PL208652B1 - Sposób wytwarzania produktu fermentacji - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Niniejszy wynalazek dotyczy sposobu wytwarzania produktu fermentacji, poprzez przeróbkę materiału pochodzenia roślinnego celem wytworzenia wodnego płynu zawierającego cukry, które są poddawane procesowi fermentacji. Podczas fermentacji wytwarzane są takie produkty fermentacji jak na przykład etanol, glicerol, aceton, n-butanol, butanodiol, izopropanol, kwas masłowy, metan, kwas cytrynowy, kwas fumarowy, kwas mlekowy, kwas propionowy, kwas bursztynowy, kwas itakonowy, kwas octowy, aldehyd octowy, kwas 3-hydroksypropionowy, kwas glukonowy, kwas winowy i aminokwasy, takie jak kwas L-glutarowy, L-lizyna, kwas L-asparaginowy, L-tryptofan, L-aryloglicyny lub sole którychkolwiek z tych kwasów.

Znany jest sposób wytwarzania produktu fermentacji przez obróbka biomasy kwasem w celu zhydrolizowania polisacharydów do cukrów składowych, które mogą być dalej użyte w procesie fermentacji. Na przykład US-A-4384897 ujawnia sposób obróbki materiału biomasy, w którym poddaje sieją dwustopniowej hydrolizie. W pierwszym stadium hydrolizują polisacharydy, np. hemiceluloza, które łatwiej ulegają temu procesowi, a następnie w drugim stadium, z użyciem ostrzejszej obróbki hydrolitycznej są depolimeryzowane trudniej depolimeryzujące materiały, np. celuloza. Produkty pierwszego i drugiego stadium obejmują roztwory cukrów, kwasy organiczne i aldehydy. Monosacharydy są poddawane fermentacji z wytworzeniem etanolu i ciecz pofermentacyjna uzyskana z fermentacji może być poddawana rektyfikacji z wytworzeniem etanolu o wartości handlowej. US-A-4384897 ustanawia ulepszenia w bardziej skutecznym wymywaniu ciał stałych, użycie wymywania współprądowego i przeciwprądowego ciał stałych i proponuje użycie jonów żelazowych lub glinowych jako środków flokulujących w celu oddzielenia drobnych zdyspergowanych ciał stałych powstałych w trakcie zoboję tniania strumienia pł ynu hydrolizatu.

Kyoung Heon Kim i współpr. (Applied Biochemistry and Biotechnology, wol. 91-93, str. 253-267) badali ciągłą przeciwprądową hydrolizę i ekstrakcję hemicelulozy z resztek drewna wstępnie traktowanych kwasem i rozważali efekt szybkości odwadniania takiej wstępnie obrobionej biomasy. Użycie ciągłego przeciwprądowego ekstraktora z wężownicą polega na grawitacyjnej perkolacji wody przez wstępnie traktowaną biomasę. Jedyną trudnością zaobserwowaną jest to, że wstępnie obrobiona biomasa ma słabe własności odwadniania i kanalikowanie lub blokowanie może zachodzić wewnątrz reaktora, co może prowadzić do niskiego odzysku cukru lub niskiej wydajności procesowej.

A zatem byłoby pożądane ulepszenie właś ciwości odwadniania materiału pochodzenia roślinnego obrobionego kwasem w celu zmaksymalizowała odzysku cukru.

Znane jest z publikacji National Renewable Energy Laboratory (NREL), zatytułowanej „Lignocellulose Biomass to Ethanol Process Design and Economics of Co-Current Dilute Acid Prehydrolysis and Enzymatic Hydrolysis Current and Future Scenarios” NREL/IP-580-26157 (lipiec 1999) traktowanie celulozy jako drugiego polisacharydu enzymem celulazą w celu zhydrolizowania celulozy do cukrów składowych. W jednej z postaci tego procesu, uboczna pozostałość stała powstała w pierwszym etapie hydrolizy i zawierająca celulozę, jest dzielona na strumień główny i strumień drugorzędny. Strumień główny jest podawany bezpośrednio do naczynia fermentacyjnego, a strumień drugorzędny jest wprowadzany do stadium wytwarzania celulazy, w którym umożliwia się rozwój grzybów i działanie na celulozę tak, że tworzą się cukry i celulaza. Cukry i celulaza są następnie podawane do naczynia fermentacyjnego i celulaza działa na celulozę z głównego strumienia i przekształca ją na cukry składowe, które z kolei mogą być podawane fermentacji z wytworzeniem produktu fermentacji.

Zwykle konieczne jest przemywanie stałego produktu ubocznego dla zapewnienia, że jest zasadniczo pozbawiony kwasów, a zwłaszcza kwasu octowego, który jest stosowany w trakcie hydrolizy hemicelulozy. Jest to konieczne, gdyż kwas octowy lub inne zanieczyszczenia mogą zatruwać grzyby stosowane do wytwarzania celulazy lub wytworzoną celulazę. Zwykle wodą do przemywania jest woda zawracana, na przykład woda oddzielona od cieczy podestylacyjnej w destylacji odzyskiwania produktu fermentacji, z których zawieszone ciała stałe zostały usunięte.

Ponieważ woda przemywająca może zawierać inne zanieczyszczenia, które mogą być szkodliwe zarówno dla celulazy, jak i procesów fermentacji, byłoby pożądane zminimalizowanie ilości używanej wody przemywającej.

Szczególny problem, który może się pojawić, polega na tym, że wydajność procesu może być zmienna prowadząc niekiedy do obniżenia wytwarzania produktu fermentacji. Istnieje zatem zapotrzebowanie na ulepszenie wydajności produktu fermentacji wytwarzanego w tym procesie i zwiększenia szybkości wytwarzania.

PL 208 652 B1

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania produktu fermentacji obejmujący etapy, w których:

(i) tworzy się zakwaszoną zawiesinę celulozowego ziarnistego materiału pochodzenia roślinnego zawierającego hemicelulozę jako pierwszy polisacharyd, który łatwiej hydrolizuje, oraz celulozę jako drugi polisacharyd, który trudniej hydrolizuje, (ii) poddaje się pierwszy polisacharyd hydrolizie pod działaniem kwasu o pKa niższym od 4 i o stężeniu do 2% wagowych, w temperaturze co najmniej 50°C, w których to warunkach pierwszy polisacharyd hydrolizuje i tworzy się mieszaninę roztworu wodnego zawierającego rozpuszczony cukier oraz stałej pozostałości zawierającej drugi polisacharyd, (iii) poddaje się mieszaninę jednej lub kilku operacjom separacji, w których stała pozostałość i roztwór wodny cukru są oddzielane od siebie, (iv) ewentualnie przemywa się pozostałość pozbawioną kwasu i cukru, (v) koryguje się pH roztworu wodnego do co najmniej 4, (vi) przeprowadza się roztwór wodny z etapu (iv) do stadium fermentacji, w którym rozpuszczone cukry pod działaniem mikroorganizmu w bulionie fermentacyjnym przekształca się w produkt fermentacji, (vii) kontaktuje się drugi polisacharyd z enzymem, który to enzym hydrolizuje drugi polisacharyd na cukry składowe i poddaje się cukry składowe działaniu mikroorganizmu w bulionie fermentacyjnym z wytworzenia produktu fermentacji.

(viii) oddziela się produkt fermentacji od bulionu,

Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że stadium/stadia separacji w etapie (iii) wspomaga się przez flokulację stałego produktu ubocznego i stosuje się co najmniej jeden środek flokulujący wybrany z grupy obejmującej rozpuszczalne w wodzie polimery, pęczniejące w wodzie polimery, oraz naładowane materiały mikroziarniste.

