PL240481B1 - Sposób bezodpadowego otrzymywania bioetanolu, drożdży paszowych i ditlenku węgla oraz układ do wytwarzania tych produktów - Google Patents

Description

PL 240 481 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest bezodpadowy sposób kompleksowego wytwarzania bioetanolu drugiej generacji, drożdży i skroplonego ditlenku węgla.

W praktyce przemysłowej produkcji etanolu oraz drożdży, stosuje się tradycyjny sposób polegający na używaniu jako podstawowego surowca głównie ziarna zbóż i melasy, przy emitowaniu CO2 do atmosfery i niezagospodarowaniu wywaru. Stosuje się również tradycyjną aparaturę technologiczną pracującą periodycznie, co praktycznie uniemożliwia pełną automatyzację tych procesów, a ponadto w tych warunkach osiąga się mniejszą wydajność z jednostki aparatury przy większych kosztach.

Na podstawie przeglądu specjalistycznej literatury oraz oceny stanu techniki można stwierdzić znaczną ilość oryginalnych rozwiązań praktycznych w przedmiotowej problematyce. Znany jest z opisu patentowego Nr 54 026 sposób wytwarzania pełnowartościowej paszy białkowej przez drożdżowanie zacieru ziemniaczanego przy użyciu szczepu Candida utilis. Niedogodnością tego rozwiązania jest relatywnie niska wydajność syntezy substancji drożdżowej, nie przekraczająca poziomu 50%. Jednocześnie, zawartość białka w tymże produkcie stanowi jedynie 45 ^ 50% suchej masy.

Z opisu patentowego PL 56174 znany jest sposób wytwarzania suszu paszowego z serwatki polegający na tym, że serwatkę nanosi się na wysłodki owocowe lub wysłodki buraczane, następnie otrzymany półprodukt suszy się techniką fluidalną, otrzymując w ten sposób preparat o niezadowalającej standaryzacji składu chemicznego i wartości paszowej.

Także z opisu patentowego PL 113414 znany jest sposób przerobu serwatki z dodatkiem wycierki ziemniaczanej na komponenty białkowe do produkcji pasz, charakteryzujący się relatywnie wysokim nakładem energii na proces zatężania wyjściowych surowców, powodując tym samym niekonkurencyjną cenę wytwarzanego produktu.

Ponadto z opisu patentowego PL 129919 znany jest sposób wytwarzania drożdży paszowych z odpadów pochodzenia roślinnego poprzez mikrobiologiczną hydrolizę celulozy oraz polimerów pentozowych i heksozowych. Niedogodnością tego rozwiązania jest brak dostatecznej powtarzalności składu chemicznego i wartości pokarmowej biomasy drożdżowej oraz wysokie koszty produkcji.

Celem wynalazku jest opracowanie prostego, a zarazem uniwersalnego sposobu wytwarzania bioetanolu drugiej generacji, drożdży o wysokiej wartości żywieniowej i skraplanie ditlenku węgla wydzielanego z fermentacji etanolu oraz układu do stosowania tego sposobu.

Wynalazek przewiduje współprodukcję obok etanolu, drożdży paszowych oraz ditlenku węgla i jednocześnie oczyszczenie filtratu i ścieków technologicznych w stopniu umożliwiającym ich pełne wykorzystanie do przygotowania surowców technologicznych, co czyni technologię bezodpadową.

Sposób otrzymywania bioetanolu, drożdży paszowych i ditlenku węgla według wynalazku przedstawiono na schemacie blokowym - Rys. 1

Kiszenie biomasy roślinnej - ułatwia hydrolizę masy przeznaczonej do fermentacji. Wskazane jest to dla roślin łykowatych, takich jak słoma konopna i lniana, a także całych roślin kukurydzy i sucrosorgo.

Rozdrobnione łodygi roślin łykowatych poddaje się gotowaniu w ciągu 0,5 ^ 2 godzin w temperaturze 60 ^ 140°C, zalecane 100°C w wodzie z dodatkiem 5 ^ 15 dm³ wody amoniakalnej 25% na 1 Mg łodyg. Po wystygnięciu masy, do temperatury 20 ^ 32°C zalecane 28°C, zadaje się ją kwaśną serwatką w ilości 50 ^ 250 dm³/1Mg (wskazane 120 dm³/1Mg) i kisi na hałdzie lub przystosowanych „rękawach.

Przedstawiony sposób kiszenia nie jest bezwarunkowy jednak szczególnie wskazany dla roślin łykowatych. Pozostałą biomasę roślinną fermentuje się w sposób tradycyjny.

