DE112013001292T5

DE112013001292T5 - Verfahren zur Herstellung einer Bodenverbesserungszusammensetzung aus einem Lignocellulose-Verarbeitungsverfahren

Info

Publication number: DE112013001292T5
Application number: DE112013001292.8T
Authority: DE
Inventors: Patrick J. Foody; Robert Glenns
Original assignee: Iogen Energy Corp
Current assignee: Iogen Energy Corp
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2014-12-24
Also published as: BR112014021929A8; US10202312B2; US20150000356A1; CA2862073A1; WO2013131191A1; US20160176767A1; US9315427B2; CN104125998A; BR112014021929B1; CA2862073C; US20190112238A1; US10766826B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Zusammensetzung zur Verwendung für eine Ausbringung auf dem Boden. Das Verfahren umfasst: (a) Erhalten eines Fermentationsprodukts durch ein Herstellungsverfahren, umfassend die Schritte von: (iv) Behandlung von Lignocellulose-Rohmaterials, um Zucker herzustellen; (v) Fermentation der Zuckers, um eine fermentierte Mischung herzustellen, die das Fermentationsprodukt umfasst; und (vi) Gewinnung des Fermentationsprodukts aus der fermentierten Mischung in einer oder mehreren Stufen, um ein konzentriertes Fermentationsprodukt und Destillationsrückstand herzustellen; und (b) Gewinnung des Destillationsrückstands, wobei der Destillationsrückstand organische und anorganische Bestandteile umfasst; und (c) Bereitstellen des Destillationsrückstands zur Verwendung für eine Ausbringung auf dem Boden. Außerdem wird eine Bodenverbesserungszusammensetzung bereitgestellt zur Verwendung für eine Ausbringung am Boden. Diese Bodenverbesserungszusammensetzung enthält Destillationsrückstände und optional andere Bestandteile.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Zusammensetzung zur Verwendung für eine Ausbringung auf dem Boden und Verfahren zur Herstellung derselben.
Hintergrund der Erfindung
Kraftstoffethanol wir momentan aus Rohmaterialien, wie zum Beispiel Maisstärke, Zuckerrohr und Zuckerrüben, hergestellt. Die Herstellung von Ethanol aus Lignocellulose-haltigen Rohmaterialien, wie zum Beispiel Landwirtschaftsabfälle und Forstwirtschaftsabfälle, hat jedoch in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erhalten. Ein Vorteil, diese Rohmaterialien zu verwenden, ist, dass sie breit verfügbar sind und zu geringen Kosten bezogen werden können. Ferner kann ein Nebenprodukt des Verarbeitungsverfahrens, bekannt als Lignin, als ein Kraftstoff anstelle von fossilen Kraftstoffen verwendet werden, um das Verfahren mit Energie zu versorgen. Mehrere Studien sind unter Berücksichtigung des gesamten Herstellungs- und Verbrauchszyklus zu dem Schluss gekommen, dass die Verwendung von aus Cellulose hergestelltem Ethanol nahezu keine Treibhausgase erzeugt.
Die Verfahrensschritte zur Umwandlung des Lignocellulose-Rohmaterials zu Ethanol, oder zu anderen Kraftstoffen und Chemikalien, beinhaltet das Aufspalten des fibrösen Lignocellulose-Materials durch eine Folge von chemischen und biologischen Behandlungen, um aus dem Rohmaterial Zuckermonomere freizusetzen. Es gibt verschiedene bekannte Verfahren zur Herstellung von fermentierbaren Zuckern aus Lignocellulose-Rohmaterialien, wobei eines davon eine chemische Vorbehandlung umfasst, gefolgt von der Hydrolyse der Cellulose mit Cellulase-Enzymen und β-Glucosidase. Die Zucker, die bei der Hydrolyse hergestellt werden, werden in einer Fermentation, die im Anschluss an die Hydrolyse oder während der Hydrolyse der Cellulose durchgeführt wird, zu einem Fermentationsprodukt fermentiert, wobei ein Mikroorganismus, wie zum Beispiel Hefe oder Bakterien, verwendet werden. Das Fermentationsprodukt, das aus dem Lignocellulose-Rohmaterial hergestellt wird, kann durch irgendeine geeignete Technik konzentriert werden. Zum Beispiel wird bei der Herstellung von Ethanol wird im Anschluss an die Fermentation eine Destillation durchgeführt, um das Ethanol in einer konzentrierten Form zu gewinnen, und das verbleibende Wasser wird anschließend mittels Molekularsieben oder durch andere Techniken entfernt. Der Rest, der nach der Konzentration des Fermentationsprodukts zurückbleibt, wird als „Destillationsrückstand” oder als ein „Destillationsrückstandsstrom” bezeichnet.
Obwohl es Forschungsanstrengungen gegeben hat, die der Herstellung von Treibstoff oder anderen Chemikalien aus Lignocellulose-Rohmaterial gewidmet waren, war es schwierig die existierenden Technologien zu kommerzialisieren. Momentan sind die Kosten Treibstoffe oder andere Chemikalien aus Lignocellulose-Rohmaterialien herzustellen relativ hoch.
Ein Problem mit den Verfahren zur Verarbeitung von Lignocellulose-Rohmaterialien zu Treibstoff oder anderen Chemikalien ist, dass die Handhabung und Beseitigung der Destillationsrückstände Herausforderungen darstellt. Die Beseitigung der Destillationsrückstände ist teuer, komplex und hat negative Umweltauswirkungen. Ein Beseitigungsverfahren, das für einen Destillationsrückstand, der von einem Celluloseverarbeitungsverfahren stammt, vorgeschlagen wurde, ist eine biologische Abwasserbehandlung. Eine weitere bekannte Beseitigungsoption ist die Verbrennung, die die Gewinnung von Wärme aus der Verbrennung der organischen Stoffe ermöglicht. Eine weitere verfügbare Option für die Beseitigung ist die Deponierung des Destillationsrückstands. Obwohl technisch machbar, benötigen viele dieser Optionen für die Handhabung und/oder Beseitigung des Destillationsrückstands erhebliche Investitions- und Betriebsausgaben. Darüber hinaus wurde auch die Verarbeitung des Destillationsrückstands, um anorganische Sulfatsalze mittels Ionenausschluss zu gewinnen, und die Verwendung der gewonnen Salze als Düngemittel offenbart, wie es in dem U. S. Patent Nr. 7,670,813 dargelegt ist. Es wäre jedoch wünschenswert, verbesserte Verfahren oder Ersatzverfahren zur Bewältigung der Destillationsrückstandsströme bereitzustellen, welche Salze umfassen, die aus den Verfahren zur Herstellung von Fermentationsprodukten aus Lignocellulose-Rohmaterialien stammen.
Zusammenfassung der Erfindung
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung bewältigt, verbessert oder stellt nützliche Alternativen in Bezug auf bekannte Verfahren zur Handhabung und Beseitigung von Abfallströmen bereit, die während der Verarbeitung von Lignocellulose-Rohmaterialien auftreten, um ein Fermentationsprodukt zur Verwendung als einen Kraftstoff oder eine Chemikalie herzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Erhalten einer Zusammensetzung zur Verwendung für die Bodenverbesserung oder für eine Ausbringung auf dem Boden aus einem Verfahren bereit, das ein Fermentationsprodukt aus einem Lignocellulose-Rohmaterial herstellt. Das Verfahren umfasst: (a) Herstellen des Fermentationsprodukts durch ein Herstellungsverfahren, umfassend: (i) Behandlung des Lignocellulose-Rohmaterials, um Zucker herzustellen; (ii) Fermentation des Zuckers, um eine fermentierte Mischung herzustellen, die das Fermentationsprodukt umfasst; und (iii) Gewinnung des Fermentationsprodukts aus der fermentierten Mischung in einer oder mehreren Stufen, um ein konzentriertes Fermentationsprodukt und Destillationsrückstände herzustellen. Die Destillationsrückstände werden gewonnen und anschließend zur Verwendung für eine Ausbringung auf dem Boden oder zur Bodenverbesserung bereitgestellt.
Zweckmäßigerweise umfassen die Destillationsrückstände organische und anorganische Bestandteile, wobei beide für den Boden Vorteile bieten können. Die anorganischen Bestandteile erfüllen den Nährstoffbedarf für das Pflanzenwachstum gerecht, zum Beispiel Stickstoff, Schwefel und Kalium. Zusätzlich verbessern die organischen Bestandteile der Destillationsrückstande die Bodenbeschaffenheit, indem sie die Wasserrückhaltekapazität erhöhen, die Gesundheit des Bodens verbessern und/oder die Erosion der obersten Bodenschicht verringern. Die Ergebnisse, die hierin präsentiert sind, zeigen, dass Destillationsrückstände, die von Herstellungsverfahren stammen, die Lignocellulose-Rohmaterialien verwenden, eine ähnliche Nährstoffaufnahme in Nutzpflanzen wie ein chemisches Düngemittel bereitstellen. Ferner zeigen die Testergebnisse, wie hierin beschrieben, dass die Destillationsrückstände für die Pflanzen nicht toxisch sind. Nutzpflanzen, die mit Destillationsrückständen der Erfindung behandelt wurden, hatten eine ähnliche Anzahl von Pflanzen/Hektar wie Nutzpflanzen, die mit chemischem Düngemittel behandelt wurden.
Zusätzlich zu diesen Vorteilen für die Nutzpflanzen stellt das hierein offenbarte Verfahren eine einfachere Alternative für die Beseitigung der Abfälle bereit, die anfallen, wenn ein Fermentationsprodukt aus einem Lignocellulose-Rohmaterial hergestellt wird. Im Gegensatz zu anderen Verfahren, die für die Beseitigung der Destillationsrückstände vorgeschlagen wurden, bietet die vorliegende Erfindung geringere Betriebs- und Investitionskosten. Zum Beispiel benötigt die Verbrennung und die Abwasserbehandlung der Destillationsrückstände ein erhebliches Kapital, um ausgeführt zu werden, und hohe Betriebskosten für die Anlage. Die Deponierung ist auch eine teure Alternative und hat negative Umweltauswirkungen. Folglich stellt die vorliegende Erfindung eine kostengünstige Bodenverbesserungszusammensetzung aus einem Abfallstrom bereit, für dessen Beseitigung ansonsten erhebliche Investitions- und Betriebskosten benötigen werden würden.
Darüber hinaus überwindet die vorliegende Erfindung die Bedenken, die sich aus dem Entfernen des Ernterückstands ergeben, der, nachdem die Ernte abgeerntet wurde, auf dem Feld zurückbleibt. Insbesondere gab es Bedenken, dass das Entfernen des Ernterückstands, um Kraftstoffe und Chemikalien herzustellen, Wasser, Kohlenstoff und Nährstoffe aus der Erde entfernt. Auf der anderen Seite ist es häufig wünschenswert, die Ernterückstandsanhäufung, insbesondere von ertragreichen Nutzpflanzen, zu entfernen, weil ein übermäßiger Rückstand schwierig und teuer zu bewältigen sein kann. Zweckmäßigerweise thematisiert die vorliegende Erfindung die Bedenken bezüglich der Ernterückstandsbewältigung, während sie auch kosteneffiziente Mittel zur Rückführung von organischem Material und Nährstoffen in den Boden bereitstellt.
Zusätzlich, indem die vorliegende Erfindung ausgeführt wird, werden Lebenszyklustreibhausgasemissionen, die mit der Herstellung eines Treibstoffs aus einem Lignocellulose-Rohmaterial verbunden sind, im Verhältnis zu Herstellungsverfahren, die die Destillationsrückstände durch andere Techniken beseitigen, wie zum Beispiel durch Verbrennung oder Deponierung, reduziert. Die Treibhausgasverringerungen werden erreicht, weil die Abhängigkeit von chemischem Düngemittel verringert ist. Weil chemisches Düngemittel unter Verwendung von fossilen Kraftstoffen, wie zum Beispiel Erdgas und Kohle, synthetisiert wird, können durch die Verwendung von Nährstoffen aus den Destillationsrückständen anstelle von chemischem Düngemittel die Einsparungen bei den Treibhausgasemissionen erreicht werden. Darüber hinaus bedarf die vorliegende Erfindung im Gegensatz zur Verbrennung nicht der Verwendung von Waschchemikalien, die auch zu den Lebenszyklustreibhausgasemissionen des Treibstoffs beitragen.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen des ersten Aspekts der Erfindung stammen die anorganischen Bestandteile der Destillationsrückstände von dem Lignocellulose-Rohmaterial, den Verfahrenschemikalien, die während des Herstellungsverfahrens zugegeben wurden, oder aus einer Kombination davon. In einer weiteren Ausführungsform stammen die anorganischen Bestandteile von sowohl dem Lignocellulose-Rohmaterial als auch von den Verfahrenschemikalien, die während der Herstellungsverfahren zugegeben werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung umfasst der Schritt der Behandlung des Lignocellulose-Rohmaterials, um Zucker herzustellen, die Vorbehandlung des Lignocellulose-Rohmaterials mit Säure oder Alkali, um eine Zusammensetzung herzustellen, die Cellulose umfasst, und die Hydrolyse mit Enzymen von zumindest einem Teil der Cellulose zu Glucose.
In einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst der anorganische Bestandteil der Destillationsrückstände anorganisches Salz, das schwefelhaltiges Salz umfasst. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung stammt das schwefelhaltige Salz zum großen Teil von schwefelhaltigen Verfahrenschemikalien, die während des Herstellungsverfahrens zugegeben werden. Die Erfinder haben erkannt, dass die Destillationsrückstände, die schwefelhaltige Salze umfassen, welche von dem Verfahren selbst stammen, besonders zur Verwendung für die Ausbringung auf dem Boden geeignet sind, zum Beispiel zur Verwendung als ein Düngemittel. Der Schwefel dient als ein Nährstoff für die Pflanzen, während der organische Bestandteil organisches Material für den Boden bereitstellt. Zusätzlich stellt dieser Aspekt der Erfindung eine kosteneffiziente Methodik zur Verwendung eines Abfallstroms bereit, der Nebenprodukte umfasst, die von chemischen Zugabeschritten stammen, und der ansonsten komplexe Verfahren benötigt, um ihn zu behandeln und zu beseitigen. Zum Beispiel produzieren Ströme, die Sulfatsalze enthalten, während der Verbrennung in den Heizkesseln Asche und sie sind schwierig durch anaeroben Verdau zu behandeln, weil die Salze die Leistungsfähigkeit der Mikroorganismen verringern können. Nicht nur bestimmte Verfahren, die hierein offenbart sind, überwinden diese Einschränkungen, indem sie die Notwendigkeit von teuren Behandlungsverfahren verringern oder eliminieren, sondern die schwefelhaltigen Salze, die innerhalb des Stroms enthalten sind, fügen den Destillationsrückständen Nährstoffe zu, wenn sie zur Ausbringung auf dem Boden verwendet werden.
Folglich wird gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Erhalten einer Zusammensetzung zur Verwendung für die Ausbringung auf dem Boden bereitgestellt, umfassend: (a) Erhalten eines Fermentationsprodukts durch ein Herstellungsverfahren, umfassend die Schritte von: (i) Behandlung eines Lignocellulose-Rohmaterials, um Zucker herzustellen; (ii) Fermentation der Zuckers, um eine fermentierte Mischung herzustellen, die das Fermentationsprodukt umfasst; und (iii) Gewinnung des Fermentationsprodukts aus der fermentierten Mischung in einer oder mehreren Stufen, um ein konzentriertes Fermentationsprodukt und Destillationsrückstand herzustellen; und (b) Gewinnung des Destillationsrückstands, wobei der Destillationsrückstand einen organischen Bestandteil und einen anorganischen Bestandteil umfasst; und (c) Bereitstellen des Destillationsrückstands, der den organischen Bestandteil und den anorganischen Bestandteil umfasst, zur Verwendung für eine Ausbringung auf den Boden, wobei der anorganische Bestandteil des Destillationsrückstands anorganisches Salz umfasst, das von einer oder von mehreren schwefelhaltigen Verfahrenschemikalien stammt, die während des Herstellungsverfahrens verwendet werden, und wobei das anorganische Salz ein schwefelhaltiges Salze ist. Gemäß einer Ausführungsform von diesem Aspekt der Erfindung umfassen die eine oder mehreren schwefelhaltigen Verfahrenschemikalien, die während des Herstellungsverfahrens verwendet werden, Schwefelsäure. Gemäß einer weiteren Ausführungsform von diesem Aspekt der Erfindung werden die eine oder mehreren schwefelhaltigen Verfahrenschemikalien während des Schritts der Behandlung des Lignocellulose-Rohmaterials, um Zucker herzustellen, verwendet. Das schwefelhaltige Salz kann ein Sulfatsalz, ausgewählt aus Ammoniumsulfat oder Calciumsulfat, sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sulfatsalz Ammoniumsulfat.
