 2 do hustoty buněčné suspenze přibližně 25 g/1 sušiny probíhá při intensitě osvětlení 100 až 200 W/m² a teplotním rozsahu 15 až 25 °C přibližně 10 až 15 dnů. Přídavek jednotlivých složek živného média je nutno opakovat, v množství stejném jako počátečním, v rozmezí 2 až 3 dnů v závislosti na rychlosti růstu řas, přičemž poslední přídavek - 2 až 3 dny před koncem kultivace, neobsahuje sole představující zdroj síry pro jednobuněčné řasy tj. MgSO4.7H₂O, CuSO₄.5H₂O, ZnSO₄.7H₂O a CoSO₄.7H₂O. Ztrátu vody odparem z kultivační části zařízení je nutno doplňovat čerstvou pitnou vodou z nádrže 19, nebo recyklovanou vodou přivedenou přívodem 20 získanou ze separátorů biomasy. Na konci kultivace provedené tímto způsobem se ve sběrné nádrži spádového fotobioreaktoru I nachází 6 m³ buněčné suspenze, s 25 g/1 sušiny, s obsahem polysacharidů 65 % hmotn. a množství vsádky tudíž odpovídá 150 kg řasové sušiny.

Po kultivaci řasové suspenze v kultivátoru 2 v objemu 6,0 m³ a s hustotou 25 g/1 sušiny buněk se využije sběrné nádrže fotobioreaktoru I k první separaci biomasy pomocí vysrážení přídavkem chitosanu - 20 mg/1 přivedeným přívodem 23 a následné sedimentace po dobu 40 minut. Po uplynutí této doby se začne odtahovat výstupem 24 usazená řasová suspenze zahuštěná na 70 g/1 sušiny do druhého separátorů pevného a kapalného podílu. Voda zbylá ve sběrné nádrži fotobioreaktoru i, sloužícího jako usazovací nádrž, je znovu využita při kultivaci řas.

Dalším separátorem je odstředivka 4, která má na výstupu kapalnou fázi, odváděnou přívodem 20 a recyklovatelnou do kultivačního média na pěstování řas a hustou řasovou suspenzi odváděnou odvodem 25, která vstupuje do desintegrátoru 5. Během separace sedimentací v sedimentační nádobě 3 a odstředivce 4 je odstraněno 5,25 m³ kultivačního média, které je znovu použito pro další cyklus kultivace řas v kultivátoru 2. Do mechanického desintegrátoru 5, např. balotinového mlýnu Dyno-Mill KDL-Pilot A, je přivedeno odvodem 25 750 1 zahuštěné řasové suspenze 200 g/1, dochází v něm k narušení buněčných stěn >95 % řas a směs jez desintegrátoru vedena vedením 26 do bioreaktoru 6.

V bioreaktoru 6 dochází ke dvěma procesům, které umožňuje toto technické řešení, jmenovitě k hydrolýze polysacharidů řasové biomasy v hydrolyzéru 7 a fermentaci 8 tímto vzniklých zkvasitelných cukrů. Zahuštěná řasová suspenze se po vstupu do bioreaktoru 6 v prvním kroku upravuje kyselinou fosforečnou vstupem 27 na pH vsádky 6,0; pak je přidáno vstupem 28 enzymů 80 g α-amylázy (Spezyme® XTRA, Genencor) a směs je ohřívána na 85 °C po dobu 90 minut za stálého míchání. Poté je směs ochlazena na teplotu 50 °C, pH je upraveno přídavkem H₃PO₄ na 5,0 a následuje přídavek 80 g amyloglukozidázy (Distillase® L-400, Genencor), 5 g β-glukanázy (Optimash™ BG, Genencor) a 300 g celulázového komplexu (Cellic® CTec2, Novozyme). Teplota 50 °C v bioreaktoru 6 je udržována po dobu 14 hodin za stálého míchání. Po uplynutí této doby následuje ochlazení směsi na 28 °C a přidání lihovarských kvasinek Saccharomyces cerevisiae vstupem 29 v takovém množství, aby po přídavku inokula - lze využít sušené lihovarské kvasinky, činila koncentrace buněk 2 χ 10⁷ buněk/ml. Teplota 28 °C je udržována až do doby úplného vyčerpání zkvasitelných cukrů z média tj. přibližně 40 hodin. V průběhu kvašení vzni-5CZ 21678 Ul kající oxid uhličitý lze vést vstupem 30 jako zdroj uhlíku na vstup do zařízení, jenž je předmětem tohoto technického řešení.

Prokvašená břeěka s obsahem nerozpustného podílu rasové biomasy a kvasinek se vede potrubím 31 z bioreaktoru 6 k separaci pomocí talířové odstředivky - separátoru 9, ze které lze pevný podíl vést dalším potrubím 32 a dále usušit v sušičce 10, čímž vznikne přibližně 57 kg vysoce hodnotného krmivového doplňku. Tekutá fáze - 705 1 ze separátoru 9 s obsahem 8 % obj. ethanolu je vedena vedením 33 do destilační kolony H> kde z ní lze energeticky šetrným způsobem za využití tlakového spádu a molekulových sít získat 55 1 bezvodého ethanolu a 650 1 řídkých výpalků.

Příklad 2

Zařízení pro komplexní zpracování biomasy řas Chlorella vulgaris, pracuje v režimu produkce horkovodního extraktu Chlorella růstového faktoru (CRF) a sušeného výživového/knnivového doplňku. Materiálová bilance uvedená v následujícím příkladu vychází z experimentálně ověřených dat.

