DE112011102846T5

DE112011102846T5 - Verfahren zum Verbessern der Hydrolyse von Cellulose bei Systemen mit hoher Stoffdichte

Info

Publication number: DE112011102846T5
Application number: DE112011102846T
Authority: DE
Inventors: J.E. Harlick Peter; Wei Zheng
Original assignee: logen Energy Corp
Current assignee: logen Energy Corp
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2013-06-13
Also published as: BR112013004875B1; US10738273B2; CA2808666A1; CN103210090B; US8709770B2; BR112013004875A2; WO2012027843A1; US20120052534A1; US20140242684A1; CA2808666C; CN103210090A

Abstract

Es wir ein Verfahren zur enzymatischen Hydrolyse von Cellulose angegeben, um aus einem vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterial Glucose zu erzeugen. Dieses Verfahren weist das Bereitstellen einer wäßrigen Dickstoffsuspension des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials auf, die einen Wassergehalt hat, der weniger als etwa 140% des maximalen Wasseraufnahmevermögens des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials beträgt. Die wäßrige Dickstoffsuspension des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials wird in in einen oder mehrere Hydrolysereaktoren ohne Mischen eingeführt und darin mit Cellulasen hydrolysiert. In dem (den) Hydrolysereaktor(en) ohne Mischen hydrolysieren die Cellulasen einen Teil der Cellulose, um lösliche Zucker zu erzeugen, wodurch ein Gemisch von teilweise hydrolysierter Cellulose erzeugt wird, das lösliche Zucker enthält. Die Hydrolyse der Cellulose zu Glucose wird fortgesetzt indem das Gemisch der teilweise hydrolysierten Cellulose einem oder mehreren Hydrolysereaktoren mit Mischen zugeführt wird. Es werden auch Systeme für die Durchführung der vorstehend angegebenen enzymatischen Hydrolyse bereitgestellt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von fermentierbarem Zucker aus einem Cellulosebeschickungsmaterial.
Allgemeiner Stand der Technik
Aufgrund ihrer geringen Kosten und ihrer sehr guten Verfügbarkeit richteten sich in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit und große Anstrengungen auf die Herstellung von Kraftstoffen und Chemikalien, primär Ethanol, aus Cellulosebeschickungsmaterialien, wie Abfällen aus der Landwirtschaft und der Forstwirtschaft. Diese Abfälle aus der Landwirtschaft und der Forstwirtschaft werden typischerweise verbrannt und deponiert; somit bietet die Verwendung dieser Cellulosebeschickungsmaterialien für die Erzeugung von Ethanol eine interessante Alternative zur Entsorgung.
Der erste chemische Behandlungsschritt zum Umwandeln eines Cellulosebeschickungsmaterials in Ethanol oder andere Fermentationsprodukte beinhaltet gewöhnlich die Vorbehandlung des Beschickungsmaterials. Der Zweck der Vorbehandlung besteht in der Vergrößerung der Oberfläche der Cellulose, bei einer begrenzten Umwandlung der Cellulose in Glucose. Die Vorbehandlung des Beschickungsmaterials läßt sich unter Anwendung einer Vorbehandlung mit Säure erreichen, die unter Bedingungen erfolgt, die die Hemicellulosekomponente des Beschickungsmaterials hydrolysieren, darauf folgt eine enzymatische Hydrolyse der im vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterial verbliebenen Cellulose mit Cellulaseenzymen bzw. Cellulasen (nachfolgend als Cellulasen bezeichnet). Die enzymatische Hydrolyse erfolgt typischerweise in einem oder mehreren diskontinuierlichen Reaktoren in Verdünnung und unter Mischen bei gesteuerten Bedingungen von pH, Temperatur und Mischen.
Die Cellulasen, die verwendet werden, um die Cellulose zu Glucose zu hydrolysieren, schließen ein Enzymgemisch ein, wozu Exocellobiohydrolasen (CBH), Endoglucanasen (EG) und β-Glucosidasen gehören. Die Enzyme CBH und EG katalysieren die Hydrolyse der Cellulose (β-1,4-D-Glucan-Bindungen). Die Enzyme CBH, CBHI und CBHII (gemäß der Gruppenbezeichnungen von Glycosid-Hydrolasen auch als Ce17 und Ce16 bekannt) wirken auf die Enden der Glucosepolymere in den Mikrofibrillen der Cellulose und setzen Cellobiose frei, wohingegen die Enzyme EG (wozu EGI, EGII, EGIII und EGV gehören, die auch als Ce17, Ce15, Ce112 bzw. Ce145 bekannt sind) auf willkürliche Stellen der Cellulose einwirken. Die Cellulasen hydrolysieren gemeinsam Cellulose zu Cellobiose, die wiederum durch β-Glucosidase (β-G) zu Glucose hydrolysiert wird.
Neben CBH, EG und β-Glucosidase gibt es verschiedene akzessorische Enzyme, die den enzymatischen Aufschluß von Cellulose unterstützen (siehe WO 2009/026722 (Scott), Mitinhaber, das hier als Bezug erwähnt wird, und Harris et al., 2010, Biochemistry, 49: 3305–3316). Dazu gehören EGIV, auch als Ce161 bekannt, Swollenin, Expansin, Lucinen (lucinen) und von Cellulose induziertes Protein (Cip). Glucose kann durch β-Glucosidase über Transglycosylierungsreaktionen enzymatisch in die Dimere Gentiobiose, Sophorose, Laminaribiose und andere umgewandelt werden.
In herkömmlichen Hydrolysereaktoren wird durch mechanische Mischer, wie oben, an der Seite oder am Boden befestigte Rührflügel, Rührer oder Ejektoren, die schnelle Bewegung der flüssigen Ströme in Form einer Dickstoffsuspension, die in oder durch das Gefäß gepumpt werden, und/oder das Einführen oder Erzeugen von Gasen oder Dämpfen im Gefäß für das Vermischen gesorgt. Ferner sind Reaktoren bekannt, die ein periodisches Mischen anwenden, wenn die Dickstoffsuspension entlang der Länge des Reaktors durch die Mischzonen strömt (siehe US-Patent Nr. 5,733,758 (Nguyen), nachfolgend erläutert).
Die Fermentation für die Erzeugung von Ethanol aus Glucose wird typischerweise mit dem Stamm Saccharomyces spp. durchgeführt. Die Ethanolgewinnung erfolgt durch Destillation, und das Ethanol wird durch Molekularsiebe weiter konzentriert.
Der Zusatz von Wasser zum ankommenden Beschickungsmaterial, um eine Dickstoffsuspension zu erzeugen, erleichtert den Transport des Cellulosebeschickungsmaterials und den mechanische Umgang mit diesem. Die Dickstoffsuspension besteht aus Stücken oder Partikeln des Cellulosebeschickungsmaterials in Wasser. Die vorhandene Wassermasse beträgt typischerweise mindestens das 5- bis 25fache der Masse der vorhandenen Feststoffe des Beschickungsmaterials, damit die Dickstoffsuspension gleichmäßig fließen kann.
Die Behandlung von Dickstoffsuspensionen, die einen derartig hohen Wassergehalt aufweisen, hat jedoch beim Betrieb von Anlagen bestimmte Nachteile. Während der Vorbehandlung mit Säure erfordert z. B. der hohe Wassergehalt in der ankommenden Dickstoffsuspension eine große Menge an Dampf zum Aufwärmen sowie auch an Säure. Außerdem führen große Wasservolumina in der Dickstoffsuspension zu größeren Anlagen, was wiederum die Investitionskosten erhöht.
WO 2010/022511 (Anand et al.) offenbart ein Verfahren, das das Entfernen einer signifikanten Wassermenge aus einem Cellulosebeschickungsmaterial in Form einer Dickstoffsuspension durch eine zusammengedrückte Schneckenpresse beinhaltet, bevor es im Vorbehandlungsreaktor durch Dampf erhitzt wird. Aufgrund des hohen Feststoffgehalts, der durch das Pressen erzielt wird, muß vorteilhafterweise weniger Flüssigkeit erhitzt werden, wodurch die Dampfmenge geringer wird, die bei der anschließenden Vorbehandlung erforderlich ist. Außerdem kann bei einer konzentrierten Dickstoffsuspension auch die Menge an Säure oder Alkali geringer sein, die erforderlich ist, um die Hydrolyse des Beschickungsmaterials zu katalysieren.
Trotz der vorstehend aufgeführten Vorteile, die mit Dickstoffsuspensionen mit hohem Feststoffgehalt verbunden sind, kann jedoch der Umgang mit ihnen stromabwärts der Vorbehandlung Probleme zeigen. Bei herkömmlichen Reaktoren mit Rührern ist z. B. für das wirksame Mischen der sehr viskosen Dickstoffsuspension während der enzymatischen Hydrolyse eine sehr hohe Energiezufuhr erforderlich. Außerdem sind spezialisierte Pumpen für eine hohe Feststoffdichte nötig, um die Dickstoffsuspension mit hohem Feststoffgehalt durch das System zu transportieren. Diese Bedingungen können die Investitions- und die Betriebskosten des Hydrolyseverfahrens deutlich erhöhen.
Es gab viele Versuche zur Entwicklung von Hydrolysereaktoren, diese konzentrierten sich jedoch primär auf Verdünnungssysteme. WO 2006/063467 (Foody et al.) offenbart die Verwendung eines Hydrolysereaktors mit Aufwärtsströmung und ohne Mischen für die enzymatische Hydrolyse eines vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials mit Cellulasen. Die Hydrolyse erfolgt so, daß die Aufwärtsgeschwindigkeit der Dickstoffsuspension gering ist und die Feststoffpartikel, die dichter als die Masse der Dickstoffsuspension ist, dazu neigen, langsamer nach oben zu strömen als die Flüssigkeit. Der langsame Aufwärtsstrom der cellulosehaltigen Feststoffpartikel hält die cellulosehaltigen Feststoffe und die gebundenen Cellulasen längere Zeit im Reaktor zurück als die Flüssigkeit, wodurch die Umwandlung der Cellulose in Glucose verbessert wird.
US-Patent Nr. 5,258,293 (Lynd) offenbart ein Verfahren, bei dem ein Lignocellulose-Beschickungsmaterial und Mikroorganismen kontinuierlich in ein Reaktionsgefäß eingeführt werden. Vom Boden des Reaktionsgefäßes wird auch kontinuierlich ein Fluid eingeführt, es erfolgt jedoch kein mechanisches Rühren der Dickstoffsuspension. Im Verlauf der Reaktion neigt das Lignocellulose-Beschickungsmaterial, das aufgeschlossen wird, dazu, sich in einer räumlich nicht-homogenen Schicht anzusammeln, während das Ethanolprodukt zu einer oberen Schicht aufsteigt, wo es entfernt wird. Das unlösliche Substrat sammelt sich in einer Bodenschicht an und kann aus dem Gefäß abgezogen werden. Diese Anordnung führt zu einem unterschiedlichen Verweilen des fermentierenden Substrats, was für eine längere Verweilzeit im Reaktorgefäß sorgt.
Bei einer anderen Methode, die in US-Patent Nr. 5,837,506 (Lynd) offenbart ist, wird Ethanol unter Verwendung eines diskontinuierlich gerührten, kontinuierlich gespeisten Bioreaktors erzeugt. Eine Lignocellulose-Dickstoffsuspension und Mikroorganismen werden in den Reaktor eingeführt, dann wird das Gemisch entweder mit mechanischen Mitteln oder durch Rezirkulieren von Fluid über einen bestimmten Zeitintervall gerührt, danach kann es sich absetzen. Dann wird Ethanol aus einem oberen Abschnitt des Reaktors entfernt, es wird weiteres Substrat zugesetzt und der Zyklus geht weiter.
Bei einem ähnlichen Verfahren verwenden Kleijntjens et al. (1986, Biotechnology Letters, 8: 667–672) einen Reaktor mit Aufwärtsströmung, um ein cellulosehaltiges Substrat in Gegenwart von C. thermocellum zu fermentieren. Das Substrat in Form einer Dickstoffsuspension setzt sich ab, so daß ein Bett aus zusammengeballten Fasern gebildet wird, was durch langsames mechanisches Rühren beschleunigt wird. Das Substrat wird periodisch zugesetzt, während die Flüssigkeit dem Reaktor kontinuierlich zugeführt wird. Das Ethanolprodukt sammelt sich in einer oberen Schicht an, von wo es aus dem Reaktor entfernt wird.
Die in US-Patenten Nr. 5,258,293 und 5,837,506 und bei Kleijntjens et al. (siehe vorstehend) beschriebenen Verfahren können jedoch für konzentrierte Systeme ungeeignet sein.
WO 2009/045651 (Hennessey et al.) offenbart ein Verfahren, um eine vorbehandelte Biomasse mit einem hohen Trockengewicht in Zucker umzuwandeln, so daß fermentierbare Zucker erzeugt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet ein Reaktorsystem mit Zulauf, das mehrere Schritte zur Verringerung der Größe und zum gründlichen Vermischen in einem üblichen senkrechten gerührten Behälter einschließt. Die Biomasse wird in den senkrechten Reaktorbehälter eingeführt, der mit einem hängenden Rührersystem, wie einem Motor und einer Welle mit einem oder mehreren Rührflügeln, ausgestattet ist.
US 2009/0098616 (Burke et al.) offenbart ein Verfahren, bei ein feiner partikelförmiger Strom des Beschickungsmaterials einem zweistufigen enzymatischen Hydrolyseverfahren unterzogen wird. Dieses zweistufige Verfahren sorgt in der ersten Stufe für eine Verringerung der Viskosität des Beschickungsmaterials und in der zweiten Stufe für die Erzeugung eines Prozeßstroms, der reich an fermentierbaren Zuckern ist. Die Verringerung der Viskosität findet in Reaktionsgefäßen mit Rührern statt und erfolgt vermutlich durch die Hydrolyse von Xylan zu löslichen Oligomeren.
