CZ283596A3 - Způsob a zařízení pro komplexní výrobu bioetanolu z obnovitelných zdrojů - Google Patents
Způsob a zařízení pro komplexní výrobu bioetanolu z obnovitelných zdrojů Download PDFInfo
- Publication number
- CZ283596A3 CZ283596A3 CZ962835A CZ283596A CZ283596A3 CZ 283596 A3 CZ283596 A3 CZ 283596A3 CZ 962835 A CZ962835 A CZ 962835A CZ 283596 A CZ283596 A CZ 283596A CZ 283596 A3 CZ283596 A3 CZ 283596A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- hydrolysis
- solution
- starch
- pressure
- fermentation
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims abstract description 29
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 53
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 claims abstract description 52
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 claims abstract description 41
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 claims abstract description 41
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 claims abstract description 35
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 claims abstract description 35
- 239000008107 starch Substances 0.000 claims abstract description 35
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 claims abstract description 30
- 239000008103 glucose Substances 0.000 claims abstract description 30
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 claims abstract description 21
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 claims abstract description 21
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 18
- 240000004808 Saccharomyces cerevisiae Species 0.000 claims abstract description 11
- 238000004821 distillation Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims abstract description 11
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 9
- 230000007071 enzymatic hydrolysis Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000006047 enzymatic hydrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 8
- 102000013142 Amylases Human genes 0.000 claims abstract description 5
- 108010065511 Amylases Proteins 0.000 claims abstract description 5
- 230000002255 enzymatic effect Effects 0.000 claims abstract description 5
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 claims abstract description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 53
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 claims description 16
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 claims description 16
- 239000012978 lignocellulosic material Substances 0.000 claims description 14
- 229920005610 lignin Polymers 0.000 claims description 12
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 claims description 12
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 10
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 claims description 9
- HYBBIBNJHNGZAN-UHFFFAOYSA-N furfural Chemical compound O=CC1=CC=CO1 HYBBIBNJHNGZAN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000003625 amylolytic effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000012071 phase Substances 0.000 claims description 5
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 5
- 235000000346 sugar Nutrition 0.000 claims description 5
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 claims description 5
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 4
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 claims description 4
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000001461 cytolytic effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000006837 decompression Effects 0.000 claims description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 3
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 claims description 2
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 235000012054 meals Nutrition 0.000 claims description 2
- 235000010755 mineral Nutrition 0.000 claims description 2
- 239000011707 mineral Substances 0.000 claims description 2
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 claims description 2
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 2
- 230000001954 sterilising effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 claims description 2
- 235000013619 trace mineral Nutrition 0.000 claims description 2
- 239000011573 trace mineral Substances 0.000 claims description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 claims 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 15
- 235000019418 amylase Nutrition 0.000 abstract description 3
- 230000004048 modification Effects 0.000 abstract description 3
- 238000012986 modification Methods 0.000 abstract description 3
- 238000007865 diluting Methods 0.000 abstract description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 2
- 108010059892 Cellulase Proteins 0.000 abstract 3
- 239000004382 Amylase Substances 0.000 abstract 2
- 239000006194 liquid suspension Substances 0.000 abstract 2
- 229940106157 cellulase Drugs 0.000 abstract 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 abstract 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 abstract 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 30
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 12
- 229940088598 enzyme Drugs 0.000 description 11
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 10
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 5
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 4
- 239000010902 straw Substances 0.000 description 4
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 3
- 240000002791 Brassica napus Species 0.000 description 3
- 235000004977 Brassica sinapistrum Nutrition 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 description 3
- 235000005824 Zea mays ssp. parviglumis Nutrition 0.000 description 3
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 description 3
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 description 3
- 150000008163 sugars Chemical class 0.000 description 3
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 3