Korzystnie w sposobie według wynalazku stałą pozostałość z etapu (iv) zawierającą drugi polisacharyd dzieli się na strumień główny i strumień drugorzędny i przepuszcza się główny strumień bezpośrednio do stadium fermentacji, natomiast strumień drugorzędny pozostałości polisacharydowej wprowadza się do stadium wytwarzania enzymu, w którym wytwarza się enzym przez pozostawienie grzyba do działania na pozostałość polisacharydu, co prowadzi do wytworzenia enzymu i cukrów wskutek przekształcenia drugiego polisacharydu zawartego w drugorzędnym strumieniu, a następnie enzym i cukry z etapu (vi) wprowadza się do stadium fermentacji, w którym enzym działa na drugi polisacharyd w naczyniu fermentacyjnym i prowadzi się hydrolizę drugiego polisacharydu do cukrów składowych.

Alternatywnie do powyższego korzystnego wariantu stałą pozostałość z etapu (iv) zawierającą drugi polisacharyd wprowadza się do stadium obróbki enzymem, w którym to stadium wytwarza się enzym przez umożliwienie rozwoju grzyba na polisacharydzie i wymienionym enzymem prowadzi się hydrolizę polisacharydu na cukry składowe, a następnie wprowadza się uzyskane cukry do stadium fermentacji, w którym cukry przekształca się w produkt fermentacji.

W sposobie wedł ug wynalazku korzystnie stosuje się materia ł pochodzenia roś linnego stanowiący materiały wybrane z grupy obejmującej biomasę zieloną, biomasę drewna z drzew iglastych, biomasę drewna z drzew liściastych, szlam ściekowy, szlam papierniczy i biomasę części odpadów komunalnych, a jako kwas stosuje się kwas wybrany spośród kwasu siarkowego i kwasu solnego. Hydrolizę pierwszego polisacharydu przeprowadza się korzystnie w temperaturze między 120 a 220°C przez okres od 1 minuty do 15 minut, a jako środek flokulujący korzystnie stosuje się środek wybrany z grupy obejmują cej rozpuszczalne w wodzie lub pę cznieją ce w wodzie naturalne, półsyntetyczne i syntetyczne polimery, przy czym korzystnie polimer tworzy się z monomeru rozpuszczalnego w wodzie lub mieszanki monomerów i szczególnie korzystnie polimer jest wybrany z grupy obejmują cej sole poliakrylanowe, poliakrylamid, kopolimery akrylamidu z kwasem (met)akrylowym lub jego solami, kopolimery akrylamidu z (met)akrylanem dialkiloaminoalkilu, lub sole addycyjne z kwasami lub czwartorzędowe sole amoniowe, polimery chlorku diallilometyloamoniowego, poliaminy i polietylenoiminy.

Również korzystnie, w sposobie według wynalazku stosuje się jako środek flokulujący naładowany materiał mikroziarnisty, zwłaszcza taki, który jest wybrany z grupy obejmującej pęczniejące glinki, anionowe, kationowe lub amfoteryczne mikroziarniste materiały krzemionkowe i organiczne sieciowane mikrocząstki polimerowe.

PL 208 652 B1

W sposobie według wynalazku mieszaninę poddaje się flokulacji z uż yciem rozpuszczalnego w wodzie lub pę czniejącego w wodzie polimeru oraz nał adowanego materiał u mikroziarnistego albo alternatywnie mieszaninę poddaje się flokulacji, wprowadzając anionowy materiał mikroziarnisty do mieszaniny, a następnie reflokuluje się dodając niejonowy polimer, albo mieszaninę poddaje się flokulacji, wprowadzając kationowy polimer do mieszaniny, a następnie reflokuluje się dodając anionowy materiał mikroziarnisty, albo mieszaninę poddaje się flokulacji, wprowadzając kationowy polimer do mieszaniny, a następnie reflokuluje się dodając anionowy polimer, albo też mieszaninę poddaje się flokulacji wprowadzając anionowy polimer do mieszaniny, a następnie reflokuluje się dodając kationowy polimer.

W sposobie według wynalazku wytwarza się stały produkt uboczny, którym jest lignina i podobne materiały, a podczas procesu fermentacji wytwarza się produkt fermentacji wybrany z grupy obejmującej etanol, glicerol, aceton, n-butanol, butanodiol, izopropanol, kwas masłowy, metan, kwas cytrynowy, kwas fumarowy, kwas mlekowy, kwas propionowy, kwas bursztynowy, kwas itakonowy, kwas octowy, aldehyd octowy, kwas 3-hydroksypropionowy, kwas glukonowy, kwas winowy i aminokwasy, takie jak kwas L-glutarowy, L-lizyna, kwas L-asparaginowy, L-tryptofan, L-aryloglicyny lub sole którychkolwiek z tych kwasów.

Korzystnie produkt fermentacji wydziela się z bulionu przez wprowadzanie bulionu zawierającego produkt fermentacji do stadium destylacji, w którym związek fermentacyjny zbiera się jako destylat, a resztki podestylacyjne usuwa się, korzystnie też produkt fermentacji wydziela się z bulionu przez wprowadzanie bulionu zawierającego produkt fermentacji do stadium zatężania, w którym związek fermentacyjny zbiera się w koncentracie i ekstrahuje się co najmniej jednym środkiem wybranym z grupy obejmującej żywicę jonowymienną, ekstrakcję rozpuszczalnikową i elektrodializę.

Stwierdzono, że przy użyciu sposobu flokulacji według wynalazku, można uzyskać w stadium separacji nieoczekiwanie wysoką wydajność produktu fermentacji. Należy sądzić, że resztkowy kwas i cukier w stał ej pozosta ł o ś ci surowca oddział ywuje z tworzeniem enzymu i dział aniem enzymu na drugi polisacharyd w stałej pozostałości. To z kolei prowadzi do niepełnej konwersji drugiego polisacharydu do cukrów składowych, i powoduje zmniejszenie wydajności produktu fermentacji.

Ulepszenie stadium separacji w sposobie ma tę zaletę, że roztwór cukru uzyskany ze stadium pierwszej hydrolizy jest zasadniczo pozbawiony obcego materiału stałego, takiego jak włókna celulozowe.

W sposobie według wynalazku, enzym, który działa na drugi polisacharyd moż e być wprowadzany bezpośrednio do pozostałości stałego produktu ubocznego po oddzieleniu tego z płynu cukrowego powstałego w trakcie hydrolizy pierwszego polisacharydu, lub może być dodany, gdy drugi polisacharyd zostanie wprowadzony do procesu fermentacji. Enzym może być wprowadzony poprzez umożliwienie rozwoju grzyba na drugim polisacharydzie, podczas którego grzyb generuje enzym, który hydrolizuje polisacharyd na jego cukry składowe.

Grzybami zdolnymi do wytwarzania odpowiednich enzymów mogą być Trichoderma reesei, Aspergillus niger, Humicola insolens i Thermo-monospora fusca.

Alternatywnie stały produkt uboczny zawierający drugi polisacharyd podaje się do naczynia fermentacyjnego i dodaje się handlowo dostępny enzym bezpośrednio do naczynia fermentacyjnego w celu działania na drugi polisacharyd.

W jednej z korzystnych postaci wynalazku, stałą pozostałość z etapu (iv) zawierającą drugi polisacharyd dzieli się na strumień główny i strumień drugorzędny. Strumień główny przepuszcza się bezpośrednio do stadium fermentacji, natomiast strumień drugorzędny pozostałości polisacharydowej wprowadza się do stadium wytwarzania enzymu. W tym stadium wytwarza się enzym przez pozostawienie grzyba do działania na pozostałość polisacharydu, co prowadzi do wytworzenia enzymu i przekształcenia drugiego polisacharydu na jego cukry skł adowe. Enzym i uzyskane cukry wprowadza się do naczynia fermentacyjnego. Proces enzymatyczny prowadzi do wytworzenia wystarczającej ilości enzymu do działania na drugi polisacharyd wprowadzony do stadium fermentacji ze strumienia głównego. Dzięki temu drugi polisacharyd w naczyniu fermentacyjnym jest następnie hydrolizowany do cukrów składowych.

