RO131499B1 - Procedeu de biorafinare a plantelor zaharoase şi extracţia zaharurilor pentru obţinerea de biocombustibili şi alţi biocompuşi - Google Patents
Procedeu de biorafinare a plantelor zaharoase şi extracţia zaharurilor pentru obţinerea de biocombustibili şi alţi biocompuşi Download PDFInfo
- Publication number
- RO131499B1 RO131499B1 ROA201600334A RO201600334A RO131499B1 RO 131499 B1 RO131499 B1 RO 131499B1 RO A201600334 A ROA201600334 A RO A201600334A RO 201600334 A RO201600334 A RO 201600334A RO 131499 B1 RO131499 B1 RO 131499B1
- Authority
- RO
- Romania
- Prior art keywords
- ethanol
- sugars
- biomass
- fermentation
- extraction
- Prior art date
Links
- 235000000346 sugar Nutrition 0.000 title claims description 169
- 150000008163 sugars Chemical class 0.000 title claims description 109
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 60
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 title claims description 11
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 383
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 claims description 119
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 79
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 claims description 76
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 claims description 76
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 claims description 37
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 31
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 claims description 26
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 claims description 26
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 26
- 241000609240 Ambelania acida Species 0.000 claims description 25
- 239000010905 bagasse Substances 0.000 claims description 25
- 230000029087 digestion Effects 0.000 claims description 16
- 238000003306 harvesting Methods 0.000 claims description 16
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 13
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 11
- 230000007071 enzymatic hydrolysis Effects 0.000 claims description 10
- 238000006047 enzymatic hydrolysis reaction Methods 0.000 claims description 10
- 239000003895 organic fertilizer Substances 0.000 claims description 10
- 230000001476 alcoholic effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000004821 distillation Methods 0.000 claims description 7
- 239000002029 lignocellulosic biomass Substances 0.000 claims description 7
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 7
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims description 7
- JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N lactic acid Chemical compound CC(O)C(O)=O JVTAAEKCZFNVCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000012634 fragment Substances 0.000 claims description 5
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 5
- LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N N-Butanol Chemical compound CCCCO LRHPLDYGYMQRHN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 3
- 238000013467 fragmentation Methods 0.000 claims description 3
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 claims description 3
- 239000004310 lactic acid Substances 0.000 claims description 3
- 235000014655 lactic acid Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 claims 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims 1
- 238000000108 ultra-filtration Methods 0.000 claims 1
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 130
- 235000011684 Sorghum saccharatum Nutrition 0.000 description 70
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 63
- 240000006394 Sorghum bicolor Species 0.000 description 58
- 235000011389 fruit/vegetable juice Nutrition 0.000 description 33
- 244000138286 Sorghum saccharatum Species 0.000 description 13
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 13
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 12
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 12
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 12
- 150000001720 carbohydrates Chemical class 0.000 description 12
- 235000014633 carbohydrates Nutrition 0.000 description 12
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 12
- 239000004460 silage Substances 0.000 description 12
- 239000000047 product Substances 0.000 description 10
- 229930006000 Sucrose Natural products 0.000 description 9
- CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N Sucrose Chemical compound O[C@H]1[C@H](O)[C@@H](CO)O[C@@]1(CO)O[C@@H]1[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](CO)O1 CZMRCDWAGMRECN-UGDNZRGBSA-N 0.000 description 9
- 239000005720 sucrose Substances 0.000 description 9
- 229930091371 Fructose Natural products 0.000 description 8
- RFSUNEUAIZKAJO-ARQDHWQXSA-N Fructose Chemical compound OC[C@H]1O[C@](O)(CO)[C@@H](O)[C@@H]1O RFSUNEUAIZKAJO-ARQDHWQXSA-N 0.000 description 8
- 239000005715 Fructose Substances 0.000 description 8
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 8
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 8
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 7
- 241000219310 Beta vulgaris subsp. vulgaris Species 0.000 description 6
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 235000021536 Sugar beet Nutrition 0.000 description 6
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- 240000000111 Saccharum officinarum Species 0.000 description 5
- 235000007201 Saccharum officinarum Nutrition 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 5
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 4
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 4
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 4
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 3
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 3
- 230000001461 cytolytic effect Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 3
- 238000011090 industrial biotechnology method and process Methods 0.000 description 3
- 235000016068 Berberis vulgaris Nutrition 0.000 description 2
- 241000335053 Beta vulgaris Species 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 235000009508 confectionery Nutrition 0.000 description 2
- 238000001944 continuous distillation Methods 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 2
- 239000006188 syrup Substances 0.000 description 2
- 235000020357 syrup Nutrition 0.000 description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000427324 Glinus Species 0.000 description 1
- 241001579678 Panthea coenobita Species 0.000 description 1
- 229920003171 Poly (ethylene oxide) Polymers 0.000 description 1
- 235000007230 Sorghum bicolor Nutrition 0.000 description 1
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 description 1
- 235000005824 Zea mays ssp. parviglumis Nutrition 0.000 description 1
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 description 1
- 238000013019 agitation Methods 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 125000002947 alkylene group Chemical group 0.000 description 1
- 235000001014 amino acid Nutrition 0.000 description 1
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000003242 anti bacterial agent Substances 0.000 description 1
- 229940088710 antibiotic agent Drugs 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000002421 cell wall Anatomy 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 150000002016 disaccharides Chemical class 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 239000003337 fertilizer Substances 0.000 description 1
- 235000003599 food sweetener Nutrition 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 238000003898 horticulture Methods 0.000 description 1
- 230000003301 hydrolyzing effect Effects 0.000 description 1
- 238000011081 inoculation Methods 0.000 description 1
- 239000002054 inoculum Substances 0.000 description 1
- 239000013067 intermediate product Substances 0.000 description 1
- 238000002386 leaching Methods 0.000 description 1
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 1
