CZ283872B6 - 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
- CZ283872B6 CZ283872B6 CZ962835A CZ283596A CZ283872B6 CZ 283872 B6 CZ283872 B6 CZ 283872B6 CZ 962835 A CZ962835 A CZ 962835A CZ 283596 A CZ283596 A CZ 283596A CZ 283872 B6 CZ283872 B6 CZ 283872B6
- 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 31
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 claims abstract description 60
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 60
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 claims abstract description 41
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 claims abstract description 40
- 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 32
- 239000008103 glucose Substances 0.000 claims abstract description 32
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 claims abstract description 20
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 claims abstract description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 15
- 240000004808 Saccharomyces cerevisiae Species 0.000 claims abstract description 13
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000004821 distillation Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000007071 enzymatic hydrolysis Effects 0.000 claims abstract description 6
- 238000006047 enzymatic hydrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 6
- 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 20
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 claims description 20
- 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
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000012071 phase Substances 0.000 claims description 6
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 6
- 230000003625 amylolytic effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000002002 slurry Substances 0.000 claims description 5
- 235000000346 sugar Nutrition 0.000 claims description 5
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 claims description 4
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 claims description 4
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 claims description 4
- 239000002253 acid Substances 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
- 235000012054 meals Nutrition 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
- 239000011707 mineral Substances 0.000 claims description 2
- 238000005191 phase separation Methods 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
- 102000013142 Amylases Human genes 0.000 abstract description 4
- 108010065511 Amylases Proteins 0.000 abstract description 4
- 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
- 230000002255 enzymatic effect Effects 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
- 229940088598 enzyme Drugs 0.000 description 14
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 11
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 10
- HYBBIBNJHNGZAN-UHFFFAOYSA-N furfural Chemical compound O=CC1=CC=CO1 HYBBIBNJHNGZAN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N Acetic acid Chemical compound CC(O)=O QTBSBXVTEAMEQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 239000010902 straw Substances 0.000 description 5
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 5
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 4
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 3
- 102000005575 Cellulases Human genes 0.000 description 3
- 108010084185 Cellulases Proteins 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
- 240000002791 Brassica napus Species 0.000 description 2
- 235000004977 Brassica sinapistrum Nutrition 0.000 description 2
- 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
- 230000003301 hydrolyzing effect Effects 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
- 229920002261 Corn starch Polymers 0.000 description 1
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 1
- 241000233866 Fungi Species 0.000 description 1
- 235000019759 Maize starch Nutrition 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
- JCSJTDYCNQHPRJ-MMDFAQQLSA-N beta-D-Xylp-(1->4)-beta-D-Xylp-(1->4)-beta-D-Xylp Chemical compound O[C@@H]1[C@@H](O)[C@H](O)CO[C@H]1O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O[C@H]2[C@@H]([C@@H](O)[C@H](O)OC2)O)OC1 JCSJTDYCNQHPRJ-MMDFAQQLSA-N 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
- 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
- 239000008236 heating water Substances 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
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 235000010755 mineral Nutrition 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
- 230000008092 positive effect Effects 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
- 239000010802 sludge Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 230000001954 sterilising effect Effects 0.000 description 1
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000008719 thickening Effects 0.000 description 1
- 235000013619 trace mineral Nutrition 0.000 description 1
- 239000011573 trace mineral Substances 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 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)
Abstract
Způsob fermentační výroby etanolu je založen na současném zpracování lignocelulosového a škrobového materiálu /obnovitelných zdrojů/. Lignocelulosový materiál se hydrolyzuje termicko tlakovým postupem a nezhydrolyzovaný zbytek celulozy se zpracovává enzymaticky pomocí celuláz. Škrobový materiál se štěpí enzymaticky pomocí komerčně vyráběných amyláz. Nezhydrolyzované části škrobového materiálu se zpracovávají pomocí celuláz, případně termicko tlakovou hydrolyzou. K úpravě škrobového materiálu se využívá tepla roztoku z termicko tlakové hydrolyzy a v něm také probíhá enzymatická hydrolyza škrobu. Takto získaný roztok glukozy se po úpravě fermentuje s využitím vracení odseparovaných kvasinek do fermentoru. Prokvašená zápara se předehřívá hydrolyzním roztokem a destiluje v záparové koloně. Nezahuštěné výpalky slouží pro ředění hydrolyzního roztoku a lutrová voda z rektifikace jako ředící voda pro termicko tlakovou hydrolyzu.Zařízení pro provádění tohoto způsobu zahrnuje dezintegrační linkuŕ
Description
Vynález se týká způsobu zpracování lignucelulózových materiálů termicko-tlakovou hydrolýzou a enzymovou hydrolýzou celulózy a enzymovou hydrolýzou škrobu na glukózu, fermentaci, destilaci, rektifilací a bioetanol, fural a ligmin, a komplexního 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, kdy 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 hydrolýze. Intenzivně se dále zkoumají postupy, využívající hydrolýzu celulózy. Výhodou těchto postupů je zanedbatelná cena vstupní suroviny (celulózy). Často se totiž jedná o odpadní látky. Nevýhodou je získávání zředěných roztoků, které musí být nákladně zahušťovány, aby je bylo možno použít pro fermetační účely. Hydrolyzní technologie, poskytují 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 hydrolýzy, které nepříznivě ovlivňují průběh fermentace.