US-Patent Nr. 5,733,758 (Nguyen) offenbart eine Methode, die einen Hydrolysereaktor in Form einer Kolonne anwendet, die wechselnde Zonen mit und ohne Mischen aufweist. Die Feststoffbeladung der in die Hydrolyse eingebrachten Dickstoffsuspension beträgt mehr als 10 Gew.-%. Die Dickstoffsuspension wird in einer idealen Strömung durch den Reaktor nach oben bewegt und in den Mischzonen diskontinuierlich vermischt, womit folglich eine Kanalbildung der Flüssigkeit verhindert wird und eine gleichmäßige Wärmeübertragung und ein gleichmäßiger Massentransport gesichert werden. Wie vorstehend aufgeführt, ist ein häufiges und starkes anfängliches Mischen zu Beginn der Hydrolyse erforderlich, wenn die Viskosität der Dickstoffsuspension hoch ist, um eine derartig hohe Hydrolyserate zu erzielen, wie sie durch kontinuierliches Mischen erhalten werden kann.
US-Patent Nr. 7,598,069 (Felby) offenbart ein Verfahren zum Hydrolysieren von Polysaccharid enthaltenden Biomassen mit einem abschließenden Trockenmaterialgehalt von mehr als 20%, das das Vermischen durch Mischen vom frei fallenden Typ beinhaltet, das für den mechanischen Abbau der Biomasse während der Hydrolyse sorgt. Der Mischer kann ein Trommelmischer, ein Mischer mit rotierender Achse, der die Biomasse anhebt, oder eine ähnliche Mischvorrichtung sein, die das Prinzip des freien Falls anwendet. Solche Mischer sind typischerweise sehr groß und es ist beträchtlich viel Energie erforderlich, um das Gefäß zu drehen.
Trotz dieser Anstrengungen besteht Bedarf nach effizienteren und kostengünstigeren Verfahren für die enzymatische Hydrolyse von Cellulose in konzentrierten Systemen, um fermentierbaren Zucker zu erhalten. Insbesondere besteht auf diesem Fachgebiet Bedarf nach einer weiteren Verringerung der Investitions- und der Betriebskosten, die mit diesen Verfahren verbunden sind, damit sie kommerziell entwicklungsfähig sind.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung überwindet einige Nachteile des Standes der Technik, indem die Probleme in Betracht gezogen werden, die in Schritten auftreten, die während der Behandlung eines Cellulosebeschickungsmaterials durchgeführt werden, um fermentierbaren Zucker zu erhalten.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von fermentierbarem Zucker aus einem Cellulosebeschickungsmaterial anzugeben.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur enzymatischen Hydrolyse von Cellulose für die Herstellung von Glucose aus einem vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterial angegeben, wobei das Verfahren folgendes aufweist: (i) Bereitstellen eine wäßrigen Dickstoffsuspension des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials, wobei die wäßrige Dickstoffsuspension einen Wassergehalt aufweist, der weniger als etwa 140% des maximalen Wasseraufnahmevermögens vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials beträgt; (ii) Einführen der wäßrigen Dickstoffsuspension des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials in einen Hydrolysereaktor ohne Mischen; (iii) Zugeben von Cellulasen zu der wäßrigen Dickstoffsuspension vor dem Schritt des Einführens (Schritt ii), während des Schritts des Einführens (Schritt ii) oder zum Hydrolysereaktor ohne Mischen, oder eine Kombination davon, wobei im Hydrolysereaktor ohne Mischen die Cellulasen einen Teil der Cellulose hydrolysieren, um lösliche Zucker zu erzeugen, wodurch ein Gemisch von teilweise hydrolysierter Cellulose erzeugt wird, das lösliche Zucker enthält; (iv) Fortsetzen der Hydrolyse der Cellulose zu Glucose, indem das Gemisch der teilweise hydrolysierten Cellulose, das lösliche Zucker enthält, einem Hydrolysereaktor mit Mischen, der das Vermischen des Gemischs bewirkt, oder einem Hydrolysesystem zugeführt wird, das Hydrolysereaktoren mit Mischen aufweist, die das Vermischen des Gemischs bewirken; und (v) Abziehen eines Stroms, der Glucose und unreagierte Cellulose aufweist, aus dem Hydrolysereaktor mit Mischen oder dem Hydrolysesystem vom Schritt (iv).
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur enzymatischen Hydrolyse von Cellulose für die Herstellung von Glucose aus einem vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterial angegeben, wobei das Verfahren folgendes aufweist: (i) Bereitstellen eine wäßrigen Dickstoffsuspension des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials, wobei die wäßrige Dickstoffsuspension einen Wassergehalt aufweist, der weniger als etwa 140% des maximalen Wasseraufnahmevermögens des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials beträgt; (ii) Einführen der wäßrigen Dickstoffsuspension des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials in ein System aus Hydrolysereaktoren ohne Mischen; (iii) Zugeben von Cellulasen zu der wäßrigen Dickstoffsuspension vor dem Schritt des Einführens (Schritt ii), während des Schritts des Einführens (Schritt ii) oder zu einem oder mehreren Hydrolysereaktoren ohne Mischen in diesem System, oder eine Kombination davon, wobei die Cellulasen einen Teil der Cellulose hydrolysieren, um im System der Hydrolysereaktoren ohne Mischen lösliche Zucker zu erzeugen, wodurch ein Gemisch von teilweise hydrolysierter Cellulose erzeugt wird, das lösliche Zucker enthält; (iv) Fortsetzen der Hydrolyse der Cellulose zu Glucose, indem das Gemisch der teilweise hydrolysierten Cellulose, das lösliche Zucker enthält, in einen oder mehrere Hydrolysereaktoren eingeführt wird, die das Vermischen des Gemischs bewirken; und (v) Abziehen eines Stroms, der Glucose und unreagierte Cellulose aufweist, aus dem einen oder den mehreren Hydrolysereaktoren vom Schritt (iv).
Gemäß einer Ausführungsform eines der vorstehenden Gesichtspunkte der Erfindung liegt der Wassergehalt der wäßrigen Dickstoffsuspension zwischen etwa 40% und etwa 140% oder zwischen etwa 60 und 120% des maximalen Wasseraufnahmevermögens des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials.
Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung liegt der Anteil der im Reaktor ohne Mischen hydrolysierten Cellulose zwischen etwa 10 und etwa 70 Gew.-% oder zwischen etwa 15 und etwa 40 Gew.-%. Nach weiteren Ausführungsformen der Erfindung liegt der Anteil der im Reaktor ohne Mischen hydrolysierten Cellulose zwischen etwa 25 und etwa 70 Gew.-% oder zwischen etwa 35 und etwa 70 Gew.-%. Die löslichen Zucker im Gemisch der teilweise hydrolysierten Cellulose weisen nach der Hydrolyse ohne Mischen Glucose, Cellobiose, Gentiobiose, Glucoseoligomere oder eine Kombination davon auf.
Die Cellulasen enthalten vorzugsweise β-Glucosidase.
Der Hydrolysereaktor ohne Mischen kann ein diskontinuierlicher Reaktor, ein Zulauf-Reaktor oder ein kontinuierlicher Reaktor mit einem Verhältnis von Höhe zu Durchmesser von etwa 0,2:1,0 bis etwa 5,0:1,0 sein.
Gemäß einem dritten Gesichtspunkt stellt die vorliegende Erfindung ein System zum Hydrolysieren von Cellulose zu Glucose bereit, wobei das System folgendes aufweist: (i) einen oder mehrere Hydrolysereaktoren ohne Mischen zum Aufnehmen oder teilweisen Hydrolysieren einer wäßrigen Dickstoffsuspension des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials mit Cellulasen, um ein Gemisch von teilweise hydrolysierter Cellulose zu erzeugen; und (ii) einen oder mehrere stromabwärtige Hydrolysereaktoren mit Mischen, um die Hydrolyse des Gemischs der teilweise hydrolysierten Cellulose zu Glucose fortzusetzen.
Nach einem vierten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein System zum Hydrolysieren von eines Cellulosebeschickungsmaterials in Form einer Dickstoffsuspension für die Erzeugung von Glucose bereitgestellt, wobei das System folgendes aufweist: (i) eine Entwässerungsvorrichtung zum Aufnehmen und Entwässern des Cellulosebeschickungsmaterials in Form einer Dickstoffsuspension; (ii) einen Vorbehandlungsreaktor stromaufwärts oder stromabwärts der Entwässerungsvorrichtung zum Aufnehmen und Vorbehandeln des Cellulosebeschickungsmaterials in Form einer Dickstoffsuspension, um ein vorbehandeltes Cellulosebeschickungsmaterial zu erzeugen; (iii) einen oder mehrere Hydrolysereaktoren ohne Mischen zum Aufnehmen und teilweisen Hydrolysieren des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials mit Cellulasen, um ein Gemisch von teilweise hydrolysierter Cellulose zu erzeugen; und (iv) einen oder mehrere Hydrolysereaktoren mit Mischen stromabwärts der Hydrolysereaktoren ohne Mischen zum Fortsetzen der Hydrolyse des Gemischs der teilweise hydrolysierten Cellulose, um Glucose zu erzeugen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Hydrolysereaktor ohne Mischen in diesem System ein Reaktor mit idealer Strömung.
Die vorliegende Erfindung kann gegenüber herkömmlichen Verfahren zum Umwandeln von konzentrierten Cellulose-Dickstoffsuspensionen in fermentierbare Zucker unter Verwendung von Cellulasen zahlreiche Vorteile bieten. Indem die Viskosität des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials in einem (mehreren) Hydrolysereaktor(en) ohne Mischen verringert wird, kann die mit dem Mischen in den stromabwärtigen Reaktoren mit Mischen verbundene Energiezufuhr deutlich verringert werden. Außerdem kann das System minimiert werden, wenn spezialisierten Pumpen für eine hohe Feststoffdichte verwendet werden, um die Dickstoffsuspension mit hohem Feststoffgehalt durch das System zu transportieren.
Eine Verminderung der Investitions- und der Betriebskosten, die mit dem Umgang mit konzentrierten, sehr viskosen Dickstoffsuspensionen bei der enzymatischen Hydrolyse verbunden sind, kann in bezug auf die Kommerzialisierung der Produktion von fermentierbarem Zucker aus Cellulosebeschickungsmaterialien einen deutlichen Fortschritt darstellen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt verschiedene Konfigurationen von Cellulosehydrolysesystemen, die Hydrolysereaktoren ohne und mit Mischen aufweisen;
2A zeigt die fraktionelle bzw. teilweise (nachfolgend als fraktionell bezeichnet) Umwandlung von Cellulose als Funktion der Zeit (h) bei einer diskontinuierlichen Hydrolyse ohne Mischen, gefolgt von einer diskontinuierlichen Hydrolyse mit Mischen (Symbole) und bei einer diskontinuierlichen Hydrolyse mit vollständigem Mischen (die Kurve basiert auf Daten von einer Hydrolyse mit vollständigem Mischen). Die Hydrolyse mit Mischen wurde nach einer 4stündigen Hydrolyse ohne Mischen begonnen, wie es mit dem Rhombus angegeben ist.
2B zeigt die fraktionelle Umwandlung von Cellulose als Funktion der Zeit (h) bei einer diskontinuierlichen Hydrolyse ohne Mischen, gefolgt von einer diskontinuierlichen Hydrolyse mit Mischen (Symbole) und bei einer diskontinuierlichen Hydrolyse mit vollständigem Mischen (die Kurve basiert auf Daten von einer Hydrolyse mit vollständigem Mischen). Die Hydrolyse mit Mischen wurde nach einer 8stündigen Hydrolyse ohne Mischen begonnen, wie es mit dem Rhombus angegeben ist.
2C zeigt die fraktionelle Umwandlung von Cellulose als Funktion der Zeit (h) bei einer diskontinuierlichen Hydrolyse ohne Mischen, gefolgt von einer diskontinuierlichen Hydrolyse mit Mischen (Symbole) und bei einer diskontinuierlichen Hydrolyse mit vollständigem Mischen (die Kurve basiert auf Daten von einer Hydrolyse mit vollständigem Mischen). Die Hydrolyse mit Mischen wurde nach einer 24stündigen Hydrolyse ohne Mischen begonnen, wie es mit dem Rhombus angegeben ist.
3 zeigt die Celluloseumwandlung (%) für eine Hydrolyse ohne Mischen, die in einem Hydrolysereaktor ohne Mischen durchgeführt wurde (Vollkreise) und die Hydrolyse mit Mischen (Linie) als Funktion des Zeitpunkts des Probenziehens.
4 zeigt die relative Rührleistung, die für das vollständige Mischen erforderlich ist, als Funktion der Celluloseumwandlung für ein vorbehandeltes Beschickungsmaterial mit 20% anfänglichen ungelösten Feststoffen (UDS), was einem Wassergehalt entspricht, der 93,2% des Wasseraufnahmevermögens des vorbehandelten Beschickungsmaterials beträgt, was nach dem hier aufgeführten Verfahren bestimmt wurde.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Die folgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform dient nur als Beispiel und schränkt die Kombination von Merkmalen nicht ein, die erforderlich sind, um die Erfindung in die Praxis umzusetzen. Die angegebenen Überschriften sollen die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung nicht einschränken. Begriffe, wie ”umfaßt”, ”umfassend”, ”umfassen”, ”schließt ein”, ”einschließend” und ”einschließen” sollen nicht als einschränkend angesehen werden. Die Verwendung des Singulars schließt zudem den Plural ein, und ”oder” steht für ”und/oder”, wenn es nicht anders angegeben ist. Wenn es hier nicht anders angegeben ist, haben alle hier verwendeten technischen und wissenschaftlichen Bezeichnungen die gleiche Bedeutung, wie sie für den Fachmann gewöhnlich selbstverständlich ist.