- 150000002772 monosaccharides Chemical class 0.000 description 1
- 150000007524 organic acids Chemical class 0.000 description 1
- 235000005985 organic acids Nutrition 0.000 description 1
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 1
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 1
- 229920001451 polypropylene glycol Polymers 0.000 description 1
- 239000003755 preservative agent Substances 0.000 description 1
- 230000002335 preservative effect Effects 0.000 description 1
- 235000018102 proteins Nutrition 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 239000010802 sludge Substances 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 239000003765 sweetening agent Substances 0.000 description 1
- 235000013311 vegetables Nutrition 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C13—SUGAR INDUSTRY
- C13B—PRODUCTION OF SUCROSE; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
- C13B10/00—Production of sugar juices
- C13B10/006—Conservation of sugar juices
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P19/00—Preparation of compounds containing saccharide radicals
- C12P19/12—Disaccharides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
- C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
- C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
- C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate
- C12P7/10—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate substrate containing cellulosic material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel
Description
RO 131499 Β1
Invenția descrie un procedeu integrat de biorafinare a plantelor zaharoase pentru obținerea de biocombustibili, alți biocompuși și bioproduse utilizabile în industria energiei regenerabile, industria chimică, industria alimentară, biotehnologia industrială și în agricultură. Plantele zaharoase stochează zaharurile în diferite părți ale organismului vegetal, iar extracția acestor zaharuri permite folosirea lor în industria alimentară, biotehnologia industrială, sau pot fi convertite în biocombustibili (etanol, butanol) și alți biocompuși (acid lactic, acetonă) utilizabili ca materii prime în industria chimică. Biomasa vegetală rezultată după extracția zaharurilor se poate usca și folosi ca biocombustibil solid, sau se poate supune digestiei anaerobe, obținându-se biocombustibili gazoși (biogaz, prin purificarea căruia se poate obține biometan) și îngrășământ organic (utilizabil în agricultură și horticultura). Dintre plantele zaharoase, sorgul zaharat [Sorghum bicolor (L) Moench] este o sursă alternativă de zaharuri, mai puțin utilizată în comparație cu trestia de zahăr și sfecla de zahăr. Principalul motiv pentru care ultimele două plante sunt folosite pe scară largă ca materie primă în industria de profil este compoziția zaharurilor prezente în aceste plante: dacă în trestia și sfecla de zahăr zaharoza se găsește în proporție de circa 90% raportat la zaharuri totale, iar restul este reprezentat de glucoza și fructoză, în sorgul zaharat zaharurile se găsesc în diferite proporții, variind de la rapoarte egale de zaharoză/glucoză/fructoză, la rapoarte asemănătoare cu cele din sfecla și trestia de zahăr. Această compoziție heterogenă a zaharurilor acumulate în tulpinile de sorg zaharat fac ca sucul extras din acestea să nu se preteze la obținerea de zahăr alimentar pentru că procesul de cristalizare nu se poate aplica cu rezultate satisfăcătoare în acest caz. Cu toate acestea, sorgul zaharat se folosește în unele țări ca materie primă pentru obținerea de sirop folosit ca îndulcitor. Totuși, o importanță mult mai mare reprezintă folosirea sorgului zaharat ca sursă importantă de zaharuri fermentescibile pentru biotehnologia industrială. Prin fermentarea zaharurilor extrase din plantele zaharoase se pot obține cu ajutorul microorganismelor o serie de biocompuși și bioproduse de uz industrial, farmaceutic sau agricol (alcooli, acizi organici, aminoacizi, proteine, antibiotice, medicamente etc). Dintre toate produsele de biosinteză microbiană, etanolul este produs în cea mai mare cantitate pe plan mondial. Această biotehnologie constituie principalul domeniu în care se poate aplica invenția. Sorgul zaharat este o plantă anuală, cu ciclu scurt de producție, putând fi recoltată după circa 140-150 de zile de cultivare. în mod tipic se seamănă la sfârșitul lunii aprilie - începutul lunii mai și se recoltează în septembrie - octombrie. Se poate semăna în cazuri speciale ca și cultură secundară sau premergătoare în combinație cu alte plante cu ciclu scurt de producție. Dezavantajul principal îl constituie imposibilitatea conservării recoltei de sorg cu conținut de zaharuri pe tot timpul anului, pentru a putea fi procesată. Având o umiditate considerabilă (30-35%), biomasa de sorg zaharat este ușor colonizată de microorganisme, care consumă zaharurile și produc degradarea biomasei. însilozarea clasică (cu bacterii lactice) are același efect de consum al zaharurilor, iar uscarea biomasei și conservarea ei în stare uscată până la procesare este o alternativă care nu se poate aplica la scară industrială. Prin urmare, principala problemă în procesarea sorgului zaharat este faptul că trebuie realizată într-o perioadă scurtă de timp, în sezonul rece, pentru a se putea conserva o parte cât mai mare din zaharurile conținute în biomasa de sorg zaharat. Prin urmare, instalațiile de procesare trebuie să fie de capacitate mare pentru a putea procesa o cantitate mare în scurt timp și nu pot fi operate decât o perioadă scurtă din an, ceea ce face procesul foarte scump. Un alt dezavantaj al tehnologiilor actuale aplicate în procesarea sorgului zaharat îl constituie extracția zaharurilor prin presarea tulpinilor de sorg (eventual hidratate prin adăugarea de apă) și recoltarea sucului cu conținut de zaharuri. Prin acest procedeu se extrage doar o parte din conținutul de zaharuri înmagazinate în biomasa de sorg, restul zaharurilor rămân în bagasă. Termenul de bagasâ se referă la biomasa de trestie de zahăr,
RO 131499 Β1 sorg zaharat, sau alte plante care stochează zaharurile în tulpină, rămasă după extracția 1 zaharurilor. Nu se folosește termenul de borhot (ca în cazul biomasei rămase după extracția zaharurilor din sfecla de zahăr) pentru a se face distincția între biomasa lignocelulozică 3 reprezentată de reziduul de la extracția zahărului din trestie sau sorg și biomasa cu o structură mult mai moale reprezentată de reziduul de la extracția zahărului din sfeclă. Glucidele 5 rămase în bagasă după presare se pierd în scurt timp datorită microorganismelor care le consumă. Extracția incompletă a zaharurilor are de asemenea ca efect obținerea de randa- 7 mente scăzute de obținere a alcoolului etilic din sorgul zaharat în cazul biorafinăriei glucidelor pentru obținerea de etanol. Valorificarea incompletă a zaharurilor din plantele zaharoase 9 are ca efect un bilanț energetic mult mai scăzut, reflectat într-un grad de sustenabilitate scăzut, eficiență economică scăzută și amprentă de carbon ridicată. 11
Este cunoscută invenția US 2016083320 (A1) - 2016-03-24 - “Procedeu și dispozitiv de separare continuă în substrat solid pentru obținerea de etanol combustibil’’. Invenția se 13 referă la un dispozitiv de distilare continuă cu îmbunătățiri față de dispozitivele continue de distilare anterioare. Procesul de separare continuă aplicatîmbunătățește producția de etanol 15 din mediul de fermentație, dar nu rezolvă conservarea și extracția eficientă a zaharurilor din plante. Reziduurile de fermentare nu se procesează în continuare pentru obținere de biogaz. 17
Este cunoscută invenția PCT/NL2014/050668 - “Extracția zaharurilor din sfecla de zahăr”. Invenția se referă la un procedeu de conservare și extracție a zaharurilor din sfecla 19 de zahăr prin utilizarea alcoolului. Se obține un amestec de fragmente de sfeclă de zahăr și lichid cu conținut de zahăr. Nu se face nici o referire la valorificarea glucidelor pentru obține- 21 rea de etanol sau biogaz.