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 230000001476 alcoholic effect Effects 0.000 description 2
- 150000001720 carbohydrates Chemical class 0.000 description 2
- 235000014633 carbohydrates Nutrition 0.000 description 2
- 239000004464 cereal grain Substances 0.000 description 2
- 239000008236 heating water Substances 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000006148 magnetic separator Substances 0.000 description 2
- BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N methanoic acid Natural products OC=O BDAGIHXWWSANSR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 239000000047 product Substances 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 235000021309 simple sugar Nutrition 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 239000002918 waste heat Substances 0.000 description 2
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 2
- OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 4-(3-methoxyphenyl)aniline Chemical compound COC1=CC=CC(C=2C=CC(N)=CC=2)=C1 OSWFIVFLDKOXQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000228212 Aspergillus Species 0.000 description 1
- 102000005575 Cellulases Human genes 0.000 description 1
- 108010084185 Cellulases Proteins 0.000 description 1
- 229920002261 Corn starch Polymers 0.000 description 1
- 241000233866 Fungi Species 0.000 description 1
- 235000019759 Maize starch Nutrition 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000000061 acid fraction Substances 0.000 description 1
- 238000005903 acid hydrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 229940025131 amylases Drugs 0.000 description 1
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007073 chemical hydrolysis Effects 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 1
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 1
- 230000029087 digestion Effects 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000012065 filter cake Substances 0.000 description 1
- 235000019253 formic acid Nutrition 0.000 description 1
- 230000003301 hydrolyzing effect Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 235000013557 nattō Nutrition 0.000 description 1
- 229920001542 oligosaccharide Polymers 0.000 description 1
- 150000002482 oligosaccharides Chemical class 0.000 description 1
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 description 1
- 235000005985 organic acids Nutrition 0.000 description 1
- 235000021317 phosphate Nutrition 0.000 description 1
- 150000003013 phosphoric acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N propylene Natural products CC=C QQONPFPTGQHPMA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000004805 propylene group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([*:1])C([H])([H])[*:2] 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000001932 seasonal effect Effects 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
Landscapes
- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Description
Vynález se týká způsobu zpracování lignocelulózových materiálů termickotlakovou hydrolýzou a enzymovou hydrolýzou celulózy a enzymovou hydrolýzou škrobu, na glukózu, fermentaci, destilací, rektifikací na bioetanol, fúral a lignin a komplexní zařízení k provádění tohoto způsobu:
Dosavadní stav techniky
Z obnovitelných zdrojů je v současnosti nejvíce využívaným zdrojem energie biomasa, která má nezanedbatelný podíl na světové produkci. Z kvalitativních hledisek je však dnešní stav jejího využívání zcela neuspokojivý. Ve světovém měřítku zatím naprosto převažuje spalování biomasy, zejména v hospodářsky méně vyvinutých zemích, kde je velký nedostatek ušlechtilých paliv.
V blízké budoucnosti je proto zapotřebí rozvíjet a nalézt levnější a účinné metody konverze na ušlechtilá plynná, zejména však kapalná paliva, která umožní efektivní využití obnovitelných zdrojů, bez omezení působnosti na blízkost surovinových zdrojů i větší flexibilitu ve způsobech aplikace a bez sezónních výkyvů.
Přesto, že zatím je často využití fosilních surovin ekonomicky výhodnější, velké petrochemické společnosti zkoumají a prověřují nové technologie využívající obnovitelné zdroje. Konference European Conference on Bioethanol se v květnu zabývala příčinami ekonomické nerentability, z technologického i legislativního hlediska. Prodejní cena bioetanolu, který se vyrábí, nebo bude vyrábět z kukuřičného škrobu se téměř rovná ceně vstupní suroviny.
' ’ Doposud používané a navržené technologie jsou většinou založeny na využívání škrobových substrátů (kukuřice, obilí). Tyto substráty jsou drahé, mají však výhodu ve snadné a technologicky zvládnuté hydrolyze. Intenzivně se dále zkoumají postupy využívající hydrolyzu celulózy. Výhodou těchto postupů je zanedbatelná cena vstupní suroviny (celulózy). Často se totiž jedná o odpadm látky? Nevýhodou je získávání zředěných roztoků, které musí být nákladně zahušťovány, aby je bylo možno použít pro fermentační účely. Hydrolyzní technologie poskytující roztok glukózy o vhodné koncentraci a pokud možno kontinuálním způsobem nejsou dosud plně zvládnuty. Pokud se totiž proces vede tak, že poskytuje roztok o vhodné koncentraci, vznikají vedlejší produkty hydrolyzy, které nepříznivě ovlivňují průběh fermentace.
Dalším nepříznivým faktorem působícím ekonomické potíže při výrobě bioetanolu je značná energetická náročnost jeho isolace z fermentačního roztoku. Tento • · problém se řeší velmi komplikovanými a tedy drahými systémy destilace a rektifikace. Nákladné je také zahušťování výpalků.
Všechny tyto faktory uvádí Philip W. Madson ve své přednášce Bio-Ethanol experiences in the USA přednesené na European Conference on Bioethanol konané v Lisse (Holandsko) v květnu 1990. Závěrem konstatuje, že výroba bioetanolu je přes veškerý technický pokrok a optimalizace technologie v nejlepšún případě na hranici rentability. Řešení vidí ve využití nových postupů a jejich maximální optimalizaci a legislativní podpoře státu. Od této doby bylo vydáno několik patentů, žádný z nich však neřeší problematiku komplexně a definitivně. Všechny postupy jsou zaměřeny na vylepšení dílčích operací.
