NO163868B - Fremgangsmaate ved fremstilling av etanol. - Google Patents

Description

Fremgangsmåte ved fremstilling av etanol ved kontinuerlig fermentering i nærvær av gjær av et karbohydratholdig substrat i en fermentor, hvori en strøm av fermenteringsvæske kontinuerlig tas ut fra fermentoren, strømmen av fermenteringsvæske etter eventuell fjerning av grove faste partikler i et fraskillingstrinn deles i et første sentrifugal-separasjonstrinn i en gjæranriket strøm som resirkuleres til fermentoren, og en hovedsaklig gjærfri strøm, som i et primært destillasjonstrinn deles i en toppstrøm anriket på etanol og en gjenværende væskeformig bunnstrøm, hvorav i det minste én del resirkuleres til fermentoren og/eller til et substratbehandlingstrinn forut for fermentoren, og den eventuelle gjenværende del av bunnstrøm-men deles i et sekundært destillasjonstrinn i en etanolholdig dampstrøm og en etanolforarmet sumpstrøm.

I en kjent kontinuerlig etanol-fermenteringsprosess av den art som innledningsvis er nevnt, så som beskrevet i søkerens internasjonale søknad WO 83/01627, separeres først grove faste partikler i et skilletrinn fra fermenteringsvæske som kontinuerlig tas ut fra fermentoren, hvoretter strømmen som passerer gjennom siktene føres til et sentrifugal-separeringstrinn for separering i en gjærfase, som resirkuleres til fermentoren, og en fase befridd for gjær, som føres til et primært destillasjonstrinn i et destillasjonsanlegg. En del av det faste, ikke-fermenterbare eller inerte materiale som kontinuerlig føres til prosessen med råmaterialet, tømmes fra prosesskretsen i form av grove partikler, hvilke som sikt-"filterkake" tømmes fra sirkulasjonskretsen, hvilken omfatter fermentoren og det primære destillasjonstrinn. Den gjenværende del av inert fast materiale som må fjernes kontinuerlig, tømmes med den del av bunnstrømmen fra det primære destillasjonstrinn som føres til et sekundært destillasjonstrinn også kalt strippetrinnet, hvori den gjenværende etanol destilleres av og væskestrømmen konsentreres til en sluttsumpstrøm. Som en følge derav må den del av det faste inerte materiale som ikke kan skilles fra med siktene ved en "steady-state" tilstand, nå en bestemt konsentrasjon i bunn-strømmen fra det primære destillasjonstrinn som skal tømmes i den riktige mengde fra prosesskretsen gjennom sumpstrømmen fra rektifikatoren.

I visse tilfeller så som ved fermentering av korn-rå-materiale oppstår en betydelig konsentrasjon av fine partikler i strømmer til og fra det primære destillasjonstrinn, for eksempel i området 4-6 vektprosent. Videre kan det forutses at en enda høyere konsentrasjon av disse "fine andeler" må bygges opp i fermentor-gjærseparator-kretsen, da de inerte partikler videre har tendens til å anrikes i gjærfasen, som resirkuleres fra kanten av gjærseparatorene til fermentoren. Da videre andelen i fermenteringsvæsken fra fermentoren normalt ikke når mer enn 2 vektprosent DS (tørrstoffdeler), vil slamkapasiteten av gjærseparatorene i stor grad opptas av det inerte materiale. Følgelig må hele den store del av tilførselsstrømmen til gjærseparatoren ved kornfermentering i området 60-70% resirkuleres som slamfase til fermentoren. Derfor kreves stor separatorkapasitet, da slammengden i dette tilfelle er den dimensjonerende faktor.

