HU201971B

HU201971B - Process for producing ethanol by fermenting molasses

Info

Publication number: HU201971B
Application number: HU865440A
Authority: HU
Inventors: Conny Thorsson
Original assignee: Nobel Chematur Ab
Priority date: 1986-01-31
Filing date: 1986-10-30
Publication date: 1991-01-28
Also published as: ATE70087T1; DE3682781D1; JPH01502155A; WO1987004724A1; SE450897B; PH22961A; EP0291503B1; SE8600429D0; US4886751A; KR880700857A; DK511487D0; EP0291503A1; FI883587A; DK511487A; AU6595486A; DK158272C; AU591736B2; FI883587A0; BR8607244A; HUT48683A

Description

A találmány tárgya eljárás etanol előállítására szénhidráttartalmú szubsztrátum fermentorban történő fermentálásával, amelynek során a fermentorból folyamatosan fermentációs folyadék áramot vezetünk el, amelyből centrifugálással élesztőben dús áramot választunk le, ezért a fermentorba visszavezetjük és a lényegében élesztőmentes áramot egy első desztillációs lépésben etanolban gazdag fejtermékre és a visszamaradó folyékony fenéktermékre választjuk szét, amelynek egy részét a fermentorba visszavezetjük és a fennmaradó részt egy második desztillációs lépésben a maradék etanol kihajtásával lényegében etanolmentes koncentrált cefrévé alakítjuk.

A folyamatos cefre és élesztő visszavezetéssel működő ismert eljárás (4 358 536. számú US szabadalmi leírás) egyik lényeges előnye az alacsony vízés energiaigény, amely a melléktermékként kapott cefre bepárlásához szükséges. Ha a szokásos fermentálás során nyersanyagként például nádcukor melaszt alkalmazunk, nem fermentálható anyag formájában legfeljebb mintegy 10 tömeg% szárazanyag (DS) tartalmú cefre nyerhető, míg az említett folyamatos visszavezetés esetén a második desztillációs lépésben kapott cefre DS-tartalma 22-25 tömeg%, a fermentorban található anyag DS-tartalma mintegy 15 tömeg%.

Elméletileg a cefre végső DS-tartalma tovább növelhető és ezáltal a bepárlásához szükséges energia tovább csökkenthető a vízbevezetés egyszerű csökkentésével és az első desztillációs lépésben nyert intermedierek cefre visszavezetési arányának növelésével. Az ismert folyamatos visszavezetési eljárásnál a vízbevezetés minimális mennyisége két lényeges kritériumtól függ. Az egyik feltétel abból adódik, hogy a nyersanyagban levő nem fermentálható anyagok egy része, amelynek koncentrációja csökkenő vízbevezetés esetén növekszik, ozmotikus hatású oldott sókat és molekulárisán oldott anyagokat tartalmaz. Ha az ozmotikus hatású anyagok koncentrációja a fermentációs folyadékban túllép egy bizonyos határt, az élesztő növekedésének üteme alacsonyabb lesz, mint az élő élesztősejtek pusztulási üteme. Az etanolkitermelés az aktív élesztősejtek számának csökkenése miatt, valamint a még aktív élesztősejtek etanoltermelő képességének csökkenése miatt visszaesik.

A vízbevezetés mértékét meghatározó második tényező a rendszer áramlási képességeiből ered. Mérsékelt mennyiségű ozmotikus hatású oldott anyagot tartalmazó szemcsés nyersanyag fermentálása esetén például a vízbevezetés minimális mennyiségét italában nem az oldható anyagok mennyisége, hanem a rendszer fluiditásának biztosítása érdekében az oldhatatlan anyagok maximális mennyisége határozza meg. Bizonyos cukornyersanyagok, így cukorrépa és nádcukor melasz fermentálása esetén azonban a fluiditás olyan alacsony vízbevezetést tesz lehetővé, amely az ozmotikus hatású anyagok túl nagy koncentrációja következtében szinte teljesen leállítja a fermentálást.

A találmány feladata az etanoltermelő fermentálás módosítása a második desztillációs lépésben nyert cefre szárazanyag tartalmának további növelése érdekében.