Alternatywnie wszystkie stałe pozostałości z etapu (iv) zawierające drugi polisacharyd wprowadza się do stadium obróbki enzymem, w którym wytwarzany jest enzym przez umożliwienie rozwoju grzyba na polisacharydzie. Enzym hydrolizuje polisacharyd na cukry składowe a następnie przepuszcza się cukry do stadium fermentacji, w którym cukry przekształca się w produkt fermentacji. Jednakże

PL 208 652 B1 wzrastające stężenie cukrów mogłoby inhibitować proces wytwarzania enzymu, a zatem może być konieczne ciągłe usuwanie tworzących się cukrów.

Materiał pochodzenia roślinnego jest zwykle dowolnym łatwo dostępnym źródłem polisacharydów, w szczególności materiałami celulozowymi. Zwykle materiał celulozowy stanowi materiały wybrane z grupy obejmującej biomasę zieloną, biomasę drewna z drzew iglastych, biomasę drewna z drzew liś ciastych, szlam ś ciekowy, szlam papierniczy i biomasę części odpadów komunalnych. Biomasą zieloną mogą być na przykład wytłoki trzciny cukrowej, słoma ryżowa, łuski ryżowe, słoma kukurydziana, słoma pszeniczna, trawa, drzewa i odpady z odziarniania bawełny.

Korzystnie materiał pochodzenia roślinnego jest celulozowy i zawiera hemicelulozę jako pierwszy polisacharyd i celulozę jako drugi polisacharyd. Na ogół materiał pochodzenia roślinnego zawiera także ligninę lub materiały ligninowe, które pozostają w stałych produkcie ubocznym.

Zakwaszona zawiesina może być tworzona przez łączenie ziarnistego materiału zawierającego celulozę, hemicelulozę i ligninę z rozcieńczonym kwasem. Alternatywnie zawiesina może być wytworzona działaniem na biomasę celulozową gazowym ditlenkiem siarki, parą i wodą w podwyższonej temperaturze. Zwykle proces może być prowadzony przez impregnację materiału biomasy gazowym SO2, a następnie parą w 205 do 215°C przez 5 minut, a następnie dodając wodę z utworzeniem zawiesiny (Stenberg i współpr., Recycling of Process Streams, Applied Biochemistry, wol. 70-72, 1998, strona 697-707, 1998).

Przez rozcieńczony należy rozumieć kwas o stężeniu na ogół niższym od 10% wagowych. Zazwyczaj jednak stężenie będzie znacznie niższe, na przykład niższe od 5%. Kwasem może być silny kwas mineralny, taki jak kwas solny, kwas siarkowy, kwas siarkawy, kwas fluorowodorowy, kwas azotowy i kwas fosforowy. Alternatywnie kwasem może być kwas organiczny, na przykład kwas węglowy, kwas winowy, kwas glukuronowy, kwas mrówkowy, kwas trichlorooctowy lub inne kwasy karboksylowe.

Najkorzystniej, kwas wykazuje pH niższe od 4. Korzystne rezultaty uzyskuje się z użyciem albo kwasu solnego albo kwasu siarkowego.

Hydrolizę pierwszego polisacharydu korzystnie przeprowadza się w temperaturze pomiędzy 120 i 220°C przez okres 1 do 15 minut, aczkolwiek niższe temperatury są możliwe, jeśli czas obróbki jest dłuższy.

W każdym ze stadiów hydrolizy, pierwszym i drugim, uzyskany hydrolizat jest następnie oddzielany od materiałów stałych, korzystnie przez odciskanie traktowanego materiału w celu separacji pozostałości w postaci produktu stałego. Oddzielony stały produkt może być poddany co najmniej jednemu cyklowi przemywania w celu usunięcia resztkowego roztworu cukru z ciała stałego. Cykl przemywania obejmuje przemywanie produktu stałego odpowiednią cieczą do przemywania. Cieczą do przemywania może być woda. Zwykle wodą do przemywania jest woda zawracana, na przykład woda, która została oddzielona z cieczy podestylacyjnej w odzysku destylacyjnym produktu fermentacji, z której usunię to zawieszone ciała stał e.

Ciekły hydrolizat, który zawiera cukry i kwas, może następnie być zebrany do dalszego przetwarzania. Jeśli pierwszym polisacharydem jest hemiceluloza, to uzyskany hydrolizat stanowi na ogół cukry C5, a jeśli drugim polisacharydem jest celuloza, to hydrolizat stanowią na ogół cukry C6.

W każ dym przypadku jest istotne skorygowanie pH wodnych płynów cukrowych do pH o wartoś ci co najmniej 4. Korekcja pH moż e być wykonana przez dodanie zasady lub przez uż ycie żywicy jonowymiennej, która jest zdolna do neutralizacji kwasu. Korzystnie pH zakwaszonego wodnego płynu cukrowego, który powstaje w procesie trawienia, jest korygowane do pH o wartości co najmniej 10 przez dodanie materiału zasadowego, takiego jak węglan sodu, a następnie dalszym korygowaniu pH do bardziej neutralnego lub lekko kwaśnego pH. Wskazane, aby pH zostało skorygowane do wartości pomiędzy 10 i 12, korzystnie około 11, przez dodanie zasady, a następnie zmiareczkowanie do pH 4-5, korzystnie pH około 4,5.

Alternatywnie kwas może być usunięty z płynu drogą przepuszczania hydrolizatu przez złoże perełek żywicy celem usunięcia kwasu. Wodny strumień cukrowy, który korzystnie zawiera co najmniej 98% cukru obecnego w hydrolizacie, może być następnie odzyskiwany.

Po oddzieleniu kwasu z wodnego strumienia cukrowego, kwas korzystnie zatęża się do ponownego użycia, na przykład przez odparowanie.

Proces fermentacji według niniejszego wynalazku zwykle polega na pozostawieniu biegnącej fermentacji na 3 do 5 dni. Lotne produkty fermentacji mogą być w sposób ciągły usuwane przez ditlenek węgla recyrkulujący przez chłodzoną kolumnę kondensacyjną. Dogodnie produkty fermentacji są zbierane z kolumny kondensacyjnej po trzech do pięciu dniach, a następnie destylowane. Korzystnie

PL 208 652 B1 lotne produkty fermentacji są oddzielane z bulionu przez wprowadzanie bulionu, zawierającego produkty fermentacji, do stadium destylacji, gdzie związek pofermentacyjny jest zbierany jako destylat, a pozostał e resztki podestylacyjne są usuwane. Mikroorganizmy mogą być oddzielane z bulionu fermentacyjnego lub korzystnie z resztek podestylacyjnych, korzystnie przez wirowanie i mogą być zawracane do ponownego użycia. W jednym z korzystnych aspektów według wynalazku, produkt fermentacji jest oddzielany z bulionu przez wprowadzanie bulionu zawierającego produkt fermentacji do stadium zatężania, w którym związek pofermentacyjny jest zbierany w koncentracie i ekstrahowany co najmniej jednym środkiem wybranym z grupy obejmującej żywice jonowymienną, ekstrakcję rozpuszczalnikową i elektrodializę.