Este cunoscută invenția WO 2009124370 A1 - Proces de extracție a zahărului din 23 material vegetal zaharos. Invenția se referă la un procedeu de extracție a zaharurilor din plante zaharoase ca trestia de zahăr prin contactul materialului vegetal cu o soluție extractivă 25 conținând apă și un surfactant (polimeri de oxizi poli-alchileni, ca oxid de polipropilenă, oxid de polietilenă, sau copolimeri din substanțele anterioare). Invenția se referă și la obținerea 27 de etanol din plante zaharoase aplicând extracția cu polimerii amintiți ca un mod de îmbunătățire a eficienței extracției zaharurilor din plante. 29
Este cunoscută invenția WO 2006056838 A1 - “Hidroliza enzimatică a biomaselorcu conținut ridicat de substanță uscată”. Invenția se referă la un procedeu de hidroliza enzima- 31 tică a suspensiilor cu conținut ridicat de substanță uscată, care să permită obținerea de soluții concentrate de zaharuri care pot fi fermentate la etanol sau alți biocombustibili. Pro- 33 blema pe care o rezolvă invenția este aceea de a realiza un procedeu integrat de biorafinare care permite procesarea biomasei de plante zaharoase (în special sorg zaharat) pe tot timpul 35 anului (și nu doar în perioada imediat următoare recoltării), conservarea și extracția zaharurile conținute, fermentarea zaharurile extrase pentru a obține etanol sau alți biocompuși, 37 hidroliza celulozei și fermentarea hidrolizatului fără a se aplica metode fizice sau chimice de pretratare a biomasei lignocelulozice cu obținere de etanol lignocelulozic, digestia anaerobă 39 a resturile de la fermentare și hidroliza cu obținere de biogaz și îngrășământ organic.
Procedeul conform invenției constă în conservarea zaharurilor prin însilozarea aditi- 41 vată a biomasei proaspăt recoltată de sorg zaharat, extracția zaharurilor din biomasa însilozată, urmată de fermentarea zaharurilor cu obținere de etanol și alți biocompuși, hidroliza 43 fără pretratare a lignocelulozei, obținerea de etanol din hidrolizatul celulozic, digestia anaerobă a reziduurilor de la fermentare și hidroliza cu obținere de biogaz și îngrășământ 45 organic. Procedeul de biorafinare a biomasei conform invenției constă în următoarele etape:
- fragmentarea biomasei cu conținut de zaharuri; 47
- adăugarea unei soluții formate din etanol și apă la biomasa fragmentată și obținerea silozurilor; 49
RO 131499 Β1
- extracții succesive de soluții cu conținut de zaharuri, apă și etanol;
- separarea și recuperarea etanolului din soluțiile recoltate din silozuri;
- fermentarea soluțiilor cu conținut de zaharuri, distilarea și obținerea etanolului din zaharuri;
- hidroliza enzimatică a bagasei rezultate după extracția ultimei fracții de zaharuri din biomasa de plante zaharoase (de exemplu sorg), fermentarea hidrolizatului obținut, distilarea și obținerea etanolului din celuloză;
- digestia anaerobă a bagasei hidrolizate și fermentate și a reziduurilor de la distilare pentru obținere de biogaz și îngrășământ organic.
Procedeul de biorafinare a plantelor zaharoase conform invenției asigură următoarele avantaje:
- folosește ca aditiv de conservare a zaharurilor și ca agent de extracție a acestora din biomasa de plante zaharoase un compus obținutîn aceeași întreprindere, fără a fi nevoie achiziția acestui material (etanolul);
- aditivul de conservare și agentul de extracție (etanolul) se recuperează din materialul însilozat și poate fi refolosit la următoarele extracții;
- în timpul conservării și extracției zaharurilor din biomasa de plante zaharoase, etanolul are și efect de pretratare a biomasei lignocelulozice, astfel încât nu este necesară o altă etapă de pretratare a biomasei lignocelulozice înainte de hidroliza enzimatică a celulozei pentru obținerea de zaharuri fermentescibile;
- cantitatea de biogaz obținută din reziduurile de la fermentarea alcoolică a sorgului zaharat este mai mare decât cantitatea de biogaz obținută din sorgul zaharat nesupus fermentării alcoolice;
- prin înlănțuirea celor trei procese principale: (1) fermentarea alcoolică a zaharurilor extrase din plantele zaharate, (2) hidroliza enzimatică și fermentarea bagasei rezultate după extracția zaharurilor și (3) digestia anaerobă a reziduurilor de la hidroliza și fermentare cu producere de biogaz, producția totală de energie este maximizată, iar la finalul procesului se obține îngrășământ organic.
Se dă un exemplu de realizare a invenției în legătură cu fig. 1 care reprezintă schema biorafinăriei plantelor zaharoase, având ca studiu de caz sorgul zaharat.
Invenția se referă la un procedeu integrat de biorafinare a plantelor zaharoase abordând ca studiu de caz sorgul zaharat. Procedeul constă în conservarea zaharurilor prin însilozarea aditivată a biomasei proaspăt recoltată de sorg zaharat, extracția zaharurilor din biomasa însilozată, urmată de fermentarea zaharurilor cu obținere de etanol, hidroliza fără pretratare a lignocelulozei, obținerea de etanol din hidrolizatul celulozic, digestia anaerobă a reziduurilor de la fermentare și hidroliza cu obținere de biogaz și îngrășământ organic.
Procedeul de biorafinare a plantelor zaharoase cu conservarea și extracția zaharurilor pentru obținerea de biocombustibili și alți biocompuși conform invenției este realizat în următoarele etape:
a) fragmentarea biomasei de plante zaharoase pentru a obține o masă tasabilă (ideal fragmente sub 1 cm) și însilozarea acestor fragmente în prezența unei soluții apoase de etanol;
b) extracția unei prime porții de zaharuri din biomasa însilozată prin recoltarea lichidului conținând apă, etanol și componentele din planta zaharoasă, în special zaharuri reducătoare;
c) adăugarea unei noi soluții de etanol peste biomasa însilozată, iar după perioada de extracție recoltarea unei noi porții de zaharuri;
d) repetarea extracției de zaharuri prin inundări repetate cu soluție apoasă de etanol până la o concentrație minim stabilită de zaharuri în extract;
RO 131499 Β1
e) recuperarea etanolului din extract; 1
f) fermentația soluției de zaharuri rezultată după recuperarea etanolului;
g) separarea produselor principale și secundare din mediul fermentat și valorificarea 3 acestora;
h) hidroliza enzimatică a bagasei rezultate după extracția zaharurilor și fermentarea 5 hidrolizatului obținut la etanol (obținerea de etanol lignocelulozic);
i) separarea etanolului din mediul fermentat și valorificarea acestuia; 7
j) digestia anaerobă a reziduurilor de la etapele de distilare (vinase) și a reziduurilor solide de la etapa de obținere a etanolului lignocelulozic și obținerea de biogaz și 9 îngrășământ organic.