Proces technologiczny (patrz załączony schemat blokowy procesu technologicznego)

Istota sposobu, według zgłoszonego wynalazku polega na tym, że zmieloną biomasę roślinną, korzystnie wcześniej zakiszoną, miesza się w proporcji masowej 1 do 1,5 z wodą i/lub oczyszczonym filtratem z węzła separacji masy drożdżowej, dodaje kwasu, korzystnie siarkowego i o-fosforowego, do osiągnięcia 2 ^ 5 pH masy, korzystnie ok. 3,5 ± 0,1 pH i podgrzewa w autoklawie przez 20 do 60 min. korzystnie 30 min. do temperatury 100 ^ 140°C korzystnie 110°C.

Masę po reakcji rozdziela się np. na sicie obrotowym (filtracja 03) na roztwór I i niezhydrolizowane łodygi.

Masę stałą z filtracji - łodygi (03) hydrolizuje się chemicznie przy pomocy roztworu NaOH w hydrolizerze (04) i po rozdzieleniu osad ponownie hydrolizuje się roztworem mieszaniny kwasu siarkowego i o-fosforowego.

PL 240 481 B1

Uzyskany filtrat II jest alkaliczny.

Masę po hydrolizie kwaśnej rozdziela się i filtrat III, miesza się z filtratem alkalicznym II oraz z filtratem I i kieruje do fermentacji i/lub drożdżowania.

Niezhyrolizowana masa jest podawana do produktu wapniowego z oczyszczalni ścieków technologicznych. Osad ten jest składnikiem węgla organicznego w produkowanym nawozie wapniowym.

Zacier, po zakończeniu fermentacji, jest destylowany (08). Destylat jest kierowany do magazynu jako produkt I, natomiast wywar, wspólnie ze świeżym hydrolizatem, jest podawany do węzła hodowli drożdży (11).

Po wyczerpaniu węglowodanów prostych w brzeczce kieruje się ją do zatężania w węźle filtracji (12). Zatężoną masę drożdżową suszy się w suszarce (12). Wysuszone drożdże kieruje się do magazynu jako produkt II.

Filtrat jest podawany do oczyszczalni ścieków.

Ditlenek węgla z fermentacji etanolu jest przemywany w płuczniku (09) osuszany i skraplany (węzeł 10).

Skroplony CO2 jest produktem III.

Ścierki technologiczne w tym filtrat z (12) są kierowane do czyszczalni ścieków (13).

W wyniku procesu oczyszczania ścieków otrzymuje się:

• wodę o BZT5 nie większym jak 60 mg O2/dm³ wody, • osad wapniowy, który jest sprzedawany jako wapno nawozowe (produkt IV) do odkwaszania gleb.

Istotę wynalazku ilustrują przykłady wykonania

P r z y k ł a d 1:

1.1 Zakiszanie surowca .01.1 Słomę roślin łykowatych w ilości 10 Mg tnie się na sieczkę i gotuje w ciągu 2 godzin w temperaturze 100°C w wodzie z dodatkiem 100 dm³ wody amoniakalnej 25%, po czym po schłodzeniu do temperatury 28°C zadaje się kwaśną serwatką w ilości 100 dm³/1Mg i kisi w przystosowanych rękawach.

.01.2 Biomasę roślinną, tj. kukurydzę i sucrosorgo odmiany 506, tnie się na sieczkę, dodaje preparatu do zakiszania i kisi w „rękawach do kiszenia.

1.2 Przygotowanie surowca do fermentacji

Kiszonkę miesza się w proporcji masowej 1 : 1,5 z oczyszczonym filtratem z węzła separacji masy drożdżowej, zakwasza kwasem siarkowym do pH 4,5, podgrzewa do temperatury 60°C i dodaje enzym scukrzający. Z mieszaniny tej, na sicie obrotowym, oddziela się roztwór i kieruje do węzła fermentacji etanolu (07).

Masę stałą (włókna), po oddzieleniu roztworu, wprowadza się do autoklawu (reaktora) 04, dodaje NaOH do stężenia 4% i podgrzewa do temperatury 130°C, przy stałym mieszaniu, przez 5 h.

Po gotowaniu rozdziela się (na sicie obrotowym - filtrze 05), roztwór od masy stałej. Filtrat łączy się z filtratem po hydrolizie alkalicznej, wyrównuje pH do 5, kieruje się do fermentacji etanolowej i/lub do węzła drożdżowania.

Natomiast osad zadaje mieszaniną 2,5% (1 : 1) H2SO4 oraz H3PO4 i hydrolizuje w temperaturze 130°C przez 4 h.