En måte å redusere behovet for gjærseparatorkapasitet er å forandre strømforholdet mellom effluent og slamfase, d.v.s. å øke effluentstrømmen og redusere slamstrømmen. Derved kunne den nødvendige konsentrasjon av inert fast materiale i strømmen til og fra det primære destillasjonstrinn oppnås samtidig som en lavere "steady-state" konsentrasjon av fast inert materiale i fermentor-gjærseparatorkretsen ville kreves, hvilket kunne muliggjøre en reduksjon av gjærseparatorkapasitet. Imidlertid er ulempen med en slik modifikasjon økede gjærtap, som skyldes øket gjæruttømming med effluenten til det primære destillasjonstrinn, hvori levende gjær blir drept.

Formålet for foreliggende oppfinnelse er å redusere konsentrasjonen av fast inert materiale i fermentor-gjærseparator-kretsen og å redusere den nødvendige gjærseparatorkapasitet, mens gjærtapene holdes på et uforandret lavt nivå.

Dette mål nås ifølge oppfinnelsen ved en fremgangsmåte av den innledningsvis nevnte art ved at i det minste én del av strømmene som er valgt fra væskestrømmen som føres til det primære destillasjonstrinn og væskestrømmen, som tømmes fra det primære destillasjonstrinn, videre deles i et ytterligere sentrifugal-separasjonstrinn i en strøm forarmet på fine partikler og en slamstrøm anriket på fine partikler, og at slamstrømmen tømmes fra sirkulasjonskretsen som omfatter det primære destillasjonstrinn og fermentoren.

Ifølge en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen befinner det ytterligere sentrifugerings-separasjonstrinn seg etter det primære destillasjonstrinn. Derved oppnås minst to fordeler sammenlignet med det tilfelle at sentrifugal-separatoren befinner seg før det primære destillasjonstrinn. En fordel ligger i det faktum at det separerte slamkonsentrat er relativt forarmet på etanol og kan føres direkte til det sekundære destillasjonstrinn for sluttrektifisering sammen med "filterkakene" og eventuelt gjenværende væskestrøm fra det primære destillasjonstrinn. En annen fordel er at noe av det ikke-separerbare protein i solvatisert eller kolloid tilstand i tilførselsstrømmen til det primære destillasjonstrinn overføres i separerbar form gjennom koagulering på grunn av oppvarming under varmeveksel med resirku-leringsstrømmen fra det primære destillasjonstrinn og videre gjennom oppvarming i selve destillasjonstrinnet. Disse protein-aggreater som derved dannes, kan nå skilles direkte fra og behøver ikke resirkuleres til fermentoren.

I tilfelle et ytterligere sentrifugerings-separasjonstrinn befinner seg før det primære destillasjonstrinn, oppnår man i den separerte slamfase en etanolkonsentrasjon av ca. samme størrelse størrelsesorden som strømtilførselens til det primære destillasjonstrinn, som normalt ligger i området 4 til 6 vektprosent. Hvis separasjonsbetingelsene velges slik at konsentrasjonen av fast materiale i slamfasen fra separasjonstrinnet er høy og den totale slamstrøm derfor kan holdes relativt liten, kan en slamfase føres direkte til strippetrinnet til tross for dens høye etanolkonsentrasjon uten nevneverdig å påvirke etanolutbyttet. Hvis slamfasen er forholdsvis stor, d.v.s. hvis den omfatter en betydelig mengde væske som må destilleres av for sluttsump, er en gangbar måte å unngå nedsatt etanolutbytte å destillere av mesteparten av etanolen i slamfasen i en separat mindre kolonne. Bunnstrømmen fra denne kolonne kan så hensiktsmessig føres til

et rektifikasjonstrinn som også brukes for å rektifisere "filterkaker" og den eventuelle ytterligere del av bunnstrømmen fra det primære destillasjonstrinn.