Behandlung des Beschickungsmaterials vor der Vorbehandlung
Das Beschickungsmaterial für dieses Verfahren ist ein Cellulosematerial. Mit ”Cellulosebeschickungsmaterial” ist irgendeine Art von Biomasse einer Anlage gemeint, wie kultivierte Feldfrüchte, wie Gräser, z. B. C4-Gräser, wie Rutenhirsegras, Schlickgras, Raygray, Elefantengras, Schilfgras oder eine Kombination davon, Rückstände der Zuckerverarbeitung, z. B. Bagasse, wie Zuckerrohrbagasse, Rübenschnitzelbrei oder eine Kombination davon, Rückstände aus der Landwirtschaft, z. B. Sojabohnenreste, Maisreste, Reisstroh, Zuckerrohrstroh, Reisschalen, Gerstenstroh, Maiskolben, Weizenstroh, Rapsstroh, Haferstroh, Haferspelzen, Maisfasern oder eine Kombination davon, Biomasse aus der Forstwirtschaft, z. B. recycelte Holzmassefasern, Sägespäne, Hartholz, z. B. Espenholz, Weichholz oder eine Kombination davon, dies alles ist jedoch jeweils nicht darauf begrenzt. Das Cellulosebeschickungsmaterial kann ferner Celluloseabfallmaterial oder Abfallmaterialien der Forstwirtschaft umfassen, wie z. B. Zeitungspapier, Pappe und dgl., ist jedoch nicht darauf begrenzt. Das Cellulosebeschickungsmaterial kann eine Faserart umfassen, oder nach einer anderen Ausführungsform kann das Cellulosebeschickungsmaterial ein Fasergemisch umfassen, das von unterschiedlichen Cellulosebeschickungsmaterialien stammt. Außerdem kann das Cellulosebeschickungsmaterial frisches Cellulosebeschickungsmaterial, teilweise getrocknetes Cellulosebeschickungsmaterial, vollständig getrocknetes Cellulosebeschickungsmaterial oder eine Kombination davon umfassen. Außerdem kann eine Vielzahl neuer Lignocellulose-Beschickungsmaterialien durch Pflanzenzucht oder Gentechnik aus irgendwelchen der vorstehend aufgeführten Arten erzeugt werden.
Cellulosebeschickungsmaterialien umfassen Cellulose in einer Menge von mehr als etwa 20 Gew.-%, stärker bevorzugt von mehr als etwa 30 Gew.-%, noch bevorzugter mehr als etwa 40 Gew.-%. Das Cellulosematerial kann z. B. etwa 20 bis etwa 50 Gew.-% Cellulose oder irgendeine Menge dazwischen umfassen. Das Cellulosebeschickungsmaterial umfaßt ferner Lignin in einer Menge von mehr als etwa 10 Gew.-%, noch typischer in einer Menge von mehr als etwa 15 Gew.-%. Das Cellulosebeschickungsmaterial kann auch geringe Mengen Saccharose, Fructose und Stärke umfassen.
Bei Cellulosebeschickungsmaterialien, die eine Partikelgröße von weniger als etwa 6 inch haben, kann keine Verringerung der Größe erforderlich sein. Das heißt, solche Beschickungsmaterialien können einfach in Wasser aufgeschlämmt und dann zu stromabwärtigen Stufen des Verfahrens gepumpt werden. Bei Beschickungsmaterialien mit größeren Partikelgrößen wird das Cellulosebeschickungsmaterial im allgemeinen einer Größenverringerung durch Verfahren unterzogen, zu denen das Mahlen, Schleifen, Bewegen, Schreddern, Komprimieren/Expandieren oder andere Arten einer mechanischen Einwirkung gehören, diese sind jedoch nicht darauf begrenzt. Die Verringerung der Größe durch mechanische Einwirkung kann mit irgendeinem Ausrüstungstyp erfolgen, der diesem Zweck angepaßt ist, z. B. Hammermühlen, Bechermahlwerke (tub-grinders), Walzenpressen, Vorwalzen und Hydrapulper, diese sind jedoch nicht darauf begrenzt. Vorzugsweise können mindestens 90 Vol.-% der durch die Größenverringerung erzeugten Partikel eine Länge von weniger als etwa 1/16 bis etwa 6 in haben. Die bevorzugte Ausrüstung für die Verringerung der Partikelgröße ist eine Hammermühle, eine Vorwalze oder eine Walzenpresse, wie es in WO 2006/026863 offenbart ist, das hier als Bezug erwähnt wird.
Vor, während oder nach der Verringerung der Größe kann das Beschickungsmaterial in Wasser aufgeschlämmt werden, womit das Beschickungsmaterial gepumpt werden kann. Das gewünschte Gewichtsverhältnis zwischen Wasser und den trockenen Feststoffen des Cellulosebeschickungsmaterials in der Dickstoffsuspension wird von Faktoren, wie Pumpvermögen, Bedingungen der Rohrleitung und anderen praktischen Gesichtspunkten bestimmt.
Die Feststoffkonzentration der wäßrigen Dickstoffsuspension des Cellulosebeschickungsmaterials wird als Konzentration der ungelösten Feststoffe (UDS) angegeben. Vor der Vorbehandlung betragen die UDS des Cellulosebeschickungsmaterials in Form einer Dickstoffsuspension typischerweise etwa 3 bis etwa 30% oder etwa 4 bis etwa 20%.
Das Gewichtverhältnis zwischen den trockenen Feststoffen und der wäßrigen Dickstoffsuspension wird nach dem UDS-Verfahren von Beispiel 1 bestimmt.
Das fasrige Beschickungsmaterial kann mit Wasser oder einer wäßrigen Lösung eingeweicht werden, die Säure umfaßt. Das Einweichen kann erfolgen, indem das Cellulosebeschickungsmaterial in einen Behälter eingeführt wird, worin es mit einer relativ geringen Feststoffdichte mit heißem Wasser gemischt wird. Im allgemeinen wird das Cellulosebeschickungsmaterial vor seiner Einführung in den Behälter, in dem das Einweichen erfolgt, einer Größenverringerung unterzogen. Das Cellulosebeschickungsmaterial kann zudem gebleicht werden, wie es in WO 02/070753 (Griffin, hier als Bezug erwähnt) aufgeführt ist.
Nach dem Aufschlämmen, Bleichen und/oder Einweichen kann das Cellulosebeschickungsmaterial dann nach irgendeinem geeigneten Verfahren entwässert werden. Das Entwässern kann z. B. erfolgen, indem Vorrichtungen verwendet werden, die Wasser unter Druck aus dem Beschickungsmaterial in Form der wäßrigen Dickstoffsuspension entfernen. Entwässerungsvorrichtungen, die für die Verwendung in dieser Erfindung geeignet sind, schließen zusammengedrückte Schneckenpressen, wie die in WO 2010/022511 (hier als Bezug erwähnt) beschriebenen, und Druckfilter ein. Das Entwässerungsverfahren schließt wahlfrei eine vorherige Ablaufzone ein, um Wasser bei Atmosphärendruck oder einem höheren Druck aus dem Beschickungsmaterial in Form einer Dickstoffsuspension ablaufen zu lassen. Dieses Beschickungsmaterial in Form einer entwässerten Dickstoffsuspension wird dann zu einer oder mehreren Vorrichtungen zum Entwässern der Dickstoffsuspension unter Druck geleitet. Das durch den Entwässerungsschritt aus dem Cellulosebeschickungsmaterial herausgedrückte Wasser kann im Prozeß wiederverwendet werden.
Vorbehandlung des Cellulosebeschickungsmaterials
Das Cellulosebeschickungsmaterial wird vor der enzymatischen Hydrolyse mit Cellulasen einer Vorbehandlung unterzogen. Die Vorbehandlung soll im allgemeinen eine ausreichende Kombination aus mechanischer und chemischer Einwirkung bieten, damit die Faserstruktur des Cellulosebeschickungsmaterials aufgebrochen und die Oberfläche des Beschickungsmaterials vergrößert wird, so daß sie für die Cellulasen zugänglich wird. Die Vorbehandlung erfolgt vorzugsweise so, daß es zu einem hohen Hydrolysegrad der Hemicellulose und nur einem geringen Ausmaß der Umwandlung der Cellulose in Glucose kommt. Die Cellulose wird in einem nachfolgenden Schritt zu Glucose hydrolysiert, der Cellulasen verwendet. In einem Beispiel der Erfindung wird für die Vorbehandlung eine verdünnte Mineralsäure in einer Konzentration von etwa 0,02 bis etwa 5% Gew.-%, oder in irgendeiner Menge dazwischen, verwendet (als Gewichtsprozentsatz der reinen Säure im Gesamtgewicht des trockenen Beschickungsmaterials plus wäßrige Lösung gemessen).
Die Säure kann Schwefelsäure, Schweflige Säure, Salzsäure oder Phosphorsäure sein. Die Säure ist vorzugsweise Schwefelsäure. Die dem Cellulosebeschickungsmaterial zugesetzte Säuremenge kann variieren, sollte jedoch ausreichend sein, um eine Endkonzentration der Säure von etwa 0,02 bis etwa 2 Gew.-% oder irgendeine Menge dazwischen zu erreichen. Der resultierende pH-Wert des Beschickungsmaterials beträgt pH = etwa 0,4 bis etwa 3,5 oder irgendein pH-Bereich dazwischen.
Die Vorbehandlung mit Säure erfolgt vorzugsweise bei einer Höchsttemperatur von etwa 160 bis etwa 280°C. In der Praxis gibt es jedoch eine Zeitverzögerung beim Vorbehandlungsverfahren, ehe das Beschickungsmaterial diesen Temperaturbereich erreicht. Die vorstehend genannten Temperaturen entsprechen jenen Werten, die nach einer ausreichenden Wärmeanwendung erreicht werden, um eine Temperatur innerhalb dieses Bereichs zu erzielen. Die Zeit, in der das Beschickungsmaterial bei dieser Temperatur gehalten wird, kann etwa 6 bis etwa 3600 s oder etwa 15 bis etwa 750 s oder etwa 30 bis etwa 240 s betragen.
Die Vorbehandlung erfolgt typischerweise unter Druck. Der Druck während der Vorbehandlung kann z. B. zwischen etwa 50 und etwa 700 psig oder zwischen etwa 75 und etwa 600 psig oder in irgendeinem Druckbereich dazwischen liegen.
Das Beschickungsmaterial kann während oder vor der Vorbehandlung mit Dampf erhitzt werden. Ohne eingeschränkt sein zu wollen, besteht ein Verfahren, um dies durchzuführen, darin, Dampf mit geringem Druck zu verwenden, so daß das Beschickungsmaterial teilweise erwärmt wird, das dann zu einer Heizstrecke der verschiedenen Stufen gepumpt wird. Es können andere Maßnahmen ergriffen werden, um das Beschickungsmaterial zu erwärmen, wie handelsübliche Mischvorrichtungen, die dafür gestaltet sind, Dampf und gegebenenfalls Säure durch Sprühdüsen einzuführen.
Ein Verfahren zur Durchführung der Vorbehandlung des Beschickungsmaterial mit Säure ist die Verpuffung von Dampf unter Anwendung der Verfahrensbedingungen, wie sie in US-Patent Nr. 4,461,648 (Foody, das hier als Bezug erwähnt ist) aufgeführt sind. Ein anderes Verfahren zum Vorbehandeln des Beschickungsmaterials in Form einer Dickstoffsuspension beinhaltet die kontinuierliche Vorbehandlung, was bedeutet, daß das Cellulosebeschickungsmaterial kontinuierlich durch einen Reaktor gepumpt wird. Die kontinuierliche Vorbehandlung mit Säure ist dem Fachmann bekannt, siehe z. B. US-Patent Nr. 5,536,325 (Brink), WO 2006/128304 (Foody und Tolan) und US-Patent Nr. 4,237,226 (Grethlein), die hier als Bezug erwähnt werden. Je nach Bedarf können weitere Verfahren angewendet werden, die auf diesem Fachgebiet bekannt sind, wie z. B. das in US-Patent Nr. 4,556,430 (Converse et al.; das hier als Bezug erwähnt wird) beschriebene Verfahren.
Die Vorbehandlung mit Säure erzeugt eine Zusammensetzung, die ein mit Säure vorbehandeltes Beschickungsmaterial umfaßt. In der Zusammensetzung sind im allgemeinen während der Vorbehandlung durch die Hydrolyse von Hemicellulose erzeugte Zucker vorhanden, und dazu gehören Xylose, Glucose, Arabinose, Mannose, Galactose oder eine Kombination davon.
Die wäßrige Phase der Zusammensetzung des vorbehandelten Beschickungsmaterials kann auch die bei der Vorbehandlung zugesetzte Säure enthalten. Wenn Schwefelsäure die bei der Vorbehandlung verwendete Säure darstellt, enthält die Zusammensetzung, die das vorbehandelte Beschickungsmaterial umfaßt, außerdem Sulfat- und/oder Bisulfatsalze.
Die das mit Säure vorbehandelte Beschickungsmaterial umfassende Zusammensetzung weist auch während der Vorbehandlung mit Säure erzeugte Essigsäure auf. Die Essigsäurekonzentration in diesem Strom kann 0,1 bis 20 g/l betragen. Während der Vorbehandlung können weitere organische Säuren freigesetzt werden, dazu gehören Galacturonsäure, Ameisensäure, Milchsäure und Glucuronsäure. Die Vorbehandlung kann auch gelöstes Lignin und Inhibitoren, wie Furfural und Hydroxymethylfurfural (HMF) erzeugen. Die Zusammensetzung, die das mit Säure vorbehandelte Beschickungsmaterial umfaßt, kann folglich auch diese Komponenten enthalten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werde die löslichen Komponenten der Zusammensetzung in Form des vorbehandelten Beschickungsmaterials von den Feststoffen abgetrennt. Diese Trennung kann durch Waschen der Zusammensetzung in Form des vorbehandelten Beschickungsmaterials mit einer wäßrigen Lösung erfolgen, um einen Waschstrom und einen Feststoffstrom zu erzeugen, der das nicht hydrolysierte vorbehandelte Beschickungsmaterial aufweist. Nach einer anderen Ausführungsform wird die lösliche Komponente von den Feststoffen abgetrennt, indem die Zusammensetzung in Form des vorbehandelten Beschickungsmaterials einer Fest/Flüssig-Trennung unterzogen wird, wobei bekannte Verfahren angewendet werden, wie das Zentrifugieren, die Mikrofiltration, die Filtration mit einem Rahmenfilter, die Querstromfiltration, die Druckfiltration, die Vakuumfiltration und dgl. In die Fest/Flüssig-Trennung kann wahlfrei ein Waschschritt aufgenommen werden. Die abgetrennten Feststoffe, die Cellulose enthalten, können dann zur enzymatischen Hydrolyse mit Cellulasen weitergeleitet werden, um die Cellulose in Glucose umzuwandeln. Die enzymatische Hydrolyse von Cellulose unter Verwendung von Cellulasen wird nachfolgend ausführlicher beschrieben.
