PL244860B1

PL244860B1 - Sposób ciągłego przetwarzania lignocelulozy na paliwa i chemikalia w reaktorach membranowych

Info

Publication number: PL244860B1
Application number: PL433697A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Benedykt Kołtuniewicz; Katarzyna Dąbkowska
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2020-04-28
Publication date: 2024-03-18
Also published as: PL433697A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób ciągłego przetwarzania lignocelulozy na paliwa albo chemikalia w reaktorach membranowych, który polega na tym, że wodną zawiesinę rozdrobnionej biomasy lignocelulozowej wprowadza się do pierwszego reaktora membranowego (R1) wyposażonego w co najmniej jedną membranę mikrofiltracyjną (MF), w którym znajdują się enzymy celulolityczne i hemicelulityczne i prowadzi się proces hydrolizy enzymatycznej biomasy. Permeat z pierwszego reaktora (R1) zawierający hydrolizat i enzymy wprowadza się do drugiego reaktora (R2) połączonego szeregowo z pierwszym reaktorem (R1), wyposażonego w co najmniej jedną membranę ultrafiltracyjną (MU) swobodnie zanurzoną w warstwie cieczy i zawierającego mikroorganizmy przeprowadzające fermentację beztlenową. W drugim reaktorze (R2) prowadzi się ciągły proces fermentacji próżniowej, przy ciśnieniu 30 - 300 Tr i w temperaturze 30 - 45°C, utrzymując ciecz w stanie ciągłego wrzenia, zaś enzymy biorące udział w procesie fermentacji w drugim reaktorze (R2) odzyskuje się na membranie ultrafiltracyjnej (MU) i zawraca do pierwszego reaktora (R1), przy czym produkty procesu odbiera się w sposób ciągły.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób ciągłego przetwarzania lignocelulozy na paliwa i chemikalia w reaktorach membranowych.

Obecnie w związku z realizacją polityki zrównoważonego rozwoju poszukuje się efektywnych metod wytwarzania różnych produktów z surowców odnawialnych. Odpady lignocelulozowe mogą być przetwarzane w tzw. biorafineriach na wartościowe substancje chemiczne, wykorzystywane m.in. do produkcji leków, polimerów, paliw i wielu innych produktów. Przeróbka biomasy w bioraf ineriach jest od niedawna realizowana w wielu zaawansowanych technologicznie krajach jako sposób na stopniowe uniezależnienie się od surowców kopalnych. Warunkiem szybkiego wdrażania biorafinerii jest redukcja kosztów wytwarzania, a więc podniesienie efektywności produkcji.

Hydroliza enzymatyczna polisacharydów zawartych w surowcach lignocelulozowych oraz fermentacja uzyskanych hydrolizatów stanowią główne etapy przetwarzania w biorafineriach biomasy lignocelulozowej w wartościowe produkty. Złożona struktura surowców lignocelulozowych bogatych w polisacharydy wymusza konieczność stosowania w procesie ich degradacji szeregu enzymów, które poprzez synergistyczne działanie prowadzą do scukrzania łańcuchów celulozy i hemicelulozy, w efekcie czego uzyskuje się hydrolizaty zawierające fermentowalne cukry proste: glukozę (końcowy produkt rozkładu celulozy) oraz ksylozę, arabinozę, mannozę, galaktozę i.in. (końcowe produkty rozkładu hemicelulozy).

Wyniki dotychczasowych badań wskazują, że cukry proste (głównie glukoza i dwucukier celobioza) stanowią inhibitory celulaz [Andrić i wsp., 2010], dlatego pożądane jest ich usuwanie z reaktora w trakcie trwania hydrolizy. W tym celu powszechnie stosuje się różnego rodzaju metody separacji membranowej. Znane są różne konfiguracje stosowanych reaktorów membranowych. Na przykład sposób wg. Lee i Kim (1993) polega na prowadzeniu hydrolizy enzymatycznej biomasy lignocelulozowej w zbiorniku z mieszadłem z umieszczoną na dnie membraną ultrafiltracyjną, zatrzymującą enzymy, a przepuszczającą produkty hydrolizy i bufor. Substrat dostarczany jest do reaktora w sposób ciągły z szybkością zapewniającą utrzymywanie stałej objętości mieszaniny reakcyjnej. Przepływ odbywa się prostopadle do membrany. Inny sposób polega na użyciu do reakcji i separacji membranowej dwóch odrębnych aparatów [np. Mameri i wsp., 2000]. Mieszanina reakcyjna w tym przypadku cyrkuluje między reaktorem a modułem wyposażonym w membranę ultrafiltracyjną przepuszczalną dla produktów hydrolizy a zatrzymującą enzymy i nieprzereagowany substrat po stronie retentatu. Wadą tych rozwiązań są przede wszystkim wysokie opory przepływu hydrolizatu przez membrany ultrafiltracyjne, co przekłada się na niewielkie wydajności permeatu. Inny sposób polega na użyciu dwóch modułów membranowych [np. Knutsen i Davis, 2004]. Pierwszy moduł wyposażony w membranę mikrofiltracyjną służy do zatrzymania nieprzereagowanego substratu. Uzyskany na tym etapie permeat, zawierający enzymy i produkty hydrolizy, jest następnie rozdzielany na module wyposażonym w membranę ultrafiltracyjną. Retentat zawierający enzymy, zawracany jest wówczas do reaktora.