Proces może być wykorzystywany do wytwarzania licznych produktów fermentacji, ale korzystnie produkt fermentacji jest wybrany z grupy obejmującej etanol, glicerol, aceton, n-butanol, butanodiol, izo-propanol, kwas masłowy, metan, kwas cytrynowy, kwas fumarowy, kwas mlekowy, kwas propionowy, kwas bursztynowy, kwas itakonowy, kwas octowy, aldehyd octowy, kwas 3-hydroksypropionowy, kwas glukonowy, kwas winowy i aminokwasy, takie jak kwas L-glutarowy, L-lizyna, kwas L-asparaginowy, L-tryptofan, L-aryloglicyny lub sole którychkolwiek z tych kwasów.

Mikroorganizmami stosowanymi w procesie fermentacji według niniejszego wynalazku mogą być na przykład drożdże, takie jak gatunku Klyveromyces, gatunku Candida, gatunku Pichia, gatunku Brettanomyces, gatunku Saccharomyces, takie jak Saccharomyces cerevisiae i Saccharomyces uvarum, gatunku Hansenula i gatunku Pachysolen. Alternatywnie mikroorganizmem może być gatunek bakteryjny, taki jak Leuconostoc, Enterobacter, Klebsiella, Erwinia, Serratia, Lactobacillus, Lactococcus, Pediococcus, Clostridium, Acetobacter, Gluconobacter, Lactobacillus, Aspergillus, Propionibacterium, Rhizopus i Zymomonas mobilis. W dodatku mogą być także stosowane szczepy modyfikowane genetycznie.

Ponieważ produkt stały na ogół zawiera ligninę i podobne materiały, to może być szczególnie trudne oddzielenie go od płynu. Nieoczekiwanie wykazaliśmy, że wytwarzanie produktu fermentacji może być znacznie ulepszone wskutek zastosowania co najmniej jednego środka flokulującego do oddzielenia hydrolizatu od produktu stałego. Stwierdziliśmy, że produkt stały może być bardziej skutecznie odwadniany tym sposobem i można uzyskiwać większy udział ciał stałych w placku. Ponieważ produkt stały może być bardziej skutecznie odwadniany, to ogranicza to wymagania co do wydajności sprzętu do oddzielania, a więc może być stosowany sprzęt mniej kapitałochłonny i mniej kosztowny w eksploatacji, taki jak prasa filtracyjna. Ponieważ można uzyskiwać wię kszy udział ciał stał ych w placku, to mniej kwaś nego roztworu cukrowego pozostaje w resztkowych ubocznych produktach stałych. A zatem i ilość wody wymagana do przemywania stałego produktu ubocznego, celem uwolnienia od kwaśnego roztworu cukrowego, jest znacznie zmniejszona, co polepsza zdolność przetwórczą i wydajność procesu.

Odpowiedni środek flokulujący jest wybrany z grupy obejmującej rozpuszczalne w wodzie lub pęczniejące w wodzie naturalne, pół-syntetyczne i syntetyczne polimery. Korzystnie polimer jest syntetyczny i może być tworzony przez polimeryzację co najmniej jednego kationowego, niejonowego albo i/lub anionowego monomeru(monomerów) lub z innymi rozpuszczalnymi w wodzie monomerami. Przez rozpuszczalny w wodzie należy rozumieć, że monomer wykazuje rozpuszczalność co najmniej 5 g/100 ml w 25°C.

Korzystne polimerowe środki flokulujące są tworzone z etylenowo nienasyconych rozpuszczalnych w wodzie monomerów, które łatwo polimeryzują z wytworzeniem polimerów o wysokich ciężarach cząsteczkowych. Szczególnie korzystne polimery zawierają monomery, które są wybrane z grupy obejmującej sole poliakrylanowe, poliakrylamid, kopolimery akrylamidu z kwasem (met)akrylowym lub jego solami, kopolimery akrylamidu z (met)akrylanem dialkiloaminoalkilu, lub sole addycyjne z kwasami lub czwartorzędowe sole amoniowe, polimery chlorku diallilometyloamoniowego, poliaminy i polietylenoiminy. Polimery mogą być liniowe, rozgałęzione lub sieciowane.

Polimery mogą być wytworzone według dowolnego dogodnego sposobu, na przykład przez polimeryzację roztworową, polimeryzacje żelową, polimeryzację zawiesinową w fazie odwróconej i polimeryzację emulsyjn ą w fazie odwróconej. Odpowiednie sposoby obejmują te ujawnione w EP-A-150933 lub EP-A-102759.

Odpowiednimi polimerami są polimery anionowe, kationowe i niejonowe. Korzystnymi polimerami są polimery niejonowe i kationowe o wystarczająco wysokim ciężarze cząsteczkowym, takie, które wykazują lepkość istotną co najmniej 4 dl/g. Taka lepkość istotna na ogół wskazuje na polimer o ciężarze cząsteczkowym kilku milionów, na przykład na ogół większym od 5000000, a zwykle

PL 208 652 B1 co najmniej 7000000. Na ogół polimer korzystnie wykazuje lepkość istotną większą od 6 dl/g, często co najmniej 8 lub 9 dl/g. Lepkość istotna może wynosić nawet 30 dl/g lub więcej. W wielu przypadkach jednakże odpowiednie polimery kationowe wykazują lepkość istotną w zakresie 7-25 dl/g, zwłaszcza 10-20 dl/g, w szczególności około 14 lub 15 dl/g.

Odpowiednie kationowe monomery obejmują sole czwartorzędowe lub sole z kwasami monomerów, które zawierają grupy aminowe. Korzystnie polimer kationowy jest tworzony z monomeru lub mieszanki monomerów zawierającej co najmniej jeden kationowy monomer wybrany z grupy obejmującej czwartorzędowe sole amoniowe i sole z kwasami (met)akrylanu dimetyloaminoetylu, czwartorzędowe sole amoniowe i sole z kwasami dimetyloaminoetylo(met)akrylamidu i chlorek diallilometyloamoniowy. Monomery kationowe mogą być homopolimeryzowane lub kopolimeryzowane z innymi monomerami, na przykład akrylamidem. Zatem polimery kationowe mogą być polimerami, które zawierają fragment kationowy, pod warunkiem, że oczywiście mają wystarczająco wysoki ciężar cząsteczkowy, aby wykazywać lepkość istotną co najmniej 4 dl/g. Lepkość istotna jest mierzona z uż yciem wiskozymetru z zawieszonym poziomem w 1M NaCI buforowanym do pH 7,5 w 25°C.

Polimery kationowe według wynalazku mogą być wytwarzane jako zasadniczo liniowe polimery lub jako polimery rozgałęzione lub strukturowane. Polimery strukturowane lub rozgałęzione są zwykle wytwarzane przez dołączenie poli-etylenowo-nienasyconych monomerów, takich jak metyleno-bis-akrylamid do mieszanki monomerowej, na przykład jak podano w EP-B-202780. Korzystnie jednak polimery są zasadniczo liniowe i są otrzymywane w postaci perełek lub produktu proszkowego.