A találmány értelmében ezt a feladatot etanol répa- vagy nádcukor melasz fermentálásával történő előállítása során úgy oldjuk meg, hogy a vízbevezetést például az alkalmazott melasz szubsztrá5 tűm koncentrációja alapján szabályozva az első szakaszban a fermentorben (FI) a nem fermentálható anyagok szárazanyag (DS) tartalomként számolt koncentrációját a kezdeti 5-15 tömeg% értékről 20-30 tömeg% értékre növeljük, amely tartomány10 bán az élesztő etanoltermelő képessége lecsökken, majd az adott fenéktermék visszavezetésével végzett folyamatos fermentálást és desztillálást a második szakaszban legalább a nem-fermentálható anyagok vonatkozásában megadott magas koncent15 rációig folytatjuk, miáltal a nem-fermentálható anyagok átlagos koncentrációja a fermentorban a két szakaszban meghaladja a 20 tömeg% értéket.

A répa- és nádcukor melasz kifejezés alatt olyan különböző cukortartalmú frakciókat értünk, ame20 lyek a cukornak cukornádból vagy cukorrépából történő feltárása során keletkeznek.

Meglepő módon azt találtuk, hogy ha a víz bevezetését etanol melaszból történő fermentálása során az ismert recirkulációs eljáráshoz képest le25 csökkentjük, és így az ozmotikus hatású anyagok fermentor-beli koncentrációját oly mértékben megnöveljük, hogy az élesztő növekedés és etanoltermelő képességének fenntartása tovább nem biztosítható, bizonyos, bár csökkent mértékű, etanol30 termelő képesség hosszú időn keresztül mégis fenntartható, és így a cefre átlagos DS-tartalma jelentős mértékben növelhető. Azt találatuk továbbá, hogy a cefre DS-tartalmának növelése és a bepárlási költségek ezzel összefüggő csökkenése kiegyenlíti a hosszú idej ű folyamatos fermentor üzemelési módszerről a korlátozott időtartalmú szakaszos üzemelésre való áttérés költségeit. A szakaszos üzemelés költségei a gyakori indításból és a fermentor kiürítéséből, az indításonként szükséges új élesztő eló40 állításának költségeiből és az alacsonyabb átlagos etanoltermelés költségeiből tevődik össze. Ha a melasz fermentálását hosszú időn keresztül állandó

10-18 tömeg% DS tartalom mellett végezzük, a fermentációs folyadék 1 m-ére számolva óránként

8-15 kg etanol nyerhető, míg a találmány szerinti eljárás alacsonyabb átlagos etanoltermelés óránként és m³-enként 5-9 kg.

Az élesztő etanoltermelésének csökkentésével olyan állapot érhető el, amikor az állandó etanol50 termeléshez szükséges élesztő populáció a fermentorban csak az élesztő növekedését elősegítő oxigén- és tápanyag adagolással tartható fenn.

A találmány szerinti eljárás lehetővé teszi az eredeti folyamatos visszavezetéses eljárás egy sor előnyének megtartását vagy megerősítését. így más etanol-fermentáló eljárással összehasonlítva a találmány szerinti eljárás során a fermentációs folyadék tartózkodási ideje a fermentorban csak 4-10 óra, ez az átlagos időtartam, amíg a folyadék eléri az első desztillációs lépést és mintegy 80-100 °C hőmérsékletre melegszik, mielőtt nagyobb részét fertőtlenített állapotban a fermentorba visszavezetnénk. így a teljes rendszer vonatkozásában nagyon alacsony ferőzési rizikót biztosíthatunk. Emellett, a találmány szerinti eljárás során a fertőzési rizikót

-2HU 201971 A tovább csökkenti az a tény, hogy a nem-fermentálható anyagok és így az ozmotikus hatású oldott anyagok koncentrációja a fermentorban sokkal magasabb, mint bármely más ismert eljárásnál, és így a baktériumok a fermentorban sokkal előnytelenebb környezetben fejlődnek.

A desztilláló üzemben, amely a fermentorral körfolyamatban üzemelő első desztillációs lépés és a cefre teljes feltárásához szükséges második desztilláló lépés mellett általában az etanoltartalmú gőzök megfelelő koncentrációra és minőségre történő beállításához egy következő desztillálóberendezést is tartalmaz, általában folyamatos üzemelést alkalmazunk, az első desztilláló lépésben állandó etanol beadagolással. Ennek megfelelően, a találmány szerinti eljárást előnyösen úgy valósítjuk meg, hogy a fermentációt két, váltakozó üzemű fermenorban hajtjuk végre, amelyeket olyan ütemben indítunk és ürítünk, hogy az egyik fermentor lekapcsolása esetén a másik fermentort kapcsoljuk az első desztilláló lépéshez. A fermentáló ciklus befejeződése után leválasztott fermentor olyan mennyiségű fermentációs folyadékot tartalmaz, amely megfelel a második desztilláló lépésbe 25 óra alatt bevezetett intermedier cefre (vagyis első desztilláló lépés fenékterméke) áramának. A leválasztott fermentor előnyösen üríthető úgy, hogy a fermentációs folyadékot hosszú idő, például 80 óra alatt a második desztilláló lépésbe vezetjük, miáltal a második desztillációs lépésbe beadagolt áram mintegy 30%-kal növekszik.