Innym rozwiązaniem pozwalającym na usuwanie produktów hydrolizy biomasy lignocelulozowej z mieszaniny reakcyjnej jest zużywanie cukrów prostych in situ w docelowych procesach fermentacyjnych. Znane są metody, w których hydrolizę biomasy i fermentację uzyskanych hydrolizatów prowadzi się w jednocześnie w jednym naczyniu reakcyjnym [np. Shadbahr i wsp., 2017]. Pozwala to na zniwelowanie zjawiska inhibicji enzymów wytwarzanymi w trakcie reakcji produktami hydrolizy. W większości przypadków temperatura i odczyn pH prowadzenia procesu dobierane są tak, aby zapewnić najkorzystniejsze warunki dla wzrostu mikroorganizmów, odbiegają one jednak zwykle od wartości optymalnych dla enzymów scukrzających polisacharydy lignocelulozowe, co niekorzystnie wpływa na efektywność procesu. Dodatkowo, dla wielu procesów fermentacyjnych obserwuje się występowanie zjawiska inhibicji produktem [np. Zhang i wsp., 2015]. Potrzebne są zatem sposoby prowadzenia procesu umożliwiające odbieranie produktów metabolizmu mikroorganizmów z płynu fermentacyjnego w sposób ciągły. Odbieranie produktów fermentacji, będących inhibitorami wzrostu mikroorganizmów, przekłada się na zwiększenie efektywności procesu. Znane są sposoby usuwania in situ produktów fermentacji z brzeczki fermentacyjnej, takie jak destylacja czy też perwaporacja membranowa [Kaseno i wsp. 1998; Leon i wsp. 2016]. Z opisu patentowego CN102174593 znany jest sposób ciągłego przetwarzania biomasy lignocelulozowej w bioetanol z wykorzystaniem procesów membranowych. W rozwiązaniu tym mieszanina reakcyjna zawierająca substrat lignocelulozowy, enzymy i uwolnione cukry proste rozdzielana jest na membranie ultrafiltracyjnej na retentat zawierający nieprzereagowany substrat i enzymy oraz per meat zawierający hydrolizat. Następnie hydrolizat jest zatężany z wykorzystaniem membrany nanofiltracyjnej, na której oddzielana jest woda zawracana następnie do reaktora. Zatężony hydrolizat trafia następnie do fermentera, w którym mikroorganizmy prowadzą fermentację etanolową. Etanol usuwany jest in situ na drodze perwaporacji membranowej.

W rozwiązaniach znanych ze stanu techniki separacja na membranie ultrafiltracyjnej i fermentacja prowadzone są w osobnych aparatach, co czyni układ rozbudowanym. Dodatkowym problemem w przypadku znanych rozwiązań jest ryzyko szybkiego spadku przepuszczalności membran ultrafiltracyjnych w trakcie ich użytkowania, co ma związek z tworzeniem się na nich placka filtracyjnego. To ogranicza zastosowanie znanych rozwiązań w warunkach przemysłowych.

Istnieje stała potrzeba doskonalenia procesów przetwarzania odpadów lignocelulozowych w biorafineriach. Dąży się do uproszczenia aparatury i obniżenia zużycia energii, w celu udostępnienia bardziej opłacalnych technologii, niż istnieją obecnie. Dzięki temu zwiększa się szansa całkowitego zastąpienia paliw kopalnych biomasą biodegradowalną, co korzystnie wpływa na stan środowiska i rozwój obszarów wiejskich. W ten nurt wpisuje się obecny wynalazek.