Je známý evropský patent č. 0 101 190 „ Process for producing ethanol“ autorů Assarssona a Nagasuye, kteří využívají pro výrobu glukózy, následně zkvašované na etanol, kyselou parciální hydrolyzu škrobu. Jako vstupní surovina je uvažován karbohydrátový materiál různě upravený (chemicky modifikovaný, odvozený, nemodifikovaný a/nebo jejich směs). Do některé z těchto skupin patří teoreticky i celulóza, i když ji autoři v seznamu surovin výslovně neuvádějí. Navržené podmínky hydrolyzy, zvláště teplota, ji však zcela vylučují ze seznamu použitelných surovin. Při navržené teplotě topné páry 167°C může dojít pouze k hydrolyze pentozanů, avšak celulóza, která pokytuje zkvasitelnou glukózu zůstane neporušena. Proto je v nárocích uváděn výhradně škrobový materiál. Aby zabránili značným ztrátám nezkvasitelných oligosacharidů, autoři vracejí roztok po prokvašení zpět do hydrolyzeru, kde dochází k jejich „dohydrotyze“. Tento proces („dohydrolyza“) je výrazně snazší než hydrotyza škrobil, přesto však musí dojít k opětnému ohřátí roztoku (susperize) a to je energeticky dosti náročné. To je značná nevýhoda tohoto postupu.
Další známý postup je popsán v US Patentu č.4,564,595. Jedná se o kyselou hydrolyzu delignifikované celulózy a následné zkvaŠování vzniklých jednoduchých cukrů (hlavně glukózy). Většina patentu popisuje etanolovou fermentaci za sníženého tlaku, při které dochází k oddělování etanolu z fermentační směsi a tím ke zrychlení fermentace. Oddělování etanolu může být urychleno probuhláváním oxidem uhličitým. Nevýhodou tohoto postupu je nutná delignifikace lignocelulosového materiálu, nízká koncentrace zkvasitelných cukrů (kvašení je však urychlováno oddělováním etanolu) a hlavně špatným využitím tepla, které je nutné pro hydrolyzu celulózy.
Vysokou energetickou náročnost známých postupů se snaží odstranit Japonský Patent č. 59048090 A o názvu „Preparation of fuel alcohol“. Jeho podstata spočívá v tom, že jsou pomocí fermentace připraveny z obnovitelných surovin jednoduché cukry, které jsou potom zkvašeny na etanol. Škrobové materiály jsou štěpeny pomocí vláknitých hub roduAspergillus, lignocelulosové materiály typu dřeva jsou upravovány pomocí kvasinek, sláma a slámě podobné materiály pomocí Bacittus natto. Všechny komponenty se smísí v poměru 5:3:2 a směs se podrobí akoholové fermentaci Jc získání levného palivového alkoholu“ (jak doslova uvádějí autoři). Evidentní nevýhodou tohoto postupuje nutnost podrobit vysokomolekulární sacharidy předběžnému fermentačnúnu štěpení. K tomu jsou zapotřebí další tři fermentační jednotky. Navíc tento typ fermentaci podle literáních údajů probíhá velmi pomalu. Je však možné, že akoholové kvašení (pokud nebereme v uvahu složitou přípravu suroviny) bude velmi levné.
Je dále známo několik modifikací postupů chemické hydrolyzy celulózy, které však nejsou průmyslově využívány. Důvodem je nerentabilnost postupů. Uvážíme-li, že suspenze celulózy se musí ohřát na více než 200 °C a toto teplo se po skončené hydrolyze stává odpadním teplem, je ekonomická náročnost zcela pochopitelná.
Podstata vynálezu
Zmíněné nevýhody uvedených dosavadních technologií k získávání etanolu, ligninu a furalu řeší a odstraňuje způsob a zařízení ke komplexní výrobě bioetanolu z obnovitelných zdrojů -lignocelulózových materiálů, obilních nebo kukuřičných šrotů-, přičemž lígnocelulózový materiál se nejprve hydrolyzuje za zvýšené teploty 160 až 215 °C a tlaku 0,65 až 2,3 MPa, v kyselém prostředí o pH 2 až 6 a pomocí vysokotlaké expanze se oddělí parní frakce obsahující inhibitory kvašení a od roztoku vzniklých zkvasitelných cukrů se oddělují nezreagované tuhé zbytky, které se vrací do termicko tlakové hydrolyzy, nebo se na ně dále působí celulolytickými enzymy, přičemž vzniká rozpustná glukóza a nerozpustný lignin, který se odděluje. Roztok glukózy se přidává do roztoku cukrů z hydrolyzy, ke kterému se současně kontinuálně přidává škrobový materiál a vše se podrobí amylotytické hydrolýze, pri čemž z výsledné reakční směsi se oddělí tuhé částice obsahující neškrobový podíl zrn, které se vrací do termicko-tlakové hydrolýzy. Glukózový roztok se po úpravě pH, přídavku solí a živin a po úpravě koncentrace glukózy naředěním nezahuštěnými výpalky ze záparové kolony napouští přes výměník tepla do fermentoru. Fermentace je přítoková s vracením separovaných kvasinek. Z fermentoru se po prokvašení glukózy na etanol a po oddělení kvasinek čerpá roztok na destilaci.