Gemäß irgendeinem der vorhergehenden Aspekte der Erfindung kann der Schritt der Behandlung des Lignocellulose-Rohmaterials, um Zucker herzustellen, umfassen: (i') Vorbehandlung des Lignocellulose-Rohmaterials mit Schwefelsäure, um ein säurevorbehandeltes Lignocellulose-Rohmaterial herzustellen, und Zugabe von einem Alkali zu dem säurevorbehandelten Lignocellulose-Rohmaterial, um den pH zwischen etwa 4 und etwa 7 einzustellen, wodurch ein schwefelhaltiges Salz hergestellt wird; oder (ii') Vorbehandlung des Lignocellulose-Rohmaterials mit einem Alkali, um ein alkalivorbehandeltes Lignocellulose-Rohmaterial herzustellen, und Zugabe von Schwefelsäure zu dem alkalivorbehandelten Lignocellulose-Rohmaterial, um den pH zwischen etwa 4 und etwa 7 einzustellen, wodurch ein schwefelhaltiges Salz hergestellt wird, wobei des schwefelhaltige Salz, das in dem Schritt (i') oder (ii') hergestellt wird, zumindest einen Teil von dem anorganischen Bestandteil des Destillationsrückstands bildet.
Nach der pH-Einstellung kann das vorbehandelte Rohmaterial mit einer Enzymmischung, die mindestens Cellulase-Enzyme umfasst, hydrolysiert werden. Gemäß bestimmten Ausführungsformen von irgendeinem der oben genannten Aspekte der Erfindung wird zumindest ein Teil von den Schritten der Behandlung, um Zucker herzustellen, und der Fermentierung als Teil eines simultanen Verzuckerungs- und Fermentationsverfahrens durchgeführt.
Das säurevorbehandelte Rohmaterial wird vorzugsweise mit Alkali eingestellt, das aus Calciumoxid, Ammoniak und Ammoniumhydroxid ausgewählt ist. Dies erzeugt anorganisches Salz, das aus Calciumsulfat und Ammoniumsulfat ausgewählt ist. In einer Ausführungsform wird das vorbehandelte Rohmaterial mit Ammoniak oder Ammoniumhydroxid eingestellt, wodurch Ammoniumsulfat erzeugt wird. Das Ammoniumsulfat bildet dann zumindest einen Teil von dem anorganischen Bestandteil des Destillationsrückstands. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das säurevorbehandelte Rohmaterial mit Calciumoxid eingestellt, wodurch Calciumsulfat erzeugt wird.
In noch weiteren Ausführungsformen der Erfindung wird in dem Schritt der Behandlung des Lignocellulose-Rohmaterials, um Zucker Herzustellen, Alkali, das aus Calciumoxid, Ammoniak und Ammoniumhydroxid ausgewählt ist, verwendet, um das Rohmaterial vorzubehandeln, um alkalivorbehandeltes Rohmaterial herzustellen. Wenn das Alkali, das aus Calciumoxid, Ammoniak und Ammoniumhydroxid ausgewählt ist, verwendet wird, um das Rohmaterial zu vorzubehandeln, dann erzeugt die pH-Einstellung mit Schwefelsäure anorganisches Salz, das aus Ammoniumsulfat und Calciumsulfat ausgewählt ist. Das Ammoniumsulfat oder Calciumsulfat bildet dann zumindest einen Teil von dem anorganischen Bestandteil des Destillationsrückstands. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das verwendete Alkali, um das Rohmaterial zu vorzubehandeln, Ammoniak oder Ammoniumhydroxid, und das alkalivorbehandelte Rohmaterial wird mit Schwefelsäure eingestellt, wodurch Ammoniumsulfat erzeugt wird. Das Ammoniumsulfat bildet dann zumindest einen Teil von dem anorganischen Bestandteil des Destillationsrückstands. Das Ammoniumsulfat stellt Stickstoff und Schwefel in dem Destillationsrückstand bereit, wobei beide von ihnen den Nährstoffgehalt des Bodens erhöhen können.
Gemäß einer Ausführungsform von irgendeinem der vorhergehenden Aspekte der Erfindung hat der Destillationsrückstand einen Schwefelgehalt zwischen etwa 1,0 und etwa 15 Gew.-%, zwischen etwa 1,0 und etwa 12 Gew.-%, zwischen etwa 1,5 und etwa 12 Gew.-% oder zwischen etwa 2,0 und etwa 8 Gew.-%, gemessen auf einer trockenen Basis. In noch weiteren Ausführungsformen hat der Destillationsrückstand einen Schwefelgehalt zwischen etwa 0,5 und etwa 15 Gew.-%, zwischen etwa 0,5 und etwa 12 Gew.-% oder zwischen etwa 0,5 und etwa 8 Gew.-%. Der Schwefelgehalt kann, gemessen auf einer trockenen Basis, Bereiche einschließen, die numerische Grenzen von etwa 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 3,0, 4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0, 9,0, 10, 11, 12, 13, 14 oder 15 Gew.-% haben.
Gemäß einer Ausführungsform von irgendeinem der vorhergehenden Aspekte der Erfindung hat der Destillationsrückstand einen Stickstoffgehalt zwischen etwa 2,0 und etwa 12 Gew.-%, zwischen etwa 2,0 und etwa 10 Gew.-% oder zwischen etwa 2,0 und etwa 8 Gew.-% auf einer trockenen Basis. In weiteren Ausführungsformen hat die Bodenverbesserungszusammensetzung einen Stickstoffgehalt zwischen etwa 1,0 und etwa 15 Gew.-%, zwischen etwa 1,0 und etwa 12 Gew.-%, zwischen etwa 1,0 und etwa 10 Gew.-% oder zwischen etwa 1,0 und etwa 8 Gew.-% auf einer trockenen Basis. Der Stickstoffgehalt kann, gemessen auf einer trockenen Basis, Bereiche einschließen, die numerische Grenzen von etwa, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 3,0, 4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0, 9,0, 10, 11, 12, 13, 14 oder 15 Gew.-% haben.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hat der Destillationsrückstand einen Phosphorgehalt von weniger als 2 Gew.-%, gemessen auf einer trockenen Basis.
In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung umfasst der Destillationsrückstand zur Verwendung für die Ausbringung auf dem Boden etwa 40–80 Gew.-% organische Bestandteile und etwa 20–60 Gew.-% anorganische Bestandteile, gemessen auf einer trockenen Basis. Der organische Bestandteil kann gelöstes Lignin, unlösliches Lignin oder eine Kombination davon umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform von irgendeinem der vorhergehenden Aspekte der Erfindung hat der Destillationsrückstand einen Gehalt an Feststoffen, der es ermöglicht, dass er durch eine herkömmliche Landwirtschaftsausrüstung gepumpt wird.
Der Schritt der Gewinnung in irgendeinem der vorhergehenden Aspekte der Erfindung kann die Konzentration des Destillationsrückstands umfassen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Schritt der Gewinnung das Trennen der Feststoffe von dem Destillationsrückstand, wodurch ein Reststrom hergestellt wird, der aus abgetrennten Feststoffen und einem flüssigen Bestandteil besteht und wobei die abgetrennten Feststoffe und der flüssige Bestanteil jeweils zur Verwendung für die Bodenverbesserung bereitgestellt werden.
In einer Ausführungsform von jedem der vorhergehenden Aspekte der Erfindung werden die Destillationsrückstände direkt auf den Boden ausgebracht oder sie werden konzentriert und dann direkt auf dem Boden ausgebracht, ohne irgendeine zwischengeschaltete Abwasserbehandlung, einschließlich einer biologischen oder chemischen Behandlung.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Verwendung von Destillationsrückstand als ein Düngemittel oder eine Bodenverbesserungszusammensetzung bereit, wobei das Verfahren das Ausbringen des Destillationsrückstands auf den Boden umfasst, der durch ein Herstellungsverfahren hergestellt wird, das ein Lignocellulose-Rohmaterial verwendet, um ein Fermentationsprodukt herzustellen.
Gemäß bestimmen Ausführungsformen von diesem Aspekt der Erfindung umfasst die Bodenverbesserungszusammensetzung etwa 40–80 Gew.-% organische Bestandteile und etwa 20–60 Gew.-% anorganische Bestanteile auf einer trockenen Basis. Die anorganischen Bestandteile können von dem Lignocellulose-Rohmaterial, den Verfahrenschemikalien, die während des Herstellungsverfahrens zugegeben werden, oder aus einer Kombination davon stammen. Vorzugsweise stammen die anorganischen Bestandteile von sowohl dem Lignocellulose-Rohmaterial als auch von den Verfahrenschemikalien, die während des Herstellungsverfahrens zugegeben werden. Die organischen Bestandteile können gelöstes Lignin, unlösliches Lignin oder eine Kombination davon umfassen. Andere organische Bestandteile schließen zurückgebliebene Kohlenhydrate, nichtfermentierte Zucker, Polyole, Fermentationsfeststoffe oder eine Kombination davon ein. Gemäß einer Ausführungsform gibt es kein unlösliches Lignin.
Gemäß weiteren Ausführungsformen hat der Destillationsrückstandsbestandteil der Bodenverbesserungszusammensetzung einen Phosphorgehalt von weniger als etwa 2 Gew.-%, gemessen auf einer trockenen Basis.
Das Verfahren der Erfindung kann ferner das Mischen der Bodenverbesserungszusammensetzung mit Mist [Engl.: manure] vor dem Schritt der Ausbringung auf den Boden umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung eine Bodenverbesserungszusammensetzung bereit, umfassend: Destillationsrückstand, umfassend: etwa 40–80 Gew.-% organischen Bestandteil; und etwa 20–60 Gew.-% anorganischen Bestandteil, wobei der organische Bestanteil lösliches Lignin umfasst und der anorganische Bestandteil Stickstoff und Schwefel umfasst.
Der Wassergehalt der Bodenverbesserungszusammensetzung kann zwischen etwa 10 und etwa 90 Gew.-% oder zwischen etwa 20 und etwa 50 Gew.-% betragen. In weiteren Ausführungsformen ist die Bodenverbesserungszusammensetzung aus abgetrennten Destillationsrückstandsfestoffen zusammengesetzt, die aus einem Schritt des Trennens der Feststoffe von einem Destillationsrückstandsstrom resultieren.
Der organische Bestandteil der Bodenverbesserungszusammensetzung kann zurückgebliebene Kohlenhydrate, nichtfermentierte Zucker, Polyole, Fermentationsfeststoffe, gelöstes Lignin oder eine Kombination davon umfassen. Der organische Bestandteil der Bodenverbesserungszusammensetzung kann ferner unlösliches Lignin umfassen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Bodenverbesserungszusammensetzung ferner Kalium, Chlorid, Magnesium, Calcium oder eine Kombination davon. In noch weiteren Ausführungsformen hat der Destillationsrückstand in der Bodenverbesserungszusammensetzung einen Phosphorgehalt von weniger als 2 Gew.-% auf einer trockenen Basis.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat die Bodenverbesserungszusammensetzung einen Schwefelgehalt zwischen etwa 1,0 und etwa 15 Gew.-%, zwischen etwa 1,0 und etwa 12 Gew.-%, zwischen etwa 1,5 und etwa 12 Gew.-% oder zwischen etwa 2,0 und etwa 8 Gew.-%, gemessen auf einer trockenen Basis. In noch weiteren Ausführungsformen hat der Destillationsrückstand einen Schwefelgehalt zwischen etwa 0,5 und etwa 15 Gew.-%, zwischen etwa 0,5 und etwa 12 Gew.-% oder zwischen etwa 0,5 und etwa 8 Gew.-%. Der Schwefelgehalt kann, gemessen auf einer trockenen Basis, Bereiche einschließen, die numerische Grenzen von etwa 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 3,0, 4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0, 9,0, 10, 11, 12, 13, 14 oder 15 Gew.-% haben.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat die Bodenverbesserungszusammensetzung einen Stickstoffgehalt zwischen etwa 2,0 und etwa 12 Gew.-%, zwischen etwa 2,0 und etwa 10 Gew.-% oder zwischen etwa 2,0 und etwa 8 Gew.-% auf einer trockenen Basis. In einer weiteren Ausführungsform hat die Bodenverbesserungszusammensetzung einen Stickstoffgehalt zwischen etwa 1,0 und etwa 15 Gew.-%, zwischen etwa 1,0 und etwa 12 Gew.-%, zwischen etwa 1,0 und etwa 10 Gew.-% oder zwischen etwa 1,0 und etwa 8 Gew.-% auf einer trockenen Basis. Der Stickstoffgehalt kann, gemessen auf einer trockenen Basis, Bereiche einschließen, die numerische Grenzen von etwa, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 3,0, 4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0, 9,0, 10, 11, 12, 13, 14 oder 15 Gew.-% haben.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der anorganische Bestandteil der Bodenverbesserungszusammensetzung ein Sulfatsalz. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der anorganische Bestandteil Ammoniumsulfat oder Calciumsulfat. In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst der anorganische Bestandteil Ammoniumsulfat.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Bodenverbesserungszusammensetzung, die Destillationsrückstand umfasst, zur Verwendung für die Ausbringung auf den Boden bereit, wobei die Destillationsrückstände von einem Verfahren stammen, welches ein Fermentationsprodukt aus einem Lignocellulose-Rohmaterial herstellt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, umfassend: (i) Erhalten einer Bodenverbesserungszusammensetzung, die Destillationsrückstände umfassen, wobei die Destillationsrückstände von einem Verfahren stammen, welches ein Fermentationsprodukt aus einem Lignocellulose-Rohmaterial herstellt; und (ii) Zugabe von unlöslichem Lignin zu der Bodenverbesserungszusammensetzung von Schritt (i) vor ihrer Verwendung für eine Ausbringung auf dem Boden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die 1 ist ein Balkendiagramm, das den Gehalt an Stickstoff (N), Phosphor (P), Kalium (K), Schwefel (S), Lignin und Feuchtigkeit einer Bodenverbesserungszusammensetzung, die Destillationsrückstand umfasst, zeigt. Der Gehalt an Stickstoff, Phosphor, Kalium, Schwefel, Lignin und Feuchtigkeit von dem Destillationsrückstand wird auf einer feuchten (erste Balken) oder einer trockenen (zweite Balken) Basis gemessen.
Die 2A ist ein Balkendiagramm, das den Gehalt (%) an Schwefel (S) im Blattgewebe von Maisproben nach der Ausbringung von Destillationsrückstand (erste Balken) und chemischem Düngemittel (zweite Balken) auf Maisnutzpflanzen mit Stickstoffraten von 50, 100, 150 und 200 lbs/acre zeigt. Es sind auch Ergebnisse ohne Düngemittel gezeigt (markiert mit kein Stickstoff).
Die 2B ist ein Balkendiagramm, das den Gehalt (%) an Phosphor (P) im Blattgewebe von Maisproben nach der Ausbringung von Destillationsrückstand (erste Balken) und chemischem Düngemittel (zweite Balken) auf Maisnutzpflanzen mit Stickstoffraten von 50, 100, 150 und 200 lbs/acre zeigt. Es sind auch Ergebnisse ohne Düngemittel gezeigt (markiert mit kein Stickstoff).
Die 2C ist ein Balkendiagramm, das den Gehalt (%) an Kalium (K) im Blattgewebe von Maisproben nach der Ausbringung von Destillationsrückstand (erste Balken) und chemischem Düngemittel (zweite Balken) auf Maisnutzpflanzen mit Stickstoffraten von 50, 100, 150 und 200 lbs/acre zeigt. Es sind auch Ergebnisse ohne Düngemittel gezeigt (markiert mit kein Stickstoff).
Die 2D ist ein Balkendiagramm, das den Gehalt (%) an Stickstoff (N) im Blattgewebe von Maisproben nach der Ausbringung von Destillationsrückstand (erste Balken) und chemischem Düngemittel (zweite Balken) auf Maisnutzpflanzen mit Stickstoffraten von 50, 100, 150 und 200 lbs/acre zeigt. Es sind auch Ergebnisse ohne Düngemittel gezeigt (markiert mit kein Stickstoff).
Die 3 ist ein Balkendiagramm, das den Gehalt an Chlorophyll im Rispenstadium des Mais nach der Ausbringung von Destillationsrückstand (erste Balken) und chemischem Düngemittel (zweite Balken) auf Maisnutzpflanzen mit Stickstoffraten von 50, 100, 150 und 200 lbs/acre zeigt. Es sind auch Ergebnisse ohne Düngemittel gezeigt (markiert mit kein Stickstoff).
Die 4 ist ein Balkendiagramm, das die Maispflanzen/Hektar nach der Ausbringung von Destillationsrückstand (erste Balken) und chemischem Düngemittel (zweite Balken) auf Maisnutzpflanzen mit Stickstoffraten von 50, 100, 150 und 200 lbs/acre zeigt. Es sind auch Ergebnisse ohne Düngemittel gezeigt (markiert mit kein Stickstoff).
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die folgende Beschreibung ist beispielhaft die Beschreibung von einer bevorzugten Ausführungsform und sie ist ohne Einschränkung auf die Kombination von Merkmalen, die notwendig sind, um die Erfindung zu realisieren. Die Überschriften sind nicht dazu gedacht die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung einzuschränken. Begriffe wir „umfasst”, „umfassen”, „umfassend”, „einschließt”, „einschließend” und „einschließen” sind nicht einschränkend gedacht.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst die Herstellung von Zucker aus einem Lignocellulose-Rohmaterial und die Fermentation des Zuckers, um ein Fermentationsprodukt in derselben oder in verschiedenen Stufen herzustellen. Das Fermentationsprodukt umfasst irgendein Produkt oder Nebenprodukt der Fermentation zur Verwendung als einen Kraftstoff, ein Kraftstoffintermediat oder eine Chemikalie. In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Fermentationsprodukt Alkohol.
Beschreibung der Rohmaterialtypen
Mit dem Begriff „Lignocellulose-Rohmaterial” ist irgendein Typ von verholzter oder nicht verholzter Pflanzenbiomasse oder ein Rohmaterial, das von einer Pflanzenbiomasse stammt, gemeint, wie zum Beispiel, aber nicht darauf beschränkt,