Sposób ciągłego przetwarzania lignocelulozy na paliwa i chemikalia w reaktorach membranowych według wynalazku charakteryzuje się tym, że wodną zawiesinę rozdrobnionej biomasy lignocelulozowej wprowadza się do pierwszego reaktora membranowego wyposażonego w membranę mikrofiltracyjną (MF), w którym znajdują się enzymy celulolityczne i hemicelulolityczne, i prowadzi się proces hydrolizy enzymatycznej biomasy. Permeat z pierwszego reaktora zawierający hydrolizat i enzymy wprowadza się do drugiego reaktora połączonego szeregowo z pierwszym reaktorem, wyposażonego w membranę ultrafiltracyjną (UF) swobodnie zanurzoną w warstwie cieczy i zawierającego mikroorganizmy przeprowadzające fermentację beztlenową. W drugim reaktorze prowadzi się ciągły proces fermentacji próżniowej, przy ciśnieniu 30-300 Tr i w temperaturze 30-45°C, utrzymując ciecz w stanie ciągłego wrzenia. Enzymy celulolityczne i hemicelulolityczne odzyskuje się na membranie ultrafiltracyjnej w drugim reaktorze i zawraca do pierwszego reaktora. Produkty procesu odbiera się w sposób ciągły.

Korzystnie hydrolizę enzymatyczną biomasy w pierwszym reaktorze prowadzi się w temperaturze od 45 do 55°C, przy sumarycznej początkowej aktywności enzymów od 50 do 150 FPU/g i przy stężeniu enzymów w zawiesinie od 0,1 do 0,2 g/g biomasy.

Korzystnie hydrolizę enzymatyczną w pierwszym reaktorze prowadzi się w warunkach okresowych przez okres do 5 godzin, najkorzystniej od 2 do 5 godzin, po czym obniża się ciśnienie w drugim reaktorze, w celu wymuszenia przepływu mieszaniny reakcyjnej przez membranę mikrofiltracyjną.

Membrany mikrofiltracyjne w reaktorze pierwszym mogą być wbudowane wewnątrz reaktora lub w postaci modułu membranowego stanowić osobny element aparatury. Mogą mieć dowolny kształt (płaski, rurowy, kapilarny, spiralny) i być wykonane z organicznych materiałów polimerowych lub z materiałów ceramicznych. Korzystnie średnica porów membrany mikrofiltracyjnej zawiera się w zakresie 0,1-1,0 pm.

Membrany ultrafiltracyjne w reaktorze drugim korzystnie charakteryzują się punktem odcięcia w zakresie 5-30 kDa i mają postać cienkich kapilar o strukturze asymetrycznej z warstwą aktywną znajdującą się wewnątrz kapilary. Korzystnie membrany ultrafiltracyjne są wykonane z organicznych materiałów polimerowych np. polieterosulfonu, polisulfonu, poliakrylonitrylu, poliamidu.

Biomasa lignocelulozowa wprowadzana do procesu może być natywna lub poddana wcześniej obróbce wstępnej chemicznej, fizycznej, termochemicznej lub biologicznej.

Niezależnie od rodzaju wytwarzanego produktu, korzystnie stosuje się mieszanki enzymów zawierających celulazy, w tym endoglukanazy egzoglukanazy, egzo-3-glukozydazę, β-glukozydazę, a także hemicelulazy ksylanolityczne, w tym endoksylanazę, egzo-3-ksylozydazę, a-D-glukuronidazę, α-L-arabinofuranozydazę, esterazę octanową lub też gotowe preparaty enzymatyczne zawierające wyżej wymienione enzymy, np. Cellic CTec2, Cellic CTec3, Cellic HTec2, Cellic HTec3, Accellerase 1500, Accellerase XY. Dobór dawek poszczególnych enzymów w ich mieszaninie zależy od rodzaju przetwarzanej biomasy i jest dobrze znany specjalistom.

Korzystnie stosuje się mikroorganizmy przeprowadzające w warunkach beztlenowych fermentację: etanolową, bursztynianową, acetonowo-butanolowo-etanolową i mlekową.