Una dintre principalele probleme pe care invenția le rezolvă este realizarea un 11 procedeu integrat de biorafinare care permite procesarea biomasei de plante zaharoase (în special sorg zaharat) pe tot timpul anului, și nu doar în perioada imediat următoare recoltării. 13 Această problemă este rezolvată prin însilozarea aditivată a tulpinilor de sorg cu etanol. Aditivul folosit (etanolul) are și rolul de a facilita extracția zaharurilor din tulpini pentru obține- 15 rea unui lichid dulce, cu conținut ridicat de zaharuri fermentescibile care pot fi convertite de către microorganisme la etanol sau alți biocompuși în cadrul unei biorafinării. Metoda 17 dezvoltată în cadrul acestei invenții are ca efect atât conservarea zaharurilor cât și extracția zaharurilor din tulpinile de sorg zaharat. Cercetările efectuate indică aplicarea unui amestec 19 de apă și alcool etilic în proporție de 1:1 și în concentrație de 15% alcool etilic și 15% apă raport gravimetric față de biomasa de sorg. La concentrații mai scăzute de etanol se poate 21 obține conservarea zaharurilor, dar extracția lor din biomasa se face cu randament mai scăzut. La concentrații de peste 15 % alcool etilic nu s-au obținut rezultate îmbunătățite nici 23 în ceea ce privește conservarea în timp și nici în ceea ce privește extracția zaharurilor. Perioada de conservare și extracție simultană se poate realiza pe perioade de câteva luni 25 - un an de la recoltare, ceea ce face posibilă prelucrarea biomasei de sorg pe tot timpul anului. Pe parcursul perioadei de conservare în soluția alcoolică, concentrația de zaharuri 27 din masa totală însilozată se menține aproximativ constantă. Zaharurile sunt extrase din biomasa de sorg și trec prin osmoză în faza lichidă constituită de soluția apoasă de alcool etilic. 29 Singura modificare în timpul conservării în ceea ce privește compoziția zaharurilor din lichidul de extracție se referă la concentrația de zaharoză. Mai precis, zaharoza (un diglucid format 31 din glucoza și fructoză) se descompune în timpul însilozării aditivate cu etanol și se regăsește în sucul extras sub forma celor două monoglucide constituente: glucoza și fructoză. 33 Această hidroliză are loc încă din primele patru săptămâni deînsilozare, astfel că în studiile de laborator efectuate, după 30 de zile concentrația de zaharoză a ajuns la valoare nulă, iar 35 concentrația de glucoza și fructoză în sucul extras este proporțional mai mare. Concret, în sucul extras din biomasa de sorg imediat după recoltare principalii indici glucidici măsurați 37 în laboratorîn cadrul cercetărilor sunt: 17 grade Brix extract solubil total; 52 mg/ml zaharoză; 59,4 mg/ml glucide reducătoare totale (în principal glucoza și fructoză), din care 27,4 mg/ml 39 glucoza. După primele 30 de zile de însilozare aditivată cu 15% etanol și 15% apă, indicii glucidici ai sucului extras din biomasa însilozată sunt: 17,8 grade Brix extract solubil total; 41 0 mg/ml zaharoză; 141,6 mg/ml glucide reducătoare totale (în principal glucoza și fructoză), din care 68,6 mg/ml glucoza, iar restul de circa 73 mg/ml zaharuri reducătoare reprezintă 43 fructoză. Prin urmare, chiar dacă s-a adăugat alcool și apă peste biomasa de sorg, lichidul extras nu este mai diluat în zaharuri, așa cum ar fi fost de așteptat, ba din contră, după 30 de 45 zile de însilozare, prin presarea biomasei s-a recoltat un volum mult mai mare de lichid și cu concentrație considerabil mai mare de zaharuri în comparație cu biomasa proaspătă, mai 47 precis în cazul de față din biomasa însilozată s-a recoltat suc cu 141,6 mg/ml glucide totale,
RO 131499 Β1 față de sucul din biomasa proaspătă cu 52 mg/ml zaharoză și 59,4 mg/ml glucide reducătoare, care însumate înseamnă 111,4 g/ml glucide totale. în ceea ce privește volumul sucului extras din biomasa de sorg zaharat, din biomasa proaspătă se poate extrage în funcție de factorii de mediu și tehnologia de cultivare între 0 și 350 ml suc/kg biomasa proaspătă. în cazul biomasei folosite în acest studiu s-au extras 250 ml suc dintr-un kilogram biomasa proaspătă, înainte de însilozare. După doar 30 de zile de însilozare aditivată cu 15% etanol și 15% apă, s-au extras 600 ml suc dintr-un kilogram biomasa însilozată. Acest fenomen se datorează degradării formațiunilor interstițiale și a complexului lignocelulozic din peretele celular al biomasei de sorg, astfel încât lichidul interstițial și celular este eliberat și se poate extrage mult mai ușor prin presarea biomasei.
Calculând randamentul de producție a zaharurilor raportat la cantitatea de biomasa și la unitatea de suprafață de teren cultivat cu sorg zaharat, se obțin datele din tabelul 1.
Date comparative privind producția de zaharuri din sorg zaharat
Tabel 1
| Procedeu de extracție | Volum de suc extras (ml/kg) | Concentrație de zaharuri în suc | Producție zaharuri raportat la biomasa (g/kg) | Producție zaharuri raportat la suprafață (kg/hectar)* | Creșterea productivității ca urmare a tehnologiei dezvoltate conform brevet | ||
| Zaharuri totale (mg/ml) | Glucoză liberă (mg/ml) | Zaharoză (mg/ml) | |||||
| Presare (clasic) | 250 | 111 | 27,4 | 52 | 27,75 | 1387 | 100% |
| Cu aditiv, după 30 de zile de extracție (conform brevet) | 600 | 141 | 68,6 | 0 | 84,60 | 4230 | 305% |
*calculată la o producție de 50 de tone/hectar masă verde
Se menționează că pentru a calcula producția de zaharuri raportată la suprafața de teren cultivată cu sorg, am aplicat o productivitate de 50 de tone tulpini de sorg masă verde/hectar. Acesta este un scenariu pesimist, deoarece cu hibridul de sorg Sugargraze (selecționat dintre șapte hibrizi de sorg zaharat luați în testare), în condiții pedoclimatice tehnologice bune se pot obține producții de până la 80 tone/hectar. în condiții excelente au fost raportate chiar producții în jur de 100 tone/hectar.