(i) Pflanzen zur Gewinnung von Biomasse, wie zum Beispiel Pflanzen, die zur Gewinnung von Biomasse geeignet sind, umfassend, aber nicht darauf beschränkt Gräser, wie zum Beispiel C4-Gräser, wie zum Beispiel Rutenhirse, Schlickgrass, Lolch, Miscanthus, Rohrglanzgras oder eine Kombination davon;
(ii) Reste, Nebenprodukte oder Abfall aus der Verarbeitung von Pflanzenbiomasse oder Rohmaterial, das von der Pflanzenbiomasse stammt, in einer Einrichtung, um Nahrungsmittel oder Nicht-Nahrungsmittel hervorzubringen, zum Beispiel, aber nicht darauf beschränkt, Reste, die nach dem Erhalt des Zuckers aus einer Pflanzenbiomasse, wie zum Beispiel Zuckerrohrbagasse und Rübenschnitzel, oder Reste, die nach dem Entfernen des Zuckers aus der Jerusalem-Artischocke zurückbleiben, oder eine Kombination davon; und Reste, die nach der Getreideverarbeitung zurückbleiben, wie zum Beispiel Maisfasern, Maisstängel oder eine Kombination davon;
(iii) landwirtschaftliche Reste, wie zum Beispiel, aber nicht darauf beschränkt, Sojabohnenstängel, Maisstängel, Reisstroh, Zuckerrohrstroh, Reisschalen, Gerstenstroh, Maiskolben, Weizenstroh, Rapsstroh, Haferstroh, Haferschalen, Maisfasern oder eine Kombination davon;
(iv) forstwirtschaftliche Biomasse, wie zum Beispiel, aber nicht darauf beschränkt, recycelte Holzzellstofffasern, Sägespäne, Hartholz, zum Beispiel Espenholz, Weichholz oder eine Kombination davon;
(v) Abfallmaterial, das von Zellstoff- und Papierprodukten stammt, wie zum Beispiel Zeitungspapier, Pappe oder einer Kombination davon; und
(vi) Siedlungsabfall.