De ytterligere sentrifugerings-separasjonstrinn ifølge oppfinnelsen muliggjør en betydelig reduksjon av fast DS i sirkulasjonskretsen omfattende fermentor, gjærseparator og primært destillasjonstrinn. Den mest utspekulerte virkning derved er at strømforholdet mellom effluent og slamfase fra gjærseparasjonstrinnet kan økes betydelig uten at gjærtapene øker, hvilket ved en uforandret etanolproduksjon muliggjør en betydelig reduksjon av slamstrømmen som resirkuleres til fermentoren samt tilførselsstrømmen til gjærseparatorene. Hvis for eksempel mengden av inert DS til gjærseparatorene reduseres fra f.eks. 8 vektprosent til 3 vektprosent ved å installere en sentrifugal-separator ifølge oppfinnelsen, kan den ønskede gjærseparatorkapasitet reduseres til ca. halvparten, hvilket betyr en betydelig redusert investering og energiomkostninger, da den nødvendige videre separatorkapasitet er langt lavere enn innspart gjærseparatorkapasitet .

Muligheten til å holde en lavere konsentrasjon av fast inert DS i sirkulasjonskretsen på grunn av oppfinnelsen gir flere ytterligere forbedrede prosessbetingelser. Fermenteringsmiljøet i fermentoren forbedres, blant annet på grunn av mindre skumming og lettere røring. Mindre kontaminasjon oppnås i den primære maskkolonne og også i videre prosessenheter så som varmevekslere for varmeveksel mellom den kalde gjærfri strøm fra gjærseparatorene og resirkuleringsstrøm fra den primære maskkolonne. En lavere viskositet av strømmene i sirkulasjonskretsen forbedrer flyteevnen, hvilket letter fraskillings-operasjoner og pumping.

Oppfinnelsen skal nå illustreres videre ved hjelp av noen

få utførelsesformer av denne vist som eksempler, idet det vises til vedlagte tegninger, hvori figur 1 viser et flyteskjema med en ekstra separator installert etter det primære destillasjonstrinn, og figur 2 viser et flyteskjema med en ekstra separator installert før det primære destillasjonstrinn.

Ifølge flyteskjema på figur 1 føres fermenteringsråmater-ialet, for eksempel malt korn, og nødvendig prosessvann med en strøm 1 til et substratbehandlingstrinn 2, hvori enzymatisk hydrolyse til fermenterbare sukkere foregår. Fra substratbehandlingstrinnet 2 føres en strøm 3 med hydrolysat til en fermentor 4, hvori kontinuerlig fermentering av hydrolysatet foregår ved "steady-state" betingelser ved hjelp av gjær oppslemmet i fermenteringsvæske under dannelse av etanol og karbondioksyd, som tømmes fra toppen av fermentoren gjennom 5. For å holde konstant gjærkonsentrasjon i fermentoren tilføres luft eller oksygen enten til fermentortilførselstrømmen 3 eller til selve fermentoren for å oppnå en gjærvekst tilsvarende små gjærtap.

En strøm av fermenteringsvæske 6 som inneholder etanol i en konsentrasjon i området 4-6 vektprosent tas kontinuerlig ut fra fermentoren 4. Strømmen 6 føres til et skilletrinn 7 for separering av "filterkake"-strøm 8, som tas ut fra sirkulasjonskretsen omfattende en fermentor 4 og en primærdestillasjon 9 og føres til et andre destillasjonstrinn 10.

En strøm av fermenteringsvæske 11 befridd for grove partikler og fibre føres til et gjærseparajonstrinn 12 omfattende en eller flere gjærseparatorer. En tung fasestrøm 13 inneholdende i det vesentlige all gjær fra strømmen 11 og også finere inert materiale som ikke holdes tilbake i fraskillingstrinnet 7, resirkuleres til fermentoren 4. En lettfasestrøm 14, hovedsaklig fri for gjær, tas kontinuerlig ut fra gjærseparatoren 12 og føres til det primære destillasjonstrinn 9, generelt bestående av en flertrinnskolonne. Fra toppen av kolonnen 9 fjernes hoveddelen av etanolen som er tilstede i den gjærfrie strøm 14 gjennom en dampstrøm 15 som normalt inneholder etanol i området 3 5-4 0 vektprosent. En bunnstrøm 16 med en etanolkonsentrasjon i området 0,1 - 0,2 vektprosent tømmes fra bunnen av kolonnen 9.