Dobór mikroorganizmu zależy od wytwarzanego produktu. W celu otrzymania etanolu stosuje się szczepy mikroorganizmów prowadzących fermentację etanolową, w tym szczepy drożdży (np. Saccharomyces cerevisiae, Kluyveromyces marxianus) lub bakterii (np. Zymomonas mobilis) metabolizujące cukry sześciowęglowe bądź modyfikowane genetycznie szczepy drożdży lub bakterii metabolizujące dodatkowo cukry pięciowęglowe. W celu otrzymania kwasu bursztynowego stosuje się bakterie zdolne do prowadzenia fermentacji bursztynianowej, korzystnie szczepy Accinobacillus succinogenes, Anaerobiospirillum succiniciproducens. W celu otrzymania kwasu mlekowego stosuje się bakterie mlekowe, np. szczepy z rodzaju Lactobacillus lub Bacillus. W celu otrzymania butanolu stosuje się szczepy bakterii z rodzaju Clostridium, korzystnie Clostridium acetobutylicum i Clostridium beijerinckii. Szczegółowe zasady doboru mikroorganizmów są dobrze znane specjalistom.

Korzystnie do drugiego reaktora dodaje się ekstrakt z drożdży.

Zgodnie z wynalazkiem w pierwszym membranowym reaktorze enzymatycznym wytwarzane są hydrolizaty i odbywa się ich separacja od nieprzereagowanego surowca (lignoceluloza). W drugim membranowym reaktorze mikrobiologicznym hydrolizaty są przetwarzane w drodze fermentacji mikrobiologicznej na dalsze produkty. W drugim reaktorze realizowane są jednocześnie następujące ważne funkcje:

- stałe dozowanie hydrolizatu do wnętrza bioreaktora na membranie ultrafiltracyjnej,

- stałe odzyskiwanie i zawracanie enzymu do reaktora pierwszego na membranie ultrafiltracyjnej,

- fermentacja ciągła hydrolizatu,

- destylacja próżniowa ze stałym odbiorem (usuwaniem) produktów lotnych i nielotnych.

Zgodnie z wynalazkiem w drugim reaktorze membranowym utrzymuje się podciśnienie, co zapewnia ciągłość procesu poprzez:

- ciągły dopływ hydrolizatów, które są surowcem do fermentacji z pierwszego reaktora do przestrzeni wewnętrznej drugiego reaktora;

- ciągłą fermentację w drugim reaktorze w niskiej temperaturze w stanie permanentnego wrzenia;

- ciągły odbiór lotnych produktów fermentacji z drugiego reaktora przez ich odparowanie w niskiej temperaturze;

- ciągłe odzyskiwanie enzymów na membranie w drugim reaktorze i ich zawracanie z powrotem do pierwszego reaktora.

Ponadto membrany ultrafiltracyjne w reaktorze drugim są permanentnie oczyszczane przez pęcherzyki par wydobywających się z roztworu podczas destylacji. Jest to najbardziej efektywny i energooszczędny sposób redukcji efektów polaryzacji stężeniowej. Uzyskuje się w ten sposób ciągłość procesu zintegrowanego.

Zastosowanie podciśnienia w reaktorze drugim eliminuje konieczność stosowania pompy zapewniającej przepływ cieczy w układzie, gdyż układ jest szczelnie zamknięty. Przyczynia się to do uproszczenia aparatury i obniżenia zużycia energii. Podciśnienie dodatkowo zapewnia ciągły odbiór lotnych produktów fermentacji przez ich odparowanie w niskiej temperaturze. Przekłada się to na obniżenie kosztów zużycia energii w porównaniu do tradycyjnych metod destylacji czy perwaporacji membranowej. Ponadto usuwanie produktów fermentacji z płynu hodowlanego jest wskazane z uwagi na ich szkodliwe działanie na mikroorganizmy. Stałe utrzymywanie warunków wrzenia w reaktorze drugim zapewnia także ruch membran i przez to ich oczyszczanie dzięki unoszącym się ku górze pęcherzykom gazu, co korzystnie wpływa na wydajność permeatu.

Sposób według wynalazku pozwala na wykorzystanie różnorodnych odpadów z produkcji rolniczej, leśnej i innych pokrewnych, takich jak trociny, trawy, liście, a także upraw szybkorosnących roślin na nieużytkach, gruntach rekultywowanych i zanieczyszczonych terenach poprzemysłowych.