După 2 luni de stocare a silozului de sorg în condițiile descrise, concentrația de zaharuri a urcat până la 149 mg/kg. Pe parcursul întregii perioade de 12 luni de stocare și extracție a zaharurilor, concentrația de zaharuri în suc s-a menținut la valori aproximativ constante, cu mici variații între 140 și 149 mg/kg biomasă. în ceea ce privește cantitatea de suc recoltată, aceasta poate să varieze în funcție de tipul de presă folosit și de forța de presare a biomasei. Un alt aspect, referitor la extracția sucului, acesta poate fi extras prin levigare, fără presare. La baza recipientului folosit pentru stocare se poate recolta o cantitate considerabilă de suc, care se acumulează în timp sub greutatea proprie a masei de siloz. Pornind de la acest raționament, s-a aplicat extracția în mai multe etape a zaharurilor prin inundări repetate a biomasei de sorg cu soluție de etanol 50%. Mai concret, după prima
RO 131499 Β1 extracție a soluției zaharoase la 30 de zile de însilozare, s-a adăugat o soluție proaspătă de 1 etanol 50%, după un interval de 30 de zile am recoltat soluția și am adăugat altă soluție proaspătă de etanol 50%. Astfel, de pe același lot de biomasa de sorg zaharat, s-a efectuat 3 în total 4 extracții cu soluție alcoolică la intervale de 30 de zile. Prin aceste extracții repetate, producția de zaharuri raportată la cantitatea de biomasa de sorg supusă extracției este mult 5 sporită față procedeul cu o singură extracție. Totuși, concentrația de zaharuri în soluțiile recoltate în extracțiile 2, 3 și 4 este progresiv mai mică. în tabelul 2 sunt redate valorile 7 obținute prin extracția repetată de glucidelor din sorgul zaharat.
Extracția glucidelor din sorgul zaharat prin inundări repetate cu soluție alcoolică 11
Tabel 2 13
| Extracția prin inundarea repetată a biomasei cu soluții de etanol | Volum de suc extras (ml/kg) | Concentrație de zaharuri totale în suc extras la fiecare extracție (mg/ml) | Producția de zaharuri raportat la biomasă la fiecare extracție (g/kg) | Producția cumulată de zaharuri raportat la biomasa (g/kg) | Producția cumulată de zaharuri raportat la suprafață (kg/hectar)* |
| Prima extracție, la 30 de zile de însilozare | 600 | 141,6 | 84,60 | 84,60 | 4230 |
| A 2-a extracție, la 60 de zile de însilozare | 300 | 88,6 | 26,58 | 111,18 | 5559 |
| A 3-a extracție, la 90 de zile de însilozare | 300 | 51,8 | 15,54 | 126,72 | 6336 |
| A 4-a extracție, la 120 de zile de însilozare | 250 | 42,9 | 10,72 | 137,44 | 6872 |
*calculată la o producție de 50 de tone/hectar masa verde
Sorgul zaharat este recoltat în momentul optim, adică atunci când concentrația de 33 zaharuri stocate în tulpinile de sorg a atins valorile maxime. Este recomandat ca recoltarea să se facă cu utilaje folosite la recoltarea trestiei de zahăr, pentru a separa paniculii și 35 frunzele de tulpini. în lipsa acestor utilaje se pot folosi utilajele de recoltare a porumbului pentru siloz. în acest caz, biomasa recoltată este mai heterogenă pentru că conține atât tulpinile, 37 cât și frunzele și paniculii cu semințe. Biomasa recoltată și tocată se însilozează în silozuri închise ermetic, rezervoare hidro-izolate, pentru a împiedica scurgerea de lichid din siloz. 39
Procesarea biomasei de sorg astfel însilozată prin adăugarea de alcool etilic și apă se poate face în cel puțin trei moduri: 41
1. Biomasa este presată, iar lichidul conținând zaharuri și alcoolul adăugat ca aditiv este trecut printr-o coloană de distilare pentru a recupera alcoolul etilic. Acesta se păstrează 43 pentru a fi refolosit ca aditiv la următoarea recoltă sau se comercializează. Lichidul cu conținut de zaharuri este trimis în fermentatoare pentru fermentație submersă pentru obținerea 45 de alcool etilic, sau alți biocompuși. Bagasa de sorg rezultată după stoarcerea sucului poate fi de asemenea folosită în mai multe scopuri. 47
RO 131499 Β1
O primă opțiune este hidroliza enzimatică a bagasei cu ajutorul enzimelor celulozolitice pentru conversia celulozei la glucoza, obținându-se astfel o a doua recoltă de zaharuri fermentescibile. Borhotul rezultat după hidroliza poate fi transformat prin digestie anaerobă în biogaz și fertilizant.
O altă opțiune este uscarea bagasei și folosirea ei ca biocombustibil solid în centrale termice, inclusiv pentru obținerea aburului tehnologic necesar în etapele de distilare.
2. Amestecul de biomasa și soluția da zaharuri și alcool este trecută cu ajutorul unui conveier printr-un tunel cald în care se evaporă alcoolul, după care se răcește și alimentează un fermentator orizontal de tip plug-flow pentru obținerea de alcool etilic, sau alți biocompuși. Borhotul de fermentație rezultat se poate procesa în mod similar celui rezultat din metoda descrisă anterior (hidroliza enzimatică, digestie anaerobă).
3. Biomasa însilozată este presată, lichidul dulce alcoolic este distilat pentru recuperarea alcoolului, după care este concentrat prin evaporare pentru obținere siropului cu concentrație specifică de zaharuri. Acesta se comercializează ca atare sau se folosește ca adaos în procesele de fermentație continuă. Bagasa rezultată se poate procesa identic ca la punctul 1.
în schema de la fig.1 sunt redate principalele operații și procese din cadrul biorafinăriei (în chenare), materialele folosite ca materii prime sau ca produse intermediare și produsele principale obținute (scrise cu litere îngroșate).
în tabelul nr. 1 sunt redate producțiile de etanol obținute prin aplicarea următoarelor variante de procesare a biomasei de sorg zaharat: (1) recoltarea sucului dulce prin presare directă din biomasa proaspăt recoltată; (2) fermentarea în substrat solid a sorgului însilozat cu etanol; (3) fermentarea lichidului din prima extracție din sorgul însilozat cu etanol (30 zile de însilozare); (4) fermentarea lichidului extras din bagasa de sorg rezultată după extracția sucului (varianta 1), însilozată cu etanol; (5) fermentarea lichidului recoltat din aceeași probă de siloz prin extracțiile 2, 3 și 4 la 60, 90 și 120 zile de însilozare cu soluție de etanol.