Die abgetrennte lösliche Komponente von der vorstehend beschriebenen Trennung, die die Zucker, die während der Vorbehandlung freigesetzt werden, die Säure der Vorbehandlung und andere lösliche Komponenten einschließt, kann dann unter Verwendung eines Mikroorganismus fermentiert werden, der die Zucker fermentieren kann, die von der Hemicellulosekomponente des Beschickungsmaterials stammen.
Die Vorbehandlung kann auch unter alkalischen Bedingungen erfolgen. Zu Beispielen geeigneter alkalischer Vorbehandlungsverfahren gehören die Ausweitung der Fasern mit Ammoniak (AFEX) oder eine Vorbehandlung mit verdünntem Ammoniak.
Gemäß dem AFEX-Verfahren wird die Cellulosebiomasse in einem Druckgefäß mit Ammoniak oder Ammoniumhydroxid, die typischerweise konzentriert sind, in Kontakt gebracht. Der Kontakt wird ausreichend lange beibehalten, damit der Ammoniak oder das Ammoniumhydroxid die Cellulosefasern quellen lassen kann (d. h. dekristallisieren). Der Druck wird dann schnell verringert, womit der Ammoniak schnell verdampfen oder sieden kann und die Cellulosefaserstruktur auseinanderplatzt. Der schnell verdampfte Ammoniak kann dann nach bekannten Verfahren wiedergewonnen werden. Das AFEX-Verfahren kann bei etwa 20 bis etwa 150°C oder bei etwa 20 bis etwa 100°C und bei allen Temperaturen dazwischen durchgeführt werden. Die Dauer dieser Vorbehandlung kann etwa 1 bis 20 Minuten oder irgendeine Zeit dazwischen betragen.
Die Vorbehandlung mit verdünntem Ammoniak verwendet stärker verdünnte Lösungen von Ammoniak oder Ammoniumhydroxid als das AFEX-Verfahren. Ein solches Vorbehandlungsverfahren kann irgendwelche Monosaccharide erzeugen oder auch nicht. Die Vorbehandlung mit verdünntem Ammoniak kann bei einer Temperatur von etwa 100 bis etwa 150°C oder bei irgendeiner Temperatur dazwischen erfolgen. Die Dauer einer solchen Vorbehandlung kann etwa 1 Minute bis etwa 20 Minuten oder irgendeine Zeit dazwischen betragen.
Nach der Vorbehandlung wird das vorbehandelte Beschickungsmaterial in Form einer Dickstoffsuspension vor der enzymatischen Hydrolyse typischerweise abgekühlt, um die Temperatur auf einen Wert zu verringern, bei dem die Cellulasen aktiv sind. Es sollte selbstverständlich sein, daß das Abkühlen des Beschickungsmaterials in einer Anzahl von Stufen erfolgen kann, die das schnelle Verdampfen, den Wärmeaustausch oder eine andere geeignete Maßnahme anwenden. Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird das vorbehandelte Beschickungsmaterial vor der enzymatischen Hydrolyse auf Temperaturen von etwa 100°C und darunter abgekühlt.
Enzymatische Hydrolyse ohne Mischen
Die wäßrige Dickstoffsuspension des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials wird einem Hydrolysereaktor ohne Mischen oder einem System von Hydrolysereaktoren ohne Mischen zugeführt, um ein Gemisch von teilweise hydrolysierter Cellulose zu erzeugen, das anschließend einem oder mehreren Hydrolysereaktoren zugeführt wird, die das Beschickungsmaterial unter Mischen hydrolysieren, wie es nachfolgend beschrieben ist. Im Reaktor oder Reaktorsystem ohne Mischen verringert die enzymatische Hydrolyse der Cellulose die Viskosität des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials. Aufgrund der Verringerung der Viskosität des vorbehandelten Beschickungsmaterials durch enzymatische Hydrolyse wird vorteilhafterweise der mit dem Mischen verbundene Energiebedarf während der Hydrolyse des Gemisch von teilweise hydrolysierter Cellulose in dem (den) nachfolgenden Hydrolysereaktor(en) verringert.
Die Viskositätsmessungen hängen von den Eigenschaften des Fluids ab, das gemessen wird. Eine vorbehandelte Dickstoffsuspension zeigt Eigenschaften, die nach ihrer Natur als nicht gemäß Newton definiert werden können, was bedeutet, daß die Viskosität Dickstoffsuspension nicht konstant und eine Funktion der ihr zugeführten Energie ist. Die der Dickstoffsuspension zugeführte Energie kann als örtliche Scherrate interpretiert werden.
Somit muß das quantitative Maß der Viskosität des vorbehandelten Beschickungsmaterials auf die Scherrate bezogen werden, bei der die Viskosität gemessen wurde. Bei niedrigen Scherraten zeigen vorbehandelte Dickstoffsuspensionen z. B. höhere Viskositäten als jene, die bei hohen Scherraten bestimmt wurden.
Für die Zwecke dieser Beschreibung wird der Begriff ”Viskosität” im qualitativen Sinn benutzt, um dicke oder dünne Dickstoffsuspensionen zu bezeichnen.
Der Begriff ”Hydrolysereaktor ohne Mischen” steht für einen Reaktor, in dem eine enzymatische Hydrolyse mit Cellulasen durchgeführt werden kann und der keinerlei wirksames Vermischen seines Inhalts vornimmt, wie es typischerweise in Hydrolysereaktoren mit Mischen erfolgt. Obwohl der erfindungsgemäße Reaktor ohne Mischen durch das Einführen und Abziehen von Flüssigkeit und Feststoffen aus dem System mit einem bestimmten Ausmaß des örtlichen Vermischens arbeiten kann, führt dieses örtliche Vermischen nicht zu einer signifikanten Verteilung oder einem signifikanten Vermengen des Reaktorinhalts, wie es in Reaktoren mit Mischen erfolgen würde. Z. B. kann durch die Wirkung eines rotierenden Abstreifers am Boden oder anderer Vorrichtungen, die zum Entfernen des Reaktorinhalts verwendet werden, ein geringes Ausmaß des örtlichen Vermischens am Boden eines Reaktors ohne Mischen und mit Abwärtsströmung auftreten. Wenn der Reaktor ohne Mischen ein Reaktor mit Aufwärtsströmung ist, kann es in ähnlicher Weise durch das Abziehen der Dickstoffsuspension zu einem geringen Ausmaß des örtlichen Vermischens an der Oberseite des Reaktors ohne Mischen kommen. Die zum Austragen der Dickstoffsuspension erforderliche Energie beträgt weniger als 5%, 3% oder 1% der Energie, die erforderlich ist, um die Dickstoffsuspension vollständig zu vermischen, wenn ein Reaktor mit Mischen vom herkömmlichen Typ mit stromlinienförmigen Rührflügeln verwendet wird.
Im Gegensatz dazu erfolgt das Mischen bei herkömmlichen Hydrolysereaktoren mit Mischen durch mechanische Mischer, wie oben, an der Seite oder am Boden befestigte Rührflügel, Rührer oder Ejektoren, durch die schnelle Bewegung der Ströme in Form einer flüssigen Dickstoffsuspension, die in oder durch das Gefäß gepumpt werden, und/oder durch das Einführen oder Erzeugen von Gasen oder Dämpfen im Gefäß. Außerdem sind Reaktoren bekannt, die ein periodisches Mischen anwenden (hier auch als ”diskontinuierliches Mischen” bezeichnet), wenn die Dickstoffsuspension entlang der Länge des Reaktors durch die Mischzonen strömt (siehe US-Patent Nr. 5,888,806 (Nguyen)).
Die Hydrolyse ohne Mischen kann ein diskontinuierliches, ein Zulauf- oder ein kontinuierliches Verfahren sein.
Ein geeignetes Verhältnis von Höhe zu Durchmesser eines diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Hydrolysereaktors ohne Mischen liegt zwischen etwa 0,2:1,0 bis etwa 5,0:1,0 oder bei irgendeinem Verhältnis dazwischen.
Die Anzahl der Hydrolysereaktoren ohne Mischen im System hängt von den Kosten der Reaktoren, dem Volumen der wäßrigen Dickstoffsuspension und anderen Faktoren ab. Für eine Anlage im kommerziellem Maßstab kann die typische Anzahl der Hydrolysereaktoren ohne Mischen z. B. 1 bis 10 betragen.
Die Reaktoren ohne Mischen können in einer aufeinanderfolgenden oder parallelen Anordnung vorliegen. Der Fachmann kann die geeignete Option leicht auswählen, indem er die Vorteile und Nachteile jedes Gestaltungsschemas abwägt.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung hat die wäßrige Dickstoffsuspension des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials einen Wassergehalt (Gew.-%/Gew.-%) von weniger als etwa 140% des maximalen Wasseraufnahmevermögens des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials. Das heißt, das vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterial kann etwas ungebundenes Wasser oder kein ungebundenes Wasser enthalten. Die Erfindung deckt irgendeinen Bereich des Wassergehalts des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials mit zahlenmäßigen Grenzwerten von 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 130 oder 140% des maximalen Wasseraufnahmevermögens ab.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung hat das vorbehandelte Cellulosebeschickungsmaterial einen Wassergehalt von 40 bis 140% des maximalen Wasseraufnahmevermögens oder von 50 bis 140% oder von 60 bis 140% oder von 70 bis 140% oder von 80 bis 140% des maximalen Wasseraufnahmevermögens oder in irgendeinem Bereich dazwischen. Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung hat das vorbehandelte Cellulosebeschickungsmaterial einen Wassergehalt von 40 bis 130% oder von 40 bis 120% oder von 40 bis 110% oder von 40 bis 100% oder von 40 bis 90% des maximalen Wasseraufnahmevermögens oder in irgendeinem Bereich dazwischen.
Ob die wäßrige Dickstoffsuspension ungebundenes Wasser enthält oder nicht, kann durch Messen des maximalen Wasseraufnahmevermögens des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials bestimmt werden, wie es in Beispiel 3 aufgeführt ist. Das maximale Wasseraufnahmevermögen eines vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials wird bestimmt, indem die Wassermenge gemessen wird, die von einer bekannten Masse von vorbehandeltem Cellulosebeschickungsmaterial bis zu dem Zeitpunkt absorbiert werden kann, zu dem das weitere dem Beschickungsmaterial zugesetzte Wasser ungebundenes Wasser ist.
Das vorbehandelte Cellulosebeschickungsmaterial in Form einer Dickstoffsuspension, das in den Hydrolysereaktor ohne Mischen eingeführt wird, weist etwa 12 bis etwa 40 Gew.-% ungelöste Feststoffe (UDS) oder irgendeinen Bereich dazwischen auf. Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist das vorbehandelte Cellulosebeschickungsmaterial in Form einer Dickstoffsuspension etwa 14 bis etwa 28 Gew.-% UDS oder irgendeinen Bereich dazwischen oder etwa 18 bis etwa 24 Gew.-% UDS auf. Der Bereich kann zahlenmäßige Grenzwerte von 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39 oder 40 Gew.-% enthalten. Der Gehalt an ungelösten Feststoffen basiert auf dem Trockengewicht der Feststoffe und wird gemäß dem Verfahren gemessen, das in Beispiel 1 aufgeführt ist.
Der vorstehend angegebene Bereich der Feststoffdichte kann erreicht werden, indem verschiedene Beschickungsmaterialpräparate vor der Vorbehandlung entwässert werden, wozu z. B. ein eingeweichtes Beschickungsmaterial, ein gebleichtes Beschickungsmaterial oder ein Beschickungsmaterial in Form einer Dickstoffsuspension gehören. Nach einer anderen Ausführungsform kann bei dem vorbehandeltem Beschickungsmaterial in Form einer Dickstoffsuspension nach der Vorbehandlung ein Entwässerungsschritt durchgeführt werden. Ohne eingeschränkt sein zu wollen, gehören zu geeigneten Entwässerungsvorrichtungen Schneckenpressen, Filter, Zentrifugen und Extruder. Nach einer weiteren Ausführungsform kann die Dickstoffsuspension durch Zugabe ausreichender Mengen von Wasser oder einer wäßrigen Lösung zu dem Beschickungsmaterial, das einer Verringerung der Partikelgröße unterzogen worden ist, vorbereitet werden, um einen Feststoffgehalt in diesem Bereich zu erzielen (siehe z. B. WO 2009/125292 , das hier als Bezug erwähnt wird).
Die enzymatische Hydrolyse von Cellulose zu löslichen Zuckern kann unabhängig von deren Quelle mit irgendeiner Art von Cellulasen durchgeführt werden, die für diesen Zweck geeignet und bei dem pH-Wert und den anderen angewendeten Bedingungen wirksam sind. Zu den am intensivsten untersuchten, gekennzeichneten und kommerziell produzierten Cellulasen gehören jene, die von Pilzen der Gattung Aspergillus, Humicola, Chrysosporium, Melanocarpus, Myceliopthora, Sporotrichum und Trichoderma und von Bakterien der Gattung Bacillus und Thermobifida erhalten werden. Vom fadenförmigen Pilz Trichoderma longibrachiatum erzeugte Cellulase weist mindestens zwei Cellobiohydrolasen, die als CBHI und CBHII bezeichnet werden, und mindestens vier Enzyme EG auf. Die Cellulasen EGI, EGII, EGIII, EGV und EGVI wurden ebenfalls von Humicola insolens isoliert (siehe Lynd et al., 2002, Microbiology und Molecular Biology Reviews, 66(3): 506–577 als Überblick zu Cellulasesystemen und Coutinho und Henrissat, 1999, "Carbohydrate-active enzymes: an integrated database approach." In Recent Advances in Carbohydrate Bioengineering, Gilbert, Davies, Henrissat und Svensson, Herausg. The Royal Society of Chemistry, Cambridge, S. 3–12, die hier alle als Bezug erwähnt werden).