Das Lignocellulose-Rohmaterial kann eine Faserspezies oder alternativ kann das Lignocellulose-Rohmaterial eine Mischung aus Fasern umfassen, die von verschiedenen Lignocellulose-Rohmaterialien stammen. Zusätzlich kann das Lignocellulose-Rohmaterial frisches Lignocellulose-Rohmaterial, teilweise getrocknetes Lignocellulose-Rohmaterial, vollständig getrocknetes Lignocellulose-Rohmaterial oder eine Kombination davon umfassen. Darüber hinaus können aus irgendwelchen der oben genannten Lignocellulose-Rohmaterialien neue Lignocellulose-Rohmaterialvarietäten durch Pflanzenzüchtung oder Gentechnik hergestellt werden.
Die Lignocellulose-Rohmaterialien umfassen Cellulose in einer Menge von mehr als etwa 20 Gew.-%, besonders vorzugsweise mehr als etwa 30 Gew.-% und besonders vorzugsweise mehr als etwa 40 Gew.-%. Zum Beispiel kann das Lignocellulose-Material von etwa 20 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% oder irgendeine dazwischenliegende Menge Cellulose umfassen. Darüber hinaus umfasst das Lignocellulose-Rohmaterial Lignin in einer Menge von mehr als etwa 10 Gew.-% und typischer in einer Menge von mehr als etwa 15 Gew.-%. vorzugsweise umfasst das Lignocellulose-Rohmaterial etwa 25 Gew.-% bis etwa 45 Gew.-% Cellulose, etwa 15 Gew.-% bis etwa 35 Gew.-% Xylan und etwa 10 Gew.-% bis etwa 25 Gew.-% Lignin. Das Lignocellulose-Rohmaterial kann auch Saccharose, Fructose und Stärke umfassen. Ohne einschränkend zu sein ist die Menge an Saccharose, Fruktose oder Stärke, die in den Lignocellulose-Rohmaterialien vorhanden ist, allgemein geringer als die Menge an Cellulose und Xylan.
Das Lignocellulose-Rohmaterial kann zuerst einer Größenreduzierung durch Verfahren unterzogen werden, die, ohne darauf beschränkt zu sein, Mahlen, Schleifen, Schütteln, Schreddern, Kompression/Expansion oder andere Typen von mechanischer Einwirkung umfassen. Das Lignocellulose-Rohmaterial aus dem Größenreduzierungsverfahren kann ein größenreduziertes Rohmaterial bereitstellen, der Partikel mit einer definierten Länge umfasst. Zum Beispiel können mindestens 90 Gew.-% der Partikel in dem größenreduzierten Rohmaterial eine Länge haben, die weniger als zwischen etwa 1/8 und etwa 8 Inch ist. Es wird von jenen, die gewöhnliche Fachkenntnisse auf dem Gebiet haben, verstanden werden, dass das Lignocellulose-Rohmaterial, der der Größenreduzierung unterzogen worden ist, Rohmaterialpartikel umfasst, die einen Bereich von Größen und Formen aufweisen.
Das Rohmaterial wird optional aufgeschlämmt. Das Aufschlämmen des Rohmaterials ermöglicht, dass er leicht gepumpt werden kann, und es kann in irgendeinem geeigneten Chargenbehälter oder einem Behälter mit kontinuierlicher Mischung, der ein Standrohr oder einen Stofflöser einschließt, durchgeführt werden. Das Aufschlämmen kann von der Wasser- und Chemikalienzugabe getrennt sein oder es kann gleichzeitig damit geschehen.
Das Aufschlämmen kann auf irgendeine geeignete Konsistenz erfolgen, die von jenen mit gewöhnlichen Fähigkeiten auf dem Gebiet ausgewählt wird. In der Praxis wird die Konsistenz des eingehenden Rohmaterialschlamms, der verwendet wird, von den spezifischen Mischmitteln und den spezifischen verwendeten Pumpen abhängig sein, die eingesetzt werden. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Konsistenz des Rohmaterials zwischen etwa 2 Gew.-% und etwa 40 Gew.-% oder typische zwischen etwa 4 Gew.-% und etwa 30 Gew.-%.
Behandlung des Lignocellulose-Rohmaterials, um Zucker herzustellen
Es kann irgendeines von der Vielzahl von Verfahren zur Behandlung von Lignocellulose-Rohmaterial, um Zucker herzustellen, eingesetzt werden, wobei das Behandeln des Lignocellulose-Rohmaterials unter Verwendung von mechanischen, chemischen, thermischen und/oder biologischen Behandlungen eingeschlossen ist. Fermentierbare Zucker können aus dem Lignocellulose-Rohmaterial erhalten werden, wobei Techniken, die jenen mit gewöhnlichen Fachkenntnissen auf dem Gebiet bekannt sind, oder später entwickelte Techniken verwendet werden, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, jene unten beschriebenen Techniken. Die Behandlung des Lignocellulose-Rohmaterials, um Zucker herzustellen, kann eine einzelne Behandlung sein oder besonders vorzugsweise kann sie mehreren Stufen durchgeführt werden.
Das Lignocellulose-Rohmaterial kann vorbehandelt werden, indem es unter Bedingungen reagiert wird, die die Faserstruktur zerstören und die die Empfindlichkeit oder Zugänglichkeit der Cellulose innerhalb der Cellulosefasern für die anschließenden Verarbeitungsschritte, wie zum Beispiel eine enzymatische Hydrolyse, erhöhen. In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Vorbehandlung derart durchgeführt, dass ein hoher Hydrolysegrad der Hemicellulose und nur eine kleine Umwandlungsmenge von der Cellulose zu Glucose auftreten. Die Vorbehandlung kann in einer oder mehreren Stufen durchgeführt werden. Die Cellulose kann in einem anschließenden Schritt, der Cellulase-Enzyme verwendet, zu Glucose hydrolysiert werden.
Für die Säurevorbehandlung ist der pH typischerweise etwa 0,4 bis etwa 3,5. Die Säurevorbehandlung wird vorzugsweise bei einer maximalen Temperatur von etwa 160°C bis etwa 280°C durchgeführt. Die Zeit, für die das Rohmaterial auf dieser Temperatur gehalten wird, beträgt vorzugsweise etwa 6 Sekunden bis etwa 3600 Sekunden. Die Vorbehandlung wird typischerweise unter Druck ausgeführt. Zum Beispiel kann der Druck während der Vorbehandlung zwischen etwa 350 und etwa 6500 kPa oder irgendeinem dazwischenliegenden Druckbereich sein. Das Rohmaterial kann während oder vor der Vorbehandlung mit Dampf erhitzt werden.
Die Säurebehandlung stellt eine Zusammensetzung her, die ein säurevorbehandeltes Rohmaterial umfasst. Die Zucker, die durch die Hydrolyse der Hemicellulose während der Säurevorbehandlung hergestellt werden, umfassen Xylose, Glucose, Arabinose, Mannose, Galactose oder eine Kombination davon.
Die Vorbehandlung kann auch unter alkalischen Bedingungen durchgeführt werden. Beispiele für geeignete alkalische Vorbehandlungsverfahren umfassen die Ammoniak-Faser-Expansion (AFEX) [Engl.: Ammonia Fiber Expansion] oder die Vorbehandlung mit verdünnten Ammoniak. Andere Vorbehandlungsverfahren umfassen eine mechanische und hydrothermische Vorbehandlung und die Vorbehandlung mit organischen Lösungsmitteln (die in der Industrie als Organosolv^TM-Vorbehandlung bekannt ist).
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung werden die löslichen Bestandteile der vorbehandelten Rohmaterialzusammensetzung von den Feststoffen getrennt. Der wässerige Strom, der die Zucker, die während der Vorbehandlung freigesetzt werden, die Vorbehandlungschemikalie und andere lösliche Bestandteile enthält, kann dann unter Verwendung eines Mikroorganismus fermentiert werden, der in der Lage ist die Zucker, die von dem Hemicellulose-Bestandteil des Rohmaterials stammen, zu fermentieren.
Im Anschluss an die Vorbehandlung wird der vorbehandelte Rohmaterialschlamm typischerweise gekühlt, um seine Temperatur auf einen Bereich zu verringern, bei dem die Cellulase-Enzyme aktiv sind. Es ist selbstverständlich, dass das Kühlen des Rohmaterials in einer Anzahl von Stufen erfolgen kann, wobei Entspannung, Wärmeaustausch oder andere geeignete Mittel verwendet werden.
Enzymatische Hydrolyse
Die Hydrolyse der Cellulose zu löslichen Zuckern kann mit irgendeinem Typ von Cellulase-Enzymen, die für solche Zwecke geeignet sind und bei dem verwendeten pH und den anderen verwendeten Bedingungen wirksam sind, ohne Rücksicht auf ihre Quelle, durchgeführt werden. Unter den am breitesten untersuchten, charakterisierten und kommerziell hergestellten Cellulasen sind jene, die aus den Pilzen der Gattungen Aspergillus, Humicola, Chrysosporium, Melanocarpus, Myceliophthora, Sporotrichum und Trichoderma und aus den Bakterien der Gattungen Bacillus und Thermobifida erhalten werden. Die Umwandlung der Cellobiose zu Glucose wird mit dem Enzym β-Glucosidase durchgeführt. Mit dem Begriff „β-Glucosidase” ist irgendein Enzym gemeint, dass das Glucosedimer, Cellobiose, zu Glucose hydrolysiert.
Zusätzlich gibt es mehrere akzessorische Enzyme, die bei dem enzymatischen Verdau der Cellulose helfen (siehe WO 2009/026722 (Scott), an dem Miteigentum besteht und welches hierin durch die Referenz enthalten ist, und Harris et al., 2010, Biochemistry, 49: 3305–3316). Diese umfassen EGIV, auch bekannt als Cel61, Swollein, Expansin, Lucinen und Cellulose-induziertes Protein (Cip). Die Glucose kann enzymatisch zu den Dimeren Gentiobiose, Sophorose, Laminaribiose und anderen durch die beta-Glucosidase über Transglycosylierungs-Reaktionen umgewandelt werden.
Eine geeignete Cellulase-Dosierung kann etwa 1,0 bis etwa 40,0 Filterpapiereinheiten (FPU oder IU) pro Gramm Cellulose oder irgendeine dazwischenliegende Menge sein. Die FPU ist eine Standartmessung, mit der Fachleute auf dem Gebiet vertraut sind, und sie wird gemäß Ghose gemessen (Pure and Appl. Chem., 1987, 59: 257–268; das hierin durch die Referenz enthalten ist). Eine bevorzugte Cellulase-Dosierung ist etwa 10 bis 20 FPU pro Gramm Cellulose.
Die enzymatische Hydrolyse kann bei einem pH zwischen etwa 4,0 und 7,0 durchgeführt werden. Falls eine Säurebehandlung verwendet wird, wird der pH des Rohmaterials mit Alkali auf etwa pH 4,0 bis etwa 7,0 vor der enzymatischen Hydrolyse oder typischer auf zwischen etwa 4,0 und etwa 6,0 erhöht. Der optimale pH-Bereich der meisten Cellulasen ist zwischen pH 4,0 und 6,0. Es könnten jedoch Cellulasen mit pH-Optima bei azideren oder alkalischeren pH-Werten verwendet werden. Wie unten diskutiert, erzeugt die Zugabe von Alkali auf dieser Stufe des Verfahrens Salze, die zur Verwendung als ein Düngemittel gewonnen werden können, abhängig von der Identität des in dem Verfahren verwendeten Alkalis.
Die Temperatur des Schlamms wird so eingestellt, dass sie innerhalb des optimalen Bereichs für die Aktivität der Cellulase-Enzyme ist. Allgemein ist eine Temperatur von etwa 45°C bis etwa 70°C oder von etwa 45°C bis etwa 65°C oder irgendeine dazwischenliegende Temperatur für die meisten Cellulase-Enzyme geeignet. Die Temperatur des Schlamms kann jedoch für thermophile Cellulase-Enzyme höher sein.
Die Hydrolyse kann simultan mit der Fermentation in einer simultanen Verzuckerung und Fermentation durchgeführt werden, auch als „SSF” (für Englisch: simultaneous saccharification and fermentation) bezeichnet. Die SSF wird typischerweise bei Temperaturen von 35 bis 38°C durchgeführt, welche ein Kompromiss zwischen dem 50°C-Optimum für die Cellulase und dem 28°C-Optimum für die Hefe sind.
Der Strom, der aus der Hydrolyse resultiert, kann Verfahrenschemikalien, Salze, Proteine und andere organische Stoffe, die von dem Rohmaterial stammen, und eine Phase unlöslicher Feststoffe umfassen, die sich aus Lignin, nicht reagiertem Polysaccharid und anderen wasserunlöslichen Bestandteilen zusammensetzt. Das Lignin kann auf dieser Stufe des Verfahrens von dem Hydrolysat getrennt werden oder durch die Fermentation mitgeschleppt werden.
Fermentation
Die Fermentation des Zuckers wird durchgeführt, um das Fermentationsprodukt herzustellen.
Die fermentative Herstellung von Alkohol kann mit Hefe oder Bakterien durchgeführt werden. Eine Hefe, die für die Ethanolherstellung verwendet werden kann, ist eine Saccharomyces spp.-Hefe. Glukose und andere Hexosen, die in dem Zuckerstrom vorhanden sind, können mit wildtyp Saccharomyces cerevisiae zu Ethanol fermentiert werden, obwohl genetisch modifizierte Hefen auch eingesetzt werden können.
Die Fermentation wird typischerweise bei einem pH zwischen etwa 4,0 und etwa 6,0 oder zwischen etwa 4,5 und etwa 6,0 durchgeführt. Um die zuvor genannten pH-Bereiche für die Fermentation zu erreichen, kann es notwendig sein Alkali zu dem Fermentationszuckerzufuhrstrom zuzugeben. Der Fermentationszuckerzufuhrstrom wird ein oder mehrere Zuckermonomere, die von der Cellulose, Hemicellulose oder von beiden polymeren Bestandteilen stammen, umfassen. Die Zuckermonomere, die von der Cellulose stammen, umfassen Glucose, während die Hydrolyse des Hemicellulose-Bestandteils solche Zucker wie zum Beispiel Xylose, Glucose, Arabinose, Mannose, Galactose oder eine Kombination davon ergibt.
Die Xylose und Arabinose, die von der Hemicellulose stammen, können auch durch einen Hefestamm zu einem Fermentationsprodukt fermentiert werden, der von Natur aus die Fähigkeit beinhaltet, um diese Zucker zu Ethanol zu fermentieren, oder technisch verändert wurde, um diese Fähigkeit zu enthalten. Beispiele für Mikroben, die gentechnisch modifiziert wurden, um Xylose zu fermentieren, umfassen Saccharomyces-Stämme, in die entweder (a) die Gene für die Xylose-Reduktase (XR) und die Xylitol-Dehydrogenase (XDH) aus Pichia stipitis ( U. S. Patent Nrn. 5,789,210 , 5,866,382 , 6,582,944 und 7,527,927 und europäisches Patent Nr. 450,530 ) oder (b) das Gen für die Pilz- oder Bakterien-Xylose-Isomerase (XI) ( U. S. Patent Nrn. 6,475,768 und 7,622,284 ) eingeführt wurden. Beispiele für Hefen, die genetisch modifiziert wurden, um L-Arabinose zu fermentieren, umfassen, sind aber nicht darauf beschränkt, rekombinante Saccharomyces-Stämme, in die Gene aus den Arabinosestoffwechselwegen von entweder Pilzen ( U. S. Patent Nr. 7,527,951 ) oder Bakterien ( WO 2008/041840 ) eingeführt wurden.
Ein typischer Temperaturbereich für die Fermentation der Glucose zu Ethanol unter Verwendung von Saccharomyces cerevisiae ist zwischen etwa 25°C und etwa 38°C, obwohl die Temperatur höher sein kann, wenn die Hefe von Natur aus thermostabil ist oder genetisch modifiziert wurde, um thermostabil zu sein. Die Dosis des Fermentationsmikroorganismus wird von Faktoren wie der Aktivität des Fermentationsmikroorganismus, der gewünschten Fermentationszeit, dem Volumen des Reaktors und anderen Parametern abhängen. Diese Parameter können nach Wunsch eingestellt werden, um die optimalen Fermentationsbedingungen zu erhalten.
Die Fermentation kann auch mit zusätzlichen Nährstoffen ergänzt werden, die für das Wachstum der Fermentationsmikroorganismen erforderlich sind. Zum Beispiel können Hefeextrakt, bestimmte Aminosäuren, Phosphat, Stickstoffquellen, Salze, Spurenelemente und Vitamine zu dem Fermentationszuckerzufuhrstrom zugegeben werden, um ihr Wachstum zu unterstützen.