I den viste utførelsesform sendes en partialstrøm 17 av bunnstrømmen 16 direkte til en rektifiseringskolonne som utgjør det sekundære destillasjonstrinn 10. En annen partiell strøm 18 av bunnstrømmen 16 resirkuleres til fermentoren gjennom 19 og/eller også til substratbehandlingstrinnet 2 gjennom 20. En videre partialstrøm 21 av bunnstrømmen 16 føres til et ytterligere sentrifugerings-separasjonstrinn 22, hvori den deles i en slamstrøm 23 anriket på fine partikler og en effluentstrøm 24. Slamstrøm 23 føres til en rektifiseringskolonne 10, og effluent-strømmen 24 resirkuleres med strømmen 18 til sirkulasjonskretsen som omfatter fermentoren 4 og det primære destillasjonstrinn 9.

For varmeveksling kan den gjærfrie strøm 14 som skal føres til det primære destillasjonstrinn 9 med delen av bunnstrømmen 16 som resirkuleres til fermentoren 4 og/eller substratbehandlingstrinnet 2, en varmeveksler 25 være installert for varmeveksling av resirkuleringsstrømmen 18 og 24 med den gjærfrie strøm 14, hvorved innløpet til slamseparatoren 22 vil være varmt. Alternativt kan varmevekslingen utføres i en varmeveksler 26 installlert foran slamseparatoren 22, hvorved innløpet til denne vil avkjøles ned til nær fermentortemperatur. Et varmet innløp 21 til separatoren 22 kan lette separasjonen, mens høytemperaturoperasjon setter større krav til separatorfunksjoner ut fra et sikkerhetssynspunkt. Om varmevekslingen skal utføres før eller etter separatoren 22 avhenger av den anvendte separatortype, og i mange tilfeller må en deling av varme-veksleren gjennom en enhet 2 5 og en enhet 2 6 foretrekkes.

Hvis separasjonsbetingelsene i sentrifugalseparasjonstrinnet 22 velges slik at slamstrømmen 23 har relativ liten slamkonsen-trasjon, kan strømmen 17 til rektifikatoren 10 eventuelt sløyfes. Hvis derimot slamstrømmen 23 har en høy konsentrasjon av inert fast materiale, vil slamstrømmen 17 være nødvendig for å utfylle resten av inert materiale fra sirkulasjonskretsen og opprettholde "steady-state".

Likeledes avhengig av separasjonsbetingelsene i sentrifugalseparasjonstrinnet 22, kan alt eller en del av strømmen som resirkuleres til fermentoren eller til substratbehandlingstrinnet føres gjennom separatoren 22. I det ekstreme tilfelle kan strømmen 18 således sløyfes. Videre kan en vilkårlig del av resirkulasjonsstrømmen 18 og 24 brukes for vasking (ikke vist i figur 1) av "filterkake"-strøm 8 fra fraskillingstrinn 7 for å redusere gjærtapene og etanolkonsentrasjonen i "filterkake"-strømmen 8.

"Filterkake"-strømmen 8 samt slamstrømmen 23 fra sentrifugalseparasjonstrinnet 22 og strømmen 17 føres til rektifiseringskolonnen 10 for avdestillasjon av gjenværende etanol og utvinning av en konsentrert sumpstrøm 27 fra bunnen av strippe-kolonnen 10. De etanolholdige damper fra rektifiseringskolonnen 10 føres til den primære destillasjonskolonne 9 som direkte oppvarmingsmedium. Rektifiseringskolonnen 10 og den primære

destillasjonskolonne 9 kan hensiktsmessig kombineres i en felles kolonne, hvori den nedadgående væskestrøm blokkeres på et mellomliggende nivå for tømming av bunnstrømmen 16 fra den øvre del 9 av kolonnen, som utgjør det primære destillasjonstrinn.