Produktami, które mogą być wytwarzane w wyniku zastosowania sposobu według wynalazku są ogólnie paliwa i chemikalia. W szczególności wynalazek skoncentrowany jest na efektywnym wytwarzaniu z lignocelulozy następujących produktów:

1. Bioetanol (lotny produkt beztlenowej fermentacji etanolowej z użyciem bakterii lub drożdży).

W przypadku wytwarzania bioetanolu z reaktora drugiego oddestylowywany jest etanol razem z produktami ubocznymi fermentacji tj. kwasem octowym. W procesie mogą być wykorzystane mikroorganizmy produkujące etanol wyłącznie z cukrów sześciowęglowych C6 (glukozy), jak też przekształcające w etanol zarówno cukry sześciowęglowe C6 (glukozę), jak i pięciowęglowe C5 (ksylozę). W pierwszym przypadku nieprzefermentowany hydrolizat zawierający głównie cukry pięciowęglowe może być użyty jako źródło węgla dla mikroorganizmów produkujących ksylitol lub może być wykorzystany do produkcji furfuralu (F) i hydroksymetylofurfuralu (HMF). Z HMF otrzymać można kwas lewulinowy.

2. Kwas bursztynowy (nielotny produkt fermentacji beztlenowej z użyciem bakterii, grzybów mikroskopowych lub drożdży).

W przypadku wytwarzania kwasu bursztynowego z reaktora drugiego oddestylowane są trudne do oddzielenia uboczne produkty fermentacji tj. kwas mrówkowy i octowy. Oczyszczony i zatężony kwas bursztynowy stanowi nielotny produkt fermentacji. Fermentacji ulegają zarówno cukry C5, jak i C6.

3. Biobutanol (nielotny produkt beztlenowej fermentacji acetonowo-butanolowo-etanolowej z użyciem bakterii).

W przypadku wytwarzania biobutanolu z reaktora drugiego oddestylowany jest aceton, etanol (inhibitory fermentacji) i część wody. Oczyszczony i zatężony butanol pozostaje w płynie fermentacyjnym jako nielotny produkt fermentacji. Warunki muszą być tak dobrane, aby nie odparowywał kwas octowy i masłowy jako wstępne produkty fermentacji.

4. Kwas mlekowy (nielotny produkt fermentacji beztlenowej prowadzonej z użyciem bakterii).

W przypadku wytwarzania kwasu mlekowego z reaktora drugiego odparowują trudne do oddzielenia uboczne produkty fermentacji: głównie etanol i kwas octowy. Oczyszczony i zatężony kwas mlekowy pozostaje w płynie fermentacyjnym jako nielotny produkt fermentacji.

Produktem sposobu według wynalazku mogą być także niezhydrolizowane elementy biomasy, głownie lignina, do wykorzystania jako biopaliwo, a także jako cenny materiał wyjściowy do wielu syntez chemicznych oraz do modyfikacji prowadzących do otrzymywania cennych materiałów polimerowych o specjalnych właściwościach.

Na rysunku przedstawiono schemat przykładowego układu reaktorów do realizacji sposobu według wynalazku.

Pierwszy reaktor membranowy R1 jest wyposażony w membrany mikrofiltracyjne MF do oddzielania składników zawiesiny ciała stałego. W przykładzie wykonania przedstawionym na rysunku membrany mikrofiltracyjne mają postać modułu membranowego MF stanowiącego osobny element aparatury, połączony z reaktorem R1. Zawiesina biomasy doprowadzana jest do reaktora R1 króćcem 1, a odprowadzana króćcem 2, znajdującymi się po stronie retentatu membrany mikrofiltracyjnej MF. Króćcem 3 po stronie permeatu z reaktora pierwszego R1 odpływa hydrolizat z enzymami do reaktora drugiego R2. Króćcem 4 po stronie retentatu doprowadzane są enzymy odzyskane w reaktorze drugim R2, które wypływają króćcem 5 po stronie retentatu z reaktora membranowego R2.

Drugi reaktor membranowy R2, połączony szeregowo z reaktorem pierwszym R1, jest wyposażony w membrany ultrafiltracyjne UF do oddzielania enzymów po stronie retentatu, a przepuszczające hydrolizaty po stronie permeatu. Membrany ultrafiltracyjne UF są swobodnie zanurzone w warstwie cieczy wrzącej wypełniającej reaktor R2 i hydrolizaty przenikają do przestrzeni reaktora. Króćcem 6 są odprowadzane nieprzefermentowane hydrolizaty i nielotne produkty fermentacji hydrolizatów. Króciec 7 umieszczony jest w warstwie oparów reaktora R2 i służy do odprowadzania lotnych produktów fermentacji hydrolizatów.

Sposób według wynalazku został przedstawiony w przykładach wykonania.