Die Fermentation des Zuckers produziert eine fermentierte Mischung, die das Fermentationsprodukt umfasst. Die fermentierte Mischung umfasst organische und anorganische Bestandteile, einschließlich irgendwelcher Bestandteile, die während der Fermentation zugegeben werden, um das Wachstum der Mikroorganismen zu unterstützen.
Gewinnung des Fermentationsprodukts
Mit der Gewinnung des Fermentationsprodukts aus der fermentierten Mischung ist das Entfernen des Fermentationsprodukts aus der fermentierten Mischung gemeint, um das Fermentationsprodukt in einer oder mehreren Stufen konzentrierter und reiner zu machen.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das Fermentationsprodukt ein Alkohol. Eine herkömmliche Technik zur Gewinnung von Alkohol in einer konzentrierteren und reineren Form ist die Destillation. Wie hierin verwendet umfasst der Begriff „Destillation” Dampf- und Vakuumstripping. Andere Techniken umfassen Membrandehydratation und Pervaporation, die direkt an der fermentierten Mischung oder, um Konzentrationsschritte zu ersetzten, nach der Destillation (wie zum Beispiel Molekularsiebe) durchgeführt wird.
Das Fermentationsbier, das der Destillation zugeführt wird, ist eine verdünnte Alkohollösung. Es sind möglicherweise Mikroorganismen vorhanden, abhängig davon, ob sie aus dem Bier durch Filtration oder andere Mittel vor der Destillation des Biers entfernt wurden. Das Bier kann zusätzlich irgendwelche Bestandteile enthalten, die während der Fermentation zugegeben wurden, um das Wachstum der Mikroorganismen zu unterstützen. Das Bier wird auch irgendwelche organischen Stoffe enthalten, die nicht von den Mikroorgansimen verbraucht wurden, zusammen mit löslichen und unlöslichen organischen Salzen.
Das Bier wird durch ein oder mehrere Destillationskolonnen gepumpt, um den Alkohol von den anderen Bestandteilen des Biers zu trennen. Die Kolonne(n) in der Destillationseinheit wird vorzugsweise in einem kontinuierlichen Modus betrieben, obwohl es selbstverständlich sein sollte, dass Chargenverfahren [Engl.: batch processes] auch von der vorliegenden Erfindung umfasst sind. Darüber hinaus kann die Kolonne(n) bei einem gewünschten Druck oder bei Vakuum betrieben werden. Für das Destillationsverfahren kann an einer oder mehreren Stellen entweder direkt mittels Dampfinjektion oder indirekt über Wärmetauscher Wärme zugeführt werden. Die Destillationseinheit kann ein oder mehrere getrennte Bier- und Rektifikationskolonnen enthalten, oder es kann eine Destillationskolonne eingesetzt werden, die einen integralen Anreicherungs- oder Rektifikationsabschnitt hat. Der Alkoholdampf wird weiter auf eine Qualität gemäß den Bestimmungen für Kraftstoffethanol gereinigt, indem das restliche Wasser durch irgendeine von mehreren gut bekannten Techniken entfernt wird.
Der Ethanoldampf wird weiter auf eine Qualität gemäß den Bestimmungen für Kraftstoffe gereinigt, indem restliches Wasser oder Wasserdampf durch irgendeine von mehreren gut bekannten oder später entwickelten Techniken entfernt wird.
Wenn der Alkohol einen höheren Siedepunkt als Wasser hat, wie zum Beispiel Butanol, dann wird die Destillation betrieben, um das Wasser und andere flüchtige Bestandteile aus dem Alkohol zu entfernen. Der Wasserdampf verlässt das obere Ende der Destillationskolonne und ist als der „Overhead-Strom” bekannt.
Ligninabtrennung
Das unlösliche Lignin kann während des Herstellungsverfahrens gewonnen werden oder es kann durch den Destillationsrückstand mitgeschleppt werden. Wenn unlösliches Lignin gewonnen wird, dann kann es auf irgendeiner Stufe des Herstellungsverfahrens gewonnen werden. Dies ist typischerweise nach der Vorbehandlung, obwohl Verfahren bekannt sind, in denen das Lignin in früheren Stufen des Herstellungsverfahren gewonnen wird. Ohne einschränkend zu sein können die Ströme, aus denen des Lignin abgetrennt wird, den Hydrolysatstrom, der Glucose umfasst, die aus der enzymatischen Hydrolase resultiert, den Fermentationsbierstrom oder den Destillationsrückstandsstrom, der nach der Destillation zurückbleibt, umfassen. Es sollte selbstverständlich sein, dass die nicht umgewandelte Cellulose oder andere unlösliche Bestandteile mit dem Lignin während der Ligninabtrennung übertragen werden können.
Das Lignin kann abgetrennt werden, wobei herkömmliche Fest-Flüssig-Trennungstechniken vor irgendeiner weiteren Verarbeitung verwendet werden. Solche Trennungstechniken können die Verwendung von Druck- oder Vakuumfiltern, Zentrifugationsfiltern oder Zentrifugen, Membranfiltrationssysteme oder Schwerkraftabsetzer umfassen. Der Feststoffgehalt des Ligninstroms, der aus der Trennung resultiert, ist typischerweise größer als etwa 30 Gew.-% und noch typischer größer als etwa 50 Gew.-%. Das Lignin kann gewaschen werden oder auch nicht, um den zusätzlichen Zucker zu gewinnen und um Verfahrenschemikalien zu entfernen. Ohne einschränkend zu sein ist eine besonders geeignete Vorrichtung zur Abtrennung des Lignins eine Filterpresse.
Desillationsrückstandsgewinnung
Die Gewinnung des Destillationsrückstands beinhaltet das Erhalten der Destillationsrückstands nach der Konzentration des Fermentationsprodukts, wie zum Beispiel aus dem Boden einer Destillationskolonne oder Bierkolonne. Ohne einschränkend zu sein kann die Gewinnung Verfahrensschritte vor der Bereitstellung des Destillationsrückstands zur Verwendung für die Bodenverbesserung oder für die Ausbringung auf den Boden umfassen. Nach der Verarbeitung bleiben die anorganischen und organischen Bestandteile jedoch zurück. Nicht einschränkende Beispiele für Verarbeitungsschritte, die an dem Destillationsrückstand durchgeführt werden können, umfassen Konzentration, einschließlich Fest/Flüssig-Trennungstechniken, um einen Destillationsrückstand, der mit Feststoffen angereichert ist, herzustellen. Darüber hinaus können sich die Feststoffe in dem Destillationsrückstand absetzten, zum Beispiel während der Lagerung, und diese Feststoffe können gewonnen und für die Bodenverbesserung oder Ausbringung auf dem Boden verwendet werden. Optional wird auch ein flüssiger Bestandteil, der aus dem Destillationsrückstand erhalten wird, zur Verwendung für die Bodenverbesserung oder die Ausbringung auf dem Boden zusammen mit den Destillationsrückstandsfeststoffen oder als ein getrenntes Produkt für die Ausbringung auf dem Boden bereitgestellt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung gibt es keine oder eine beschränkte Gewinnung des anorganischen Salzes aus dem Destillationsrückstand. Wie erwähnt, stellen die anorganischen Salze Nährstoffe für das Pflanzenwachstum und/oder für die Bodenverbesserung bereit. Der Destillationsrückstand, der zur Verwendung für eine Ausbringung auf dem Boden bereitgestellt wird, wird allgemein mindestens etwa 50 Gew.-% oder mindestens etwa 75 Gew.-% oder besonders vorzugsweise mindestens etwa 80 Gew.-% der organischen Salze umfassen, die in der ursprünglichen Stromzufuhr zu dem Schritt der Gewinnung des Destillationsrückstands vorhanden sind. Darüber hinaus können andere Bestandteile aus dem Destillationsrückstand vor seiner Verwendung für eine Ausbringung auf dem Boden gewonnen werden, wie zum Beispiel organische Säuren, einschließlich Essigsäure.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen der Erfindung, werden die Destillationsrückstände vor ihrer Verwendung für eine Ausbringung auf dem Boden keiner Abwasserbehandlung unterzogen, wie zum Beispiel einer biologischen Behandlung. Mit einer biologischen Behandlung ist gemeint, dass zu dem Destillationsrückstand vor der Ausbringung auf dem Boden keine Biokatalysatoren, wie zum Beispiel Mikroorganismen oder Enzyme, zugegeben werden. Zum Beispiel wird in einem Beispiel der vorliegenden Erfindung der Destillationsrückstand nicht mit einem anaeroben oder aeroben Verdau vor seiner Verwendung für die Ausbringung auf dem Boden behandelt. In einem weiteren Beispiel der Erfindung werden die Destillationsrückstände nicht durch einen anaeroben Verdau vor ihrer Verwendung für eine Ausbringung auf dem Boden behandelt.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen der Erfindung werden die Destillationsrückstände keiner chemischen Behandlung unterworfen. Dadurch ist gemeint, dass keine Verfahrenschemikalien zu dem Destillationsrückstand zugegeben werden, wie zum Beispiel Säuren, Basen, Oxidantien oder Flockungsmittel.
Nicht einschränkende Beispiele für die Verfahren zur Konzentrierung des Destillationsrückstands, die durchgeführt werden können, umfassen Verdampfung, Zentrifugation, Membrantrennung, Absetzen oder andere geeignete Techniken. In manchen Ausführungsformen der Erfindung wird die Flüssigkeit aus dem Destillationsrückstand vor seiner Gewinnung zur Verwendung für eine Ausbringung auf dem Boden auf zwischen etwa 10 Gew.-% und etwa 90 Gew.-% oder auf zwischen etwa 30 Gew.-% und etwa 90 Gew.-% entfernt.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird die Konzentration des Destillationsrückstands in einer Verdampfereinheit durchgeführt. Die Verdampfung kann in einem einstufigen Verdampfer oder Teil eines Multieffektsystems sein. Fachleute auf dem Gebiet können leicht eine geeignete Betriebstemperatur für die Verdampfereinheit auswählen. In den Ausführungsformen der Erfindung kann die Betriebstemperatur der Verdampfereinheit zwischen etwa 40°C und etwa 145°C sein. Es ist selbstverständlich, dass die Temperatur bei dem Betriebsdruck gemessen wird, der typischerweise unter Vakuum oder bei Atmosphärendruck ist, der aber auch bei einem höheren Druck sein kann.
Der Destillationsrückstand kann, bevor er zur Verwendung für eine Ausbringung auf dem Boden ausgeliefert werden, gelagert werden. Die Lagerung wird in irgendwelchen geeigneten Behältermittel, wie zum Beispiel Tanks, Becken oder Teichen, durchgeführt. Der Destillationsrückstand kann während der Lagerung durchgerührt werden oder auch nicht. Wenn erforderlich, dann können Belüftungs- und/oder Geruchskontrollverfahren verwendet werden.
Es wird von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden werden, dass der Lagerungsbedarf typischerweise auf den landwirtschaftlichen Vegetationszeiten und dem Ort der Herstellungseinrichtung basiert. Zum Beispiel, wenn die Bodenverbesserungszusammensetzung im Frühling oder Herbst ausgeliefert wird, dann wird die Lagerung allgemein während des Winters erfolgen. Der Lagerungsbedarf kann auch von dem geographischen Ort der Herstellungseinrichtung abhängen, weil dies eine Auswirkung auf die Vegetationszeit hat.
Bodenverbesserungszusammensetzung
Die vorliegende Erfindung stellt eine Bodenverbesserungszusammensetzung bereit, die eine Zusammensetzung ist, welche mit dem Ziel auf den Boden angewendet wird, die Bodenbeschaffenheit, die Nährstoffkonzentrationen in dem Pflanzengewebe, das Pflanzenwachstum oder eine Kombination davon in im Verhältnis zu keiner Düngemittelanwendung zu verbessern. Die Verbesserungen in der Bodenbeschaffenheit umfassen die Erhöhung der Nährstoffe in dem Boden und die Erhöhung des organischen Anteils. Die Bodenverbesserungszusammensetzung kann nur aus Destillationsrückstand zusammengesetzt sein, obwohl andere Bestandteile zugegeben werden können, als auch dass Mist [Engl.: manure] oder andere Bestandteile, die unten aufgeführt sind, umfasst sein können.
Die Bodenverbesserungszusammensetzung umfasst einen organischen Bestandteil und einen anorganischen Bestandteil, die von dem Destillationsrückstand stammen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen umfasst die Bodenverbesserungszusammensetzung: Destillationsrückstand, umfassend: etwa 40–80 Gew.-% organische Bestandteile; und etwa 20–60 Gew.-% anorganische Bestandteile auf einer trockenen Basis. Zum Beispiel kann die Bodenverbesserungszusammensetzung etwa 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80 Gew.-% organische Bestandteile und 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55 und 60 Gew.-% anorganische Bestandteile auf einer trockenen Basis umfassen. Die Analyse der Zusammensetzung des Destillationsrückstands, einschließlich der Bestimmung des Gehalts an organischen Bestandteilen, anorganischen Bestandteilen, Schwefel, Stickstoff, Phosphor oder anderen Bestandteilen, die hierin beschrieben sind, wird nach der Konzentration des Destillationsrückstands durchgeführt, wie zum Beispiel, aber nicht darauf beschränkt, nach der Verdampfung, falls ein solcher Schritt durchgeführt wird. Wenn der Destillationsrückstand nicht konzentriert wird, dann erfolgt die Analyse der Zusammensetzung unmittelbar nach der Destillation. Darüber hinaus wird, falls keine zusätzlichen Bestandteile in der Bodenverbesserungszusammensetzung vorhanden sind, eine solche Analyse der Zusammensetzung an dem Destillationsrückstand selbst durchgeführt werden. Falls zusätzliche Bestandteile neben dem Destillationsrückstand vorhanden sind, dann wird die Analyse nach der Zugabe von solchen Bestandteilen durchführt. Der Gehalte an Stickstoff (N), Phosphor (P), Kalium (K) und Schwefel (S) in dem Destillationsrückstand werden auf einer trockenen Basis angegeben, wobei das Verfahren aus dem Beispiel 1 verwendet wird, um die Gesamttrockenfeststoffe zu bestimmen. Die Gehalte an Stickstoff, Phosphor und Kalium werden durch Verdau bestimmt, wobei ein Schwefelsäure- oder Wasserstoffperoxid-Verfahren verwendet wird, gefolgt von einer Atomemissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-AES), um den N-, P- und K-Gehalt zu bestimmen (Thomas et al., 1967, Agronomy Journal, 59: 240–243, das hierin durch die Referenz enthalten ist). Der Schwefel wird bestimmt, wobei ein HNO₃- und HClO₄-Verdau verwendet wird, gefolgt von einer ICP-AES, um den S-Gehalt zu bestimmen (Blanchar et al., 1965, Soil Science of America Journal 29: 71–72, das hierin durch die Referenz enthalten ist).
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen umfasst der anorganische Bestandteil der Bodenverbesserungszusammensetzung zumindest Stickstoff und Schwefel. Der organische Bestandteil umfasst vorzugsweise zumindest lösliches Lignin.