Uzyskany roztwór łączy się z filtratem z hydrolizy alkalicznej i całość podaje do fermentacji etanolowej (07) i/lub do hodowli drożdży (11).

Osad z hydrolizy kwaśnej kieruje się do wypadu z oczyszczalni ścieków technologicznych i zbywa jako kredę nawozową wzbogaconą o węgiel organiczny.

1.3 Fermentacja etanolowa i odpęd etanolu

Do scukrzonych roztworów z 03 i 06 dodaje się pożywkę w ilości 30 kg/Mg SM roztworu, zawierającą: 65% mas. fosforanu dwuamonu, 10% mas. siarczanu magnezu, szczepi drożdżami Sacharomyces gatunku cerevisiae i prowadzi się proces fermentacji (07), korzystnie metodą ciągłą w aparaturze (fermentorach) ustawionych szeregowo lub metodą okresową.

Odfermentowany zacier jest odprowadzany do węzła destylacji (08). Uzyskany etanol jest kierowany do magazynu, natomiast wywar kieruje się do węzła drożdżowania (11).

1.4 Skraplanie ditlenku węgla

Gazy z fermentacji etanolu (07) są zbierane w pojemnikach umieszczonych nad fermentorami skąd są ssane do odkraplacza (cyklonu) chłodzonego wodą i dalej kierowane do płucznika sitowego,

PL 240 481 B1 gdzie w przeciwprądzie są myte wodą. Odmyty gaz (ditelnek węgla) jest suszony i podawany do węzła skraplania (10). Nasycony w płuczniku (09) roztwór etanolu jest podawany do destylacji (08).

1.5 Drożdżowanie wywaru

Do wywaru (od 08) i hydrolizatu (od 03) dodaje się, na 1000 kg masy fermentującej, pożywkę w ilości:

• 15 kg fosforanu dwuamonowego, • 16 kg siarczanu amonowego>

• 6 kg stężonego kwasu o-fosforowego, • 1 kg siarczanu magnezowego.

Równocześnie podaje się mieszaninę następujących drożdży zarodowych: Candida, Kluyveromyces i Trichosporon, korzystnie Candida utilis, Kluyveromyces marxianus i Trichosporon cutaneum.

Hodowlę drożdży prowadzi się w trzech fermentorach, metodą ciągłą lub okresową. Brzeczka hodowlana jest chłodzona wmontowanymi w fermentory chłodnicami rurkowymi. Do kadzi hodowlanych stale jest tłoczone powietrze w ilości min. 22 m³ powietrza na 1 godzinę i 1 m³ brzeczki.

Brzeczkę dozuje się do kadzi w ilościach zapewniających stężenie roztworu podłoża hodowlanego, nie więcej jak 9% (w przeliczeniu na suchą masę).

Masę z kadzi hodowlanej (11), po wyczerpaniu węglowodanów zużywanych w hodowli, kieruje się, poprzez generator mikrofal lub podgrzewacza, do odseparowania masy drożdżowej od wywaru. Proces ten jest prowadzony w dekanterze lub wirówkach tzw. drożdżowych. Klarowna ciecz (filtrat) spływa do oczyszczalni, natomiast gęstwa drożdżowa pompą jest tłoczona do prasy filtracyjnej. Uzyskany filtrat również jest pompowany do oczyszczalni ścieków, natomiast „placek filtracyjny podaje się do węzła suszenia.

1.6 Suszenie drożdży (poz. 12)

Drożdże suszy się w suszarce wibro-fluidalnej, w której nośnikiem są wysuszone drożdże.

1.7 Oczyszczanie filtratu i ścieków technologicznych

Wszystkie filtraty i ścieki technologiczne są tłoczone pompą do reaktora rurowego, gdzie są zakwaszane kwasem o-fosforowym do pH 3,0 ^ 5,0, zalecane 4,0, i następnie mieszane z mlekiem wapiennym, do uzyskania pH = 9,0 ^ 11 zalecane 9,5.

Płyn z reaktora spływa do dekantera intensywnego, gdzie poprzez sedymentację następuje rozdzielenie klarownego płynu od gęstej zawiesiny.

Zawiesina jest podawana do masy drożdżowej kierowanej do prasy filtracyjnej, natomiast klarowna, alkaliczna ciecz jest pompowana do płucznika, gdzie w przeciwprądzie jest nasycana dwutlenkiem węgla z hodowli drożdży. Wytrącony węglan wapnia jest łączony z osadem po hydrolizie kwaśnej i przeznacza się jako nawóz wapniowy, natomiast klarowna ciecz, pH ok. 7 jest zawracana do hydrolizy surowca.

