RO127196B1 - Procedeu de tratare a unei biomase lignocelulozice - Google Patents

Description

Invenția se referă la un procedeu de tratare a unei biomase lignocelulozice, utilizată la obținerea unui combustibil bioetanol.

Biomasa lignocelulozică reprezintă o sursă, practic nelimitată și extrem de avantajoasă, de zaharide: celuloză și hemiceluloză. Din materialele lignocelulozice, se obține etanol prin celuloliză (hidroliză și fermentare) sau prin intermediul unor procedee chimice: gazeificare și fermentare sau reacție catalitică. Biomasa constituie materia primă pentru producția la scară largă a biocombustibililor ecologici sau a altor compuși chimici. Reziduurile din agricultură (tulpini de porumb, grâu), silvicultură (rumeguș, așchii), deșeurile municipale (hârtie, carton), diverse deșeuri industriale, precum și plantele fibroase și lemnoase constituie o sursă abundentă și ieftină de celuloză.

La producerea bioetanolului din biomasa lignocelulozică, este necesară scindarea (hidroliza) chimică sau enzimatică a carbohidrațilorși fermentarea acestora cu ajutorul microorganismelor.

în mod obișnuit, fracționarea (pretratarea) biomasei se realizează prin metode chimice, fizice (căldură, presiune, hidroliză acidă, tratare în mediu bazic, expandarea fibrelor cu amoniac, expandare cu aburi, oxidare în mediu alcalin, tratare cu ozon, diverși solvenți) sau biologice [Badger, P. C., Ethanol from cellulose: a general review. P. 17-21. In: J. Janick and A. Whipkey (eds.), Trends in new crops and new uses. ASHS Press, Alexandria, VA., 2002, B. Foody, J. S. Tolan, J .D. Bernstein, P. Foody Sr., Pretreatment process for conversion of cellulose to fuel ethanol, US Patent Issued on July 18, 2000],

Rolul fracționării (pretratarii) este de a maximiza randamentul în monozaharidele fermentabile din structura celulozei și hemicelulozei, și, implicit, de creștere a vitezei de hidroliză. în această etapă, are loc solubilizarea totală sau parțială a ligninei și a hemicelulozei. Scopul acestei etape este de a distruge sau îndepărta piedicile structurale și de compoziție ce pot fi implicate în procesul de hidroliză, precum și de a îmbunătății viteza de hidroliză a enzimelor și de a mări randamentul de obținere a zaharurilor fermentabile din celuloză sau hemiceluloză, astfel pretratamentul alterează structura celulozică a biomasei, pentru a facilita accesul enzimei la conversia carbohidraților polimer în zaharuri fermentabile.

După pretratare, are loc hidroliza celulozei și hemicelulozei, pentru a desface moleculele de celuloză în zaharuri fermentescibile, urmată de separarea soluției de zahăr din materialul rezidual (lignina), fermentarea, sub acțiunea diverselor tipuri de microorganisme, a soluției de zaharide și distilarea bioetanolului rezultat.

în etapa de hidroliză celuloza este scindată în glucoză:

(C₆H₁₀O₅)n + nH₂O - nC₆H₁₂O₆

Transformarea celulozei în etanol se bazează pe hidroliza fracțiunilor de hemiceluloză și celuloză (reprezentînd în jur de 70% din materialul lemnos), pentru a pune în libertate monozaharide fermentescibile (hexoze și pentoze).

Eficiența și costul enzimelor provenite de la diverse tipuri de microorganisme, din etapa de fermentare, influențează productivitatea bioetanolului.