Mit dem Begriff „Verfahrenschemikalie” ist eine Chemikalie gemeint, die zu irgendeiner Stufe während der Herstellung des Fermentationsprodukts aus dem Lignocellulose-Rohmaterial und/oder zu anschließenden Schritten, um das Fermentationsprodukt zu konzentrieren, zugegeben wird. Davon umfasst ist irgendeine Chemikalie, die während oder vor der Herstellung des Zuckers, der Fermentation und/oder Konzentration des Fermentationsprodukts zugegeben wird und dies zu der Erzeugung von anorganischem Salz führt. Ohne einschränkend zu sein kann die Verfahrenschemikalie verwendet werden, um den pH eines Verfahrensstroms einzustellen, um Nährstoffe für ein biologisches Verfahren, wie zum Beispiel eine Fermentation, bereitzustellen oder um einen Verfahrensstrom zu dekontaminieren.
Die Verfahrenschemikalien, die zu dem Rohmaterial oder den Verfahrensströmen zugegeben werden, können Säure und Alkali umfassen. Zum Beispiel können Säure oder Alkali verwendet werden, um das Lignocellulose-Rohmaterial vorzubehandeln oder zu hydrolysieren und/oder sie können zu einem Verfahrensstrom zugegeben werden, um seinen pH vor einer biologischen Behandlung, wie zum Beispiel einer enzymatischen Hydrolyse der Cellulose und/oder einer Fermentation, auf einen Wert einzustellen, der für das Enzym und/oder den Mikroorganismus, der in der Fermentation verwendet wird, zugänglich ist. Die Säure- oder Alkaliverfahrenschemikalie kann auch zugegeben werden, um Nährstoffe für einen Mikroorganismen, der für die Fermentation verwendet wird, bereitzustellen und/oder um das Wachstum von ungewollten Mikroorganismen zu verhindern. Die Säure kann zum Beispiel aus Schwefelsäure und Phosphorsäure ausgewählt werden und das Alkali kann aus Ammoniak, Ammoniumhydroxid, Kaliumhydroxid und Calciumoxid ausgewählt werden. In weiteren Ausführungsformen wird die Säure aus Schwefelsäure und Phosphorsäure ausgewählt, und das Alkali wird aus Ammoniak, Ammoniumhydroxid und Kaliumhydroxid ausgewählt. Die Reaktion der Säure und des Alkalis erzeugt, häufig in erheblichen Mengen, anorganische Salze. Beispiele für anorganische Salze, die von der Neutralisation der Verfahrenschemikalien stammen, die in dem Destillationsrückstand vorhanden sein können, umfassen Ammoniumsulfat, Kaliumsulfat, Calciumsulfat, Ammoniumphosphat, Kaliumphosphat und Kombinationen davon. In einer Ausführungsform umfassen die anorganischen Salze Ammoniumsulfat, Ammoniumphosphat, Kaliumsulfat, Kaliumphosphat oder eine Kombination davon. In einer weiteren Ausführungsform umfassen die anorganischen Salze Ammoniumsulfat oder Kaliumsulfat. In noch weiteren Ausführungsformen umfassen die anorganischen Salze zumindest Ammoniumsulfat.
Die anorganischen Salze, die in der Bodenverbesserungszusammensetzung vorhanden sind, können auch von dem Rohmaterial selbst stammen. Ohne einschränkend zu sein hat das Lignocellulose-Rohmaterial auf Grund der Anwesenheit der Alkaliminerale, wie zum Beispiel Kalium-, Natrium- und Calciumsalze, häufig einen pH von zwischen 6 bis 10. Solche Alkaliminerale können Kaliumcarbonat, Natriumcarbonat und Calciumcarbonat umfassen. Es kann auch Magnesiumcarbonat vorhanden sein, was von dem Rohmaterial abhängt.
Wie diskutiert, kann die Bodenverbesserungszusammensetzung Schwefel umfassen, der von der Verwendung der schwefelhaltigen Verfahrenschemikalien, wie zum Beispiel Schwefelsäure, in dem Herstellungsverfahren stammt. Der Schwefel in dem Destillationsrückstand kann in der Form von Sulfat- und/oder Bisulfatsalzen vorliegen. Hiervon können Sulfat- und/oder Bisulfatsalze des Ammoniums, Kaliums, Natriums, Calciums, Magnesiums oder Kombinationen davon umfasst sein. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die schwefelhaltigen Salze, die in dem Destillationsrückstand vorliegen, ohne Einschränkung, Kaliumsulfat, Kaliumbisulfat, Natriumsulfat, Natriumbisulfat, Calciumsulfat, Magnesiumsulfat, Ammoniumsulfat und Kombinationen davon. Vorzugsweise umfassen die schwefelhaltigen Salze zumindest Ammoniumsulfat, Kaliumsulfat oder Calciumsulfat. In einem weiteren Beispiel der Erfindung umfassen die schwefelhaltigen Salze Ammoniumsulfat oder Calciumsulfat. In einer weiteren Ausführungsform umfassen die schwefelhaltigen Salze Ammoniumsulfat. Diese Salze werden durch die Reaktion von Schwefelsäure mit den Salzen, die in dem eingehenden Rohmaterial vorliegen, erzeugt, wie zum Beispiel während der Vorbehandlung, und/oder durch die Reaktion von Schwefelsäure mit dem Alkali, das, wie oben beschrieben, als Verfahrenschemikalie zugegeben wird, und/oder während der Schwefelsäurezugabe während einem Schritt zur Erniedrigung des pH von einem Strom während der Fermentation, um ungewollte Mikroorganismen abzutöten.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen der Erfindung hat die Bodenverbesserungszusammensetzung einen Schwefelgehalt zwischen etwa 1,0 und etwa 15 Gew.-%, zwischen etwa 1,0 und etwa 12 Gew.-%, zwischen etwa 1,5 und etwa 12 Gew.-% oder zwischen etwa 2,0 und etwa 8 Gew.-%, gemessen auf einer trockenen Basis. In noch weiteren Ausführungsformen hat der Destillationsrückstand einen Schwefelgehalt zwischen etwa 0,5 und etwa 15 Gew.-%, zwischen etwa 0,5 und etwa 12 Gew.-% oder zwischen etwa 0,5 und etwa 8 Gew.-%. Der Schwefelgehalt kann, gemessen auf einer trockenen Basis, Bereiche einschließen, die numerische Grenzen von etwa 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 3,0, 4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0, 9,0, 10, 11, 12, 13, 14 oder 15 Gew.-% haben.
Die Bodenverbesserungszusammensetzung kann auch Stickstoff umfassen, der zumindest teilweise von der Zugabe von stickstoffhaltigen Verfahrenschemikalien stammt, wie zum Beispiel Ammoniak oder Ammoniumhydroxid. Der Stickstoff kann auch vom Protein stammen, das in dem Rohmaterial vorhanden ist. Die stickstoffhaltige Verfahrenschemikalie kann während der Vorbehandlung, nach der Vorbehandlung, um den pH eines Stroms vor einer biologischen Behandlung einzustellen, oder um Nährstoffe während der Fermentation bereitzustellen zugegeben werden. Der Stickstoff in dem Destillationsrückstand kann in Form von Ammoniumsalzen vorliegen. Hiervon können Ammoniumsalze von Sulfat und/oder Chlorid umfasst sein. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die stickstoffhaltigen Salze, die in dem Destillationsrückstand vorhanden sind, ohne Einschränkung, zumindest Ammoniumsulfat.
Gemäß bestimmten Ausführungsformen der Erfindung hat die Bodenverbesserungszusammensetzung einen Stickstoffgehalt zwischen etwa 2,0 und etwa 12 Gew.-%, zwischen etwa 2,0 und etwa 10 Gew.-% oder zwischen etwa 2,0 und etwa 8 Gew.-% auf einer trockenen Basis. In weiteren Ausführungsformen hat die Bodenverbesserungszusammensetzung einen Stickstoffgehalt zwischen etwa 1,0 und etwa 15 Gew.-%, zwischen etwa 1,0 und etwa 12 Gew.-%, zwischen etwa 1,0 und etwa 10 Gew.-% oder zwischen etwa 1,0 und etwa 8 Gew.-% auf einer trockenen Basis. Der Stickstoffgehalt kann, gemessen auf einer trockenen Basis, Bereiche einschließen, die numerische Grenzen von etwa, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0, 3,0, 4,0, 5,0, 6,0, 7,0, 8,0, 9,0, 10, 11, 12, 13, 14 oder 15 Gew.-% haben.
Andere Nährstoffe, die in der Bodenverbesserungszusammensetzung vorhanden sein können, umfassen Chlorid, Eisen, Magnesium, Bor oder eine Kombination davon. Gemäß bestimmten Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Bodenverbesserungszusammensetzung Chlorid. Der Chloridgehalt der Bodenverbesserungszusammensetzung kann zwischen 0,1 und 2,0 Gew.-% auf einer trockenen Basis sein.
Gemäß mancher Beispiele der Erfindung enthält der Destillationsrückstand in der Bodenverbesserungszusammensetzung minimal Phosphor. Die Menge an Phosphor, die allgemein vorhanden sein wird, wird von dem in dem Verfahren verwendeten Rohmaterial und von wo es bezogen wurde abhängen. Ohne einschränkend zu sein kann die Bodenverbesserungszusammensetzung weniger als 2 Gew.-% Phosphor und besonders vorzugsweise weniger als 1 Gew.-% Phosphor auf einer trockenen Basis enthalten, gemessen auf Basis des Destillationsrückstandbestandteils der Zusammensetzung. Geringe Konzentrationen an oder die Abwesenheit von Phosphor sind für die Anwendungen zweckmäßig, in denen der Destillationsrückstand mit Mist vermischt wird. Mist enthält häufig hohe Phosphorkonzentrationen und folglich verringert oder eliminiert das Mischen des Destillationsrückstands mit dem Mist eine übermäßige Ausbringung dieses Nährstoffs auf den Boden, während zur gleichen Zeit die Konzentration der gewünschten Nährstoffe, wie zum Beispiel Stickstoff und Schwefel, ansteigt. Folglich hat die Bodenverbesserungszusammensetzung der Erfindung, die mit Mist gemischt ist, an ausgeglicheneres Nährstoffprofil als Mist alleine.
Die organischen Stoffe in der Bodenverbesserungszusammensetzung können, ohne Einschränkung, unlösliches und/oder lösliches Lignin, Lignin-abgeleitete Verbindungen, zurückgebliebene Kohlenhydrate, nichtfermentierte Zucker, Polyole, Fermentationsfeststoffe oder eine Kombination davon umfassen. Vorzugsweise umfasst der organische Bestandteil zumindest lösliches Lignin. Der organische Bestandteil kann lösliche und unlösliche Bestandteile umfassen. Gemäß mancher Ausführungsformen der Erfindung umfassen die organischen Stoffe kein unlösliches Lignin.
Der Gehalt an löslichem Lignin in der Bodenverbesserungszusammensetzung kann zwischen etwa 5,0 und etwa 50 Gew.-% oder zwischen etwa 10 und etwa 20 Gew.-% auf einer trockenen Basis sein, wenn er auf Basis des Destillationsrückstandsbestandteils der Zusammensetzung gemessen wird.
Es können auch unlösliches Lignin und nicht umgewandelte Feststoffe vorhanden sein, wenn diese Bestandteile nicht in vorgeschalteten Stufen des Verfahrens entfernt werden. Vorzugsweise wird das unlösliche Lignin in vorgeschalteten Stufen vor der Gewinnung des Destillationsrückstands entfernt. Gemäß mancher Ausführungsformen der Erfindung wird das unlösliche Lignin aus einem Verfahrensstrom vor der Gewinnung des Destillationsrückstands entfernt und dann mit dem Destillationsrückstand gemischt.
Zweckmäßigerweise enthält die Bodenverbesserungszusammensetzung der vorliegenden Erfindung keine signifikanten Mengen an Kohlenhydrat. Das Kohlenhydrat ist ein wertvolles Substrat, das verwendet wird, um fermentierbaren Zucker herzustellen. Typischerweise wird die Bodenverbesserungszusammensetzung weniger als 2 Gew.-% oder 1 Gew.-% Cellulose oder Hemicellulose enthalten, die von der Lignocellulose-Rohmaterialzufuhr zu dem Herstellungsverfahren stammen. Die Cellulose und Hemicellulose werden auf einer trockenen Basis von dem Destillationsrückstandbestandteil der Zusammensetzung gemessen.
Die Bodenverbesserungszusammensetzung kann zwischen etwa 10 und etwa 88 Gew.-% Feuchtigkeit oder zwischen etwa 25 und etwa 45 Gew.-% Feuchtigkeit enthalten.
Wie bereits erwähnt, können zusätzlich zu dem Destillationsrückstand weitere Bestandteile in der Bodenverbesserungszusammensetzung umfasst sein. Diese Bestandteile umfassen einen Rest, ein Nebenprodukt oder einen Abfall aus der Verarbeitung von Pflanzenbiomasse. Solch ein Rest, Nebenprodukt oder Abfall kann von dem oben beschrieben Herstellungsverfahren selbst stammen, das ein Lignocellulose-Rohmaterial als ein Ausgangsmaterial verwendet, um ein Fermentationsprodukt herzustellen. Ein Beispiel für solch einen Bestandteil ist Lignin. In weiteren Ausführungsformen kann der Destillationsrückstand mit einem Rest, einem Nebenprodukt oder einem Abfall aus der Verarbeitung einer Zucker- oder Stärkenutzpflanze kombiniert werden, um ein Nahrungsmittelprodukt oder ein Nicht-Nahrungsmittelprodukt herzustellen.
Folglich stellt gemäß bestimmter Ausführungsformen die vorliegende Erfindung ein Verfahren bereit, umfassend: (i) Bereitstellen von Destillationsrückstand aus einem Verfahren, das ein Fermentationsprodukt aus einem Lignocellulose-Rohmaterial herstellt; und (ii) Kombinieren von dem Destillationsprodukt eines Rests, eines Nebenprodukts oder eines Abfalls aus der Verarbeitung einer Pflanzenbiomasse, um eine Bodenverbesserungszusammensetzung herzustellen. Die Pflanzenbiomasse kann eine Zuckernutzpflanze, eine Stärkenutzpflanze oder ein Lignocellulose-Rohmaterial sein. Der Rest, das Nebenprodukt oder der Abfall kann Zuckerrohrbagasse, Vinasse, Maisfaser, Getreideschlempe, Lignin oder eine Kombination davon umfassen. In einer Ausführungsform ist die Pflanzenbiomasse eine Zuckernutzpflanze oder Stärkenutzpflanze. Die Zuckernutzpflanze oder Stärkenutzpflanze kann Mais, Weizen, Gerste, Roggen, Sorghum, Reis, Kartoffel, Zuckerrübe, Zuckerrohr oder eine Kombination davon umfassen. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Rest, das Nebenprodukt oder der Abfall Zuckerrohr, Bagasse, Vinasse oder eine Kombination davon aus der Verarbeitung von Zuckerrohr.
Verwendung der Zusammensetzung als einen Bodenverbesserer
Die Bodenverbesserungszusammensetzung oder der Destillationsrückstand wird zur Verwendung für eine Ausbringung auf dem Boden bereitgestellt. Dies umfasst das Transportieren oder das Organisieren des Transports der Bodenverbesserungszusammensetzung oder des Destillationsrückstands zu einem landwirtschaftlichen Betrieb. Ein geeignetes Transportverfahren ist der Lastwagentransport. Mit dem Begriff „Ausbringung auf den Boden” ist gemeint, dass die Bodenverbesserungszusammensetzung oder der Destillationsrückstand ausgebracht wird, wobei eine bekannte oder ein später entwickelte Technik für die Zugabe zu oder die Einarbeitung der Bodenverbesserungszusammensetzung oder des Destillationsrückstands in das Feld verwendet werden, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Bewässerungsausrüstung oder Flüssigmisteinspritzsysteme. Das Feld, auf dem die Bodenverbesserungszusammensetzung oder der Destillationsrückstand ausgebracht wird, kann vor der Ausbringung auf das Feld auf irgendeine Weise bestellt oder darin gearbeitet worden sein oder auch nicht.