Variante de procesare a sorgului zaharat pentru obținerea de etanol
Tabel nr. 1
| Produsul, procesul | Brix | Zaharuri reducătoare, g/i | Concentrați e alcool în mediu de fermentație, ml % | Volum lichid litri/tonă biomasă | Producție1 Etanol Litri/tonă biomasă | Producție Etanol Litri/tonă biomasă S.U. | Producți e medie etanol litri/ha2 | |
| Etapa a I a de fermentare | ||||||||
| 1 | Suc extras prin presare, fermentație în sistem submers | 16,2 | 70-84 | 7,5 | 250 | 18,75 | 26,79 | 940 |
| 2 | Siloz cu etanol (cod SG3) fermentat în substrat solid - SSF | 6,4 | 58 | 2,8 | - | 50 | 217,39 | 2500 |
| 3 | Extracție suc din siloz cu etanol după 30 zile (cod SGI), fermentație în sistem submers | 14 | 122 | 10,9 | 600 | 65,4 | 311,43 | 3270 |
| 4 | Extracție suc din siloz de bagasă după 150 zile, fermentație în sistem submers (cod BG) | 21,6 | 223 | 11,1 | 300 | 33,3 (+18,75) | 133,20 (+26,79) | 1665 (+940) |
RO 131499 Β1
Tabel nr. 1 (continuare)
| Produsul, procesul | Brix | Zaharuri reducătoare, g/i | Concentrație alcool în mediu de fermentație, ml % | Volum lichid litri/tonă biomasă | Producție1 Etanol Litri/tonă biomasă | Producție Etanol Litri/tonă biomasă S.U. | Producți e medie etanol litri/ha2 | |
| Etapa a I a de fermentare | ||||||||
| 5 | Extracție repetată din siloz de sorg (cod SGI), 60-120 zile, fermentație în sistem submers | 14 | 115 | 6,8 | 750 | 51 (+65,4) | 242,86 (+311,43) | 2550 (+3270) |
| 6 | Extracție unică suc din siloz cu etanol după 120 zile (cod SG4), fermentație în sistem submers | 22,2 | 210 | 10,2 | 600 | 61,2 | 255,00 | 3060 |
1calculat conform concentrației de etanol rezultată din procesul de fermentație 2 la o producție de 50 tone biomasă verde tulpini sorg/hectar
Extracția cu soluție de alcool etilic prin inundări repetate (linia 3 și linia 5 în tabelul 1) permite obținerea de peste 5800 litri etanol/hectar prin cumularea producției de etanol din zaharurile recoltate cu prima extracție (3270 litri/hectar) și a producției de etanol din zaharurile recoltate prin extracțiile 2-4 (2550 litri/hectar). Prin aplicarea extracției prin inundări repetate producțiile de etanol pot fi cu 617% mai mare decât producția de etanol obținută din sucul recoltat prin presarea biomasei proaspete (linia 1 în tabelul 1) sau cu 189% mai mare decât producția de etanol obținută din sucul recoltat prin extracția unică din biomasă însilozată prin aditivare cu etanol (linia 6 în tabelul 1).
Următoarea etapă a biorafinării constă în hidroliza celulozei din biomasă lignocelulozică rezultată după extracția zaharurilor și fermentarea lor la etanol. în tabelul nr. 2 sunt redate producțiile de etanol celulozic obținut prin hidroliza și fermentarea diferitelor tipuri de bagasă de sorg rezultată din prima etapă de procesare a sorgului.
Producții de etanol celulozic obținute prin hidroliza și fermentarea bagasei de sorg
Tabelul nr. 2
| Produsul, procesul | Brix | Zaharuri reducătoare, g/l | Concentrație alcool în mediu de fermentație, ml% | Volum lichid litri/tonă biomasă | Producție1 Etanol Litri/tonă biomasă | Producție Etanol Litri/tonă biomasă S.U. | Producție medie etanol litri/ha2 | ||
| Etapa a II a de fermentare | |||||||||
| Produsul, procesul | Brix | Zaharuri reducătoare, g/l | Etanol3, % | Etanol4, % | Volum lichid litri/tonă biomasă | Producție1 Etanol / biomasă Litri/tonă | Producție Etanol / biomasă S.U. litri/tonă | Producție medie etanol litri/ha2 | |
| A | Fermentarea bagasei SG1 (4 spălări) | 5,6 | 5,49 | 1,9 | 0,2 | 6670 | 13 | 61,90 | 667 |
RO 131499 Β1
Tabelul nr. 2 (continuare)
| Produsul, procesul | Brix | Zaharuri reducătoare, g/l | Concentrație alcool în mediu de fermentație, ml % | Volum lichid litri/tonă biomasă | Producție1 Etanol Litri/tonă biomasă | Producție Etanol Litri/tonă biomasă S.U. | Producție medie etanol litri/ha2 | ||
| Etapa a II a de fermentare | |||||||||
| Produsul, procesul | Brix | Zaharuri reducătoare, g/l | Etanol3, % | Etanol4, % | Volum lichid litri/tonă biomasă | Producție1 Etanol / biomasă Litri/tonă | Producție Etanol / biomasă S.U. litri/tonă | Producție medie etanol litri/ha2 | |
| B | Hidroliza și fermentarea bagasei SG1 (4 spălări) | 5,8 | 10,1 | 2,1 | 0,3 | 6670 | 20 | 95,24 | 1001 |
| C | Fermentarea bagasei SG4 (stors odată) | 6,4 | 17,8 | 1,66 | 0,7 | 6670 | 47 | 195,83 | 2335 |
| D | Hidroliza și fermentarea bagasei SG4 (stors odată) | 6,9 | 22,6 | 1,87 | 0,9 | 6670 | 60 | 250,00 | 3002 |
| E | Hidroliza și fermentarea borhotului SG3 (fermentat SSF) | 4,6 | 3,2 | 0,5 | 0,1 | 6670 | 7 | 30,43 | 334 |
| F | Pretratarea, hidroliza și fermentarea borhotului SG3 (fermentat SSF) | 5,1 | 8,6 | 0,5 | 0,2 | 6670 | 13 | 56,52 | 667 |
1calculat conform concentrației de etanol rezultată din procesul de fermentație 2la o producție de 50 tone biomasa verde tulpini sorg/hectar
Concentrația de etanol din mediul de fermentație inclusiv etanol rezidual din însilozare 4etanol rezultat doar din procesul de fermentație (concentrația finală - concentrația înainte de fermentare)
Prin hidroliza și fermentarea bagasei rezultate din extracția prin inundare repetată cu etanol (linia B în tabelul 2) se obține o producție de 1000 litri/hectar. Această producție este mai mare decât producția de etanol obținută prin pretratarea cu hidroxid de sodiu și abur sub presiune urmată de hidroliza enzimatică a bagasei rezultat după fermentarea în substrat solid a sorgului (linia F în tabelul 2). Acest rezultat aduce o noutate extrem de importantă, și anume: tratarea în timp de mai multe luni a biomasei lignocelulozice cu soluție de etanol are efect mai bun în ceea ce privește ameliorarea accesului enzimelor celulozolitice pentru hidroliza celulozei decât metodele clasice de pretratare fizico-chimice (hidroxid de sodiu și abur sub presiune). Acest aspect are un impact majorîn economia proceselor de biorafinare a biomasei vegetale, pentru că etapele de pretratare fizico-chimice sunt endergonice și
RO 131499 Β1 poluante. Cu alte cuvinte, tratarea cu etanol a biomasei de plante zaharoase are triplu efect: 1 de conservare a zaharurilor, de extracție a zaharurilor și de eliberare a celulozei din complexul lignocelulozic, facilitând accesul enzimelor celulozolitice pentru hidroliza celulozei 3 la glucoza.