Další nepříznivým faktorem, působícím ekonomické potíže při výrobě bioetanolu, je značná energetická náročnost jeho izolace z fermetačního roztoku. Tento problém se řeší velmi komplikovanými a tedy drahými systémy destilace a rektifikace. Nákladné je tedy 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 lechický pokrok a optimalizace technologie v nejlepším 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 nebo etanol, kyselou parciální hydrolýzu 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 hydrolýzy, zvláště teplota, ji však zcela vylučují ze seznamu použitelných surovin. Při navržené teplotě topné páry 167 °C může dojít pouze k hydrolýze pentozanů, avšak celulóza, která poskytuje 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 hydrolyzéru, kde dochází kjejich „dohydrolýze“. Tento proces („dohydrolýza“) je výrazně snazší než hydrolýza škrobu, přesto však musí dojít k opětnému ohřátí roztoku (suspenze), 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 hydrolýzu delignifikované celulózy a následné zkvašování vzniklých jednoduchých cukrů (hlavně glukózy). Většina patentu popisuje etanolovou fermentaci za smíšeného tlaku, při které dochází k oddělování etanolu z fermetační směsi a tím ke zrychlení fermentace. Oddělování etanolu může být urychleno probubláváním oxidem uhličitým. Nevýhodou tohoto postupu je nutná delignifikace lignocelulózového materiálu, nízká koncentrace zkvasitelných cukrů (kvašení je však urychlováno oddělováním etanolu) a hlavně špatným využitím tepla, které je nutné pro hydrolýzu 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 rodu Aspergillus, lignocelulózové materiály typu dřeva jsou upravovány pomocí kvasinek, slámy a slámě podobně materiály pomocí Bacullus natto. Všechny komponenty se smísí v poměru 5:3:2 a směs se podrobí alkoholové fermentaci „k získání levného palivového alkoholu“ (jak doslova uvádějí autoři). Evidentní nevýhodou tohoto postupu je nutnost podrobit vysokomolekulámí sacharidy předběžnému fermentačnímu štěpení. Ktomu jsou zapotřebí další tři fermentační jednotky. Navíc tento typ fermentaci podle literárních údajů probíhá velmi pomalu. Je však možné, že alkoholové kvašení (pokud nebereme v úvahu složitou přípravu suroviny) bude velmi levné.