Die Bodenverbesserungszusammensetzung oder der Destillationsrückstand kann auf dem landwirtschaftlichen Betrieb gelagert werden. Die Lagerung wird in irgendwelchen geeigneten Behältermittel, wie zum Beispiel Tanks, Becken oder Teichen, durchgeführt. Die Bodenverbesserungszusammensetzung oder der Destillationsrückstand kann während der Lagerung durchgerührt werden oder auch nicht. Wenn erforderlich, dann können während der Lagerung Belüftungs- und/oder Geruchskontrollverfahren verwendet werden. Es wird von Fachleuten auf dem Gebiet verstanden werden, dass der Lagerungsbedarf typischerweise auf den landwirtschaftlichen Vegetationszeiten und dem Ort des landwirtschaftlichen Betriebs basiert. Es könnte vor der Verwendung und nach einer Lagerungsperiode ein Durchrühren erforderlich sein, um ein einigermaßen homogenes Produkt zu gewährleisten.
Gemäß mancher Ausführungsformen der Erfindung umfasst die Bodenverbesserungszusammensetzung oder der Destillationsrückstand, der auf den Boden ausgebracht wird, Mist. Der Mist kann zu der Bodenverbesserungszusammensetzung oder dem Destillationsrückstand während der Lagerung zugegeben werden.
Die Bodenverbesserungszusammensetzung oder der Destillationsrückstand kann zwischen etwa 10 und etwa 88 Gew.-% Feuchtigkeit enthalten. Vorzugsweise haben die Bodenverbesserungszusammensetzung oder der Destillationsrückstand eine Feststoffkonsistenz, die es ermöglicht, dass sie unter Verwendung einer herkömmlichen Ausrüstung eines landwirtschaftlichen Betriebs auf den Boden ausgebracht werden können. Damit ist gemeint, dass die Bodenverbesserungszusammensetzung oder der Destillationsrückstand einen ausreichenden Flüssigkeitsgehalt haben, dass es möglich ist, sie zu pumpen oder auf eine andere Weise mit der Hofausrüstung, wie zum Beispiel einer Bewässerungsausrüstungen, oder mit landwirtschaftlichen Ausrüstungen auf den Boden auszubringen, die herkömmlich zur Ausbringung von Mist oder flüssigem Düngemittel auf die Felder eines landwirtschaftlichen Betriebs verwendet werden, wie zum Beispiel durch Streuen, Sprühen oder Injizieren. Vorzugsweise ist die Bodenverbesserungszusammensetzung oder der Destillationsrückstand eine flüssige Zusammensetzung, die in der Lage ist, zu fliesen oder gepumpt zu werden. Mit erhöhten Feststoffkonsistenzen ist angedacht, das Verteilersysteme verwendet werden könnten, wie sie im Falle von Stallmist oder dickeren Schlämmen verwendet werden.
Dort, wo das Material nicht ohne weiteres fließt, ist eine Ausrüstung angedacht, die für die Ausbringung von festem Mist auf dem Boden verwendet wird. Alternativ kann der Bodenverbesserungszusammensetzung oder dem Destillationsrückstand Flüssigkeit in irgendeiner Form zurückgegeben werden, sodass sie als flüssiger Schlamm gehandhabt werden kann. Die Ausbringung der Bodenverbesserungszusammensetzung oder des Destillationsrückstands auf den Boden durch Bewässerungsausrüstung oder unter Verwendung von anderer Hofausrüstung ist insbesondere dahingehend zweckmäßig, weil sie einem landwirtschaftlichen Betrieb ermöglicht, herkömmliche Ausrüstung und Verfahren, die momentan in der Industrie praktiziert werden, zu verwenden. Folglich benötigt ein landwirtschaftlicher Betrieb keine Veränderung seiner momentanen Techniken zur Ausbringung von organischem Dünger auf ein Feld (wie zum Beispiel Mist), wenn die Bodenverbesserungszusammensetzung oder der Destillationsrückstand der vorliegenden Erfindung ausgebracht werden. Dementsprechend spart dies Investitions- und Betriebskosten, die woanders benötigt werden.
Die Ausbringungshäufigkeit der Bodenverbesserungszusammensetzung oder des Destillationsrückstands auf den Boden hängt von der empfohlenen Ausbringungsrate ab, die wiederum auf der Bodenbeschaffenheit und den Nährstofferfordernissen basiert. Die Bodenbeschaffenheit kann bestimmt werden, indem ein Bodenanalysetest durchgeführt wird. Es ist insbesondere vorteilhaft, die Bodenverbesserungszusammensetzung oder den Destillationsrückstand der Erfindung auf sandige Böden auszubringen, oder auf Böden, die für eine Wasser- und Winderosion anfällig sind, wodurch, zusammen mit Nährstoffen, organsicher Anteil in den Boden eingeführt wird.
BEISPIELE
Beispiel 1: Bestimmung der Gesamtfeststoffkonzentration im Lignocellulose-Destillationsrückstand
Die Bestimmung des Gesamtfeststoff(TS)-gehalts wird wie folgt durchgeführt.
Eine Destillationsrückstandsprobe wird auf ein zuvor gewogenes Aluminiumblech gegeben und die Masse des Blechs und der Probe werden gravimetrisch bestimmt. Die Probe wird dann bei 105°C auf eine konstante Masse getrocknet (typischerweise 24 Stunden). Die kombinierte Masse der getrockneten Feststoffe und des Blechs wird gravimetrisch gemessen. Der Gesamtfeststoffgehalt wird berechnet, indem die Masse der getrockneten Probe durch die anfängliche Probenmasse dividiert und als ein Prozentsatz ausgedrückt wird.
Beispiel 2: Bestimmung der organischen Bestandteile in dem Lignocellulose-Destillationsrückstand
Die organischen Bestandteile in einer Destillationsrückstandsprobe werden bestimmt, indem identifizierte und nicht identifizierte Bestandteile quantifiziert werden. Der Prozentsatz des organischen Bestandteils wird gemessen, indem das Gewicht auf einer trockenen Basis unter Verwendung des in Beispiel 1 dargelegten Verfahrens gemessen wird, um den Gesamtgehalt an trockenen Feststoffen zu bestimmen. Zucker, einschließlich Glucose, Xylose und Arabinose werden durch HPLC unter Verwendung einer CarboPacTM PA1-Säule (4 × 250 mm) gemessen, die aus einem Polystyrol/Divinylbenzen-Substrat mit 10 μm Durchmesser, das mit 580 nm MicroBead quaternärem Ammonium funktionalisiertem Latex (2% Quervernetzung) agglomeriert ist, und einer Anionenaustauschkapazität von 10 μeq/Säule (4 × 250 mm) besteht.
Die organischen Säuren, wie zum Beispiel Essigsäure, Milchsäure, Glucuronsäure und Galacturonsäure werden gemessen, wobei eine Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) auf einem Dionex-System mit einer IonPac^® AS11-HC-Säule (4 × 250 mm) verwendet wird, die aus einem mit 55% Divinylbenzenpolymer quervernetztem Ethylvinylbenzenpolymer mit 9 μm Durchmesser, das mit einem 70 nm Alkanol quaternärem Ammonium-Latex (6% Latexquervernetzung) agglomeriert ist, und einer Kapazität von 290 μeq/Säule (4 × 250 mm) besteht.
Der Ligningehalt der Probe wurde durch Ultraviolettabsorption (UV) bei 205 nm gemessen, wobei Absorptionskoeefizienten verwendet wurden, um die Konzentration zu bestimmen.
Die Proteinkonzentration wurde unter Verwendung der Stickstoffmessung nach Kjeldahl bestimmt, wobei ein Faktor von 6,25 verwendet wurde, um aus dem gemessenen Stickstoffwert den Proteingehalt zu konvertieren. Die Stickstoffmessung nach Kjeldahl wird so durchgeführt, wie sie in den Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21. Auflage, 2005, ppg. 4-131-4132, Ref-Nr. 4500-N_orgB, BUCHI Instructions Distillation Unit K-355 dargelegt ist, das hierin durch die Referenz enthalten ist.
Es gibt auch eine Fraktion des Gesamtgehalts an organischen Stoffen, deren Identität nicht bekannt ist. Die Gesamtmasse dieser Fraktion wurde durch eine Messung des gesamten organischen Kohlenstoffs (TOC, für Engl.: Total Organic Carbon) bestimmt. Der theoretische TOC-Gehalt an bekannten Bestandteilen wurde von dem Gesamt-TOC subtrahiert, um den unbekannten organischen Kohlenstoffgehalt zu berechnen. Der TOC wird gemessen, wobei ein Sievers InnovOx (Innovative Oxidation) Laboratory und ein On-Line Total Organic Carbon (TOC) Analysegerät, basierend auf der superkritischen Wasseroxidation (SCWO, für Engl.: Supercritical Water Oxidation), verwendet werden. Die Technik bringt Wasser in ein superkritisches Stadium, indem eine Wasserprobe innen in einem versiegelten Reaktormodul auf 375°C erhitzt wird und der Druck auf 3200 psi angehoben wird. Unter diesen Bedingungen ist Wasser weder ein Gas noch eine Flüssigkeit, es weist aber vorteilhafte Eigenschaften von beiden auf. Die TOC-Messung wird so durchgeführt, wie sie in den Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21. Auflage, 2005, ppg. 5-19-5-22, Ref-Nr. 5310 oder in dem U. S. Patent Nr. 8,114,676 dargelegt ist, die hierin enthalten durch die Referenz sind.
Beispiel 3: Bestimmung der anorganischen Bestandteile in einer Destillationsrückstandszusammensetzung von der Verarbeitung eines Lignocellulose-Rohmaterials
Die Bestimmung der anorganischen Bestandteile in dem Destillationsrückstand der Erfindung wird wie folgt durchgeführt. Der Prozentsatz des anorganischen Bestandteils wird in Bezug auf das Gewicht auf einer trockenen Basis unter Verwendung des in dem Beispiel 1 dargelegten Verfahrens gemessen, um den Gesamtgehalt an trockenen Feststoffen zu bestimmen.
Die Anionen, wie zum Beispiel Chlorid, Phosphat und Sulfat, werden gemessen, wobei eine Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) auf einem Dionex-System mit einer IonPac^® AS11-HC-Säule (4 × 250 mm) verwendet wird, die aus einem mit 55% Divinylbenzenpolymer quervernetztem Ethylvinylbenzenpolymer mit 9 μm Durchmesser, das mit einem 70 nm Alkanol quaternärem Ammonium-Latex (6% Latexquervernetzung) agglomeriert ist, und einer Kapazität von 290 μeq/Säule (4 × 250 mm) besteht.
Die Kationen, wie zum Beispiel Natrium, Kalium, Magnesium und Calcium werden gemessen, wobei ein Dionex-System mit einer IonPac^® CS16-Säule (5 × 250 mm) verwendet wird, die aus einem mit 55% makroporösen Divinylbenzenpolymer (100 Å) quervernetztem Ethylvinylbenzenpolymer mit 5,5 μm Durchmesser, das mit funktionellen Carbonsäuregruppen agglomeriert ist, und einer Kapazität von 8400 μeq/Säule (5 × 250 mm) besteht.
Beispiel 4: Nährstoffprofil eines Destillationsrückstandsstroms
Dieses Beispiel zeigt das Nährstoffprofil von einem Destillationsrückstandsstrom, der aus einem Verfahren erhalten wurde, das ein Fermentationsprodukt aus einem Lignocellulose-Rohmaterial enthält. Die 1 zeigt den Gehalt an Stickstoff, Phosphor, Kalium und Schwefel von einem Destillationsrückstandsstrom, sowie den Gehalt an löslichem Lignin und Feuchtigkeit.
Die Werte in der Figur basieren auf Destillationsrückstand, in dem Weizenstroh mit Schwefelsäure unter den in dem U. S. Patent Nr. 7,754,547 beschriebenen Bedingungen, welches hierin durch die Referenz enthalten ist, vorbehandelt wurde. Nach der Vorbehandlung wird der vorbehandelte Rohmaterialschlamm mit Ammoniak auf einen pH-Wert zwischen 4 und 6 eingestellt, um einen vorbehandelten Rohmaterialschlamm herzustellen, der Ammoniumsulfat umfasst, und die Cellulose in dem Schlamm wird mit Cellulase-Enzymen hydrolysiert, um einen hydrolysierten Schlamm, der Glucose umfasst, herzustellen. Nach der enzymatischen Hydrolyse werden das Lignin und andere unlösliche Bestandteile aus dem hydrolysierten Schlamm mittels einer Filterpresse entfernt. Der gefilterte Strom wird einer Fermentation zugeführt, die mit einem Saccharomyces cerevisiae-Stamm durchgeführt wird, der in der Lage ist, Glucose und Xylose zu Ethanol zu fermentieren. Die Fermentation führt zu einem Bier, das der Destillation und Molekularsieben für die Konzentration des Ethanols zugeführt wird. Der Destillationsrückstand, der nach der Destillation zurückbleibt, wird in einem Evaporator auf einen Feuchtigkeitsgehalt von 53,7 Gew.-% eingedampft. Das Ammoniumsulfat aus der Neutralisierungsreaktion des vorbehandelten Rohmaterials wird durch den Destillationsrückstand mitgeschleppt.
Wie aus der 1 ersichtlich ist, umfassen die Destillationsrückstände Stickstoff, Kalium und Schwefel in Konzentrationen, die den Nährstoffgehalt des Bodens erhöhen können. Wie in der 1 gezeigt ist, liegt kein Phosphor vor, obwohl der Gehalt abhängig von der Charge variieren kann. Dies ist insbesondere zweckmäßig, weil der Mist häufig hohe Phophorkonzentrationen enthält und folglich verringert oder eliminiert das Mischen des Destillationsrückstands mit dem Mist eine übermäßige Ausbringung dieses Nährstoffs auf den Boden, während zur gleichen Zeit die Konzentration der gewünschten Nährstoffe, wie zum Beispiel Stickstoff und Schwefel, ansteigt. Folglich ergibt das Mischen des Destillationsrückstands mit Mist eine Bodenverbesserungszusammensetzung, die ein ausgeglicheneres Nährstoffprofil als Mist alleine.
Zusätzlich ist der Feuchtigkeitsgehalt in dem Destillationsrückstand hoch genug, sodass der Destillationsrückstandsstrom gepumpt werden kann, was ermöglicht, dass er auf den Boden unter Verwendung der momentanen Methoden ausgebracht werden kann.
Beispiel 5: Testergebnisse der Ausbringung des Destillationsrückstands auf den Boden
Die Beispiele zeigen, dass die Ausbringung des Destillationsrückstands auf den Boden den Nutzpflanzen Nähstoffe mit vergleichbaren Konzentrationen bereit stellt, wie sie mit chemischem Düngemittel bereitgestellt werden. Die Ergebnisse, die unten dargelegt sind, zeigen, dass Schwefel, Phosphor, Kalium und Stickstoff im Blattgewebe von Nutzpflanzen, die mit Destillationsrückstand behandelt wurden, in Konzentrationen vorlagen, die vergleichbar mit denen von Pflanzen waren, die mit chemischen Düngemittel behandelt wurden. Es wurde auch die Gesundheit und Verfassung der Nutzpflanze bestimmt, wobei der Chlorophyllgehalt in den Pflanzenblättern gemessen wurde, und die gesammelten Daten zeigen, dass der Chlorophyllgehalt in den Untersuchungen, die Destillationsrückstand und chemisches Düngemittel verwendeten, vergleichbar war. Zusätzlich zeigen die Testergebnisse, das der Destillationsrückstand keine negative Auswirkung auf die Pflanzenpopulation im Verhältnis zur Ausbringung von chemischem Düngemittel hatte. Zusammen zeigen diese Daten, dass der Destillationsrückstand, der von dem Lignocellulose-Rohmaterial stammt, Vorteile für die Nutzpflanzen bieten kann, die mit jenen vergleichbar sind, die durch chemische Düngemittel erreicht werden.
In diesem Beispiel wurden Destillationsrückstände verwendet, die aus dem Herstellungsverfahren, das in dem Beispiel 4 beschrieben ist, resultieren, um Maisnutzpflanzen der Varietät Dekalb 6323 zu behandeln.
Die Charge, die für die Ausbringungsuntersuchung auf dem Boden verwendet wurde, wurde hinsichtlich des Nährstoffgehalts analysiert, und die Ergebnisse dieser Analyse sind unten in der Tabelle 1 gezeigt. Die Gewichtsprozentsätze werden auf einer trockenen Basis gemessen. Tabelle 1: Nährstoffanalyse des Destillationsrückstands