Zusätzlich zu CBH, EG und β-Glucosidase gibt es einige akzessorische Enzyme, die zum enzymatischen Aufschluß von Cellulose beitragen (siehe WO 2009/026722 (Scott), Mitinhaber, das hier als Bezug erwähnt wird, und Harris et al., 2010, Biochemistry, 49: 3305–3316). Dazu gehören EGIV, das auch als Glycosid-Hydrolase 61 bekannt ist, Swollenin, Expansin, Lucinen und von Cellulose induziertes Protein (Cip). Glucose kann durch β-Glucosidase über Transglycosylierungsreaktionen enzymatisch in die Dimere Gentiobiose, Sophorose, Laminaribiose und andere überführt werden.
Eine geeignete Dosis der Cellulasen kann etwa 1,0 bis etwa 40,0 Filterpapier-Einheiten (FPU oder IU) pro Gramm Cellulose oder irgendeine Menge dazwischen betragen. Die FPU ist ein übliches Maß, das dem Fachmann auf diesem Gebiet vertraut ist und gemäß Ghose definiert und gemessen wird (Pure and Appl. Chem., 1987, 59: 257–268, das hier als Bezug erwähnt wird). Eine bevorzugte Dosis der Cellulasen beträgt etwa 10 bis 20 FPU/Gramm Cellulose.
Die Umwandlung von Cellobiose in Glucose erfolgt durch das Enzym β-Glucosidase. Der Begriff ”β-Glucosidase” steht für irgendein Enzym, das das Glucose-Dimer, Cellobiose, zu Glucose hydrolysiert. Die Aktivität des Enzyms β-Glucosidase wird von der Enzymkommission anhand seiner Aktivität als EC#3.2.1.21 angegeben. Das Enzym β-Glucosidase kann aus verschiedenen Quellen stammen; in allen Fällen kann das Enzym β-Glucosidase jedoch Cellobiose zu Glucose hydrolysieren. Das Enzym β-Glucosidase kann eine Glycosid-Hydrolase der Gruppe 1 oder der Gruppe 3 sein, obwohl bei der Durchführung dieser Erfindung Mitglieder anderer Gruppen verwendet werden können. Das für die Verwendung in dieser Erfindung bevorzugte Enzym β-Glucosidase ist das Protein Bgl1 von Trichoderma reesei. Es wird auch in Betracht gezogen, daß das Enzym β-Glucosidase so modifiziert sein kann, daß es eine Cellulose bindende Domäne einschließt, wodurch sich dieses Enzym an Cellulose binden kann.
Die Cellulasen können dem Beschickungsmaterial in Form einer wäßrigen Dickstoffsuspension vor oder während dessen Einführung in den Hydrolysereaktor ohne Mischen oder dem Hydrolysereaktor ohne Mischen selbst zugesetzt werden. Zu Beispielen des Verfahrens zum Zugeben des Enzyms gehören das direkte Einspritzen, das die Verwendung von T-Stücken zum Mischen beinhalten kann, das statische oder nicht-rotierende Mischen oder das zwischengeschaltete Mischen mit Motorantrieb, das z. B. zwischengeschaltete rotierende Vorrichtungen oder Schneidvorrichtungen verwenden kann. Nach einer anderen Ausführungsform können die Enzyme dem Hydrolysereaktor direkt zugesetzt werden, obwohl für das optimale Vermischen und für eine Minimierung des Energiebedarfs für das Mischen die Zugabe von Enzymen vor der Einführung des vorbehandelten Beschickungsmaterials in den Hydrolysereaktor bevorzugt ist. Die Enzyme können in einer wäßrigen Lösung oder als Pulver oder Granulat verwendet werden.
Die enzymatische Hydrolyse im Reaktor ohne Mischen erzeugte lösliche Zucker, wozu Glucoseoligomere, -dimere und/oder Glucose gehören. Beim Enzymgemisch kann das Enzym β-Glucosidase weggelassen werden, obwohl es bevorzugt ist, es in die Hydrolyse aufzunehmen, da die Glucoseausbeute deutlich abnimmt, wenn es nicht vorhanden ist.
Der Strom des Beschickungsmaterials in Form einer wäßrigen Dickstoffsuspension durch den Reaktor kann nach oben oder unten erfolgen. Das heißt, die wäßrige Dickstoffsuspension kann mit einer reinen Aufwärtsströmung am Boden des Hydrolysereaktors eingeführt werden oder kann an der Oberseite des Reaktors eingeführt werden und nach unten strömen. Wenn die wäßrige Dickstoffsuspension im Reaktor nach oben strömt, strömen die festen Partikel aufgrund der relativ hohen Stoffdichte der Dickstoffsuspension nicht langsamer nach oben als die Flüssigkeit.
Ohne eingeschränkt sein zu wollen, kann sich die Dickstoffsuspension in einer idealen Strömung durch den Hydrolysereaktor ohne Mischen bewegen. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, daß in der Praxis die ideale Strömung der wäßrigen Dickstoffsuspension durch den Reaktor nicht ideal sein wird, da eine gewisse Kanalbildung oder Laminarströmung des Beschickungsmaterials in Form der wäßrigen Dickstoffsuspension auftreten kann, wenn sich diese durch den Reaktor bewegt.
Ein ”Reaktor mit idealer Strömung” ist hier ein Reaktor mit Aufwärtsströmung, ein Reaktor mit Abwärtsströmung oder ein waagerechter Reaktor, die so gestaltet sind, daß eine ideale Strömung des Reaktorinhalts erreicht wird. Wie vorstehend erläutert kann die ideale Strömung nicht ideal sein, es gibt jedoch kein deutlich unterschiedliches Verweilen der Feststoffe im Verhältnis zur Flüssigkeit in der Dickstoffsuspension.
Außerdem kann es zu einem gewissen teilweisen Vermischen oder einer anderen Störung des Reaktorinhalts kommen, wenn das Material z. B. mit einem am Boden befestigten rotierenden Abstreifer ausgetragen wird. In der Reaktionszone eines Reaktors ohne Mischen gibt es jedoch keine oder nur eine sehr begrenzte Bewegung der Dickstoffsuspension in radialer Richtung. Der Begriff ”Reaktionszone” steht hier für eine Zone im Hydrolysereaktor ohne Mischen, bei der das Volumen des Reaktors, das von der Oberseite des Reaktors bis zu 90% der Reaktorhöhe gemessen wird, und das Volumen des Reaktors ausgenommen sind, das von dessen Boden bis zu einer Stelle gemessen wird, die 10% der Reaktorhöhe beträgt.
Die enzymatische Hydrolyse erfolgt im allgemeinen bei einem pH-Wert von etwa 4,0 bis 6,0, da dies im optimalen pH-Bereich der meisten Cellulasen liegt. Dies schließt Bereiche dazwischen ein, die die zahlenmäßigen Grenzwert 4,0, 4,25, 4,5, 4,75, 5,0, 5,25, 5,5, 5,75 oder 6,0 haben. Wenn der pH-Wert des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials sauer ist, wird dessen pH-Wert vor der enzymatischen Hydrolyse mit Alkali typischerweise auf etwa pH = 4,0 bis etwa 6,0 oder noch typischer von etwa 4,5 bis etwa 5,5 erhöht. Es sind jedoch Cellulasen mit einem optimalen pH-Wert bei stärker sauren und stärker alkalischen pH-Werten bekannt.
Das Alkali kann dem vorbehandeltem Beschickungsmaterial nachdem es abgekühlt ist, vor dem Abkühlen oder an Stellen sowohl vor als auch nach dem Abkühlen zugesetzt werden. Die Stelle der Zugabe des Alkalis kann mit der Zugabe der Cellulasen zusammenfallen, oder die Zugabestelle kann stromaufwärts oder stromabwärts der Stelle der Enzymzugabe liegen. Wenn das Enzym stromaufwärts der Zugabestelle des Alkalis zugesetzt wird, wird die Kontaktzeit des Enzyms bei einem niedrigeren pH-Wert des vorbehandelten Beschickungsmaterials typischerweise minimiert, um eine Inaktivierung des Enzyms zu vermeiden. Ohne eingeschränkt sein zu wollen, ist es bevorzugt, das Alkali vor der Zugabe des Enzyms oder gleichzeitig damit zuzugeben.
Das Alkali kann dem vorbehandelten Beschickungsmaterial im Leitungssystem zugegeben werden, wie zu einem zwischengeschaltete Mischer, einer Pumpe stromabwärts der Vorbehandlung oder direkt in den Reaktor ohne Mischer. Es kann eine Pumpe, die Öffnungen zum Einspritzen von Chemikalien aufweist und das Mischen fördert, wie eine Pumpe für mittlere Stoffdichte, verwendet werden, um das Alkali und das Enzym gleichzeitig zu verteilen. Ohne eingeschränkt sein zu wollen, kann eine zwischengeschaltete Mischvorrichtung verwendet werden, um Alkali und Enzym getrennt zuzusetzen.
Die Temperatur der Dickstoffsuspension wird so eingestellt, daß sie im optimalen Bereich für die Aktivität der Cellulasen liegt. Im allgemeinen ist für die meisten Cellulasen eine Temperatur von etwa 45 bis etwa 70°C, oder etwa 45 bis etwa 65°C oder irgendeine Temperatur dazwischen geeignet. Die Temperatur der Dickstoffsuspension kann z. B. bei etwa 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64 oder 65°C eingestellt werden. Die Temperatur der Dickstoffsuspension kann jedoch für thermophile Cellulasen höher sein.
Damit die gewünschte Hydrolysetemperatur gehalten wird, können die Hydrolysereaktoren mit Dampf, heißem Wasser oder anderen Wärmequellen ummantelt sein. Außerdem können die Reaktoren isoliert sein, um Wärme zurückzuhalten.
Die hydrodynamische Verweilzeit im Reaktor ohne Mischen kann bei 2 bis 36 Stunden, 4 bis 24 Stunden oder 6 bis 12 Stunden liegen. Die Obergrenze dieses Bereichs wird im allgemeinen durch die Instabilität der Strömung festgelegt.
Es ist bevorzugt, daß die enzymatische Hydrolyse und Fermentation in getrennten Gefäßen erfolgen, so daß jede biologische Reaktion bei ihrer entsprechenden optimalen Temperatur erfolgen kann. Bei der gleichzeitigen Umwandlung in Zucker und Fermentation können jedoch die Hydrolyse ohne Mischen und die Hydrolyse mit Mischen, die nachfolgend beschrieben ist, gleichzeitig mit der Fermentation erfolgen. Die SSF erfolgt typischerweise bei Temperaturen von 35 bis 38°C, was einen Kompromiß zwischen dem Optimum von 50°C für Cellulase und dem Optimum von 28°C für Hefe darstellt. Folglich kann die dazwischenliegender Temperatur sowohl bei den Cellulasen als auch der Hefe zu einer Leistung führen, die unter der üblichen liegt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung liegt nach Abschluß der Hydrolyse ohne Mischen der Prozentsatz der Umwandlung der Cellulose im Gemisch der teilweisen hydrolysierten Cellulose bei etwa 10 bis etwa 70 Gew.-% oder bei etwa 15 bis etwa 65 Gew.-% oder bei etwa 10 bis etwa 50 Gew.-% oder bei etwa 10 bis etwa 40 Gew.-% oder bei irgendeinem Wert dazwischen, wobei die Bereiche eingeschlossen sind, die die zahlenmäßigen Grenzwerte 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65 oder 70 Gew.-% aufweisen. Der Prozentsatz der Hydrolyse der Cellulose in diesem Gemisch wird nach dem Verfahren von Beispiel 2 gemessen und am Auslaß des Hydrolysereaktors ohne Mischen, oder wenn ein System von Hydrolysereaktoren ohne Mischen verwendet wird, am Auslaß des letzten Reaktor in diesem System gemessen.
Die teilweise hydrolysierte Cellulose kann mit irgendeiner geeigneten Vorrichtung, die dem Fachmann bekannt ist, aus dem Reaktor ohne Mischen abgezogen werden. Ohne eingeschränkt sein zu wollen, kann bei jenen Ausführungsformen, die einen Reaktor mit Abwärtsströmung und ohne Mischen verwenden, der Reaktorinhalt mit einer Entladeschnecke, die von einem rotierenden Abstreifen am Boden unterstützt wird, aus dem Reaktor transportiert werden. Wie es für den Fachmann selbstverständlich ist, können zum Austragen der Dickstoffsuspension andere Vorrichtungen verwendet werden. Der Boden eines Reaktors mit Abwärtsströmung und ohne Mischen kann z. B. eine konische Form haben, um das Austragen des Reaktorinhalts zu erleichtern. Diese letztgenannte Ausführungsform ist für dünnere Dickstoffsuspensionen geeignet, wohingegen der am Boden befestigte Abstreifer Dickstoffsuspensionen mit höherer Stoffdichte entfernen kann.
Bei jenen Ausführungsformen, die einen Reaktor mit Aufwärtsströmung und ohne Mischen verwenden, kann sich an der Oberseite des Reaktors ein Wischerarm befinden, um die teilweise hydrolysierte Cellulose in eine an der Seite befestigte Rutsche oder ein an der Seite angebrachtes Rohr zu schieben. Diese besondere Ausführungsform ist geeignet, wenn der Reaktorinhalt relativ dick ist. Bei einem dünneren Material kann die Oberseite des Reaktors eine konische Form haben, um das Abziehen der teilweise hydrolysierten Cellulose in ein Rohr zu erleichtern, das auf der Oberseite des Reaktors angebracht ist.
Die Viskosität des Reaktorinhalts und somit die bestimmte Vorrichtung, die zum Abziehen des Reaktorinhalts verwendet wird, ändern sich mit der Verweilzeit im Reaktor ohne Mischen, der Enzymkonzentration und anderen Faktoren.
Das Gemisch der teilweise hydrolysierten Cellulose, das durch die Hydrolyse ohne Mischen entsteht, kann einem Materialpfropfen bzw. -klumpen ähneln (nachfolgend als Pfropfen bezeichnet), oder die Stoffdichte kann derart sein, daß sie einer wäßrigen Dickstoffsuspension ähnelt. Der Begriff ”wäßrige Dickstoffsuspension” steht hier entweder für ein vorbehandeltes Beschickungsmaterial, das einer wäßrigen Dickstoffsuspension ähnelt, oder ein Gemisch von teilweise hydrolysierter Cellulose, das einem Materialpfropfen ähnelt.