P r z y k ł a d 2:

Biomasę roślinną (całe rośliny kukurydzy i sorga korzystnie odmiany 506) w ilości 10 ton, tnie się na bardzo małe kawałki i dodaje oczyszczonego filtratu do uzyskania stężenia ok. 35% SM. i podaje do węzła przygotowania surowca (02).

Otrzymany hydrolizat kieruje się do fermentacji etanolowej (07).

Dalsze postępowanie jak w przykładzie 1.

P r z y k ł a d 3:

Przygotowanie surowca do fermentacji i fermentację alkoholową prowadzi się jak w przykładzie 2. Otrzymany wywar schładza się do temperatury 28°C, dodaje stężonego hydrolizatu węglowodanowego otrzymywanego z ziaren zboża lub biomasy zielonej (np. kukurydzy lub sorga) do uzyskania stężenia brzeczki ok. 30% SM. Brzeczkę tę dozuje się jak w przykładzie 2. Do kadzi III dodatkowo dozuje się hydrolizat białka (np. keratyny) zhydrolizowany do aminokwasów wielkości < 10 kDa.

Dalsze postępowanie jak w przykładzie 1.

Claims (2)

1. PL 240 481 B1

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób bezodpadowego otrzymywania bioetanolu drugiej generacji, drożdży paszowych i ditlenku węgla z wykorzystaniem hydrolizy biomasy roślinnej oraz oczyszczanie ścieków technologicznych, w stopniu umożliwiającym ich całkowite wykorzystanie do przygotowania surowców i do chłodzenia procesów technologicznych, znamienny tym, że na drodze hydrolizy enzymatycznej, stosując enzymy: TERMAMYL SC i następnie SACZYME TM (lub enzymy o podobnym działaniu), utrzymując temperatury oraz pH zgodnie z wymogami producenta stosowanych enzymów, wydziela się węglowodany proste zawarte w surowcu (kiszonce), następnie z hemiceluloz i kolejno na drodze hydrolizy chemicznej, metodą alkaliczną, stosując NaOH (pH korzystnie 12,5) i następnie metodą kwaśną, stosując kwas SO4 H3PO4 w stosunku 1 : 1 do osiągnięcia pH 3,5 ± 0,1 i podgrzewa w autoklawie do temperatury średnio 110°C, prowadzi się do maksymalnej hydrolizy celulozy do cukrów prostych, co trwa średnio 30 min. i razem z wcześniej oddzielonymi roztworami cukrów, przekazuje się do fermentacji etanoli i/lub hodowli drożdży, a wywar po oddestylowaniu etanolu, również kieruje się do węzła hodowli drożdży, tam wspólnie z hydrolizatem cukrowym świeżym korzystnie w stosunku 1 : 1, podaje się jako surowiec do hodowli drożdży paszowych, a po zakończeniu drożdżowania masę hodowlaną kieruje się do oddzielenia drożdży korzystnie w przystosowanych do tego wirówkach, a dla ułatwienia wirowania przepuszcza się je przez generator ultradźwięków lub podgrzewa do temperatury ok. 90°C i przy stałym mieszaniu kieruje się do filtracji i w takim stanie masę drożdżową zagęszcza się dekanterze stożkowym, zaś filtrat podrożdżowy oraz wszystkie ścieki powstałe podczas prowadzenia procesu technologicznego kieruje się do reaktora rurowego, gdzie zakwasza się je przy pomocy H3PO4 do pH 4,0 i następnie alkalizowane Ca(OH)2 do pH średnio 8,5.
2. 2. Układ aparatury do wytwarzania bioetanolu, drożdży paszowych i ditlenku węgla, zgodnie ze sposobem określonym w zastrz. 1, znamienny tym, że na wejściu zawiera węzeł kiszenia (01) połączony poprzez węzeł hydrolizy I (02) z blokiem filtracji I (03), a ten poprzez blok fermentacji etanolu (07) i blok destylacji (08), który poprzez blok hodowli drożdży (11) i dalej blok filtracji i suszenia drożdży (12) jest połączony z blokiem oczyszczania filtratu i ścieków (13) na wyjściu połączony z blokiem produktu IV, przy czym blok filtracji I (03) jest na wyjściu połączony z węzłem hydrolizy II (04) i dalej poprzez blok filtracji II (05) z blokiem płucnika (09) połączony na wejściu z blokami (05) i (07) a na wejściach z blokami (08) i węzłem skraplania CO2 (10).

   PL 240 481 Β1

   Rysunek

   Rys.l Schemat blokowy bezodpadowego otrzymywania