Nährstoff Konzentration

Gesamt N (Gew.-%) 4,8

S (Gew.-%) 1,7

K (Gew.-%) 0,5

Mg (Gew.-%) 0,5

P (Gew.-%) 0,3

Ca (Gew.-%) 0,05

Cu (ppm) 4

Fe (ppm) 13

Mn (ppm) 72

Zn (ppm) 1,0
Es wurden chemisches Düngemittel und Destillationsrückstand in 5 Raten basierend auf N (0, 50, 100, 150 und 200 lbs N/acre) ausgebracht. Es wurde auch Schwefeldüngemittel mit äquivalenten Raten ausgebracht, das von dem Destillationsrückstandsstrom geliefert wurde. Die einzelnen Areale auf dem Feld waren 15 × 50 ft. Vor der Auspflanzung wurde ein Meißel [Engl.: chisel] verwendet, um Wälle [Engl.: ridges; eventuell auch mit Furchen zu übersetzen] in der Erde zu bilden und es wurde manuell flüssiger Destillationsrückstand ausgebracht, um die Menge und Gleichmäßigkeit zu kontrollieren. Es folgte ein Scheibeneinsatz [Engl.: disc Operation], um den Boden zu ebnen. Der experimentelle Aufbau bestand aus einem randomisierten vollständigen Block mit 4 Wiederholungen.
Die Stickstoffausbringungsrate wurde, basierend auf einer Probenanalyse, eingestellt, die zu der Zeit, zu der der Destillationsrückstand auf die Nutzpflanze aufgebracht wurde, durchgeführt wurde. Die Stickstoffausbringungsrate (in sowohl lbs/acre als auch kg/ha) mit den 5 getesteten Raten für das chemische Düngemittel und den Destillationsrückstand sind in der Tabelle 2 dargelegt. Tabelle 2: Endrate der Stickstoffausbringung für chemisches Düngemittel und Destillationsrückstand

Behandlung Düngemittel Destillationsrückstand Düngemittel Destillationsrückstand

lbs/acre kg/ha

1 50 41 56 46

2 100 83 112 93

3 150 124 168 139

4 200 166 224 185
Im Sechsblatt(V6)-Wachstumsstadium wurden die oberirdischen Pflanzenteile geerntet und das Frischgewicht gewogen. Die Pflanzenmaterialien wurden gewaschen, um Erdpartikel zu entfernen, und für die Biomassenberechnung in einem Umluftofen bei 60°C für 4 Tage (oder bis ein konstantes Gewicht erreicht war) getrocknet und gewogen (um das Trockengewicht zu erhalten). Nachdem sie trocken waren, wurden die Pflanzen mit einer Wiley-Mühle zermahlen und in geeigneten luftdichten Fläschchen aufbewahrt. Teilstichproben der gemahlenen Pflanzenmaterialien wurden verdaut, wobei ein Schwefelsäure- und Wasserstoffperoxid-Verfahren verwendet wurde (Thomas et al., 1967, Agronomy Journal, 59: 240–243, das hierin durch die Referenz enthalten ist) und mit einer Atomemissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-AES) auf N, P und K analysiert. Eine weitere Teilstichprobe des gemahlenen Pflanzenmaterials wurde verdaut, wobei HNO₃ und HClO₄ verwendet wurden (Blanchar et al., 1965, Soil Science of America Journal 29: 71–72, das hierin durch die Referenz enthalten ist) und hinsichtlich des S mittels ICP-AES analysiert.
Die Ergebnisse der Nährstoffanalyse von dem Pflanzenmaterial sind in den 2A–D gezeigt. Die 2A zeigt den Blattgewebegehalt von Schwefel für den Destillationsrückstand und das Düngemittel bei den angegeben Stickstoffausbringungsraten, gemessen in lbs/acre. Bei jeder Ausbringungsrate war die Blattgewebeschwefelkonzentration für den Destillationsrückstand und das chemische Düngemittel vergleichbar. Die 2B, 2C und 2D zeigen den Blattgewebegehalt von Phosphor, Kalium bzw. Stickstoff für den Destillationsrückstand und das Düngemittel bei den angegeben Stickstoffausbringungsraten, gemessen in lbs/acre. Für jeden gemessenen Pflanzennährstoff war der Blattgewebegehalt für die Elemente für sowohl den Destillationsrückstand als auch für das chemische Düngemittel vergleichbar. In der 2D war der Blattgewebegehalt von Stickstoff für die Destillationsrückstandsproben geringfügig weniger als für die Düngemittelproben, dies liegt aber wahrscheinlich an der geringeren Stickstoffausbringungsrate für den Destillationsrückstandsstrom (siehe Tabelle 2).
Es wurde auch der Chlorophyll in dem Pflanzengewebe nach der Ausbringung des Destillationsrückstands und des chemischen Düngemittels gemessen. Die Ergebnisse sind in der 3 dargelegt, welche die Auslesung des Chlorophyll-Meters im Rispenstadium des Mais bei jeder getesteten Stickstoffausbringungsrate zeigt. Der Chlorophyllgehalt stellt einen Anhaltspunkt für die Gesundheit und die Verfassung einer Pflanze dar. Wie in der 3 gesehen werden kann, waren die Chlorophyllauslesungen für die Behandlung mit dem Destillationsrückstand und dem chemischen Düngemittel vergleichbar.
Die Auswirkung der Ausbringung des Destillationsrückstands und des Düngemittels auf die Population der Maisnutzpflanzen wurde auch analysiert. Die Varianzanalyse zwischen den Gruppen (ANOVA Analyse) zeigte an, dass es keinen statistisch signifikanten Unterscheid der Pflanzenpopulation nach der Ausbringung des Destillationsrückstands oder des Düngemittels auf das Land gab (Ergebnisse sind nicht gezeigt). Die Ergebnisse, die in der 4 gezeigt sind, zeigen die Pflanzen/Hektar mit jeder Stickstoffausbringungsrate für den Destillationsrückstand und das chemische Düngemittel. Die Pflanzen/Hektar waren für die Ausbringung des Destillationsrückstands und des chemischen Düngemittels bei jeder getesteten Ausbringungsrate vergleichbar. Diese Ergebnisse zeigen, dass der Destillationsrückstand für die Pflanzen nicht toxisch war.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Zusammensetzung zur Verwendung für eine Ausbringung auf dem Boden, umfassend: (a) Erhalten eines Fermentationsprodukts durch ein Herstellungsverfahren, umfassend die Schritte von: (i) Behandlung eines Lignocellulose-Rohmaterials, um Zucker herzustellen; (ii) Fermentation der Zuckers, um eine fermentierte Mischung herzustellen, die das Fermentationsprodukt umfasst; und (iii) Gewinnung des Fermentationsprodukts aus der fermentierten Mischung in einer oder mehreren Stufen, um ein konzentriertes Fermentationsprodukt und Destillationsrückstand herzustellen; und (b) Gewinnung des Destillationsrückstands, wobei der besagte Destillationsrückstand einen organischen Bestandteil und einen anorganischen Bestandteil umfasst; und (c) Bereitstellen des Destillationsrückstands, der die organischen und anorganischen Bestandteile umfasst, zur Verwendung für eine Ausbringung auf dem Boden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Destillationsrückstand, der zur Verwendung für die Ausbringung auf dem Boden bereitgestellt wird, 40–80 Gew.-% organische Bestandteile und 20–60 Gew.-% anorganische Bestandteile auf trockener Basis umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die anorganischen Bestandteile von dem Lignocellulose-Rohmaterial, von Verfahrenschemikalien, die während des besagten Herstellungsverfahrens zugegegeben werden, oder von einer Kombination davon stammen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die anorganischen Bestandteile sowohl von dem Lignocellulose-Rohmaterial als auch von Verfahrenschemikalien, die während des besagten Herstellungsverfahrens zugegegeben werden, stammen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der Schritt der Gewinnung des Destillationsrückstands die Konzentration des Destillationsrückstands umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–5, wobei der organische Bestandteil gelöstes Lignin, unlösliches Lignin oder eine Kombination davon umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–6, wobei der Destillationsrückstand einen Phosphorgehalt von weniger als 2 Gew.-% auf trockener Basis hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–7, wobei der Destillationsrückstand einen Gehalt an Feststoffen hat, der es ermöglicht, dass er durch eine herkömmliche Landwirtschaftsausrüstung gepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt der Gewinnung des Destillationsrückstands das Trennen der Feststoffe von dem Destillationsrückstand umfasst, wodurch ein Reststrom hergestellt wird, der aus abgetrennten Feststoffen und einem flüssigen Bestandteil zusammengesetzt ist und wobei die abgetrennten Feststoffe und der flüssige Bestandteil jeweils zur Verwendung für die Bodenverbesserung bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem Ansprüche 1–9, wobei zumindest ein Teil der Schritte der Behandlung, um Zucker herzustellen, und der Fermentation als Teil eines simultanen Verzuckerungs- und Fermentationsverfahrens durchgeführt werden.
Verfahren nach einem Ansprüche 1–10, wobei der Schritt der Behandlung die Vorbehandlung des Lignocellulose-Rohmaterials mit einer Säure oder einem Alkali, um eine Zusammensetzung herzustellen, die Cellulose umfasst, und die Hydrolyse mit Enzymen von zumindest einem Teil der Cellulose zu Glucose umfasst.
Bodenverbesserungszusammensetzung, wenigstens umfassend: Destillationsrückstand, umfassend: 40–80 Gew.-% organischen Bestandteil; und 20–60 Gew.-% anorganischen Bestandteil, wobei der organische Bestandteil zumindest lösliches Lignin und der anorganische Bestandteil zumindest Stickstoff und Schwefel umfasst.
Bodenverbesserungszusammensetzung nach Anspruch 12, wobei der organische Bestandteil ferner Zucker, unlösliches Lignin oder eine Kombination davon umfasst.
Bodenverbesserungszusammensetzung nach Anspruch 12 oder 13, wobei der anorganische Bestandteil ferner Kalium, Chlorid, Magnesium, Calcium oder einer Kombination davon umfasst.
Bodenverbesserungszusammensetzung nach Anspruch 12, 13 oder 14, wobei der Phosphorgehalt weniger als etwa 2 Gew.-% auf trockener Basis ist.
Bodenverbesserungszusammensetzung nach einem der Ansprüche 12–15, wobei der Wassergehalt zwischen etwa 10 und etwa 90 Gew.-% ist.
Bodenverbesserungszusammensetzung nach einem der Ansprüche 12–16, wobei der Wassergehalt zwischen etwa 20 und etwa 50 Gew.-% ist.
Bodenverbesserungszusammensetzung nach Anspruch 12, wobei die Zusammensetzung aus abgetrenntem Destillationsrückstand zusammengesetzt ist, der sich aus einem Schritt des Trennens der Feststoffe von einem Destillationsrückstandsstrom ergibt.
Bodenverbesserungszusammensetzung zur Verwendung für eine Ausbringung auf dem Boden, die Destillationsrückstand umfasst, wobei der Destillationsrückstand von einem Verfahren stammt, das aus einem Lignocellulose-Rohmaterial ein Fermentationsprodukt herstellt.
Verfahren, umfassend: (i) Erhalten der Bodenverbesserungszusammensetzung nach Anspruch 19; und (ii) Zugabe von unlöslichem Lignin zu der Bodenverbesserungszusammensetzung von Schritt (i) vor ihrer Verwendung für eine Ausbringung auf dem Boden.