Hydrolyse mit Mischen
Das Gemisch der teilweise hydrolysierten Cellulose von der Hydrolyse ohne Mischen wird in einen oder mehrere Hydrolysereaktoren eingeführt, die das Mischen der Dickstoffsuspension bewirken. Die Dickstoffsuspension wird typischerweise mit einer Pumpe in den Hydrolysereaktor mit Mischen eingeführt.
Verschiedene Konfigurationsbeispiele von Reaktoren ohne Mischen und mit Mischen, parallel, in Reihe und Kombinationen davon, die gemäß der Erfindung verwendet werden können, sind in 1 dargestellt. Die Konfigurationen 1 und 2 enthalten Reaktoren ohne Mischen und mit Mischen in Reihe. Bei der Konfiguration 1 von 1 folgen einem Reaktor 10 ohne Mischen die Reaktoren 1 und 2 mit Mischen, die mit 20A und 20B bezeichnet sind, denen wiederum irgendeine Anzahl weiterer Reaktoren 20C mit Mischen in Reihe folgen kann. Die Konfiguration 2 ist im wesentlichen die gleiche wie die Konfiguration 1, außer daß ein weiterer Reaktor 10B ohne Mischen in Reihe stromaufwärts des ersten Reaktors 20A mit Mischen vorgesehen ist. Die Konfiguration 3 zeigt zwei oder mehr Reaktoren 10A und 10B ohne Mischen parallel und stromabwärtige Reaktoren 20A, 20B und 20C mit Mischen in Reihe. Bei der Konfiguration 4 sind zwei oder mehr Reaktoren 10A und 10B ohne Mischen parallel und stromabwärtige Reaktoren mit Mischen, die mit 20A, 20C, 20D und 20E bezeichnet sind, parallel. Die Konfiguration 5 enthält einen Reaktor 10 ohne Mischen, dem folgen die Reaktoren 20A, 20C, 20D und 20E mit Mischen parallel. Bei der Konfiguration 6 sind zwei oder mehr Reaktoren ohne Mischen in Reihe dargestellt, die mit 10 und 10B bezeichnet sind, diesen folgen die Reaktoren 20A, 20C, 20D und 20E mit Mischen parallel.
Das Mischen im (in den) Hydrolysereaktor(en) mit Mischen kann durch irgendeine herkömmliche Maßnahme erfolgen, wozu mechanischer Mischer, wie oben, an der Seite oder am Boden angebrachten Rührflügel, Rührer oder Ejektoren, die schnelle Bewegung der flüssigen Dickstoffsuspensionsströme, die in oder durch das Gefäß gepumpt werden, und/oder das Einführen oder Erzeugen von Gasen oder Dämpfen im Gefäß gehören.
Ein besonders geeigneter Hydrolysereaktor mit Mischen ist ein kontinuierlicher Reaktorbehälter mit Rührern oder CSTR-Reaktor.
Ähnlich der Hydrolyse ohne Mischen erfolgt bei der Hydrolyse mit Mischen die enzymatische Hydrolyse im allgemeinen bei einem pH-Wert von etwa 4,0 bis 6,0, da dies im optimalen pH-Bereich der meisten Cellulasen liegt. Dazu gehören Bereiche dazwischen, die die zahlenmäßigen Grenzwerte 4,0, 4,25, 4,5, 4,75, 5,0, 5,25, 5,5, 5,75 oder 6,0 haben. Es sind jedoch Cellulasen mit einem optimalen pH-Wert bei stärker sauren oder stärker alkalischen pH-Werten bekannt.
Die Temperatur der Dickstoffsuspension wird bei der Hydrolyse mit Mischen so eingestellt, daß sie für die Aktivität der Cellulasen im optimalen Bereich liegt. Im allgemeinen ist für die meisten Cellulasen ein Temperatur von etwa 45 bis etwa 70°C oder von etwa 45 bis etwa 65°C oder irgendeine Temperatur dazwischen geeignet. Die Temperatur der Dickstoffsuspension kann jedoch für thermophile Cellulasen höher sein.
Der (die) Hydrolysereaktor(en) mit Mischen kann (können) leicht gerührt werden, typischerweise bei einer maximalen Energiezufuhr von bis zu 0,8 hp/1000 gallon, oder kann (können) mit bis zu 20 hp/1000 gallon stark gerührt werden.
Während der Hydrolyse mit Mischen können wahlfrei weitere Cellulasen zugesetzt werden.
Wenn die Hydrolyse in einem Hydrolysesystem mit Mischen erfolgt, das mehrere Hydrolysereaktoren mit Mischen einschließt, hängt die Anzahl der Hydrolysereaktoren mit Mischen im System von den Kosten der Reaktoren, dem Volumen der wäßrigen Dickstoffsuspension und anderen Faktoren ab. Bei einer Anlage im kommerziellem Maßstab kann die typische Anzahl der Hydrolysereaktoren z. B. 3 bis 12 betragen. Die enzymatische Hydrolyse mit Mischen ist vorzugsweise ein kontinuierliches Verfahren mit kontinuierlichem Einführen des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials und Abziehen der Glucose. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, daß im Umfang der vorliegenden Erfindung auch diskontinuierliche Verfahren und Zulaufverfahren eingeschlossen sind.
Um die gewünschte Hydrolysetemperatur beizubehalten, wird der Inhalt des Hydrolysereaktors (der Hydrolysereaktoren) gegebenenfalls erwärmt oder abgekühlt. Das Erwärmen oder Abkühlen kann mit Heiz- oder Kühlmänteln oder durch Wärmeaustausch mit rezirkulierter Dickstoffsuspension erfolgen. Das Heiz- oder Kühlfluid, das im Wärmeaustauscher oder im Mantel verwendet wird, kann Dampf, heißes Wasser, kaltes Wasser, Glycol oder Salzlösung einschließen. Es sollte selbstverständlich sein, daß die Temperatur des Reaktorinhalts während der Hydrolyse mit Mischen innerhalb eines gewünschten Bereichs gehalten werden könnte, ohne daß der Reaktorinhalt irgendwie erwärmt oder abgekühlt wird.
Je nach Bedarf können andere Gestaltungsparameter des Hydrolysesystems mit Mischen eingestellt werden. Das Volumen eines Hydrolysereaktors mit Mischen in einem Hydrolysesystem mit Cellulasen kann z. B. im Bereich von etwa 100.000 bis etwa 20.000.000 l oder bei irgendeinem Volumen dazwischen, z. B. bei 200.000 bis 5.000.000 l oder bei irgendeiner Menge dazwischen liegen. Die gesamte Verweilzeit der Dickstoffsuspension im Hydrolysesystem kann zwischen etwa 12 und etwa 200 Stunden oder bei irgendeinem Wert dazwischen liegen.
Nachdem die Hydrolyse mit Mischen abgeschlossen ist, ist das Produkt Glucose und irgendwelche unreagierte Cellulose. Im resultierenden Strom vorliegende unlösliche Feststoffe, einschließlich Lignin, können vor irgendeiner Weiterbehandlung unter Anwendung herkömmlicher Fest/Flüssig-Trennverfahren entfernt werden. Es kann jedoch unter gewissen Umständen erwünscht sein, sowohl die Feststoffe als auch die Flüssigkeiten im Zuckerstrom für die Weiterbehandlung mitzunehmen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind bei Abschluß der Hydrolyse mit Mischen etwa 75 bis etwa 100 Gew.-% der Cellulose im vorbehandelten Beschickungsmaterial in Form einer Dickstoffsuspension oder etwa 85 bis etwa 95% oder irgendein Bereich dazwischen in Glucose und/oder Cellobiose umgewandelt. Dazu gehören Bereiche mit den zahlenmäßigen Grenzwerten 75, 80, 85, 90, 95 oder 100%. Die Bestimmung der Celluloseumwandlung ist in Beispiel 2 aufgeführt.
Fermentation
Die Fermentation von Glucose, zu dem es durch die Hydrolyse kommt, kann ein oder mehrere Fermentationsprodukte erzeugen, die aus einem Alkohol, einem Zuckeralkohol, einer organischen Säure und einer Kombination davon ausgewählt sind.
Die Fermentation erfolgt typischerweise bei einem pH-Wert von etwa 4,0 bis etwa 6,0 oder von etwa 4,5 bis etwa 6,0. Um den vorstehend angegebenen pH-Bereich für die Fermentation zu erreichen, kann es erforderlich sein, dem Glucose umfassenden Strom Alkali zuzusetzen.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das Fermentationsprodukt ein Alkohol, wie Ethanol oder Butanol. Für die Ethanolerzeugung erfolgt die Fermentation typischerweise mit der Hefe Saccharomyces spp. Glucose und irgendwelche anderen im Zuckerstrom vorhandenen Hexosen können vom Wildtyp Saccharomyces cerevisiae zu Ethanol fermentiert werden, obwohl auch genetisch modifizierte Hefen verwendet werden können, wie es nachfolgend erläutert ist. Dann kann das Ethanol destilliert werden, um eine konzentrierte Ethanollösung zu erhalten. Butanol kann durch einen Mikroorganismus, wie Clostridium acetobutylicum aus Glucose erzeugt und dann durch Destillation konzentriert werden.
Xylose und Arabinose, die von Hemicellulosen stammen, können ebenfalls durch einen Hefestamm zu Ethanol fermentiert werden, der die Fähigkeit, diese Zucker zu Ethanol zu fermentieren natürlich enthält oder durch Gentechnik erhalten hat. Beispiele von Mikroben, die genetisch modifiziert wurden, um Xylose zu fermentieren, schließen rekombinante Saccharomyces-Stämme ein, in die folgendes insertiert worden ist: entweder (a) die Gene von Xylose-Reduktase (XR) und Xylitol-Dehydrogenase (XDH) von Pichia stipitis ( US-Patente Nr. 5,789,210 , 5,866,382 , 6,582,944 und 7,527,927 und EP 450530 ) oder (b) ein Gen von fungaler oder bakterieller Xylose-Isomerase (XI) ( US-Patente Nr. 6,475,768 und 7,622,284 ). Zu Beispielen von Hefen, die genetisch modifiziert worden sind, um L-Arabinose zu fermentieren, gehören die rekombinanten Saccharomyces-Stämme, in die Gene entweder vom fungalen ( US-Patent Nr. 7,527,951 ) oder vom bakteriellen ( WO 2008/041840 ) Arabinose-Stoffwechselweg insertiert worden sind, sie sind jedoch nicht darauf begrenzt.
Zu organischen Säuren, die bei der Fermentation erzeugt werden können, gehören Milchsäure, Citronensäure, Ascorbinsäure, Apfelsäure, Succinsäure, Pyruvinsäure, Hydroxypropansäure, Itaconsäure und Essigsäure. In einem nicht begrenzenden Beispiel ist Milchsäure das Fermentationsprodukt, das von Interesse ist. Die meisten allgemein bekannten industriellen Mikroorganismen für die Milchsäureproduktion aus Glucose sind Spezies der Gattung Lactobacillus, Bacillus und Rhizopus.
Xylose und andere Pentosezucker können zudem durch Hefestämme zu Xylitol fermentiert werden, die aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus Candida, Pichia, Pachysolen, Hansenula, Debaryomyces, Kluyveromyces und Saccharomyces. Es sind auch Bakterien bekannt, die Xylitol produzieren, dazu gehören Corynebacterium sp., Enterobacter liquefaciens und Mycobacterium smegmatis.
In der Praxis erfolgt die Fermentation typischerweise bei oder nahe der optimalen Temperatur und dem optimalen pH-Wert des Mikroorganismus der Fermenation. Ein typischer Temperaturbereich für die Fermentation von Glucose zu Ethanol unter Verwendung von Saccharomyces cerevisiae liegt zwischen etwa 25 und etwa 35°C, obwohl die Temperatur höher sein kann, wenn die Hefe natürlich oder genetisch so modifiziert ist, daß sie wärmebeständig ist. Die Dosis des Mikroorganismus der Fermentation hängt von anderen Faktoren, wie der Aktivität des Mikroorganismus der Fermentation, der gewünschten Fermentationszeit, dem Volumen des Reaktors, und anderen Parametern ab. Es sollte selbstverständlich sein, daß diese Parameter je nach Wunsch des Fachmanns eingestellt werden können, um die optimalen Fermentationsbedingungen zu erreichen.
Die Fermentation kann auch mit weiteren Nährstoffen ergänzt werden, die für das Wachstum des Mikroorganismus der Fermentation erforderlich sind. Dem Hydrolysat in Form einer Dickstoffsuspension können z. B. Hefeextrakt, bestimmte Aminosäuren, Phosphat, Stickstoffquellen, Salze, Spurenelemente und Vitamine zugesetzt werden, um deren Wachstum zu unterstützen.
Die Fermentation kann diskontinuierlich, kontinuierlich oder nach dem Zulaufmodus mit oder ohne Rühren erfolgen. Die Fermentationsreaktoren werden vorzugsweise durch mechanisches Rühren leicht gerührt. Eine typische Fermentation im kommerziellen Maßstab kann unter Verwendung mehrerer Reaktoren erfolgen. Die Mikroorganismen der Fermentation können zur Fermentationsvorrichtung rezirkuliert oder ohne Umlauf zur Destillation geleitet werden.
Wenn Ethanol oder Butanol das Fermentationsprodukt darstellt, erfolgt die Gewinnung durch Destillation, typischerweise mit weiterem Konzentrieren durch Molekularsiebe oder Membranextraktion.
Die Fermentationsbrühe, die zur Destillation weitergeleitet wird, ist ein verdünnte Alkohollösung, die Feststoffe, wozu nicht umgewandelte Cellulose gehört, und irgendwelche Komponenten enthält, die bei der Fermentation zugesetzt wurden, um das Wachstum der Mikroorganismen zu unterstützen.
Während der Destillation sind möglicherweise Mikroorganismen vorhanden, wobei dies davon abhängt, ob sie bei der Fermentation rezirkuliert wurden oder nicht. Die Brühe wird vorzugsweise entgast, um Kohlendioxid zu entfernen, und dann durch eine oder mehrere Destillationskolonnen gepumpt, um den Alkohol von den anderen Komponenten in der Brühe abzutrennen. Die Betriebsart des Destillationssystems hängt davon ab, ob der Alkohol einen niedrigeren oder höheren Siedepunkt als Wasser hat. Am häufigsten hat der Alkohol einen niedrigeren Siedepunkt als Wasser, wie es bei der Destillation von Ethanol der Fall ist.