Teplota roztoku přicházejícího z termicko tlakové hydrolyzy je dostatečná pro dokonalé zmazovatění škrobu přidaného do roztoku. Po jeho zmazovatění a úpravě teploty na optimum pro působení termostabilních amyláz, velmi rychle proběhne štěpení škrobu na glukózu. Výhodou tohoto postupu je, že se využije teplo hydrotyzního roztoku a suspenze škrobu se nemusí dodatečně ohřívat.
Teplo glukózového roztoku, teplo z vysokotlaké expanze a teplo zahuštěných a nezahuštěných výpalků se využívá pro předehřátí nástřiku do záparové kolony. Teplo lutrové vody se využívá ke zlepšení energetické bilance termicko tlakové hydrolýzy. Odpadní teplo je tedy v pracovních technologických souborech využíváno a do ohřevného systému jsou doplňovány pouze ztráty technologické vody.
Destilace, rektifikace a případně odvodnění etanolu se provádí multítíakovým postupem. Tyto postupy šetří až 50% energie.
Výhodnost vynálezu spočívá dále v tom, že řeší komplexní systém výroby bioetanolu v sedmi na sebe navazujících a vzájemně propojených pracovních souborech: 1. soubor je tvořen aparáty pro přípravu suroviny, 2. soubor tvoří termicko tlaková hydrolýza lignocelulózového materiálu, jejíž zvláštností je plnící jednotka, která se skládá se zásobníku materiálu, dvou šoupátek, plnícího a hydraulického válce, 3. soubor tvoří enzymatická hydrolýza celulózy, 4. soubor tvoří enzymatická hydrolýza škrobu, 5. soubor tvoří fermentace, 6. soubor tvoří destilace a rektifikace a 7. soubor tvoří vlastní ohřevný okruh pro hydrotyzní i rektiSkační část Dezintegrační linka hgnocelulosového materiálu, je připojena na plnící jednotku pro různé druhy lignocelulózových zdrojů a opatřenou zařízením pro nástřik tlakové vody k rozvolnění lignocelulózového materiálu. Nástřik tlakové vody je propojen na směšovací podavač přímo s plnící jednotkou pro kontinuální vstup do hydrolýzního systému. Hydrotyzní systém je spojen s expandery v nichž dochází k rozdělení na parní fázi, která postupuje na rektifikaci a další úpravu a • · * # t ·» » « · r · * r «
-**··** - - * ♦ « « « roztok s tuhou fází, který je veden z expanderů na separátor, z kterého nezreagovaná tuhá fáze postupuje na enzymovou hydrolýzu, tvořenou jednotkou úpravy enzymů a separátorem, který je propojen s nádobou na přípravu fermentačního roztoku a míchaným zásobníkem ligninu. Separátor v enzymovém souboru zajišťuje současně recyklaci enzymů mezi separátorem a enzymovým hydrolyzérem. Variantně postupuje nezreagovaná tuhá fáze ze separátoru přes tlakové čerpadlo do termicko tlakového hydrolyzéru.
Roztok glukózy po hydrolýze postupuje do reaktoru enzymové (amylolytické) hydrolýzy škrobu, ve kterém dochází ke zcukření škrobu na glukózu. Enzymový reaktor je propojen se separátorem tuhé fáze od roztoku. Tuhá fáze je vracena na výstup ze separátoru nezreagované celulózy a alternativně zcukřena celuíázami, nebo termicko tlakově hydrolyzována. Ze separátoru glukózy a tuhé fáze je roztok glukózy veden na úpravu fermentačního roztoku, Z kterého postupuje přes výměník tepla do fermentoru. Fermentor je propojen se separátorem kvasinek, z kterého se kvasinky vracejí do fermentoru a etanolový roztok se ohřívá ve výměníku tepla a dále je veden na destilaci, která je propojena s odparkou a rektifíkaČním zařízením, případně zařízením pro dehydrataci etanolu. Z odparky jsou vyvedeny zahuštěné výpalky. Odpadní vody z rektifikace etanolu a fúralové části jsou zacyklovány pro dohřev v ohřevné jednotce k dalšímu využití v hydrolýzním a rektifikacním systému.
Výhodou způsobu a zařízení je především to, že proces hydrolýzně fermentační technologie výroby bioetanolu je řešen v jednom kompaktním výrobním celku a že využívá výhradně obnovitelných surovin. Zpracování těchto surovin není zaměřeno pouze na poměrně drahý škrob (jako je tomu v USA pri výrobě etanolu z kukuřice), ale využívá i o mnoho levnější celulózový materiál, který často bývá odpadem. Navržená komplexní technologie a zařízení zpracovává prakticky celou vzniklou biomasu bez významnějších odpadů.