în următoarea etapă a biorafinării s-a trecut la digestia anaerobă a diferitelor tipuri de 5 biomasa și reziduuri rezultate după procesele de stoarcere a sucului, hidroliza și fermentare a biomasei de sorg zaharat. Au fost construite loturi experimentale cu digestoare de 500 ml 7 capacitate și racordate de contoare de gaz (producător: Bioprocess Control, Suedia), toate în triplicate, conform metodei VDI 4630 (VDI, 2006). Raportul de inoculare aplicat în toate 9 cazurile este de 1,2 părți inocul la 1 parte substrat (raportat la conținutul de substanță organică uscată). 11
Digestoarele au fost imersate în băi de apă, incubate la temperatura de 37,5°C, iar agitarea mediului de digestie s-a făcut în mod discontinuu cu agitatoare mecanice. Produc- 13 țiile au fost măsurate în normal-litri (207 K și 1013 mbar) per kilogram de substanță uscată organică (lNkg1). 15
Compoziția biogazului (în principal CH4, CO2) a fost analizată cu analizorul portabil de gaz DrăgerX-AM 7000. Digestia a fost întreruptă când producția zilnică de biogaza atins 17 un nivel de 1% din totalul volumului de gaz produs până în momentul respectiv (VDI, 2006). Cantitatea cea mai mare de biogaz este produsă în primele 20 zile de bioproces, iar după 19 40 zile în majoritatea cazurilor producția de biogaz este foarte scăzută.
în anexa 1 este redată tabelar producția de energie prin aplicarea diferitelor procese 21 de biorafinare a sorgului zaharat inclusiv digestia anaerobă cu producere de biogaz. Procedeul prin care se aplică însilozarea biomasei cu etanol ca aditiv de conservare și extracție, 23 urmată de extracția zaharurilor prin inundări repetate cu soluție apoasă de etanol permite obținerea unor producții mari de etanol, atât prin fermentarea zaharurilor extrase din biomasa 25 însilozată, cât și prin fermentarea hidrolizatului celulozic. De asemenea, producția de biogaz obținută din reziduurile de la fermentare și hidroliza, respectiv energia înmagazinată în acest 27 biogaz, adăugată la energia produsă din etanol indică procedeul prin care biomasa este tratată cu etanol prin extracții repetate ca fiind cel mai productiv din punct de vedere ener- 29 getic în comparație cu procedeele clasice.
RO 131499 Β1
Anexa 1
Producția de energie prin aplicarea deferitelor procedee de biorafinare a sorgului zaharat
| Procedeu | Producția de energie | |||||||||
| Producția de energie din etanol de primă generație | Producția de energie din etanol de generația a doua | Digestia anaerobă a biomasei reziduale, producția de energie din biogaz | Proces integrat, producția cumulată de energie | |||||||
| Concentrați a de etanol în mediul lichid, g/l | Etanol produs, ml/kg biomasa S.U. | Energia produsă, KJ/kg biomasa S.U. | Concentrați a de etanol în mediul lichid, g/l | Etanol produs, g/kg biomasa S.U. | Energia produsă, KJ/kg biomasa S.U. | Procent de hidroliza a biomasei în etapele de fermentare | Metan produs, l/kg S.U. biomasa inițială | Energia produsă, KJ/kg biomasa S.U. | Energia produsă, KJ/kg biomasa S.U. | |
| Fermentarea sucului extras prin presare din biomasa proaspăt recoltată | 75 | 26,79 | 715 | 0 | 0 | 0 | 0 | 250 | 9000 | 9715 |
| Fermentarea biomasei însilozate nepresate | 28 | 217,39 | 5804 | 0 | 0 | 0 | 0 | 382 | 13752 | 19556 |
| Fermentarea sucului extras prin presare din biomasa însilozată | 109 | 311,43 | 8315 | 0 | 0 | 0 | 0 | 250 | 9000 | 17315 |
| Fermentarea sucului extras din bagasă însilozată de sorg rezultată după prima presare | 111 | 133,20 +(26,79) | 3556 (+715) | 0 | 0 | 0 | 0 | 250 | 9000 | 12556 (+715) |
RO 131499 Β1
Anexa 1 (continuare)
| Procedeu | Producția de energie | |||||||||
| Producția de energie din etanol de primă generație | Producția de energie din etanol de generația a doua | Digestia anaerobă a biomasei reziduale, producția de energie din biogaz | Proces integrat, producția cumulată de energie | |||||||
| Concentrați a de etanol în mediul lichid, g/l | Etanol produs, ml/kg biomasa S.U. | Energia produsă, KJ/kg biomasa S.U. | Concentrați a de etanol în mediul lichid, g/l | Etanol produs, g/kg biomasa S.U. | Energia produsă, KJ/kg biomasa S.U. | Procent de hidroliza a biomasei în etapele de fermentare | Metan produs, l/kg S.U. biomasa inițială | Energia produsă, KJ/kg biomasa S.U. | Energia produsă, KJ/kg biomasa S.U. | |
| Fermentarea sucului + Pretratarea, hidroliza și fermentarea bagasei de sorg stoarse 4x | 68 | 554 | 14792 | 21 | 95,24 | 2543 | 0 | 382 | 13752 | 31087 |
| Fermentarea sucului + Hidroliza și fermentarea bagasei de sorg fermentate | 28 | 217,39 | 5804 | 5 | 56,52 | 1509 | 94 | 23 | 825 | 8139 |
| Fermentarea sucului + Hidroliza fără pretratarea bagasei de sorg fermentate | 28 | 217,39 | 5804 | 5 | 30,43 | 812 | 0 | 382 | 13752 | 20369 |
RO 131499 Β1
Producții de biogaz și metan obținute cu diferite tipuri de biomasă și reziduuri de la hidroliza și fermentarea biomasei de sorg
Anexa 2
CJStsgsi «Metan
Claims (9)
1. Procedeu de biorafinare a plantelor zaharoase cu conservarea și extracția 3 zaharurilor pentru obținerea de biocombustibili și alți biocompuși caracterizat prin aceea că este realizat în următoarele etape: 5
a) fragmentarea unei biomase de plante zaharoase in fragmente cu dimensiuni cuprinse între 0,2 și 1 cm inclusiv pentru a obține o masă tasabilă și însilozarea acestor 7 fragmente în prezența unei soluții apoase de etanol;
b) extracția unei prime porții de zaharuri din numita biomasăînsilozată prin recoltarea 9 unui lichid conținând apă, etanol și componentele din planta zaharoasă, în special zaharuri reducătoare;11
c) adăugarea unei soluții de etanol peste numita biomasă însilozată și recoltarea unei noi porții de zaharuri;13
d) repetarea extracției de zaharuri prin inundări repetate cu o soluție apoasă de etanol până la o concentrație de minim 40 mg/ml zaharuri în extract;15
e) recuperarea etanolului din extract;
f) fermentația porțiilor de soluții de zaharuri rezultate după recuperarea etanolului; 17 g) separarea produselor de fermentație din mediul fermentat și valorificarea acestora;
h) hidroliza enzimatică a unei bagase rezultate după extracția zaharurilor și fermen- 19 tarea hidrolizatului obținut pentru obținerea de etanol lignocelulozic;
i) separarea etanolului din mediul fermentat și valorificarea acestuia; 21
j) digestia anaerobă a reziduurilor lichide de la etapele (g) și (i) și a reziduurilor solide de la etapa de obținere a etanolului lignocelulozic și obținerea de biogaz și îngrășământ 23 organic.