Mivel az élesztő etanoltermelő képessége az első szakaszban, amikor a fermentor az első desztilláló lépéshez kapcsolódik, csökken, és a desztilláló üzembe állandó etanol beadagolás szükséges, a fermentort úgy kell méretezni, hogy a kívánt etanol termelést az üzemelő szakasz végén is biztosítsa, amikor az élesztő etanoltermelő képessége a legalacsonyabb. Ez azt jelenti, hogy a maximális termelőkapacitás nincs kihasználva az üzemelő szakasz első részében, amikor az etanol termelését a fermentálható cukor beadagolása korlátozza. Ha a fermentálható anyagok beadagolását a maximális fermentáló kapacitáshoz képest aláméretezzük, bizonyos mértékben tovább csökkenthetjük a fermentálható anyagok állandó alacsony koncentrációját a fermentorban és így a cefrével elvesztett fermentálható anyag mennyiség csökkenésével növelhetjük a kitermelést. Az élesztő és a fermentor maximális etanoltermelő képességének kihasználásához azonban a találmány szerinti eljárás megvalósítható úgy is, hogy a fermentor üzemelő szakaszában csökkenő etanoltermelést érjünk el. A találmány szerinti eljárás egyik nagyon érdekes előnye azonban, hogy az első desztilláló lépésben korlátlan ideig puffer tartály nélkül állandó etanoláram érhető el akkor is, ha csak két váltakozó üzemű fermentort alkalmazunk, miközben a hosszú időn keresztül csak egy fermentorral üzemelő visszavezetéses eljárásokkal összehasonlítva a második desztillálólépésben azonos energiafelhasználás mellett jóval koncentráltabb cefrét kapunk.

A találmányt közelebbről a mellékelt rajz alapján világítjuk meg, amely a találmány szerinti eljárás egyik előnyös megvalósítási módjának folyamatáb4 rája.

Az 1 ábrán a folyamatos vonal a PD első desztilláló kolonnához kapcsolódó FI fermentor folyamatos visszavezetését jelöli. A rajzon nem ábrázolt szubsztrátum előkészítő lépésből a melasz szubsztrátumot az 1 vezetéken, a 2 szelepen és a 3 vezetéken keresztül az FI fermentorba vezetjük. Az FI fermentor tetejéről a 4 vezetéken keresztül széndioxidot vezetünk el, míg az FI fermentor aljáról a fermentációs folyadékot az 5 vezetéken, a 6 szelepen és a 7 vezetéken keresztül a C centrifugába vezetjük, ahol a fermentációs folyadékot 8 élesztődús áramra, amelyet a 9 szelepen és a 10 vezetéken keresztül az FI fermentorba visszavezetünk, valamint 11 lényegében élesztőmentes áramra választunk, amelyet a PD első desztilláló kolonnára vezetjük. A PD első desztilláló kolonna fejrészéből etanolban dús gőzáramot vezetünk el a 12 vezetéken keresztül, míg a fenékrészből a 13 vezetéken keresztül folyadékáramot vezetünk el. Ezt részáramokra osztjuk és a 14 első részáramot a 15 szelepen és a 16 vezetéken át visszavezetjük az FI fermentorba és a 17 második részáramot az SD második desztillálókolonnába vezetjük. A17 második részáram maradék etanoltartalmát az SD második desztilláló kolonnába a 18 közvetlen fűtés segítségével kihajtjuk és a 19 gőzáramot közvetlenül a PD első desztilláló kolonnába visszavezetjük. Az SD második desztilláló kolonna fenéktermékeként koncentrált 20 cefre áramot vezetünk el.

A szaggatott vonal a PD első desztilláló kolonna és az FI fermentorral felváltva üzemelő FII második fermentor kapcsolatát mutatja váltószelepeken keresztül, ami lehetővé teszi, hogy az FI fermentort egyidejűleg kiiktassuk a rendszerből. Ezért egy a betűvel kiegészítve ugyanazokat a hivatkozási számokat alkalmazzuk, mint a fent ismertetett FI fermentor megfelelő vezetékeinél. További szaggatott vonalak jelölik, hogyan lehet kiüríteni a kiiktatott fermentort, amikoris a fermentációs folyadékot az SD második desztilláló kolonnába vezetjük. Az FII második fermentor a folyamatos körvezetékhez a 6,6a, 9, 2 és 15 szelepeken keresztül kapcsolódik, amelyek egyidejűleg kiiktatják az FI fermentort, amelyből a fermentációs folyadék a 21 és 22 vezetéken keresztül az SD második desztilláló kolonnába vezethető.