Technologie je řešena tak, aby jednotlivé operace byly zcela provázané a tím jsou omezeny jak materiálové, tak hlavně energetické ztráty. Tepelná energie dodaná do procesu hydrolýzy se využívá v průběhu dalšího procesu a tím snižuje náklady na hydrolýzu respkt. na přípravu fermentačního roztoku.
Společným zpracováním celulózových a škrobových materiálů je dosaženo výrobní ceny etanolu značně nižší než při současných postupech.
Odpadní voda je v plné míře vracena do procesu, mimo vody ve zvlhčených produktech a oplachových vod.
Provázanost jednotlivých operací zvyšuje jejich účinnost. Např. zbytková celulóza, která prošla termicko tlakovou hydrolýzou je snadno štěpitelná celuíázami, neboť došlo k rozvolnění jednotlivých vláken tak, že jsou zcela přístupná působení enzymů. Technologie řeší i variantní vracení nezreagované zbytkové celulózy do termicko tlakového hydrolýzního procesu. Takto navržená technologie zajistí výtěžnost glukózy z celulózy v rozsahu 75 až 85%.
Zředěná kyselina je pro proces hydrolýzy použita v rozsahu od 0,05 do 1 % hmotn. a není oproti jiným technologickým návrhům regenerována. Výhodně lze použít kyselinu fosforečnou, jejíž soli slouží při fermentaci jako živiny. Za cenu mírného zpomalení procesu lze využít i vznikající organické kyseliny (octová) a přídavek minerální kyseliny vyloučit.
Vznikající vedlejší produkty (fural, reaktivní lignin a těkavé složky) jsou isolovány a připravovány k distribuci. Vedlejší produkty jsou cenné a pozitivně ovlivňují ekonomickou výhodnost technologie výroby etanolu.
Přehled obrázků na připojených výkresech
Obrázek č. 1.: Schéma komplexní výroby bioetanolu z obnovitelnch zdrojů.
Obrázek č.2.: Kontinuální hydrolyzer.
Obrázek č.3.: Plnící jednotka.
Obrázek č. 4.: Dekompresní jednotka • · *
Příklady provedení vynálezu «Κ·
Příklad č. 1
Výroba bioetanolu, furalu a ligninu z 500 kg řepkové slámy v přepočtu na sušinu a z 500 kg obilního zma za hodinu. Hodinová kapacita této linky činí 1000 kg vstupní suroviny.
Lignocelulózový materiál (řepková sláma) určený ke zpracování je přiváděn z dezintegračního souboru v hodinovém množství 500 kg do plnící jednotky, odkud je plynule dávkován do hydrolyzéru, který může mít jednu, nebo více sekcí, jejichž ukončení je provedeno dekompresní jednotkou, která spolu s plnící jednotkou tvoří s hydrolyzerem kompaktní celek. V plnící jednotce je materiál zvlhČován tlakovou vodou v hydromodulu do 0,5, tj. na jeden kg suroviny 0,5 kg vody horké 100 °C. Takto připravená suspenze je pod tlakem dávkována do hydrolyzéru, do kterého je současně nastřikována přehřátá tlaková voda, která zajišťuje vytvoření potřebné teploty 215 °C a tlaku 2,3 MPa ( hydrolyzér je temperován a je možno do něho přivádět i přehřátou vodní páru). V hydrolyzéru je suspenze kontinuálně promíchávána a posouvána po dobu od 5 do 9 minut ( doba zdržení). Množství tlakové vody přivedené do hydrolyzéru činí 1950 kg, celková hmota v hydrolyzéru je 2450 kg (tj. hydromodul cca 4). Z hydrolyzéru přes dvoustupňovou expanzi vystupuje suspenze obsahující 168 kg glukózy, 39 kg ligninu a 40 kg nezreagované celulózy. V parní fázi je kromě vody 17 kg furalu a další těkavé látky (kyselina octová, mravenčí, metanol aj.), Po oddělení tuhé fáze ze suspenze se do horkého roztoku přidá 500 kg obilného šrotu a po zmazovatění škrobu a úpravě podmínek (pH a teplota), se přidá amylolytický preparát. Po zhydrolyzování škrobu se oddělí tuhé částice, které se přidají k nezreagované celulóze a buď se vrátí do termicko tlakové hydrolyzy, nebo se hydrolyzují pomocí celuláz. Glukóza vzniklá celulolytickou hydrolyzou se přidává do fermentačního roztoku. Celkem vznikne roztok obsahující 482 kg glukózy, jejíž koncentrace byla upravena na 8-9 % hmotn. nezahuštěnými výpalky a po přidání fosforečnanů a stopových prvků (Zn, Mg aj.) a po sterilizaci se fermentuje. Fermentace probíhá přítokovým způsobem s vracením odseparovaných kvasinek. Po prokvašení na cca 5 % alkoholu se zápara vede přes výměník tepla, kde je předehrivána vstupním fermentačním roztokem, do záparové kolony. Páry etanolu (40 % etanolu) se vedou do rektifikační kolony, výpalky se částečně zahušťují, částečně vrací do procesu (jako promývací voda filtračního koláče po oddělení tuhé fáze po hydrolýze celulózy a škrobu a jako ředící voda fermentační kapaliny). Lutrová voda se využívá jako nástřik do termicko tlakové hydrolyzy. Teplo uvolněné expanzí po termicko tlakové hydrolyze se využívá pro sterilizaci fermentačního media a pro předehřívání zápary.