2. Procedeu, conform revendicării 1, în care concentrația de etanol folosită la 25 conservarea, extracția zaharurilor și pretratarea biomasei lignocelulozice este cuprinsă între 8 și 15% inclusiv raportat la biomasă proaspătă de plante însilozate. 27
3. Procedeu, conform revendicării 1, în care extracția zaharurilor din plantele zaharoase se face prin inundare și recoltare repetată a soluției alcoolice cu periodicitate de 29 cel puțin o săptămână.
4. Procedeu, conform revendicării 2, în care recuperarea etanolului din soluțiile de 31 extracție sau din mediile de fermentație se face prin distilare, ultrafiltrare sau adsorbție.
5 îngrășământ organic ce se aplică pe suprafețele agricole din care provin plantele folosite ca materie primă în biorafinărie.
5. Procedeu, conform revendicării 1, în care procedeul de biorafinare se poate 33 întrerupe în diferite stadii, în funcție de produsul dorit.
6. Procedeu, conform revendicării 5, în care procedeul de biorafinare se întrerupe 35 după etapa (e), iar soluția de zaharuri rezultată se supune concentrării sau altor prelucrări în scopul valorificării comerciale a zaharurilor. 37
7 12. Procedeu, conform revendicării 1, în care digestatul rezultat din etapa (j) este supus procesului de separare a fazei lichide de cea solidă, în care faza lichidă este folosită
7. Procedeu, conform revendicării 5, în care procedeul de biorafinare se întrerupe după etapa (e), iar biomasa solidă rezultată după extracția zaharurilor se supune uscării și 39 se folosește ca biocombustibil solid.
8. Procedeu, conform revendicării 5, în care procedeul de biorafinare se întrerupe 41 după etapa (i), iar fracția solidă rezultată după hidroliza și fermentare se supune uscării și se folosește ca biocombustibil solid. 43
9. Procedeu, conform revendicării 1, în care în etapele (f) și (g) se aplică fermentația alcoolică - produsul principal fiind etanolul, fermentația lactică -produsul principal fiind acidul 45 lactic, fermentația acetono-butilică - produsele principale fiind butanolul și acetona.
RO 131499 Β1
1
10. Procedeu, conform revendicării 1, în care biogazul rezultat din etapa (j) este folosit in situ pentru obținerea de abur tehnologic, pentru obținerea de energie electrică și 3 termică într-o unitate de cogenerare, este purificat pentru obținerea de biometan.
11. Procedeu, conform revendicării 1, în care digestatul rezultat din etapa (j) este
9 pentru fertirigare, iar faza solidă se usucă și se comercializează ca îngrășământ organic.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ROA201600334A RO131499B1 (ro) | 2016-05-11 | 2016-05-11 | Procedeu de biorafinare a plantelor zaharoase şi extracţia zaharurilor pentru obţinerea de biocombustibili şi alţi biocompuşi |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ROA201600334A RO131499B1 (ro) | 2016-05-11 | 2016-05-11 | Procedeu de biorafinare a plantelor zaharoase şi extracţia zaharurilor pentru obţinerea de biocombustibili şi alţi biocompuşi |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RO131499A0 RO131499A0 (ro) | 2016-11-29 |
| RO131499B1 true RO131499B1 (ro) | 2021-02-26 |
Family
ID=57351224
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ROA201600334A RO131499B1 (ro) | 2016-05-11 | 2016-05-11 | Procedeu de biorafinare a plantelor zaharoase şi extracţia zaharurilor pentru obţinerea de biocombustibili şi alţi biocompuşi |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RO (1) | RO131499B1 (ro) |
-
2016
- 2016-05-11 RO ROA201600334A patent/RO131499B1/ro unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RO131499A0 (ro) | 2016-11-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Rodríguez et al. | Bioethanol production from grape and sugar beet pomaces by solid-state fermentation | |
| Mohanty et al. | Bioethanol production from mahula (Madhuca latifolia L.) flowers by solid-state fermentation | |
| Santos et al. | By-products of the sugarcane industry | |
| Eggleston et al. | New commercially viable processing technologies for the production of sugar feedstocks from sweet sorghum (Sorghum bicolor L. Moench) for manufacture of biofuels and bioproducts | |
| Marzo et al. | Status and perspectives in bioethanol production from sugar beet | |
| Molaverdi et al. | Enhanced sweet sorghum stalk to ethanol by fungus Mucor indicus using solid state fermentation followed by simultaneous saccharification and fermentation | |
| US8669064B2 (en) | Process for providing ethanol from plant material | |
| CN102399826A (zh) | 一种甜高粱秆的综合利用方法 | |
| CN101824395B (zh) | 一种以固体秸秆为碳源培养发酵种子液的方法 | |
| CN101589151A (zh) | 乙醇或乳酸的制备方法 | |
| US20130052709A1 (en) | Systems and processes for producing biofuels from biomass | |
| Imam et al. | Fermentation kinetics and ethanol production from different sweet sorghum varieties | |
| Ariyajarearnwong et al. | Repeated-batch ethanol fermentation from sweet sorghum juice by free cells of Saccharomyces cerevisiae NP 01 | |
| US20140349360A1 (en) | Methods and system for liquefaction, hydrolysis and fermentation of agricultural feedstocks | |
| CN105062928A (zh) | 一种耐高浓度乙酸和高浓度呋喃甲醛的运动发酵单胞菌及其应用 | |
| Henk et al. | Solid-state production of ethanol from sorghum | |
| CN108374024A (zh) | 用甜高粱秆和玉米联产乙醇、果糖及多种副产品的方法 | |
| RO131499B1 (ro) | Procedeu de biorafinare a plantelor zaharoase şi extracţia zaharurilor pentru obţinerea de biocombustibili şi alţi biocompuşi | |
| RU2701643C1 (ru) | Способ получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья | |
| Buruiană et al. | Bioethanol production from sweet sorghum stalk juice by ethanol-tolerant Saccharomyces cerevisiae strains: An overview | |
| CN101886092B (zh) | 一种以ddgs作为营养物用于纤维乙醇发酵的方法 | |
| Mehdikhani et al. | Sugar beet genotype effect on potential of bioethanol production using Saccharomyces cerevisiae fermentation | |
| CN109266694A (zh) | 一种乙醇等多产品联产工艺 | |
| Yesmin et al. | Bioethanol production from different varieties of over-ripen mango (Mangifera indica L.) of Bangladesh | |
| CN101532034A (zh) | 一种利用香蕉、芭蕉制备燃料乙醇的新方法 |