Dogodnie polimerowy środek flokulujący może być dodawany jako wodny roztwór lub jako wodna dyspersja. Polimer może być dodawany w ilości wystarczającej do uzyskania flokulacji. Zwykle ilość polimerowego środka flokulującego wystarczającego do wywołania flokulacji wynosiłaby co najmniej 0,002% wagowych względem ciężaru zawieszonych ciał stałych. Zwykle lepszą flokulację a zatem i oddzielanie można uzyskać jeśli stosuje się co najmniej 0,01%. Dawka może być istotnie większa, na przykład do 1%. Jednakże optymalną flokulację i oddzielanie zwykle uzyskuje się z uż yciem dawek w zakresie 0,015% do 0,2%, zwł aszcza 0,02% do 0,1%. Po flokulacji zawieszonych ciał stałych, stały produkt można oddzielić od wodnego płynu hydrolizatu za pomocą środków mechanicznych, na przykład prasy filtracyjnej, wirówki, prasy taśmowej, horyzontalnego filtra taśmowego lub filtra ciśnieniowego. Działanie środka flokulującego znacznie zwiększa oddzielanie ciał stałych od płynu w porównaniu z oddzielaniem z użyciem wyłącznie środków mechanicznych. Wykazaliśmy, że proces według niniejszego wynalazku dostarcza placki o większym udziale ciał stałych przy wychwytywaniu mniejszej ilości wodnego płynu, co oznacza, że większy udział płynu cukrowego jest dostępny do konwersji do produktu fermentacji. Podobnie stwierdziliśmy, że płyn wodny zawiera znacznie mniej zewnętrznych zawieszonych materiałów celulozowych. Ponadto stwierdziliśmy, że mniejsze jest zapotrzebowanie na wodę do przemywania.

Produkt stały z etapu oddzielania powinien być możliwie suchy, aby uniknąć jakichkolwiek strat cukru, gdyż ten nie zostałby wprowadzony do procesu fermentacji.

W kolejnej praktycznej realizacji według niniejszego wynalazku, środkiem flokulującym jest naładowany materiał mikroziarnisty. Szczególnie odpowiednie przykłady naładowanych materiałów mikroziarnistych obejmują pęczniejące glinki, anionowe, kationowe lub amfoteryczne mikroziarniste materiały krzemionkowe i organiczne sieciowane mikrocząstki polimerowe.

Materiałem krzemionkowym może być dowolny z materiałów wybranych z grupy obejmującej cząstki krzemionkowe, mikrożele krzemionkowe, krzemionkę koloidalną, zole krzemionkowe, żele krzemionkowe, polikrzemiany, glinokrzemiany, poliglinokrzemiany, borokrzemiany, poliborokrzemiany, zeolity lub pęczniejącą glinkę.

Materiał krzemionkowy może mieć postać anionowego materiału mikroziarnistego. Alternatywnie materiałem krzemionkowym może być krzemionka kationowa. Dogodnie materiał krzemionkowy może być wybrany spośród krzemionek i polikrzemianów.

Polikrzemiany według wynalazku mogą być wytworzone poprzez obniżenie pH wodnego roztworu krzemianu metalu alkalicznego. Na przykład mikrożele kwasu polikrzemowego zwane inaczej krzemionką aktywną mogą być otrzymane przez zakwaszenie krzemianu metalu alkalicznego do pH pomiędzy 2 i 10 z użyciem kwasów mineralnych lub kwaśnych żywic jonowymiennych, soli kwasów i kwaś nych gazów. Moż e być wskazane starzenie śwież o utworzonego kwasu polikrzemowego w celu umożliwienia utworzenia wystarczającej sieci trójwymiarowej. Na ogół czas starzenia jest niewystarczający dla zżelowania kwasu polikrzemowego. Szczególnie korzystnymi materiałami krzemionkowymi są poliglinokrzemiany. Poliglinokrzemianami może być na przykład glinowany kwas polikrzemowy

PL 208 652 B1 wytworzony przez uprzednie wytworzenie mikrocząstek kwasu polikrzemowego a następnie przez traktowanie ich solami glinu. Alternatywnie poliglinokrzemianami mogą być poliziarniste mikrożele polikrzemowe o obszarze powierzchni przekraczającym 1000 m²/g tworzone w reakcji krzemianu metalu alkalicznego z kwasem i rozpuszczalnymi w wodzie solami glinu. Zazwyczaj poliglinokrzemiany wykazują proporcję molową glin:krzem pomiędzy 1:10 i 1:1500.

Poliglinokrzemiany mogą być tworzone przez obniżanie pH wodnego roztworu krzemianu metalu alkalicznego do pH między 2 i 10 z użyciem stężonego kwasu siarkowego zawierającego 0,2 do 2,0% wagowych rozpuszczalnej w wodzie soli glinu, na przykład siarczanu glinu. Roztwór wodny może być starzony, wystarczająco aby utworzył się trójwymiarowy mikrożel. Zazwyczaj poliglinokrzemian jest starzony przez około dwie i pół godziny, zanim wodny polikrzemian nie zostanie rozcieńczony do 0,5% wagowego krzemionki.

Materiałem krzemionkowym może być koloidalny borokrzemian. Koloidalny borokrzemian można otrzymać przez zetknięcie rozcieńczonego wodnego roztworu krzemianu metalu alkalicznego z kationową ż ywica jonowymienną z wytworzeniem kwasu krzemowego, a nastę pnie wytworzenie nawarstwiania przez mieszanie łączne rozcieńczonego roztworu boranu metalu alkalicznego z wodorotlenkiem metalu alkalicznego z utworzeniem wodnego roztworu zawierają cego 0,01 do 30% B2O3 o pH od 7 do 10,5.

Pęczniejące glinki mogą na przykład być zwykle glinką typu bentonitu. Korzystne glinki są glinkami pęczniejącymi w wodzie i obejmują glinki, które naturalnie pęcznieją w wodzie lub glinki, które mogą być modyfikowane, na przykład droga wymiany jonowej, aby uczynić je pęczniejącymi w wodzie. Odpowiednie glinki pę czniejące w wodzie obejmują , nie ograniczają c zakresu, glinki czę sto powoływane, takie jak hektoryt, smektyty, montmorylonity, nontronity, saponit, saukonit, hormity, atapulgity i sepiolity.

Najkorzystniej glinką jest glinka bentonitowa. Bentonit może być dostarczony jako bentonit metalu alkalicznego. Bentonity występują naturalnie jako sól bentonitu i metalu alkalicznego, taka jak bentonit sodowy lub sól metalu ziem alkalicznych, zwykle sól wapniowa lub magnezowa. Na ogół bentonity metali ziem alkalicznych są aktywowane działaniem węglanu sodu lub kwaśnego węglanu sodu. Aktywowana pęczniejąca glinka bentonitowa jest często dostarczana jako suchy proszek. Alternatywnie bentonit może być dostarczony jako płynna zawiesina o wysokiej zawartości ciał stałych, na przykład co najmniej 15 lub 20% ciał stałych.

Jeśli naładowany materiał mikroziarnisty zawiera organiczne sieciowane polimerowe mikrocząstki. Mikrocząstki mogą być wytworzone jako mikroemulsje sposobem wykorzystującym wodny roztwór zawierający kationowy lub anionowy monomer i reagent sieciujący; olej zawierający nasycony węglowodór; i skuteczną ilość surfaktanta wystarczającą do wytworzenia cząstek mniejszych od 0,75 mikrona przeciętnej, niespęczniałej, wielkości średnicy. Mikroperełki są także wytwarzane jako mikrożele według procedur ujawnionych przez Ying Huang i współpr., Makromol. Chem., 186, 273-281 (1985) lub mogą być pozyskane komercyjnie jako mikrosieci. Termin „mikrocząstka” niniejszym używany winien obejmować wszystkie te konfiguracje, tj. perełki jako takie, mikrożele i mikrosieci. Naładowany materiał mikrocząstkowy może być użyty w ilości co najmniej 0,002% względem ciężaru zawieszonych ciał stałych. Zwykle jednak te dawki wynoszą nawet 0,8 lub 1,0% lub więcej. Jeśli naładowany materiał mikrocząstkowy jest nieorganiczny, dawka zwykle przekracza 0,06%, korzystnie wynosi 0,1-0,6%. Jeśli naładowany materiał mikrocząstkowy jest organiczny, dawka zwykle jest niższa od 0,3%, korzystnie wynosi 0,02-0,1%.