Când hidroliza are loc fără etapa de pretratare, randamentul este de 20%. Dacă se folosește etapa de pretratare, randamentul hidrolizei crește până la 90% [R. Purwadi, Continuous Ethanol Production from Dilute-acid Hydrolyzates:Detoxification and Fermentation Strategy, Ph. D. Thesis, Chalmers Univ., Goteborg, Swedwn 2006; Karimi K, Emtiazi G, Taherzadeh MJ., Ethanol production from dilute-acid pretreated rice straw by simultaneous saccharification and fermentation with Mucor indicus, Rhizopus oryzae, and Saccharomyces cerevisiae, Enzyme and Microbial Technology 40:138-44,2006; Greer, D., Creating Cellulosic Ethanol: Spinning Straw into Fuel, BioCycle, 2005],

RO 127196 Β1 în documentul WO 2009/102256 A2, se prezintă o metodă de obținere a etanolului, 1 în care există o fază de pretratare acidă a biomasei, fază ce ajută la creșterea randamentului de obținere a etanolului. De asemenea, brevetul R0117804 B prezintă un procedeu de pro- 3 ducere a etanolului din componentul celulozic al deșeurilor urbane solide, în care componentul celulozic a fost defibrat, procedeu care cuprinde etapele de: a) tratare a corn- 5 ponentului celulozic defibrat cu acid sulfuric concentrat, în raport de 1:1 în greutate, la

3O...8O°C, pentru a se obține un amestec hidrolizat parțial; b) diluare a amestecului hidrolizat 7 parțial cu apă la o temperatură de 80...100°C, pentru a se obține un amestec diluat ce conține 2 până la 6 părți apă la o parte de amestec hidrolizat parțial, părțile fiind exprimate 9 în greutate; c) agitare a amestecului diluat, pentru a se obține un material digestat; d) eliminare a solidelor din amestecul digestat prin filtrare, pentru a se obține un filtrat; e) separare 11 a filtratului într-o soluție ce conține acid și o soluție ce conține zaharuri; f) concentrare a soluției ce conține zaharuri până la 12...14% zaharuri; g) ajustare a pH-ului soluției concen- 13 trate ce conține zaharuri la valoarea de 6; h) fermentare cu drojdie, a soluției obținută în etapa (g), pentru a se obține un must de bere; i) îndepărtare a drojdiei din mustul de bere, 15 pentru a se obține un must de bere filtrat, și j) recuperarea etanolului din mustul de bere.

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă din elaborarea condițiilor de pro- 17 cedeu pentru obținerea lignocelulozei, având o structură care permite creșterea accesului enzimelor la polimeri de carbohidrați. 19

Procedeul de tratare a unei biomase lignocelulozice, utilizată la obținerea unui combustibil bioetanol, conform invenției, constă din faptul că se hidrolizează enzimatic 80...90% 21 material lignocelulozic, ales dintre lemn de esență tare, lemn de esență moale și lignoceluloză ierboasă, într-un mediu slab acid sau bazic, cu 10...20% soluție 0,1 N de HCI sau 23 1% de NaOH, la o temperatură de -70°C...0°C și o presiune de până la 760 torri, într-un interval de timp de 1 ...24 h, din care se obține un produs cu un conținut de 55...75% homo- 25 polimeri de tip celuloză și hemiceluloză, și monozaharide de tip pentoze și hexoze.

Prin aplicarea invenției, se obțin următoarele avantaje:27

- utilizarea exclusivă a unor reactivi ieftini;

- desfășurarea procesului într-o singură etapă;29

- randament ridicat de obținere a monozaharidelor (pentoze și hexoze) din ligno- celuloză;31

- cost redus;

- nu necesită recuperarea acidului.33 în continuare, se descrie invenția, în legătură cu fig. 1 și 2, care reprezintă:

- fig 1, schema generală a procesului de pretratare a biomasei lignocelulozice;35

- fig 2, schema tehnologică a procedeului de obținere a bioetanolului, conform invenției.37