Až do desintegrátoru 5 pracuje zařízení jenž je předmětem technického řešení stejně jako je uvedeno v příkladu 1. Do mechanického desintegrátoru 5 je přivedeno 750 1 zahuštěné řasové suspenze - 200 g/1 odkud je směs vedena vedením 34 do extraktoru 12. Extrakce řasové suspenze probíhá pomocí horké vody přivedené přívodem 35 do extraktoru 12 v takovém množství, aby vytvořilo buněčnou suspenzi s koncentrací 40 g/1 o teplotě 90 °C. Tato směs je míchána po dobu 50 minut. Poté je směs vedena vedením 36 na separaci v odstředivém dalším separátoru 13, kde se rozdělí na zahuštěný podíl který lze vést vedením 37 do sprej ové sušárny 14, čímž vznikne přibližně 95 kg vysoce hodnotného krmivového doplňku. Kapalný podíl v objemu 3210 litrů s obsahem 16,7 g/1 sušiny, tzv. Chlorella růstový faktor (CRF), je z dalšího separátoru 13 podle potřeby dalšího spotřebitele veden vedením 38 na zahuštění ve vakuové odparce 15, pak je produktem zahuštěný kapalný CRF, nebo je dále veden vedením 39 do sprejové sušárny 16, kde vznikne 53 kg práškového CRF.

Zařízení podle technického řešení je možno v jiných příkladech provedení s ohledem na výrobní prostory, množství biomasy a hospodárnost provozu různě modifikovat. Například nádoby sušičky 10 a sprejové sušičky 16 a sedimentační nádoby 4, separátoru 9 a dalšího separátoru 13 mohou být slučovány, resp. každá z nich může být využita vícenásobně tak, aby nemuselo být v zařízení instalováno několik dílčích podjednotek na separaci a sušení produktů či meziproduktů. Stejná zásada platí pro zásobníky a sklady produktů a vstupních surovin. Každá z těchto jednotek celého zařízení může být použita vícekrát, podle potřeby.

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle technického řešení lze využít pro zpracování řasové biomasy na: horkovodní výluh vysoce hodnotného výživového doplňku (tzv. Chlorella růstový faktor), cukernou surovinu pro výrobu bioethanolu a vysoce hodnotného výživového/ krmivového doplňku při komplexním a efektivním využití obnovitelných zdrojů - řasové biomasy, jejíž výroba nevyužívá zemědělskou půdu a umožňuje snižování emisí oxidu uhličitého přímo v místě jeho vzniku („in ri/w“).

Claims (7)

1. Zařízení pro komplexní zpracování řasové biomasy pro výrobu bioethanolu, rasového extraktu a výživového/krmivového doplňku, sestávající alespoň z jednoho fotobioreaktoru (1) pro kultivaci řasové biomasy a z bioreaktoru (6) pro enzymatickou hydrolýzu polysacharidů a následnou konverzi zkvasitelných cukrů na ethanol, vyznačující se tím, že fotobioreaktor (1) sestává z kultivátoru (2) řas a sedimentační nádoby (3) s přívodem (23) chitosanu, ke

-6CZ 21678 Ul kterému je připojena odstředivka (4) pro zahuštění nakultivované rasové biomasy s vysokým obsahem polysacharidů, přičemž k odstředivce (4) je připojen mechanický dezintegrátor (5), připojený k bioreaktoru (6) pro enzymatickou hydrolýzu (7) polysacharidů na zkvasitelné cukry, částečnou hydrolýzu bílkovin a fermentaci (8), a k bioreaktoru (6) je připojen separátor (9) pro separaci tuhé fáze představující hodnotný výživový/krmivový doplněk, a k separátoru (9) je připojena destilační kolona (11) pro kapalnou fázi.

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že k desintegrátoru (5) je připojen extraktor (12) s extrakční lázní (35) horké vody, na který navazuje další separátor (13) zahuštěné frakce, spojený se sušárnou (14) pro produkci výživového/krmivového doplňku a kapalného podílu, přičemž k dalšímu separátoru (13) je připojena odparka (15) pro zahuštění vysoce hodnotného výživového doplňku a/nebo sprejová sušárna (16) pro práškovou podobu.

3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že odstředivka (4) je propojena zpětným potrubím (20) s kultivátorem (2) pro opětovné využití kultivačního média získaného během separace rasové biomasy pro další kultivaci řas.

4. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, žek bioreaktoru (6) je připojen vstup (28) termostabilních hydrolytických enzymů pro využití všech zdrojů zkvasitelných sacharidů obsažených v biomase, představovaných škrobem, celulózou, hemicelulózou, β-glukanem.

5. Zařízení podle kteréhokoli z nároků laž4, vyznačující se tím, žek bioreaktoru (6) je připojen další vstup (27) kyseliny fosforečné pro úpravu pH a jako zdroj fosforu pro růst kvasinek.

6. Zařízení podle kteréhokoli z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že ke kultivátoru (2) fotobioreaktoru (1) je připojen vstup (30) oxidu uhličitého od fermentace (8).

7. Zařízení podle kteréhokoli z nároků lažó, vyznačující se tím, žek separátoru (9) je připojena sušička (10) pro vznik vysoce hodnotného krmivového doplňku.