Je dále známo několik modifikací postupů chemické hydrolýzy 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 hydrolýze 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 lignocelulózový materiál se nejprve hydrolyzuje za zvýšené teploty 160 až 215 °C a tlak 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 hydrolýzy, 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 hydrolýzy, ke kterému se současně kontinuálně přidává škrobový materiál a vše se podrobí amylolytické hydrolýze, přičemž z výsledné reakční směsi se oddělí tuhé částice, obsahující neškrobový podíl zrn, které se vrací do termicko-tlakové hydrolýzy. Glukózový roztok
-2CZ 283872 B6 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 hydrolýzy, 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 hydrolyzního 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 multitlakovým 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 plnicí jednotka, která se skládá se zásobníku materiálu, dvou šoupátek, plnicího 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 hydrolyzní i rektifikační část. Dezintegrační linka lignocelulózového materiálu je připojena na plnicí jednotku pro různé druhy lignocelulózových zdrojů a opatřená zařízením pro nástřik tlakové vody k rozvolnění lignocelulozového materiálu. Nástřik tlakové vody je propojen na směšovací podavač přímo s plnicí jednotkou pro kontinuální vstup do hydrolyzního systému. Hydrolyzní systém je spojen s expandery, v nichž dochází k rozdělení na páry fázi, která postupuje na rektifikaci a další úpravu, a 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 termickotlakového 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 celulázami, 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 rektifikačním zařízením, případně zařízením pro dehydrataci etanolu. Z odparky jsou vyvedeny zahuštěné výpalky. Odpadní vody z rektifikace etanolu a furalové části jsou zacyklovány pro dohřev v ohřevné jednotce k dalšímu využití v hydrolyzním a rektifikačním systému.
Výhodou způsobu a zařízení je především to, že proces hydrolyzně 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 -3 CZ 283872 B6 (jako je tomu v USA při 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, respekt. 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 celulázami, neboť došlo k rozvolnění jednotlivých vláken tak, že jsou zcela přístupná působení enzymů. Technologie řeší i variantní vracení nezreagované zbytkové celulózy do termicko-tlakového hydrolyzního 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 živina. 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 izolovány a připravovány k distribuci. Vedlejší produkty jsou cenné a positivně ovlivňují ekonomickou výhodnost technologie výroby etanolu.
Přehled obrázků na připojených výkresech
Obrázek č. 1Schéma komplexní výroby bioetanolu z obnovitelných zdrojů.
Obrázek č. 2.: Kontinuální hydrolyzér.
Obrázek č. 3.: Plnicí jednotka.
Obrázek č. 4.: Dekompresní jednotka.
Příklady provedení vynálezu
Příklad č. 1
Výroba bioetanolu, furalu a ligninu z 500 kg řepkové slámy v přepočtu na sušinu a z 500 kg obilního zrna 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 plnicí jednotky, odkud je plynule dávkován do hydrolyzéru, který může mít jednu nebo více sekcí, jejichž ukončení je provedeno dekompresní jednotkou, která spolu s plnicí jednotkou tvoří s hydrolyzérem kompaktní celek. V plnicí jednotce je materiál zvlhčován tlakovou vodou v hydromodulu do 0,5, tj. na jeden kg suroviny
-4CZ 283872 B6
0,5 kg vody, horké 100 °C. Takto připravená suspenze je pod tlakem dávkovaná 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 amololytický preparát. Po zhydrolyzování škrobu se oddělí tuhé částice, které se přidají k nezreagované celulóze a buď se vrátí do termickotlakové hydrolýzy, nebo se hydrolyzují pomocí celuláz. Glukóza, vzniklá celulolytickou hydrolýzou, 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 předehřívána 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 ředicí voda fermentační kapaliny). Lutrová voda se využívá jako nástřik do termicko-tlakové hydrolýzy. Teplo, uvolněné expanzí po termicko-tlakové hydrolýze, se využívá pro sterilizaci fermentačního média a pro předehřívání zápary.