Nieoczekiwanie wykazaliśmy, że płyn hydrolizatu może być oddzielony szczególnie szybko, jeśli flokulacja jest dokonywana z wykorzystaniem rozpuszczalnego w wodzie lub pęczniejącego w wodzie polimeru i naładowanego materiału mikroziarnistego. W jednym z aspektów stwierdziliśmy, że szczególnie skuteczną flokulację i oddzielenie ciał stałych od płynu uzyskuje się, gdy flokulację przeprowadza się wprowadzając anionowy materiał mikroziarnisty do mieszaniny, a następnie reflokuluje dodając kationowy lub zasadniczo niejonowy polimer. W kolejnej praktycznej realizacji według niniejszego wynalazku, stwierdziliśmy, ze szczególnie szybkie i skutecznie oddzielenie ciał stałych uzyskuje się w procesie, w którym flokulację przeprowadza się wprowadzając do mieszaniny kationowy polimer a następnie reflokulując przez dodanie anionowego materiału mikroziarnistego.

Poniższe przykłady ilustrują wynalazek.

P r z y k ł a d 1

Hydroliza wstępna. Mielone zrębki drewna paruje się parą pod niskim ciśnieniem do około 100°C. Po parowaniu rozcieńczono stężony kwas siarkowy dodaje się do mieszaniny do uzyskania

PL 208 652 B1 zawartości 0,52% kwasu i 22% ciał stałych w reaktorze. Mieszaninę następnie podgrzewa się parowo do 175°C przez 15 minut. Mieszaninę szybko chłodzi się przez 15 minut usuwając 6,5% kwasu octowego oraz 61% furfuralu i hydroksymetylofurfuralu.

Oddzielanie. 26% nierozpuszczonych ciał znajdujących się we wstępnie hydrolizowanej zawiesinie (zawierającej 0,38% kwasu siarkowego) oddziela się na prasie filtracyjnej. Przed przyłożeniem ciśnienia do strumienia surowca dodaje się flokulant lub flokulanty (do poziomu 0,2-0,5% ciał stałych) i/lub zawiesiny cząstek (do poziomu 0,2-0,5% ciał stałych) przy niezbędnym mieszaniu, w dawce 0,2 do 2 kg na tonę ciał stałych. Flokulanty zwiększają szybkość swobodnego odwadniania grawitacyjnego przez porowatą taśmę, przed utworzeniem placka filtracyjnego w strefie klinowej i dalszego odwadniania w strefie ciśnieniowej. Sposób zmniejszania toksyn pozostałych we frakcji ciekłej polega na przemywaniu (zawracaną) wodą.

Po wymianie jonowej w celu usunięcia kwasu octowego, frakcje ciekłą hydrolizatu zakwasza się do pH 2 dodając kwas siarkowy. Następnie dodaje się wapno aby podnieść pH do 10 i płyn ogrzewa do 50°C. Ciecz następnie koryguje się do pH fermentacji 4,5, przez 4 godziny, aby utworzyły się kryształy gipsu do oddzielenia drogą filtracji.

Jednoczesne cukrzenie i współ-fermentacja (SSCF). Odtruwane i rozcieńczone hydrolizowane ciała stałe rozszczepia się na fermentacje celulazowe, szczepione wytwarzanie Z. Mobilis i fermentory SSCF. Strumień zasilający hydrolizatu stanowi 22% połączenie rozpuszczalnych i nierozpuszczalnych ciał stałych. Część pozostałości hydrolizowanych ciał stałych, która jest odłączana do wytwarzania Z. mobilis do zaszczepiania, wynosi 10%. Część hydrolizatu odłączana do wytwarzania celulazy jest zależna od wydajności celulazy od ilości obecnej celulozy i ksylozy oraz od wymaganego obciążenia enzymu w SSCF. Do wytwarzania celulazy zestawia się wstępnie hydrolizowany płyn hydrolizatu z uzdatnionymi ciałami stałymi, zawracaną wodę, wyciąg namokowy kukurydzy (do 1%) oraz składniki żywieniowe ((NH4)2SO4, KH2PO4, MgSO4.7H2O, CaCI2.2H2O i Tween 80) oraz olej kukurydziany jako środek przeciwpieniący (0,1% obj./obj.), do finalnego stężenia celulozy 4%. Proces z użyciem tego wsadu następnie biegnie 160 godzin w 28°C z wytworzeniem celulazy. Do SSCF odtrutą zawiesinę hydrolizatu (22% całkowitej zawartości stałej) chłodzi się do 30°C i dodaje do fermentora łącznie z 10% (obj./obj.) materiału inokulacyjnego. Dodaje się wyciąg namokowy kukurydzy do 0,25% i celulazę do finalnego stężenia 15 FPU/g celulozy i wstępnego stężenia celulozy 22%. Fermentacja SSCF, w której celuloza jest przekształcana w fermentowalne cukry przez celulazę, a fermentowalne cukry przekształcane w etanol przez Z. mobilis trwa 7 dni.

P r z y k ł a d 2

Hydroliza wstępna. Wióry drewna iglastego o suchej zawartości stałej 48% dodaje się do 400 g wody i ogrzewa do 190°C. W 190°C dodaje się kwas siarkowy do stężenia 0,7% pod nadciśnieniem azotu i mieszaninę zostawia na 3 minuty. Temperaturę szybko obniża się do 80°C i nierozpuszczalne ciała w zawiesinie (zawierającej 0,32% kwasu siarkowego) oddziela się na prasie filtracyjnej. Przed przyłożeniem ciśnienia podaje się roztwory flokulanta lub flokulantów (do poziomu 0,2 do 0,5% ciał stałych) i/lub zawiesiny cząstek (do poziomu 0,5 do 15% ciał stałych) przy niezbędnym mieszaniu w dawce 0,2 do 2 kg na tonę ciał stał ych.

Hydroliza enzymatyczna. Do oddzielonej wstępnie zhydrolizowanej masy stałej dodaje się wodę wodociągową celem skorygowania zawartości suchej masy w zawiesinie do 7,5% (wag./wag.). pH koryguje się do 4,8 wodorotlenkiem wapnia a następnie stosuje się 10% (wag./wag.) wodorotlenek sodu do utrzymania pH = 4,8 w trakcie hydrolizy. Aby przeprowadzić hydrolizę dodaje się celulazę (aktywność 75 FPU/g) w dawce 0,175 g/g materiału włóknistego uzupełnioną 0,025 g/g celobiazy (aktywność β-galaktozydazy 400 lU/g). Hydrolizę prowadzi się przez 4 dni. Resztki stałe oddziela się na prasie filtracyjnej. Przed przyłożeniem ciśnienia do zawiesiny dodaje się roztwory flokulanta lub flokulantów (do poziomu 0,2 do 0,5% ciał stałych) i/lub zawiesiny cząstek (do poziomu 0,5 do 15% ciał stałych) przy niezbędnym mieszaniu w dawce 0,2 do 10 kg na tonę ciał stałych.

Fermentacja. Hydrolizat uzupełnia się do finalnego stężenia 0,5 g/l (NH4)2SO4 i 0,025 g/l MgSO4.7H2O i inokuluje drożdżami do stężenia 1% (wag./obj.). Fermentację prowadzi się w 30°C przy pH 4,8 dodając 10% (wag./wag.) wodorotlenek sodu.