1. példa

A példában folyamatos fermentációt mutatunk be 250 órán keresztül állandó körülmények között.

m³ folyadéktérfogatú fermentorba 0,7 m³Schizosaccharomyces Pombe előtenyésztett élesztőkultúrát töltünk, majd 20 óra alatt 11,6 tömeg% fermentálható cukrot tartalmazó nádcukor melaszt töltünk bele. Az élesztő növekedésének elősegítésére kis mennyiség ammóniát és foszforsavat adunk a fermentorba, valamint a folyadékon keresztül folyamatosan levegőt buborékoltatunk át. A fermentáció hőmérsékletét termosztáttal 32 °C értéken, a pH-t 4,8 értéken tartjuk. A fermentort 7 m³ folyadéktérfogatig töltjük fel. A feltöltött fermentort a PD első desztilláló kolonnához kapcsoljuk. Óránként 650 kg nádcukor melaszt adagolunk, amelyben a fermentálható cukor (F) koncentrációja 19,4 tö3

-3HU 201971 A meg%, a nem fermentálható anyag (NF) koncentrációja 15,5 tömeg%. A visszavezetés arányát úgy állítjuk be, hogy fennmaradjon a rendszer állandósult állapota. A visszavezetés aránya 0,57, vagyis a

PD első desztillálókolonna fenéktermékének 57%át vezetjük vissza a fermentorba. 250 órás folyamatos fermentálás után a következő összetételű áramokat kapjuk:

1. táblázat

Össze-	Beadagolt	PD kolonnába	PD kolonnából	PD kolonnából	SD kolonnából
tétel	szubsztrátum	vezetett áram	elvezetett	elvezetett	elvezetett
	kg/h tömeg%	kg/h tömeg%	gőzáram kg/h tömeg%	intermedier cefre kg/h tömeg%	cefre kg/h tömeg%

F	126	19,4	3	0,2	3		1	03
NF	101	15,5	233	16,8		233	16,7	101	223
víz	423		1070		82	1144		340
etanol			62	4,5	58	40,8 7	0,5
összes	650		1380		142	1398		447

Az 1. táblázat értékéből látható, hogy 19,4 tömeg% fermentálható cukrot és 15,5 tömeg% nemfermentálható anyagot tartalmazó nádcukor melasszal táplált és hosszú időn keresztül azonos körülmények között üzemelő fermentorban a fermentor közegében mintegy 16 tömeg%-os és az elvezetett cefrében 22,8 tömeg%-os DS tartalom tartható fenn. az etanol termelés 250 óra után 8,3 kg/m³/h.

2. példa

A fermentort 20 óra alatt az 1. példában alkalmazott melasz szubsztrátummal és élesztő kultúrával töltjük fel, de ez idő alatt mintegy 10 m³ folyadéktérfogatot érünk el. A fermentorban levő nem fermentálható anyag DS tartalma 9,6 tömeg%.

A fermentort az 1. példában alkalmazott desztilláló berendezéshez kapcsoljuk. A fermentorhoz folyamatosan 460 kg/h 1. példában alkalmazott nádcukor melaszt adagolunk, amely azonban 30,2 tö2. táblázat meg% fermentálható cukrot és 24,1 tömeg% ncmfermentálható anyagot tartalmaz. Ezáltal a szuhsztrátum víztartalma 46 tömeg%-ra csökken az L példában alkalmazott szubsztrátum 65 tön*eg%-osvíz25 tartalmához képest. Az első desztilláló lépésből elvezetett intermedier cefre visszavezetési arányát 73%-ra növeljük. A fennen torból fermentációs folyadékot vezetünk az első desztilláló lépésbe, az eslő desztilláló lépésből elvezetett intermedier cef30 re egy részét folyamatosan visszavezetjük, és a ma radék részt ismét bepároljuk 120 órán keresztül. A nem-fermentálható anyag (NF) koncentrációja ezádő alatt a fermentorban, illetve az elvezetett cefrében 27,5 tömeg%, illetve 50,6 tömeg% értékre nő. 35 A fermentáció NF koncentrációja az idő fí^ggvényében a 2. táblázatban látható. A fermentáció során mintákat vettünk a fermentációs folyadék baktérium tartalmának meghatározására is. Az eredményeket szintén a 2. táblázat tartalmazza.