Procesul de pretratare a biomasei lignocelulozice, conform invenției, este caracterizat prin eficiență și ingeniozitate, datorită faptului că biomasa pretratată asigură creșterea randa- 39 mentului hidrolizei enzimatice și, în același timp, permite fracționarea cu randamente comparabile a tuturor tipurilor de biomasă, comparativ cu procedeele de pretratare cunoscute. O 41 pretratare eficientă este caracterizată de mai multe criterii. Se evită astfel nevoia de a reduce dimensiunea particulelor de biomasă, păstrează fracțiuni de pentose (hemiceluloză), 43 limitează formarea produșilor de degradare care inhibă creșterea de microorganisme fermentative, minimizează cererile de energie și a costurilor. 45

Etapa de pretratare este absolut esențială, pentru obținerea bioetanolului prin fermentarea biomasei, întrucât aceasta reprezintă aproximativ 30% din costul total al etanolului. 47

RO 127196 Β1 în etapa de fracționare (pretratare), are loc solubilizarea totală sau parțială a celulozei și hemicelulozei, conform fig. 1.

S-a demonstrat că alegerea metodei de pretratare influențează în mod semnificativ eficiența și configurația ulterioară a procesului tehnologic. Studii recente au arătat că pretratamentul definește gradul și costul la care carbohidrații celulozei sau hemicelulozei pot fi convertiți la bioetanol. Procedeul conform invenției a fost folosit pentru testarea eficienței asupra a trei tipuri diferite de biomasă lignocelulozică: lemn de esență tare, lemn de esență moale și lignoceluloză ierboasă. în toate cazurile, s-au obținut rezultate foarte bune în etapa de hidroliză enzimatică.

Se dau, în continuare, 3 exemple de realizare a invenției.

Exemplul 1. Se cântărește, la balanță, 1 g material lignocelulozic de tip lemn de esență tare (stejar), peste acest substrat, se adaugă 10 ml soluție HCI 0,1 N sau NaOH 1%. și se omogenizează, apoi se lasă la temperatură de până la 0°C și presiune de până la 760 torri, într-un interval de timp de 1...24 h.

Rezultate: un produs având conținut de 55...75% homopolimeri (de tip celuloză și hemiceluloză), precum și monozaharide (pentoze și hexoze), care conduc la un randament de 75...90% al hidrolizei enzimatice.

Exemplul 2. Se cântărește, la balanță, 1 g material lignocelulozic de tip lemn de esență moale (brad), peste acest substrat, se adaugă 10 ml soluție HCI 0,1 N sau NaOH 1% și se omogenizează, apoi se lasă la temperatura de până la 0°C și presiune de până la 760 torri, într-un interval de timp de 1...24 h.

Rezultate: un produs având conținut de 55...75% homopolimeri (de tip celuloză și hemiceluloză), precum și monozaharide (pentoze și hexoze), care conduc la un randament de 75...90% al hidrolizei enzimatice.

Exemplul 3. Se cântărește, la balanță, 1 g material lignocelulozic de tip lignoceluloză ierboasă (cânepă), peste acest substrat se adaugă 10 ml soluție HCI 0,1 N sau NaOH 1% și se omogenizează, apoi se lasă la temperatura de până la 0°C și presiune de până la 760 torri, într-un interval de timp de 1...24 h.

Rezultă un produs având conținut de 55...75% homopolimeri (de tip celuloză și hemiceluloză), precum și monozaharide (pentoze și hexoze), care conduc la un randament de

75...90% al hidrolizei enzimatice.

Claims (1)

1. Revendicare 1

   Procedeu de tratare a unei biomase lignocelulozice, utilizată la obținerea unui com- 3 bustibil bioetanol, caracterizat prin aceea că se hidrolizează enzimatic 80...90% material lignocelulozic, ales dintre lemn de esență tare, lemn de esență moale și lignoceluloză 5 ierboasă, într-un mediu slab acid sau bazic, cu 10...20% soluție 0,1 N de HCI sau 1% de NaOH, la o temperatură de -70°C...0°C și o presiune de până la 760 torri, într-un interval de 7 timp de 1...24 h, din care se obține un produs cu un conținut de 55...75% homopolimeri de tip celuloză și hemiceluloză, și monozaharide de tip pentoze și hexoze. 9