P r z y k ł a d 3

Oddzielanie kwasu i cukru od produktu fermentacji według wynalazku oceniono z użyciem oprzyrządowania, a otrzymane wyniki przedstawiono w oparciu o załączone rysunki, na których:

fig. 1 stanowi schematyczny przekrój osiowy strzykawki, fig. 2 przedstawia strzykawkę z fig. 1 zawierającą badana próbkę,

PL 208 652 B1 fig. 3 ilustruje wprowadzanie flokulanta do próbki, fig. 4 przedstawia urządzenie testowe w rzucie pionowym częściowego przekroju, fig. 5 stanowi widok z góry częściowego przekroju urządzenia z fig. 4, fig. 6 i 7 są przekrojami pionowymi urządzenia do oddzielania cieczy od próbki, fig. 8 stanowi wykres przedstawiający całkowite przewodnictwo, które wynika z usunięcia kwasu z oddzielonej cieczy, oraz fig. 9 stanowi wykres zbiorczej ilości usuniętego cukru w oddzielonej cieczy.

Powołując fig. 1 rysunku, otwarte zakończenie obudowy strzykawki 10 kołowego widoku jest przystosowane do przyjmowania tłoków 12 i 14 strzykawki w każdym otwartym zakończeniu 16 i 18, odpowiednio.

Jak przedstawiono na fig. 2, badana próbka 20 hydrolizatu, ewentualnie łącznie z pewną podporą, jest umieszczana w obudowie strzykawki zasadniczo w środkowej części i utrzymywana w miejscu przez tłoki 12 i 14. Strzykawka łącznie z próbką jest inkubowana przez okres czasu, na przykład 15 minut, w temperaturze, zwykle około 90°C. Po inkubacji, jeden tłok wyciąga się ze strzykawki i jak pokazano na fig. 3 wprowadza się flokulant 24 polimerowy do próbki za pomocą pipety 22. Wyjęty tłok umieszcza się z powrotem i strzykawkę wstrząsa się, aby zapewnić rozprowadzenie polimeru w próbce. Strzykawkę inkubuje się ponownie, na przykład przez około 10 minut w temperaturze na przykład 90°C.

Szybkość, z jaką ciecz oddziela się od ciał stałych, może teraz być zmierzona z użyciem urządzenia przedstawionego na fig. 4 i 5. Składa się ono z pionowo ustawionej rury 30 dopasowanej do przyjęcia strzykawki w swym górnym końcu. Dolny koniec rury 30 jest umieszczony tuż nad sączkiem papierowym 32. Styki 34 są umieszczone na sączku i przystosowane do podawania sygnału do timera 36, aby uruchomić timer, gdy ciecz dotrze z rury do styków 34. Dodatkowy styk 38 połączony z timerem ma za zadanie wyłączyć timer, gdy ciecz z rury osiągnie styk 38. A zatem urządzenie mierzy czas niezbędny, aby ciecz dotarła przez sączek papierowy od stylu 34 do stylu 38. Czas ten jest nazywany czasem zasysania kapilarnego (CST) i stanowi miarę szybkości oddzielania cieczy od ciał stałych w próbce badanej.

Aby uzyskać CST dla próbki, jeden tłok usuwa się a strzykawkę wprowadza się do rury 30, drugi tłok wsuwa się w obudowę strzykawki, aby doprowadzić do zetknięcia próbki z sączkiem papierowym 32, jak zilustrowano na fig. 4. Ciecz oddzielona z próbki rozchodzi się przez sączek papierowy w kierunku zewnętrznym od zetknięcia próbki z filtrem papierowym, uruchamiając timer gdy dociera do styków 34 i zatrzymując timer, gdy dociera do styku 38.

Przy użyciu przedstawionego przyrządu wyznaczono CST dla 5 g próbek hydrolizatu, do których dodano polimer flokulujący, jak podano w poniższej tablicy. Docelowy CST wynosił 98,8.

Dodatek polimeru	CST w sekundach
Próba kontrolna + 100 μl H2O	127,9
100 μl polimeru 1	91,8

Polimerem 1 jest homopolimer akrylamidowy o IV około 14 dl-g.

P r z y k ł a d 4

Postępując według procedury przedstawionej w odniesieniu do fig. 1-3, po drugim inkubowaniu jeden z tłoków usuwa się ze strzykawki i jak pokazano na fig. 6 i 7 otwarty koniec strzykawki wprowadza się w otwór większej strzykawki 40 mającej perforowana podstawę 42 do wspierania sita 44. Cylinder odbieralnika 46 jest umieszczony wokół dolnego końca strzykawki 40 a zespół strzykawki 40 i cylinder 46 są montowane w kolbie 48 podłączonej do próżni. Próbkę przemywa się a filtrat 52 zbierany w cylindrze odbieralnika może być poddany badaniu.

Przyrząd, w odniesieniu do fig. 6 i 7, został użyty do badania oddzielania kwasu i cukru z próbki hydrolizatu traktowanej według wynalazku.

g hydrolizatu pochodzącego ze słomy kukurydzianej umieszcza się w obudowie 10 strzykawki łącznie z pewną podporą i utrzymuje w miejscu tłokami w podczas inkubacji. Do próbki wprowadza się pipetą 0,1 ml 1% roztworu polimeru 1, jak pokazano na fig. 2. Po drugiej inkubacji próbkę i flokulant przenosi się z obudowy 10 strzykawki do strzykawki 40, w której 58 mikronowe sito zostało umieszczone na perforowanej podstawie 42. Do strzykawki daje się 10 ml wody do przemywania i podłącza próżnię. Przewodność filtratu mierzy się dla każdego 1 ml cieczy pozyskanej, a całościowe wyniki przewodnictwa przedstawia wykres na fig. 8, który także podaje wyniki uzyskane dla próbki kontrolnej.

PL 208 652 B1

Jak można dostrzec, wprowadzenie flokulanta powoduje gwałtowne zwiększenie przewodności po dodaniu wody do przemywania, co wskazuje na usuwanie kwasu.

Figura 9 pokazuje zwiększenie stężenia cukru w filtracie po dodaniu wody przemywającej.

P r z y k ł a d 5

Postępując według tej samej procedury jak w przykładzie 4, oszacowano ilość odzyskanego cukru dla dwóch różnych polimerów przy dwóch różnych stężeniach polimerów. Testy przeprowadzono dwukrotnie dla każdego stężenia, a wyniki przedstawiono w poniższej tablicy 1.

Polimerem 2 jest kopolimer 8% akrylanu sodu, 92% akrylamidu, o IV około 9 dl/g.

Stężenie polimeru

	200 ppm	600 ppm
Próba kontrolna	190 mg 7,8 ml	181 mg 7,4 ml	249 mg 8,3 ml	237 mg 7,8 ml
Polimer 2	211 mg 7,4 ml	200 mg 7,0 ml	257 mg 8,1 ml	244 mg 7,7 ml
Polimer 1	386 mg 7,2 ml	367 mg 6,8 ml	246 mg 8,9 ml	233 mg 8,5 ml

Polimerem 2 jest kopolimer 8% akrylanu sodu, 92% akrylamidu, o IV około 9 dl/g.

Powyższe wyniki są oparte na odzysku około 95% wody z przemywania.

Po przeliczeniu fig. przy założeniu teoretycznym, że odzyskuje się 10 ml wody z przemywania, wyniki są następujące.