Hodinový kapacitní výstup z této linky činí u hlavních produktů:
bioetanolu z řepkové slámy 127 kg bioetanolu z obilního zrna 162 kg celkem etanol 289 kg ligninu 39 kg furalu 17 kg
Příklad č. 2
Zařízení na obr. 1, sestává z dezintegrátoru 1, který je tvořen řezačkou pro rozmělnění lignocelulózového materiálu (LCM), podávacím zařízením a magnetickým separátorem. Magnetický separátor je spojen pomocí transportéru s prstovým vkladačem, opatřeným regulačním zařízením, v jehož části je umístěno dávkovači zařízení, které je napojeno na směšovací podavač LCM, opatřený vyhřívacím zařízením. Vyhřívací zařízení je propojeno dopravníkem - dopravním pásem s plnicí jednotkou 28, která je tvořena zásobníkem 30 materiálu, dvěma plochými šoupátky 31, plnicím válcem 32 a hydraulickým válcem 33 pro vstup LCM do hydrolyzního souboru 2. Z hydrolyzního souboru 2 je výstup parní fáze napojen na vysokotlaký expandér 3, ze kterého je suspenze vedena do atmosférického expandéru 4. Atmosférický expandér 4 je ve své spodní části spojen s aparátem 9 pro úpravu a separaci tuhé fáze v roztoku. Expandéry 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 hydrolyzního souboru 2, nebo je tuhá lignocelulózová zbytková fáze z aparátu 9 vedena na enzymový hydrolyzér 11 celulózy, který je propojen se zařízením 10 pro přípravu enzymů a separátorem 12, určeným pro oddělení ligninu po enzymové hydrolýze. Lignin ze separátoru 12 postupuje do míchaného zásobníku 13. Aparát 9 je dále napojen na enzymový hydrolyzér 14 škrobu, který je propojen s aparátem 15 pro přípravu drceného zrna (obilí aj). a aparátem 16 pro přípravu enzymů amylázy. Ze separátoru 12 je glukóza čerpána do aparátu 18 pro úpravu
- 5 CZ 283872 B6 fermentačního roztoku. Enzymový hydrolyzér 14 škrobu je propojen se separátorem 17, u něhož výstup tuhé fáze je propojen se výstup aparátu 9 a roztok glukózy postupuje do aparátu 18 pro úpravu fermentačního média, na který navazuje výměník 19 tepla, který je propojen s fermentorem 20. Fermentor 20 je propojen se separátorem 21 kvasinek. Separátor 21 kvasinek je propojen s výměníkem 19 tepla, který je napojen na aparát 22 destilace, který je propojen s odparkou 23 a zařízením 24 pro rektifikací. Zařízení 24 pro rektifikací 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 kotle ohřevné jednotky pro dohřev topné tlakové vody pro hydrolýzní soubor 2. Do akumulačního zásobníku 7 jsou vedeny zbytkové vody po rektifikací a dělení složek ze zařízení 8, 24 a odparky 23.
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)
- PATENTOVÉ NÁROKY1. Způsob pro komplexní výrobu biotanolu z obnovitelných zdrojů, vyznačující se tím, že se současně zpracovává lignocelulózový a škrobový materiál, přičemž lignocelulózový 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 pamí 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, přičemž 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 urychlení termicko-tlakové hydrolýzy dále navíc používá minerální kyselina, výhodně kyselina fosforečná v koncentraci 0,05 až 1 % hmotn..
- 3. Způsob podle nároků laž2, 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 pamí fáze se využije při procesu přípravy fermentačního roztoku, jeho sterilizaci nebo destilaci a rektifikací etanolu.
- 4. Způsob podle některého z nároků laž3, 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 laž4, vyznačený tím, že roztok, obsahující glukózu z termicko-tlakové hydrolýzy, z hydrolýzy celulózy pomocí celulolytických enzymů a-6CZ 283872 B6 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 na 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 laž6, vyznačený tím, že se jako část vody do termicko-tlakové hydrolýzy přidává lutrová voda, odpadající zrektifikace etanolu, a část nezahuštěných výpalků ze záparové kolony.
- 8. Způsob podle některého z nároků laž7, vyznačený tím, že se tuhé zbytky po amylolytické hydrolyze 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 některého z nároků laž8, vyznačený tím, že sestává z dezintegrátoru (1) vstupní suroviny, propojeného s plnicí jednotkou (28), která je tvořena zásobníkem (30) materiálu, šoupátky (31), plnicím válcem (32) a hydraulickým válcem (33), pro vstup lignocelulózového materiálu do hydrolyzního souboru (2), z něhož je výstup napojen na vysokotlakový expandér (3), z kterého je suspenze vedena do atmosférického expandéru (4), jehož spodní část je spojena s aparátem (9) pro úpravu a separaci tuhé fáze a roztoku, přičemž expandéry (3, 4) jsou propojeny s trubkovým prostorem výměníků (5, 6), z nichž je parní fáze vedena na zařízení (8), určené pro dělení parní furalové a kyselinové fáze, tuhé zbytky z aparátu (9) jsou variantně zpracovávány na glukózu přímou vratkou přes tlakové čerpadlo do hydrolyzního souboru (2), anebo je tuhá lignocelulózová zbytková fáze z aparátu (9) vedena na enzymový hydrolyzér (11) celulózy, který je propojen, se zařízením (10) pro přípravu enzymů a separátorem (12), určeným pro oddělení ligninu po enzymové hydrolýze, přičemž lignin postupuje do míchaného zásobníku (13) a roztok glukózy do aparátu (18) pro přípravu fermentačního roztoku, aparát (9) pro úpravu a separaci je dále napojen na enzymový hydrolyzér (14) škrobu, který je propojen s aparátem (15) pro přípravu drceného zrna (např. obilí) a aparátem (16) pro přípravu enzymu amylázy, enzymový hydrolyzér (14) škrobu je propojen se separátorem (17), z něhož výstup tuhé fáze je napojen na výstup aparátu (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 rektifikaci etanolu, a všechny tři aparáty jsou propojeny s ohřevnou jednotkou (25).