| Hodinový kapacitní výstup z této linky | činí u hlavních produktů | |
| -- | bioetanolu z řepkové slámy | 127 kg |
| -- | bioetanolu z obilního zma | . 162 kg |
| celkem etanol | 289 kg | |
| — | ligninu | 39 kg |
| -- | furalu | 17 kg |
Příklad č. 2 , >
Itovq u
Zařízení na obr. 1 sestává z dezintegrační—tisky 1_, kterf je tvořen# řezačkou pro rozmělnění lignocelulózového materiálu (LCM), podávacím zařízením a magnetickým separátorem. Magnetický separátor je spojen pomocí transportéru s prstovým vkladaěem opatřeným regulačním zařízením v jehož části je umístěno dávkovači zařízení, které je napojeno na směšovací podavač LCM opatřený vyhřívacím zařízením. Vyhřív^cí zařízení je propojeno dopravníkem dopravním pásem s plnkí jednot^ou^lgará je tvořena zásobníkem^ materiálu, dvěma plochými ,šoupátkyy plnícím^-nytřatíhckým válceirt^-pro vstup LCM do hydrolýzního systému12. Z hydrolýzruho je výstup parní fáze napojen na vysokotlakový expander 3, ze kterého je suspenze vedena do atmosferického expanderu í Atmosferický expander 4_ je ve své spodní části spojen s aparátem 9 pro úpravu a separaci tuhé fáze a roztoku. Expandery 3 a 4 jsou propojeny s trubkovým prostorem výměníku 5 a 6 z nichž je parní fáze vedena na zařízení 8 určené pro dělení parní furalové a kyselinové frakce. Tuhé zbytky z aparátu 9 jsou variantně zpracovávány na glukózu přímou vratkou přes tlakové čerpadlo do hydrolyzáwí/TT-aneoo je tuhá íhmocelulózová zbytková fáze z aparátu 9 vedena na enzymový hydrolyzer 1 llehvie propojen se zařízením 10 pro přípravu enzymů a separátorem 12 určeným pro oddělení ligninu po enzymové*hy^rolýze. Lignin ze separátoru 12 postupuje do^níchaného zásobníku 13. Sj^pařaiféř 9 je dájg napojen na enzymový hydrolyzer-^krobu W. kteiý je propojen s aparáí^^pnrgmpravu drceného zrna (obilí aj.) Ϊ& a aparátem 16 pro přípravu enzymu amylázy. Ze separátoru 12 je glukóza čerpána do aparátu 18 pro úpravu fermentačního roztoku. Enzymový hydrofyzer^škrobu W je proplen se separátorem 17 u něhož vystup tuhďfáze je propojen na výstup sepžpSiáu *9 á
propojen se separátoren^kvasinek jď. Separátor 2 l ^íe-proprijen s výměníkem 43 tepla 113 aparát-destilace 2ď, který je propojen s odparkou a Jg. (Rektifikaceí M i odparka 23 je propojena s ohřevnou jednotkou 25.
V zařízení je výhodně umístěn přívod lutrové vody v přímém recyklu, s možností propojení přes akumulační zásobník technologické vody _do„ , ohřevné jednotky pro dohřev topné tlakové vody pro hydrolýzy^. E)</ akumulačního zásobníku 7 jsou vedeny zbytkové vody po rektifikaci' a dělení složek ze zařízení 8,24 a)23 .
I
Průmyslová využitelnost
Vynález lze využít k výrobě bioetanolu a vedlejších produktů, při komplexním a efektivním zpracování obnovitelných nefosilních zdrojů, zejména v zemědělsko-potravinářském a petrochemickém průmyslu.