Przykład 1

Wytwarzanie bioetanolu

Surowcem była słoma kukurydziana zmielona do rozmiaru 0,5-1,0 mm i poddana alkalicznej obróbce wstępnej w 2% NaOH w 50°C przez 2 h. Biomasa po obróbce zawierała 53% celulozy, 24% hemicelulozy, 8% lignin.

Do pierwszego reaktora R1 (o poj. 0,3 dm³), połączonego z modułem membranowym MF zawierającym membrany mikrofiltracyjne króćcem 1 doprowadzano wysterylizowaną (w 121°C przez 15 min) zawiesinę (obj. 0,25 dm³) wyżej opisanej biomasy w 0,05M buforze cytrynianowym o pH 4,8. Stężenie biomasy w zawiesinie wynosiło 50 g/dm³. Następnie, króćcem 4 do reaktora R1 wprowadzano mieszankę enzymów Cellic CTec2 zawierającą m.in. endoglukanazy, egzoglukanazy, β-glukozydazę i hemicelulazy o sumarycznej aktywności 64 FPU/g. Zapoczątkowało to reakcję hydrolizy biomasy. Stężenie mieszanki enzymów w zawiesinie wynosiło 6 g/dm³ (0,12 g/g biomasy; 384 FPU/dm³).

W module membranowym MF znajdowała się membrana mikrofiltracyjna płaska polipropylenowa o średnim rozmiarze porów 0,2 μm i o powierzchni 31,65 cm².

W reaktorze R1 przebiega proces hydrolizy enzymatycznej biomasy do cukrów prostych w temperaturze 50°C. Celuloza jest hydrolizowana do glukozy, a hemiceluloza głównie do ksylozy i arabinozy. Przez pierwsze 2 h proces prowadzony jest w warunkach okresowych, to znaczy bez przepływu mieszaniny reakcyjnej przez moduł membranowy.

Po 2 h trwania hydrolizy obniżono ciśnienie w reaktorze R2. Wymusiło to przepływ mieszaniny reakcyjnej przez membranę mikrofiltracyjną.

Króćcem 3 po stronie permeatu hydrolizat z enzymami odpływa do reaktora drugiego R2 (o poj. 0,3 dm³). Reaktor R2 jest wyposażony w swobodnie zanurzone membrany ultrafiltracyjne (10 szt., łączna powierzchnia 62,8 cm²) do oddzielania enzymów po stronie retentatu, a przepuszczające hydrolizaty po stronie permeatu. Membrany mają postać cienkich kapilar o strukturze asymetrycznej z warstwą aktywną znajdującą się wewnątrz kapilary. Membrany są wykonane z polieterosulfonu i mają punkt odcięcia 5 kDa.

Części stałe niezhydrolizowanej lignocelulozy są co ok. 48 h odprowadzane z reaktora R1 króćcem 2, znajdującym się po stronie retentatu membrany mikrofiltracyjnej. Zawierają one ok. 80% ligniny, 4% hemicelulozy i 9% celulozy w suchej masie. Następnie reaktor R1 jest uzupełniany świeżą porcją biomasy po obróbce.

W reaktorze R2 znajdują się mikroorganizmy przeprowadzające fermentację beztlenową, którymi są drożdże Saccharomyces cerevisiae. Oprócz tego w reaktorze R2 znajduje się ekstrakt drożdżowy (2 g). Początkowe pH płynu hodowlanego wynosi ok. 5,8, a objętość 0,05 dm³.

W reaktorze R2 utrzymuje się podciśnienie 94 Tr, i jest utrzymywany permanentny stan wrzenia w temperaturze 30°C.

Enzymy odpływają z reaktora R2 króćcem 5 po stronie retentatu i wypływają do reaktora R1 króćcem 4.

Objętość płynu hodowlanego w reaktorze R2 rośnie w czasie. Po ok. 48 h, gdy objętość płynu hodowlanego wynosi ok. 0,3 dm³ króćcem 6 jest odprowadzana część (ok. 0,2 dm³) mieszaniny hodowlanej zawierająca głównie nieprzefermentowaną ksylozę i drożdże. Króciec 7 umieszczony jest w warstwie oparów reaktora R2 i służy do odprowadzania etanolu.

Drożdże oddzielono od roztworu ksylozy za pomocą wirówki.

Po 48 h uzyskano 0,014 dm³ 93% roztworu etanolu, ok. 0,2 dm³ roztworu ksylozy o stężeniu 10 g/dm³ oraz ok. 5 g suchej masy frakcji stałej biomasy zawierającej 80% lignin.