Bei den Ausführungsformen, bei denen Ethanol konzentriert wird, wird (werden) die Kolonne(n) in der Destillationsanlage vorzugsweise nach einem kontinuierlichen Modus betrieben, obwohl es selbstverständlich sein sollte, daß auch diskontinuierliche Verfahren von der vorliegenden Erfindung abgedeckt sind. Die Wärme für das Destillationsverfahren kann an einer oder mehreren Stellen entweder durch direktes Einspritzen von Dampf oder indirekt über Wärmeaustauscher zugeführt werden. Die Destillationsanlage kann eine oder mehrere getrennte Bier-(beer) und Rektifizierkolonnen enthalten, in diesem Fall wird das verdünnte Bier der Bierkolonne zugeführt, in der es teilweise konzentriert wird. Von der Bierkolonne geht der Dampf zur weiteren Reinigung zu einer Rektifizierkolonne. Nach einer anderen Ausführungsform wird eine Destillationskolonne verwendet, die einen integrierten Anreicherungs- oder Rektifizierabschnitt aufweist.
Nach der Destillation kann das restliche Wasser durch ein Molekularsiebharz, durch Membranextraktion oder andere dem Fachmann bekannte Verfahren aus dem Dampf entfernt werden, um Ethanol über die 95% hinaus zu konzentrieren, die typischerweise durch Destillation erreicht werden. Der Dampf kann dann kondensiert und denaturiert werden.
Ein wäßriger Strom (wäßrige Ströme), der (die) nach der Ethanoldestillation zurückbleibt (zurückbleiben) und Feststoffe enthält (enthalten), der (die) hier als ”ruhende Rückstände” bezeichnet wird (werden), wird (werden) vom Boden von einer oder mehreren Kolonnen der Destillationsanlage abgezogen. Dieser Strom enthält anorganische Salze, nicht fermentierte Zucker und organische Salze.
Wenn der Alkohol einen höheren Siedepunkt als Wasser hat, wie z. B. Butanol, wird die Destillation so durchgeführt, daß Wasser und andere flüchtigen Verbindungen vom Alkohol entfernt werden. Der Wasserdampf verläßt die Oberseite der Destillationskolonne und ist als ”Kopfproduktstrom” bekannt.
Beispiele
Beispiel 1: Bestimmung der Konzentration von ungelösten Feststoffen in einen Cellulosebeschickungsmaterial in Form einer Dickstoffsuspension
Die Bestimmung des Gehalts an ungelösten Feststoffen (UDS) wird wie folgt durchgeführt.
Eine festgelegte Menge der Dickstoffsuspension wird in eine Wiegeschale aus Kunststoff gegeben, und das Gewicht der Dickstoffsuspension wird mit einer analytischen Skala exakt erfaßt. Ein rundes Filterpapier, das für einen Buchner-Trichter geeignet bemessen ist, wird in eine Aluminiumdose zum Abwiegen gegeben, und die Summe des Gewichts der Dose und des Filterpapiers wird erfaßt. Nachdem das bereits gewogene Filterpapier in den Buchner-Trichter gelegt worden ist, wird die bereits gewogene Dickstoffsuspension durch das Filterpapier geleitet, um die Feststoffe abzutrennen. Es werden kleine Volumina deionisiertes Wasser verwendet, um sicherzugehen, daß die Feststoffe quantitativ aus der Wiegeschale in den Buchner-Trichter umgefüllt werden. Die Feststoffe werden dann mit einem Überschuß deionisiertem Wasser gewaschen, danach werden die gewaschene Probe und das Filterpapier in die bereits gewogene Aluminiumdose gegeben. Dabei sollte genau darauf geachtet werden, daß die Feststoffe quantitativ umgefüllt werden. Nach dem Trocknen der Aluminiumdose über Nacht in einem Ofen mit 105°C wird der Inhalt exakt gewogen, und die UDS werden quantitativ erfaßt, indem die Anzahl der Gramm der trockenen Feststoffe pro Gramm der Dickstoffsuspension als Prozentsatz bestimmt werden.
Beispiel 2: Bestimmung des Umwandlungsgrads der Cellulose nach der Hydrolyse ohne Mischen oder mit Mischen
Der Umwandlungsgrad der Cellulose wird bestimmt, indem die anfängliche Cellulose-, Glucose- und Cellobiosekonzentration und die Konzentration von Glucose und Cellobiose gemessen werden, nachdem die Hydrolyse ohne Mischen oder mit Mischen stattgefunden hat, und die folgenden Gleichungen angewendet werden.

X: = Celluloseumwandlung (%)
G: = Glucosekonzentration (g/l)
G₀: = anfängliche Glucosekonzentration (g/l)
G₂: = Dimerkonzentration (g/l); schließt primär Cellobiose, jedoch auch Gentiobiose und andere Dimere ein
G₂₀: = anfängliche Dimerkonzentration (g/l) schließt primär Cellobiose, jedoch auch Gentiobiose und andere Dimere ein
G_max: = Glucosekonzentration bei einer Celluloseumwandlung von 100% (g/l)
C₀: = anfängliche Cellulosekonzentration (%)
X₀: = Xylosekonzentration (g/l)

Beispiel 3: Bestimmung des maximalen Wasseraufnahmevermögens eines vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials
Das Cellulosebeschickungsmaterial wird mit Säure vorbehandelt, wie es z. B. in US-Patent Nr. 7,754,457 (hier als Bezug erwähnt) aufgeführt ist. Eine Probe des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials mit bekanntem Trockengewicht wird ohne Druckanwendung in einen Behälter gegeben. Der Probe wird bis zu dem Zeitpunkt allmählich Wasser zugesetzt, zu dem das weitere zugegeben Wasser ungebundenes Wasser ist. Dieser Zeitpunkt wird als der Zeitpunkt eingeschätzt, zu dem das Wasser auf dem Cellulosebeschickungsmaterial eine dünne durchgängige Schicht bildet. Der Behälter wird angekippt, um das ungebundene Wasser zu entfernen. Dann wird das feuchte Beschickungsmaterial gewogen, um die Gesamtmenge des vorhandenen Wassers zu bestimmen, wobei das zugesetzte Wasser und das anfänglich in der Probe vorhandene Wasser eingeschlossen sind. Das maximale Wasseraufnahmevermögen pro Masse des trockenen Lignocellulose-Beschickungsmaterials wird berechnet, indem die in der Probe vorhandene Wassermasse durch die Trockenmasse des Beschickungsmaterials geteilt wird.
Die Bestimmung des Wasseraufnahmevermögens und des Prozentsatzes des Wasseraufnahmevermögens, die bei einer Probe vorliegen, berücksichtigt das Vorhandensein von gelösten Feststoffen in den Proben. Nachfolgend ist eine detaillierte Berechnung aufgeführt, um zu erläutern, wie eine solche Bestimmung erfolgt.
Es wird eine Probe von vorbehandeltem Weizenstroh erhalten, und die UDS werden nach dem in Beispiel 1 aufgeführten Verfahren gemessen. Die UDS werden mit 22,0% bestimmt. Die Probe weist kein ungebundenes Wasser auf und wird vor der UDS-Messung mit 10 m Natriumhydroxid bei pH = 5,0 eingestellt.
Der Gehalt an gelösten Feststoffen in der Probe wird gemessen, indem 25 g der Probe zu 100 ml deionisiertem Wasser mit 25°C in einem 250 ml Erlenmeyerkolben gegeben werden und das resultierende Gemisch 30 s manuell geschüttelt wird, um die Feststoffe gründlich im Wasser zu verteilen. Dann wird die Dickstoffsuspension durch einen Fisher- oder Whatman-Glasfaserfilter filtriert. Eine aliquote Menge des Filtrats mit 2,80 g wird über Nacht in einem Ofen mit 105°C getrocknet.
Das Trockengewicht wird erfaßt, es beträgt 0,0271 g. Der Gehalt an gelösten Feststoffen der Probe ist dann wie folgt:
Die Probe des vorbehandelten Weizenstrohs hat folglich 22,0% UDS, 4,63% gelöste Feststoffe und 73,37% Wasser (Gew.-%).
Das Wasseraufnahmevermögen, das die gelösten Feststoffe berücksichtigt, wird dann wie folgt bestimmt. Eine Masse von 5,08 g der Probe wird in eine Wiegeschale gegeben. Der Probe wird Wasser zugesetzt und dieses wird gründlich in den Feststoffen verteilt, bis eine getrennte Wasserschicht entsteht. Die getrennte Wasserschicht wird abgegossen, um eine Probe zu erhalten, die bei ihrem Wasseraufnahmevermögen liegt. Zu diesem Zeitpunkt wird die Probe gewogen, und das Gewicht beträgt 5,87 g. Das Wasseraufnahmevermögen der Probe ist dann wie folgt:
Die Probe mit 22,0% UDS enthält (73,37% Wasser/22,0% UDS) = 3,33 g Wasser/g UDS. Diese Probe liegt bei 3,33/4,04 = 82,5% des Wasseraufnahmevermögens.
Beispiel 4: Hydrolyse von Cellulose mit einer Hydrolyse ohne Mischen, gefolgt von einer Hydrolyse mit Mischen
Weizenstroh wurde mit Schwefelsäure vorbehandelt, wie es in US-Patent Nr. 7,754,457 (hier als Bezug erwähnt) aufgeführt ist. Dann wurde das vorbehandelte Beschickungsmaterial in einer Hydrolyse ohne Mischen gefolgt von einer mit Mischen mit Cellulasen und β-Glucosidase, die von Trichoderma reesei ausgeschieden wird, wie folgt hydrolysiert.
Die Stoffdichte des vorbehandelten Beschickungsmaterials in Form einer Dickstoffsuspension wurde durch Filtration auf 20 Gew.-% ungelöste Feststoffe (UDS) erhöht. Diese Stoffdichte entspricht einem Wassergehalt, der 93,2% des Wasseraufnahmevermögens des vorbehandelten Beschickungsmaterials in Form einer Dickstoffsuspension beträgt, wie es nach dem Verfahren von Beispiel 3 bestimmt wurde.

Die Reaktionszeit der Hydrolyse ohne Mischen betrug 0 (vollständig gemischt), 4, 8 und 24 Stunden, danach wurde die Hydrolyse für eine gesamte Hydrolysedauer von 73 Stunden gemischt. Die Versuchsbedingungen für die Hydrolyse ohne Mischen und die anschließende Hydrolyse mit Mischen sind in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1: Versuchsbedingungen für eine Hydrolyse ohne Mischen, gefolgt von einer mit Mischen

Anfängliche UDS, %	20% (durch Filtration konzentriert)
Größe der Charge	50 g Dickstoffsuspension
pH	5,0
Dosierung, mg/g Cellulasen	35
Temperatur, °C	50
Zeit der Hydrolyse ohne Mischen (h)	0, 4, 8 oder 24
Gesamte Hydrolysezeit, h	73
U/min der Hydrolyse mit Mischen	250

Die Ergebnisse der Hydrolyse ohne Mischen, der eine Hydrolyse mit Mischen folgt, sind in den 2A, 2B und 2C gezeigt. Die Datenpunkte in jeder Figur (leere Kreise und schwarze Rhomben) zeigen die fraktionelle Umwandlung von Cellulose für die Hydrolyse ohne Mischen, gefolgt von der mit Mischen zu jedem Zeitpunkt. Der Zeitpunkt, zu dem die Hydrolyse ohne Mischen in die Hydrolyse mit Mischen umgeschaltet wurde, ist mit einem schwarzen Rhombus gekennzeichnet. Die in den Figuren dargestellten Kurven zeigen die entsprechende Hydrolyse mit vollständigem Mischen.
Die 2A, 2B und 2C zeigen, daß die fraktionelle Umwandlung von Cellulose, die bei Abschluß der Hydrolyse erreicht war, und zwar bei 73 Stunden, für die Hydrolyse ohne Mischen, gefolgt von der mit Mischen der für die Hydrolyse mit vollständigem Mischen ähnlich war. Das heißt, daß es möglich ist, bei einer Hydrolyse ohne Mischen/mit Mischen nach 73 Stunden einen ähnlichen Wert der Umwandlung wie bei der Hydrolyse zu erzielen, bei der Inhalt über den gesamten Zeitverlauf gemischt wird. Das ist vorteilhaft, da damit deutlich wird, daß das Mischen für die ersten 24 Stunden der Hydrolyse vermieden werden kann, ohne daß es zu einem Verlust bei der Celluloseumwandlung oder der Glucoseerzeugung kommt.
Beispiel 5: Hydrolyse ohne Mischen in einem Hydrolysereaktor ohne Mischen
Weizenstroh wurde mit Säure vorbehandelt, wie es in US-Patent Nr. 7,754,457 (hier als Bezug erwähnt) aufgeführt ist, und dann in einem Dekantiersystem zentrifugiert, um einen vorhandelten Dekantierkuchen des vorbehandelten Beschickungsmaterials zu erzeugen, der eine Stoffdichte von 24 Gew.-% aufwies. Das vorbehandelte Beschickungsmaterial wurde dann wie folgt in einem Hydrolysereaktor ohne Mischen mit Cellulasen und β-Glucosidase hydrolysiert, die von Trichoderma reesei ausgeschieden wird.