Claims (11)
1. Způsob /W* oby/ bioetanolu z obnovitelných zdrojů, vyznačující se tůn, že se současně zpracovává lignocelulózový a škrobový materiál, přičemž lignocelulózový materiál se nejprve hvdrolyzuje za zvýšené teploty 160 až 215 °C a tlaku 0,65 až 2,3 MPa, v kyselém prostředí o pH 2 až 6 a pomocí vysokotlaké expanze se oddělí parní frakce obsahující inhibitory kvašení a od roztoku vzniklých zkvasitelných cukrů se oddělují nezreagované tuhé zbytky, načež se k roztoku cukrů kontinuálně přidává škrobový materiál a vše se podrobí amylolytické hydrolýze, jpň — čemž z výsledné reakční směsi se oddělí tuhé částice obsahující neškrobový podíl zrn, které se vrací do termicko-tlakové hydrolýzy a glukózový roztok se doplní o nezbytné živiny nutné pro optimální průběh alkoholové fermentace a čerpá se přes výměník tepla do fermentoru, odkud se po prokvašení glukózy na etanol a po oddělení kvasinek čerpá na destilaci.
2. Způsob podle nároku 1 vyznačený tím, že se pro uiychlení termickotlakové hydrolýzy dále navíc používá minerální kyselina, výhodně kyselina fosforečná v koncentraci 0,05 až 1 % hmotn.
3. Způsob podle nároku 1 až 2 vyznačený tím, že se vysokotlaká expanze provádí v rozmezí teplot od 115 do 225 °C při tlaku od 0,2 do 2.5 MPa a kondenzační teplo parní fáze se mů^-^ůat při procesu přípravy fermentačního roztoku, jeho sterilizaci nebo destilaci a rektifikací etanoiu.
4. Způsob podle některého z nároků 1 až 3 vyznačený tím, že škrobový materiál, např. obilný šrot, se disperguje v roztoku glukózy z termicko-tlakové hydrolýzy, který se upraví na pH od 4,5 do 7,5 a teplotu od 30 do 90 °C.
5. Způsob podle některého z nároků 1 až 4 vyznačený tím, že roztok obsahující glukózu z termicko-tlakové hydrolýzy, z hydrolýzy celulózy pomocí celulolytických enzymů a amylolytické hydrolýzy škrobu se upraví na pH od 4 do 6, přičemž se vedle kvasinek přidají nezbytné živiny jako je fosforečnan, nebo kyselina fosforečná v množství poskytující výslednou koncentraci od 0,05 do 1% hmotn. a stopové prvky výslednou koncentraci od 0,1 do 100 ppm v konečném roztoku.
6. Způsob podle některého z nároků 1 až 5 vyznačený tím, že fermentační roztok se ředí nezahuštěnými výpalky ze záparové kolony na výslednou koncentraci glukózy od 5 do 35 % hmotn.
7. Způsob podle některého z nároků 1 až 6 vyznačený tím, že se jako část vody do termicko-tlakové hydrolýzy přidává lutrová voda odpadající z rektifikace etanoiu a část nezahuštěných výpalků ze záparové kolony .
8. Způsob podle některého z nároků 1 až 7 vyznačený tím, že se tuhé zbytky po amylolytické hydrolýze škrobu spojí s nezreagovanými tuhými zbytky z termicko tlakové hydrolýzy a společně se vrací do termicko-tlakové hydrolýzy, nebo se na ně působí celulolytickými enzymy.
9. Zařízení pro provádění způsobu podle(cfíařokfil/vyznačené tím, že sestává z dezintegrátoru (1) vstupní suroviny propojeného s plnící jednotkou (28), která je tvořena zásobníkem (30) materiálu, šoupátky (31), plnícím válcem (32) a hydraulickým válcem (33), pro vstup lignocelulosového materiálu do hydrolyzního souboru (2), z něhož je výstup napojen na vysokotlakový expander (3), z kterého je suspenze vedena do atmosferického expanderu (4), jehož spodní část je spojena s aparátem (9) pro úpravu a separaci tuhé fáze a roztoku, přičemž expandery (3,4) jsou propojeny s trubkovým prostorem výměníků (5,6), z nichž je panu fáze vedena na zařízení (8) určené pro dělení parní furalové a kyselinové fáze, tuhé zbytky z aparátu (9) jsou variantně '^mracovávány na glukózu přímou vratkou přes tlakové čerpadlo do hydrolyz^Hi(^^^neÍTO-jv''íuhá Benocelulózová zbytková fáze z aparátu (9) vedena na enzymový hydrolyzer (llj^-^^je propojen, se zařízením (10) pro přípravu enzymů a separátorem (12), určeným pro oddělení ligninu po enzymové hydrolýze, přičemž lignin postupuje do míchaného zásobníku J^3) glukózy do aparátu(18) pro přípravu fermentačního roztoku, sepmutor y(9j^|g'a^e napojen na enzymový hydrolyzer(L4) škrobu, který je propojen s aparátem (15) pro přípravu drceného zrna aparátem (16) pro přípravu enzymu amylázy, enzymový hydrolyzer(14) škrobu ie propojen se separátorem (17), z něhož výstup tuhé fáze je napojen na výstup segSřáteFU (9) a výstup roztoku na aparát (18) pro úpravu fermentačního média, na který navazuje výměník (19) tepla, který je propojen s fermentorem (20) a ten je přes separátor(21) kvasinek propojen s výměníkem (19) tepla, který je napojen na aparát (22) destilace, který je propojen s odparkou (23) a zařízením (24) pro rektifikací etanolu a všechny tri aparáty jsou propojeny s ohřevnou jednotkou (25).