Przykład 2

Wytwarzanie kwasu bursztynowego

Surowcem były odziarnione kolby kukurydziane rozdrobnione do rozmiarów 0,5-1,0 mm i po obróbce wstępnej prowadzonej w 2% H2O2 (pH 11,5) w 50°C przez 3 h. Biomasa po obróbce zawierała 56% celulozy, 25% hemicelulozy, 11% lignin.

Do pierwszego reaktora R1 (o poj. 0,3 dm³), połączonego z modułem membranowym zawierającym membrany mikrofiltracyjne MF króćcem 1 doprowadzano uprzednio wysterylizowaną (w 121°C przez 15 min) zawiesinę (obj. 0,25 dm³) wyżej opisanej biomasy w 0,05M buforze cytrynianowym o pH 4,8. Stężenie biomasy w zawiesinie wynosiło 50 g/dm³. Następnie do reaktora R1 króćcem 4 dodawano mieszankę enzymów Cellic CTec2 zawierającą m.in. endoglukanazy, egzoglukanazy, β-glukozydazę i hemicelulazy o sumarycznej aktywności 64 FPU/g. Zapoczątkowało to reakcję hydrolizy biomasy. Stężenie mieszanki enzymów w zawiesinie wynosiło 6 g/dm³ (0,12 g/g biomasy; 384 FPU/dm³).

W module membranowym znajdowała się membrana mikrofiltracyjna płaska polipropylenowa o średnim rozmiarze porów 0,2 μm i o powierzchni 31,65 cm².

W reaktorze R1 przebiega proces hydrolizy enzymatycznej biomasy do cukrów prostych w temperaturze 50°C. Celuloza jest hydrolizowana do glukozy, a hemiceluloza głównie do ksylozy i arabinozy. Przez pierwsze 2 h proces prowadzony jest w warunkach okresowych, to znaczy bez przepływu mieszaniny reakcyjnej przez moduł membranowy. Po 2 h trwania hydrolizy obniżono ciśnienie w reaktorze R2. Wymusiło to przepływ mieszaniny reakcyjnej przez membranę mikrofiltracyjną.

Części stałe niezhydrolizowanej lignocelulozy są co ok. 48 h odprowadzane z reaktora R1 króćcem 2, znajdującym się po stronie retentatu membrany mikrofiltracyjnej. Zawierają one ok. 80% ligniny, 5% hemicelulozy i 5% celulozy w suchej masie. Z uwagi na wysoką zawartość lignin mogą być spalone celem otrzymania energii. Następnie reaktor R1 jest uzupełniany świeżą porcją biomasy po obróbce.

W reaktorze R2 znajdują się mikroorganizmy przeprowadzające fermentację beztlenową, którymi są bakterie Actinobacillus succinogenes 130Z. Do płynu hodowlanego dodany jest także MgCO3 (2 g) i ekstrakt drożdżowy (2 g). Początkowe pH płynu hodowlanego wynosi ok. 6,8, a objętość 0,05 dm³.

W reaktorze R2 utrzymuje się podciśnienie 120 Tr, i jest utrzymywany permanentny stan wrzenia w temperaturze 37°C.

Objętość płynu hodowlanego w reaktorze R2 rośnie w czasie trwania procesu. Po ok. 48 h, gdy objętość płynu hodowlanego osiąga ok. 0,3 dm³ króćcem 6 jest odprowadzana część mieszaniny hodowlanej (0,2 dm³) zawierająca nieprzefermentowane hydrolizaty (glukozę i ksylozę), bakterie i kwas bursztynowy, czyli nielotny produkt fermentacji hydrolizatów. Króciec 7 umieszczony jest w warstwie oparów reaktora R2 i służy do odprowadzania kwasu octowego i mrówkowego, czyli ubocznych lotnych produktów fermentacji.

Bakterie oddzielono od roztworu kwasu bursztynowego za pomocą wirówki.

Po 48 h uzyskano 0,2 dm³ 10% roztworu kwasu bursztynowego oraz ok. 5 g frakcji stałej biomasy zawierającej 80% lignin.