Für den Versuchsaufbau der Hydrolyse ohne Mischen wurde ein Zulaufverfahren angewendet. Ein bestimmtes Gewicht des Dekantierkuchens (55 kg) wurde in einem Mischbehälter mit einer ausreichenden Menge Alkali gemischt, um einen pH-Wert von 5 zu erreichen, und das entstandene Gemisch wurde auf 52°C erwärmt. Danach wurde eine Cellulasemenge in den Mischbehälter gegeben, so daß eine Zieldosis der Enzyme von 60 mg/g erreicht wurde. Zielkonzentration der ungelösten Feststoffe 21 Gew.-%. Diese Stoffdichte entspricht einem Wassergehalt, der 87,6% des Wasseraufnahmevermögens des vorbehandelten Beschickungsmaterials in Form einer Dickstoffsuspension beträgt, wie es gemäß dem Verfahren von Beispiel 3 bestimmt wurde. Nach einem kurzen Mischzeitraum (3 Minuten), der durchgeführt wurde, um das Enzym in der Dickstoffsuspension zu verteilen, wurde die Dickstoffsuspension in einen 600 l Hydrolysereaktor ohne Mischen mit einem Abstreifer am Boden und einer Entladeschnecke befördert, und es wurde mit der Hydrolyse ohne Mischen begonnen.
Für die Hydrolyse ohne Mischen lag die Zielzeit der Reaktion bei 4 Stunden. Der Reaktor ohne Mischen wurde mit Heizbändern erhitzt, um die Temperatur der Dickstoffsuspension bei 52°C zu halten. 4 Stunden nach dem Einführen der ersten Charge in den Reaktor wurde das hydrolysierte Material kontinuierlich vom Boden des Reaktors abgezogen. Es wurden Proben der Dickstoffsuspension entnommen und das Enzym in den Proben wurde sofort deaktiviert.
Die Ergebnisse der Hydrolyse ohne Mischen im 600 l Reaktor ohne Mischen sind in 3 (Vollkreise) zusammen mit der Celluloseumwandlung mit Mischen dargestellt, die als Linie über den Datenpunkte dargestellt ist. Wie in 3 gezeigt, nähert sich der Prozentsatz der Celluloseumwandlung für die Hydrolyse, die im Reaktor ohne Mischen durchgeführt wurde, der Celluloseumwandlung, die bei der Hydrolyse mit vollständigen Mischen erzielt wurde.
Beispiel 6: Vergleich des Energieverbrauchs der Hydrolyse ohne Mischen, gefolgt von einer Hydrolyse mit Mischen, mit einer Hydrolyse mit vollständigem Mischen
Ein herkömmlich gestalteter 20 l Mischbehälter wurde mit in der Industrie üblichen stromlinienförmigen Rührflügeln ausgestattet und nach dem diskontinuierlichen Modus betrieben. Der Energieverbrauch wurde durch direkte Messung des Drehmoments der Welle bestimmt. Der Mischbehälter wurde mit 18,8 l Dickstoffsuspension betrieben, und die Temperatur wurde bei 50°C gehalten. Der Energiebedarf wurde so bestimmt, daß die vollständige Bewegung an vier Stellen an den Wänden des Behälters beobachtet wurde: Boden, 2 Seiten (180° getrennt) und Oberseite. Dadurch wurde gesichert, daß es bei einer Geschwindigkeit von etwa 1 cm/s an den Wänden keine signifikante Stagnation der Dickstoffsuspension an irgendeiner sichtbaren Stelle im Behälter gab. Um diesen Zustand zu erreichen, wurde die Rührleistung so eingestellt, daß eine bestimmte U/min erreicht wurde, 10 Minuten gehalten, und danach die Beobachtungen erfolgten. Wenn eine sichtbare Stagnation an den Wänden festgestellt wurde, wurde die Leistung weiter erhöht und das Verfahren wiederholt, bis eine vollständige Bewegung festgestellt wurde.
Das vorbehandelte Beschickungsmaterial wies anfängliche UDS von 20 Gew.-% auf, was einem Wassergehalt entspricht, der 93,2% des Wasseraufnahmevermögens des vorbehandelten Beschickungsmaterials darstellt, wie es nach dem in Beispiel 3 aufgeführten Verfahren bestimmt wurde.
Es ist bekannt (Levenspiel, 1999, Chemical Reaction Engineering, 3. Aufl., John Wiley und Sons, Kap. 5), daß bei einem System mit konstanter Dichte ein idealer Reaktor ohne Mischen (ideale Strömung) effizienter als ein idealer gemischter (CSTR) ist und daß ein diskontinuierlicher Reaktor eine gute Annäherung an einen Reaktor ohne Mischen und mit idealer Strömung darstellt. Somit wurde angenommen, daß eine 4stündige Stufe ohne Mischen in bezug auf das Behältervolumen etwa gleich einem 4 Stunden gemischten Behälter ist, um die gleiche Ausbeute zu erzielen. Die Ergebnisse in 4 zeigen, daß bei einer Hydrolyse mit Mischen in der ersten Stufe bei einer Celluloseumwandlung von 25% der relative Energieverbrauch etwa 10% der Menge beträgt, die erforderlich ist, um die anfängliche Dickstoffsuspension vor der Zugabe des Enzyms zu rühren. Zum Vergleich ist bei einem ersten Reaktor ohne Mischen der relative Energieverbrauch etwa Null. Wenn das System zwei oder mehr Reaktor mit Mischen in Reihe verwendet, ist der gesamte Energieverbrauch geringer als wenn ein (mehrere) Reaktor(en) ohne Mischen stromaufwärts der Reaktoren mit Mischen verwendet wird (werden). Wenn die anfängliche Dickstoffsuspension vor der Zugabe des Enzyms z. B. 100 HP/1000 gal erfordert, damit vollständig gemischt wird, benötigt der erste Reaktor mit Mischen dann 10 HP/1000 gal, und der Reaktor ohne Mischen würde 0 HP/1000 gal benötigen. Für Serien mit zwei 1000 gal Reaktoren mit Mischen würde der gesamte Energiebedarf 10 HP + 0,9 HP = 10,9 HP betragen, wohingegen für einen Reaktor ohne Mischen in Reihe mit einem Reaktor mit Mischen der gesamte Energiebedarf 0 HP + 0,9 HP = 0,9 HP betragen würde, was eine Energieeinsparung von etwa 92% darstellt, wobei die zu erzielende abschließende Celluloseumwandlung beibehalten wird. Obwohl sie nicht verboten ist, würde die Verwendung einer herkömmlichen Mischvorrichtung in der ersten Stufe mit Mischen dieses Beispiels bei kommerziellen Maßstäben zu einer übermäßigen Größe der Motoren führen. Die Aufnahme eines Reaktors ohne Mischen minimiert die Größenvorgaben für den Motor deutlich und ermöglicht es, daß eine herkömmliche Mischvorrichtung in allen Mischbehältern verwendet werden kann, womit die Gestaltung vereinfacht wird.
Es sollte selbstverständlich sein, daß die Beispiele nur erläuternd sind und die vorliegende Erfindung in keiner Weise einschränken sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims

Verfahren zur enzymatischen Hydrolyse von Cellulose, um aus einem vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterial Glucose zu erzeugen, wobei das Verfahren folgendes aufweist: (i) Bereitstellen eine wäßrigen Dickstoffsuspension des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials, wobei die wäßrige Dickstoffsuspension einen Wassergehalt aufweist, der weniger als etwa 140% des maximalen Wasseraufnahmevermögens des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials beträgt; (ii) Einführen der wäßrigen Dickstoffsuspension des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials in einen Hydrolysereaktor ohne Mischen; (iii) Zugeben von Cellulasen zu der wäßrigen Dickstoffsuspension vor dem Schritt des Einführens (Schritt ii), während des Schritts des Einführens (Schritt ii) oder zum Hydrolysereaktor ohne Mischen, oder eine Kombination davon, wobei im Hydrolysereaktor ohne Mischen die Cellulasen einen Teil der Cellulose hydrolysieren, um lösliche Zucker zu erzeugen, wodurch ein Gemisch von teilweise hydrolysierter Cellulose erzeugt wird, das lösliche Zucker enthält; (iv) Fortsetzen der Hydrolyse der Cellulose zu Glucose, indem das Gemisch der teilweise hydrolysierten Cellulose, das lösliche Zucker enthält, einem Hydrolysereaktor mit Mischen, der das Vermischen des Gemischs bewirkt, oder einem Hydrolysesystem zugeführt wird, das Hydrolysereaktoren mit Mischen aufweist, die das Vermischen des Gemischs bewirken; und (v) Abziehen eines Stroms, der Glucose und unreagierte Cellulose aufweist, aus dem Hydrolysereaktor mit Mischen oder dem Hydrolysesystem vom Schritt (iv).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anteil der im Reaktor ohne Mischen hydrolysierten Cellulose etwa 10 bis etwa 70 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Anteil der im Reaktor ohne Mischen hydrolysierten Cellulose etwa 25 bis etwa 70 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Anteil der im Reaktor ohne Mischen hydrolysierten Cellulose etwa 35 bis etwa 70 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Cellulasen β-Glucosidase enthalten.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wassergehalt der wäßrigen Dickstoffsuspension zwischen etwa 40 und etwa 140% des maximalen Wasseraufnahmevermögens des vorbehandeltem Cellulosebeschickungsmaterials liegt.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Wassergehalt der wäßrigen Dickstoffsuspension zwischen etwa 60 und etwa 120% des maximalen Wasseraufnahmevermögens des vorbehandeltem Cellulosebeschickungsmaterials liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hydrolysereaktor ohne Mischen ein diskontinuierlicher Reaktor, ein Zulaufreaktor oder ein kontinuierlicher Reaktor mit einem Verhältnis von Höhe zu Durchmesser von etwa 0,2:1,0 bis etwa 5,0:1,0 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die löslichen Zucker im Gemisch der teilweise hydrolysierten Cellulose Glucose, Cellobiose, Glucoseoligomere oder eine Kombination davon umfassen.
System zum Hydrolysieren von Cellulose zu Glucose, wobei das System folgendes aufweist: (i) einen oder mehrere Hydrolysereaktoren ohne Mischen zum Aufnehmen und teilweisen Hydrolysieren einer wäßrigen Dickstoffsuspension eines vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials mit Cellulasen, um ein Gemisch von teilweise hydrolysierter Cellulose zu erzeugen; und (ii) einen oder mehrere stromabwärtige Hydrolysereaktoren mit Mischen zum Fortsetzen der Hydrolyse des Gemischs der teilweise hydrolysierten Cellulose zu Glucose.
System zum Hydrolysieren eines Cellulosebeschickungsmaterials in Form einer Dickstoffsuspension, um Glucose zu erzeugen, wobei das System folgendes aufweist: (i) eine Entwässerungsvorrichtung zum Aufnehmen und Entwässern des Cellulosebeschickungsmaterials in Form einer Dickstoffsuspension; (ii) einen Vorbehandlungsreaktor stromaufwärts oder stromabwärts der Entwässerungsvorrichtung zum Aufnehmen und Vorbehandeln des Cellulosebeschickungsmaterials in Form einer Dickstoffsuspension, um ein vorbehandeltes Cellulosebeschickungsmaterial zu erzeugen; (iii) einen oder mehrere Hydrolysereaktoren ohne Mischen zum Aufnehmen und teilweisen Hydrolysieren des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials mit Cellulasen, so daß ein Gemisch von teilweise hydrolysierter Cellulose erzeugt wird; und (iv) einen oder mehrere Hydrolysereaktoren mit Mischen stromabwärts der Hydrolysereaktoren ohne Mischen zum Fortsetzen der Hydrolyse des Gemischs der teilweise hydrolysierten Cellulose, um Glucose zu erzeugen.
System nach Anspruch 11, wobei der Hydrolysereaktor ohne Mischen ein Reaktor mit idealer Strömung ist.
Verfahren zur enzymatischen Hydrolyse von Cellulose, um aus einem vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterial Glucose zu erzeugen, wobei das Verfahren folgendes aufweist: (i) Bereitstellen eine wäßrigen Dickstoffsuspension des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials, wobei die wäßrige Dickstoffsuspension einen Wassergehalt aufweist, der weniger als etwa 140% des maximalen Wasseraufnahmevermögens des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials beträgt; (ii) Einführen der wäßrigen Dickstoffsuspension des vorbehandelten Cellulosebeschickungsmaterials in ein System von Hydrolysereaktoren ohne Mischen; (iii) Zugeben von Cellulasen zu der wäßrigen Dickstoffsuspension vor dem Schritt des Einführens (Schritt ii), während des Schritts des Einführens (Schritt ii) oder zu einem oder mehreren Hydrolysereaktoren ohne Mischen in diesem System, oder eine Kombination davon, wobei die Cellulasen einen Teil der Cellulose hydrolysieren, um in dem System von Hydrolysereaktoren ohne Mischen lösliche Zucker zu erzeugen, wodurch ein Gemisch von teilweise hydrolysierter Celllose erzeugt wird, das lösliche Zucker enthält; (iv) Fortsetzen der Hydrolyse der Cellulose zu Glucose, indem das Gemisch der teilweise hydrolysierten Cellulose, das lösliche Zucker enthält, einem oder mehrere Hydrolysereaktoren zugeführt wird, die das Vermischen des Gemischs bewirken; und (v) Abziehen eines Stroms, der Glucose und unreagierte Cellulose aufweist, aus dem einen oder den mehreren Hydrolysereaktoren vom Schritt (iv).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Anteil der im Reaktorsystem ohne Mischen hydrolysierten Cellulose etwa 10 bis etwa 70 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Anteil der im Reaktorsystem ohne Mischen hydrolysierten Cellulose etwa 25 bis etwa 70 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Anteil der im Reaktorsystem ohne Mischen hydrolysierten Cellulose etwa 35 bis etwa 70 Gew.-% beträgt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Cellulasen β-Glucosidase enthalten.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Wassergehalt der wäßrigen Dickstoffsuspension zwischen etwa 40 und etwa 140% des maximalen Wasseraufnahmevermögens des vorbehandeltem Cellulosebeschickungsmaterials liegt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Wassergehalt der wäßrigen Dickstoffsuspension zwischen etwa 60 und etwa 120% des maximalen Wasseraufnahmevermögens des vorbehandeltem Cellulosebeschickungsmaterials liegt.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Hydrolysereaktoren ohne Mischen diskontinuierliche Reaktoren, Zulaufreaktoren oder kontinuierlicher Reaktoren mit einem Verhältnis von Höhe zu Durchmesser von etwa 0,2:1,0 bis etwa 5,0:1,0 sind.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die löslichen Zucker im Gemisch der teilweise hydrolysierten Cellulose Glucose, Cellobiose, Glucoseoligomere oder eine Kombination davon umfassen.