10. Zařízení podle nároku 9 vyznačující se tím, že jako plnící jednotka (28) a/nebo dekompresní jednotka (29) se používá zařízení sestávající ze zásobníku (30) vstupního materiálu, který je uložen „nad vstupním hrdlem hydroiyzéru (27)^jje opatřen vyhmovacím šnekem ř^rrapnrubu výstupního konce je připevněno plnící čerpadlo poháněné hydraulicky, sestávající ze dvou plochých šoupátek (31), plnícího válce (32) a hydraulického válce (33).
11. Zařízení podle nároku 9 a 10 vyznačující se tím, že vařák zařízení (24) pro rektifikací etanolu a zařízení (8) pro dělení parní fáze je propojeno potrubním vedením s akumulačním zásobníkem (7).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ962835A CZ283872B6 (cs) | 1996-09-26 | 1996-09-26 | Způsob a zařízení pro komplexní výrobu bioetanolu z obnovitelných zdrojů |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ962835A CZ283872B6 (cs) | 1996-09-26 | 1996-09-26 | Způsob a zařízení pro komplexní výrobu bioetanolu z obnovitelných zdrojů |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ283596A3 true CZ283596A3 (cs) | 1998-04-15 |
| CZ283872B6 CZ283872B6 (cs) | 1998-06-17 |
Family
ID=5465678
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ962835A CZ283872B6 (cs) | 1996-09-26 | 1996-09-26 | Způsob a zařízení pro komplexní výrobu bioetanolu z obnovitelných zdrojů |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ283872B6 (cs) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9914944B2 (en) | 2005-09-30 | 2018-03-13 | Renescience A/S | Non-pressurised pre-treatment, enzymatic hydrolysis and fermentation of waste fractions |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CZ300046B6 (cs) * | 2005-08-24 | 2009-01-14 | PROKOP INVEST, a.s. | Zpusob komplexního využití výpalku z velkovýroby biolihu |
| CA2745508C (en) * | 2008-12-23 | 2015-11-24 | Greenfield Ethanol Inc. | Use of stillage residue as a nutrient source for fermentation of hydrolyzed lignocellulosic biomass to ethanol |
-
1996
- 1996-09-26 CZ CZ962835A patent/CZ283872B6/cs not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9914944B2 (en) | 2005-09-30 | 2018-03-13 | Renescience A/S | Non-pressurised pre-treatment, enzymatic hydrolysis and fermentation of waste fractions |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ283872B6 (cs) | 1998-06-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US12163101B2 (en) | Method for retrofitting an existing plant with a bran fractionation process | |
| EP2198035B1 (en) | Method and equipment for production of glucose, ethanol, furfural, furane and lignin from renewable raw materials | |
| US8367378B2 (en) | Process for producing sugars and ethanol using corn stillage | |
| EP1836181B1 (en) | Method and devices for the continuous processing of renewable raw materials | |
| US10792588B2 (en) | Organic material production system using biomass material and method | |
| US9238827B2 (en) | Biomass hydrothermal decomposition apparatus and method | |
| CN101035632B (zh) | 一种预处理木质纤维素原料的连续方法 | |
| CA2661852C (en) | Method and device for thermal enzymatic hydrolysis of ligno cellulose | |
| US20120125324A1 (en) | Continuous cellulostic pre-treatment and bio-mass processing by reactive extrusion | |
| US9102965B2 (en) | Saccharide-solution producing apparatus, fermentation system, saccharide-solution producing method, and fermentation method | |
| WO2005079190A2 (en) | Production of ethanol and high-protein feed co-products from high-solids conversion of cereal grains and legumes | |
| CA2978347A1 (en) | Cellulosic biofuel and co-products | |
| CZ283596A3 (cs) | Způsob a zařízení pro komplexní výrobu bioetanolu z obnovitelných zdrojů | |
| CZ300865B6 (cs) | Zpusob výroby glukózy, etanolu, furfuralu, furanu, ligninu, kyseliny octové a mravencí z obnovitelných surovin a zarízení k jeho provádení | |
| CZ294398B6 (cs) | Způsob a zařízení komplexního zpracování obnovitelných surovin | |
| CZ2012595A3 (cs) | Zpusob a zarízení pro výrobu bio-etanolu a elektrické energie z lignocelulózových materiálu | |
| SK50722007A3 (sk) | Spôsob a zariadenie na výrobu glukózy, etanolu, furfuralu, furanu a lignínu z obnoviteľných surovín |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| IF00 | In force as of 2000-06-30 in czech republic | ||
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20020926 |