Literatura

Andrić P., Meyer A.S., Jensen P.A., Dam-Johansen K. (2010) Biotechnology Advances, 28(3): 308-324, DOI: 10.1016/j.biotechadv.2010.01.003

Kaseno, Miyazawa I., Kokugan T. (1998) Journal of Fermentation and Bioengineering 86(5): 488-493. DOI: 10.1016/S0922-338X(98)80157-8

Knutsen J.S., Davis R.H. (2004) Applied Biochemistry and Biotechnology, 1-3: 585-599, DOI: 10.1385/ABAB:114:1-3:585

Lee S.G., Kim H.S. (1993) Biotechnology and Bioengineering, 42: 737-746, DOI:

10.1002/bit.260420609

Leon J.A., Palacios-Bereche R., Nebra S.A. (2016) Energy, 109: 77-91, DOI:

10.1016/j.energy.2016.04.088

Mameri N., Hamdache F., Abdi N., Belhocine D., Grib H., Lounici H., Piron D.L. (2000) Journal of Membrane Science, 178: 121-130. DOI: 10.1016/S0376-7388(00)00489-0

Shadbahr J., Khan F., Zhang Y. (2017) Energy Conversion and Management, 141:236-243. DOI: 10.1016/j.enconman.2016.08.025

Zhang Q., Wu D., Lin Y., Wang X., Kong H., Tanaka S. (2015) Energy Fuels 292: 1019-1027, DOI: 10.1021/ef502349v

Claims

1. Sposób ciągłego przetwarzania lignocelulozy na paliwa albo chemikalia w reaktorach membranowych, z wykorzystaniem membrany mikrofiltracyjnej i membrany ultrafiltracyjnej, znamienny tym, że wodną zawiesinę rozdrobnionej biomasy lignocelulozowej wprowadza się do pierwszego reaktora membranowego (R1) wyposażonego w co najmniej jedną membranę mikrofiltracyjną (MF), w którym znajdują się enzymy celulolityczne i hemicelulolityczne i prowadzi się proces hydrolizy enzymatycznej biomasy, permeat z pierwszego reaktora (R1) zawierający hydrolizat i enzymy wprowadza się do drugiego reaktora (R2) połączonego szeregowo z pierwszym reaktorem (R1), wyposażonego w co najmniej jedną membranę ultrafiltracyjną (UF) swobodnie zanurzoną w warstwie cieczy i zawierającego mikroorganizmy przeprowadzające fermentację beztlenową, przy czym w drugim reaktorze (R2) prowadzi się ciągły proces fermentacji próżniowej, przy ciśnieniu 30-300 Tr i w temperaturze 30-45°C, utrzymując ciecz w stanie ciągłego wrzenia, zaś enzymy celulolityczne i hemicelulolityczne odzyskuje się na membranie ultrafiltracyjnej (UF) w drugim reaktorze (R2) i zawraca do pierwszego reaktora (R1), przy czym produkty procesu odbiera się w sposób ciągły.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że hydrolizę enzymatyczną biomasy w pierwszym reaktorze (R1) prowadzi się w temperaturze od 45 do 55°C, przy sumarycznej początkowej aktywności enzymów od 50 do 150 FPU/g i przy stężeniu enzymów w zawiesinie od 0,1 do 0,2 g/g biomasy.

PL 244860 Β1

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że hydrolizę enzymatyczną w pierwszym reaktorze (R1) prowadzi się w warunkach okresowych przez okres do 5 godzin, po czym obniża się ciśnienie w reaktorze (R2).

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się membrany mikrofiltracyjne (MF) o średnicy porów w zakresie 0,1-1,0 pm.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się membrany ultrafiltracyjne (UF) o punkcie odcięcia w zakresie 5-30 kD.

6. Sposób według zastrz. 1 albo 5, znamienny tym, że stosuje się membrany ultrafiltracyjne (UF) w postaci cienkich kapilar o strukturze asymetrycznej z warstwą aktywną znajdującą się wewnątrz kapilary.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do procesu wprowadza się biomasę lignocelulozową natywną lub poddaną wcześniej obróbce wstępnej chemicznej, fizycznej, termochemicznej lub biologicznej.

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się mieszanki enzymów zawierających: celulazy, takie jak endoglukanazy, egzoglukanazy, egzo-p-glukozydaza, β-glukozydaza, a także hemicelulazy ksylanolityczne, takie jak endoksylanaza, egzo-p-ksylozydaza, a-D-glukuronidaza, α-L-arabinofuranozydaza, esteraza octanowa.

9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w procesie fermentacji w drugim reaktorze (R2) stosuje się mikroorganizmy przeprowadzające w warunkach beztlenowych fermentację: etanolową, bursztynianową, acetonowo-butanolowo-etanolową i mlekową.

10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w procesie fermentacji w drugim reaktorze (R2) stosuje się dodatek ekstraktu z drożdży.