Figur 2 viser en utførelsesform som er identisk med utfør-elsesformen vist i figur 1, unntatt plasseringen av slamseparatoren 22 i prosesskretsen. Derfor er de nøyaktig tilsvarende prosessenheter og strømmer gitt de samme figurhenvisninger som i figur 1.

Avhengig av valget av slamseparator og separasjonsbeting-elser, føres hele eller en del av den gjærfrie strøm 14 fra gjærseparatortrinnet 12 som en tilførselsstrøm 21a til en ytterligere slamseparator 22a. En slamstrøm 23a anriket på fast inert materiale tømmes fra separatoren 22 og føres til rektifikasjonskolonnen 10. Da slamstrømmen 23a nå i motsetning til den tidligere utførelsesform har en betydelig etanolkonsentrasjon som er av samme størrelsesorden som i innløpsstrømmen 14 til den primære kolonne 9, kan det være hensiktsmessig å tilføye rektifikasjonskolonnen 10 ett eller flere destillasjonstrinn i sammen-ligning med rektifikasjonskolonnen på figur 1, og å tilføre slamstrømmen 23a på et noe høyere nivå til rektifikasjonskolonnen 10 enn de andre strømmer 8 og 17 som også føres til rektifikasjonskolonnen 10. En strøm 24a som er forarmet på fine partikler, sendes sammen med den gjenværende del 18 av den gjærfrie strøm 14 til den primære kolonne 9.

Av den samme grunn som nevnt i forbindelse med den fore-gående utførelsesform, kan en eller begge forbiføringsstrømmene 17 og 18a eventuelt sløyfes avhengig av valget av separasjons-betingelser og sentrifugal-separator.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av etanol ved kontinuerlig fermentering i nærvær av gjær av et karbohydratholdig substrat i en fermentor (4), hvori en strøm av fermenteringsvæske (6) kontinuerlig tas ut fra fermentoren, strømmen av fermenteringsvæske etter eventuell fjerning av grove faste partikler i et fraskillingstrinn (7) deles i et første sentrifugal-separasjonstrinn (12) i en gjæranriket strøm (13), som resirkuleres til fermentoren, og en hovedsaklig gjærfri strøm (14), som i et primært destillasjonstrinn (9) deles i en toppstrøm (15) anriket på etanol og en gjenværende væskeformig bunnstrøm (16), hvorav i det minste en del (19, 20) resirkuleres til fermentoren og/eller til et substratbehandlingstrinn (2) forut for fermentoren, og den eventuelle gjenværende del (17) av bunnstrømmen (16) deles i et sekundært destillasjonstrinn (10) i en etanolholdig dampstrøm (28) og en etanolforarmet sumpstrøm (27), karakterisert ved at i det minste en del av strømmene som er valgt fra væskestrømmen (14), som føres til det primære destillasjonstrinn (9) og væskestrømmen (16), som tømmes fra det primære destillasjonstrinn (9), videre deles i et ytterligere sentrifugal-separasjonstrinn (22, 22a) i en strøm (24, 24a) forarmet på fine partikler og en slamstrøm (23, 23a) anriket på fine partikler, og at slamstrømmen tømmes fra sirkulasjonskretsen som omfatter det primære destillasjonstrinn (9) og fermentoren (4).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at i det minste en del av bunnstrømmen (16) fra det primære destillasjonstrinn (9) underkastes separasjon i et sentrifugal-separasjonstrinn (22), og at slamstrømmen (23) tømmes fra sirkuleringskretsen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at slamstrømmen (23) føres til det sekundære destillasjonstrinn (10).

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori en "filterkake"-strøm (8) inneholdende grove faste partikler skilles fra strømmen av fermenteringsvæske (6) i et fraskillingstrinn (7), karakterisert ved at "filterkake"-strømmen (8) og strømmen (23, 23a) anriket på fine partikler føres til et sekundært destillasjonstrinn (10), og at dampstrømmen (28) som forlater det sekundære destillasjonstrinn (10) føres til det primære destillasjonstrinn (9) i form av direkte damp.