- 10. Zařízení podle nároku 9, vyznačující se tím, že jako plnicí jednotka (28) a/nebo dekompresní jednotka (29) se používá zařízení, sestávající ze zásobníku (30) vstupního materiálu, který je uložen nad vstupním hrdlem hydrolyzéru (27), a je opatřen vyhmovacím šnekem, přičemž na přírubu výstupního konce je připevněno plnicí čerpadlo, poháněné hydraulicky, sestávající ze dvou plochých šoupátek (31), plnicího válce (32) a hydraulického válce (33).
- 11. Zařízení podle nároků 9 a 10, vyznačující se tím, že zařízení (24) pro rektifikaci 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 CZ283596A3 (cs) | 1998-04-15 |
| CZ283872B6 true 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 (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 |
| US20140099690A1 (en) * | 2008-12-23 | 2014-04-10 | Greenfield Specialty Alcohols Inc. | Process for alcoholic fermentation of lignocellulosic biomass |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NZ567670A (en) | 2005-09-30 | 2011-07-29 | Dong Energy Power As | Non-pressurised pre-treatment, enzymatic hydrolysis and fermentation of waste fractions |
-
1996
- 1996-09-26 CZ CZ962835A patent/CZ283872B6/cs not_active IP Right Cessation
Cited By (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 |
| US20140099690A1 (en) * | 2008-12-23 | 2014-04-10 | Greenfield Specialty Alcohols Inc. | Process for alcoholic fermentation of lignocellulosic biomass |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ283596A3 (cs) | 1998-04-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US12163101B2 (en) | Method for retrofitting an existing plant with a bran fractionation process | |
| EP1836181B1 (en) | Method and devices for the continuous processing of renewable raw materials | |
| EP2198035B1 (en) | Method and equipment for production of glucose, ethanol, furfural, furane and lignin from renewable raw materials | |
| US10792588B2 (en) | Organic material production system using biomass material and method | |
| US8367378B2 (en) | Process for producing sugars and ethanol using corn stillage | |
| CA2661852C (en) | Method and device for thermal enzymatic hydrolysis of ligno cellulose | |
| US10421667B2 (en) | Process for treating lignocellulosic feedstock comprising wet oxidation | |
| US20100285574A1 (en) | Biomass hydrothermal decomposition apparatus and method | |
| US20100021980A1 (en) | Hybrid process for the production of biofuel | |
| Keller | Integrated bioprocess development for bioethanol production | |
| 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 | |
| Klyosov | Enzymatic conversion of cellulosic materials to sugars and alcohol: the technology and its implications | |
| Wayman et al. | SO2 prehydrolysis for high yield ethanol production from biomass | |
| CZ283872B6 (cs) | Způsob a zařízení pro komplexní výrobu bioetanolu z obnovitelných zdrojů | |
| CZ294398B6 (cs) | Způsob a zařízení komplexního zpracování obnovitelných surovin | |
| Wilke | Cellulose, food and energy | |
| CZ2012595A3 (cs) | Zpusob a zarízení pro výrobu bio-etanolu a elektrické energie z lignocelulózových materiálu | |
| EP2098596A1 (en) | Method and installation for producing electricity and conversion products, such as ethanol | |
| 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 |