Stężenie polimeru

	200 ppm	600 ppm
Próba kontrolna	243 mg	231 mg	300 mg	285 mg
Polimer 2	285 mg	271 mg	317 mg	301 mg
Polimer 1	536 mg	509 mg	276 mg	262 mg

Zastrzeżenia patentowe

Claims (20)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania produktu fermentacji obejmujący etapy, w których:

   (i) tworzy się zakwaszoną zawiesinę celulozowego ziarnistego materiału pochodzenia roślinnego zawierającego hemicelulozę jako pierwszy polisacharyd, który łatwiej hydrolizuje, oraz celulozę jako drugi polisacharyd, który trudniej hydrolizuje, (ii) poddaje się pierwszy polisacharyd hydrolizie pod działaniem kwasu o pKa niższym od 4 i o stężeniu do 2% wagowych, w temperaturze co najmniej 50°C, w których to warunkach pierwszy polisacharyd hydrolizuje i tworzy się mieszaninę roztworu wodnego zawierającego rozpuszczony cukier oraz stałej pozostałości zawierającej drugi polisacharyd, (iii) poddaje się mieszaninę jednej lub kilku operacjom separacji, w których stała pozostałość i roztwór wodny cukru są oddzielane od siebie, (iv) ewentualnie przemywa się pozostałość pozbawioną kwasu i cukru, (v) koryguje się pH roztworu wodnego do co najmniej 4, (vi) przeprowadza się roztwór wodny z etapu (iv) do stadium fermentacji, w którym rozpuszczone cukry pod działaniem mikroorganizmu w bulionie fermentacyjnym przekształca się w produkt fermentacji, (vii) kontaktuje się drugi polisacharyd z enzymem, który to enzym hydrolizuje drugi polisacharyd na cukry składowe i poddaje się cukry składowe działaniu mikroorganizmu w bulionie fermentacyjnym z wytworzenia produktu fermentacji, (viii) oddziela się produkt fermentacji od bulionu, znamienny tym, że stadium/stadia separacji w etapie (iii) wspomaga się przez flokulację stałego produktu ubocznego, przy czym stosuje się co najmniej jeden środek flokulujący wybrany z grupy

   PL 208 652 B1 obejmującej rozpuszczalne w wodzie polimery, pęczniejące w wodzie polimery, oraz naładowane materiały mikroziarniste.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stałą pozostałość z etapu (iv) zawierającą drugi polisacharyd dzieli się na strumień główny i strumień drugorzędny i przepuszcza się główny strumień bezpośrednio do stadium fermentacji, natomiast strumień drugorzędny pozostałości polisacharydowej wprowadza się do stadium wytwarzania enzymu, w którym wytwarza się enzym przez pozostawienie grzyba do działania na pozostałość polisacharydu, co prowadzi do wytworzenia enzymu i cukrów wskutek przekształcenia drugiego polisacharydu zawartego w drugorzędnym strumieniu, a nastę pnie enzym i cukry z etapu (vi) wprowadza się do stadium fermentacji, w którym enzym dzia ł a na drugi polisacharyd w naczyniu fermentacyjnym i prowadzi się hydrolizę drugiego polisacharydu do cukrów składowych.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stałą pozostałość z etapu (iv) zawierającą drugi polisacharyd wprowadza się do stadium obróbki enzymem, w którym to stadium wytwarza się enzym przez umożliwienie rozwoju grzyba na polisacharydzie i wymienionym enzymem prowadzi się hydrolizę polisacharydu na cukry składowe, a następnie wprowadza się uzyskane cukry do stadium fermentacji, w którym cukry przekształca się w produkt fermentacji.
4. 4. Sposób według zastrz. 1-3, znamienny tym, ż e stosuje się materia ł pochodzenia roś linnego stanowiący materiały wybrane z grupy obejmującej biomasę zieloną, biomasę drewna z drzew iglastych, biomasę drewna z drzew liściastych, szlam ściekowy, szlam papierniczy i biomasę części odpadów komunalnych.
5. 5. Sposób według zastrz. 1-3, znamienny tym, że stosuje się kwas wybrany spośród kwasu siarkowego i kwasu solnego.
6. 6. Sposób według zastrz. 1-3, znamienny tym, ż e hydrolizę pierwszego polisacharydu przeprowadza się w temperaturze między 120 a 220°C przez okres od 1 minuty do 15 minut.
7. 7. Sposób wedł ug zastrz. 1-3, znamienny tym, ż e stosuje się ś rodek flokulują cy wybrany z grupy obejmują cej rozpuszczalne w wodzie lub pę cznieją ce w wodzie naturalne, pół syntetyczne i syntetyczne polimery.
8. 8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że polimer tworzy się z monomeru rozpuszczalnego w wodzie lub mieszanki monomerów.
9. 9. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że polimer jest wybrany z grupy obejmującej sole poliakrylanowe, poliakrylamid, kopolimery akrylamidu z kwasem (met)akrylowym lub jego solami, kopolimery akrylamidu z (met)akrylanem dialkiloaminoalkilu, lub sole addycyjne z kwasami lub czwartorzędowe sole amoniowe, polimery chlorku diallilometyloamoniowego, poliaminy i polietylenoiminy.
10. 10. Sposób według zastrz. 1-3, znamienny tym, że stosuje się środek flokulujący, którym jest naładowany materiał mikroziarnisty.
11. 11. Sposób według zastrz. 10, znamienny tym, że naładowany materiał mikroziarnisty jest wybrany z grupy obejmującej pęczniejące glinki, anionowe, kationowe lub amfoteryczne mikroziarniste materiały krzemionkowe i organiczne sieciowane mikrocząstki polimerowe.
12. 12. Sposób według zastrz. 1-3, znamienny tym, że mieszaninę poddaje się flokulacji z użyciem rozpuszczalnego w wodzie lub pęczniejącego w wodzie polimeru oraz naładowanego materiału mikroziarnistego.
13. 13. Sposób według zastrz. 1-3, znamienny tym, że mieszaninę poddaje się flokulacji, wprowadzając anionowy materiał mikroziarnisty do mieszaniny, a następnie reflokuluje się dodając niejonowy polimer.
14. 14. Sposób według zastrz. 1-3, znamienny tym, że mieszaninę poddaje się flokulacji, wprowadzając kationowy polimer do mieszaniny, a następnie reflokuluje się dodając anionowy materiał mikroziarnisty.
15. 15. Sposób według zastrz. 1-3, znamienny tym, że mieszaninę poddaje się flokulacji, wprowadzając kationowy polimer do mieszaniny, a następnie reflokuluje się dodając anionowy polimer.
16. 16. Sposób według zastrz. 1-3, znamienny tym, że mieszaninę poddaje się flokulacji wprowadzając anionowy polimer do mieszaniny, a następnie reflokuluje się dodając kationowy polimer.
17. 17. Sposób według zastrz. 1-3, znamienny tym, że wytwarza się stały produkt uboczny, którym jest lignina i podobne materiały.
18. 18. Sposób według zastrz. 1-3, znamienny tym, że podczas procesu fermentacji wytwarza się produkt fermentacji wybrany z grupy obejmującej etanol, glicerol, aceton, n-butanol, butanodiol, izopropanol, kwas masłowy, metan, kwas cytrynowy, kwas fumarowy, kwas mlekowy, kwas propionowy,

    PL 208 652 B1 kwas bursztynowy, kwas itakonowy, kwas octowy, aldehyd octowy, kwas 3-hydroksypropionowy, kwas glukonowy, kwas winowy i aminokwasy, takie jak kwas L-glutarowy, L-lizyna, kwas L-asparaginowy, L-tryptofan, L-aryloglicyny lub sole którychkolwiek z tych kwasów.
19. 19. Sposób według zastrz. 1-3, znamienny tym, że produkt fermentacji wydziela się z bulionu przez wprowadzanie bulionu zawierającego produkt fermentacji do stadium destylacji, w którym związek fermentacyjny zbiera się jako destylat, a resztki podestylacyjne usuwa się.
20. 20. Sposób według zastrz. 1-3, znamienny tym, że produkt fermentacji wydziela się z bulionu przez wprowadzanie bulionu zawierającego produkt fermentacji do stadium zatężania, w którym związek fermentacyjny zbiera się w koncentracie i ekstrahuje się co najmniej jednym środkiem wybranym z grupy obejmującej żywicę jonowymienną, ekstrakcję rozpuszczalnikową i elektrodializę.