Üzemi idő (óra)	NF tartalom a fermentorban (tömeg%)	NF tartalom a cefrében (tömeg%)	Baktérium mennyiség a fermentorban (szám/ml x 1Ö⁶)
0	9,6	11,0	12
20	17,8	26,5	18
40	23,2	39,2	20
80	26,1	46,8	13
120	27,5	50,6	1,4

A fermentálás során gyűjtött minták alapján az NF koncentráció átlagértéke a fermentorban 55

22,3 tömeg%, az elvezetett cefrében 39,3 tömeg%.

A folyamatos üzem alatt az átlagos etanoltermelés 63 kg/6ra, amelyből a 10 m³ töltetű fermentor etanol termelése mintegy 6,3 kg/m³/h. A 2. táblázatban megadott baktérium mennyiségből látható, hogy az 60 élő baktériumok száma jelentős mértékben lecsökken, ha a nem-fermentálható anyag koncentrációja a fermentorban eléri vagy meghaladja a 20 tömeg%

DS tartalmat.

Claims

SZABADALMI IGÉNYPONTOK

1. Eljárás etanol előállítására répa- vagy nádcukor melasz élesztővel fermentorban (FI) végrehajtott fermentálásával, amelynek során 3-7 töineg% etanolt és kevesebb, mint 2 tömeg% fermentálható anyagot tartalmazó fermentációs folyadék áramát folyamatosan elvezetjük a fermentod>61, egy centrifugában (C) élesztőben dús áramra (8), amelyet a fermentorba (FI) visszavezetünk, valamint lényegében élesztőmentes áramra (11) választunk szét, amelyet egy első desztilláló kolonnában (PD) eta-4HU 201971 A nolban dús tejáramra és maradék folyékony fenéktermékre választunk szét, ezt részáramokra osztjuk, az első részáramot (14) a fermentorba (FI) és a második részáramot (17) egy második desztilláló kolonnába (SD) vezetjük, ahol elválasztjuk a maradék etanolt és a kapott koncentrált etanolmentes cefre áramot (20) elvezetjük, azzal jellemezve, hogy a vízbevezetést például az alkalmazott melasz szubsztrátum koncentrációja alapján szabályozva az első szakaszban a fermentorban (FI) a nem-fermentálható anyagok szárazanyag tartalomként (DS) számolt koncentrációját a kezdeti 5-15 tömeg% értékről 20-30 tömeg% értékre növeljük, amely tartományban az élesztő etanoltermelő képessége lecsökken, majd az első részáram (14) visszavezetésével végzett folyamatos fermentálást és desztillálást a második szakaszban legalább a nem-fermentálható anyagok vonatkozásában megadott magas koncentrációig folytatjuk, miáltal a nem-fermentálható anyagok átlagos koncentrációja a fermentorban a két szakaszban meghaladja a 20 tömeg% értéket.
2. Az 1. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy nem-fermentálható anyag átlagos koncentrációja a fermentorban (FI) nagyobb, mint 22 tömegbe DS.
3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy az első desztilláló kolonna (PD) fenéktermékének adott második részét (17) a második desztilláló kolonnában (SD) etanoltartalmú gőzáramra (19) és etanolmentes cefreáramra (20) választjuk szét, amelynek átlagos DS-tartalma az első desztilláló lépés üzemeltetéséhez szükséges hőenergia lényeges részét hordozó legalább 75 tömeg%, és az etanoltartalmú gőzáramot (19) közvetlenül első desztilláló kolonnába (PD) táplálunk be.
4. A 3. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a második desztilláló kolonna (SD) cefreáramának (20) átlagos DS-tartalma legalább 38 tömeg??,.
5. Az 1-4. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy fermentorként legalább két fermentor (FI, FII) egyikét alkalmazzuk, amelyeket felváltva csatlakoztatunk az első desztilláló kolonnához (PD).
6. A 3. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a második desztillálókolonnába (SD) a második fermentorból (FII) származó fermentációs folyadékot is vezetünk, amelyet az első desztilláló kolonnával (PD) együtt végrehajtott üzemelési periódus után leválasztunk.
7. Az l-ő. igénypontok bármelyike szerinti eljárás, azzal jellemezve, hogy a fermentáláshoz Schizosaccharomyces Pombe élesztőt alkalmazunk.