RO135656A2 - Procedeu de obţinere bioetanol din coarde de viţă de vie prin metoda ssf de zaharificare şi fermentare simultană - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu de obţinere a bioetanolului din coarde de viţă de vie prin pretratamentul de autohidroliză, delignificarea pentru eliminarea completă a ligninei, urmate de hidroliza şi fermentarea zaharurilor obţinute la bioetanol. Procedeul conform invenţiei constă în prelucrarea unei cantităţi de 100 g de coarde de viţă de vie uscate şi măcinate care se supun autohidrolizei cu apă la o temperatură cuprinsă între 165...180°C, la o presiune cuprinsă între 60...80 bari, timp de 5...10 minute, după care urmează delignificarea cu clorit de sodiu în acid acetic 10%, la o temperatură cuprinsă între 60...80°C, cu timpul de reacţie cuprins în intervalul de 1...4 ore, urmată de hidroliza enzimatică şi fermentaţia simultană în soluţie de citrat de sodiu de 0,05 M, după care se adaugă 10 FPU/g biomasă enzime Trichoderma reesei ATCC 26924 şi 20 U/g biomasă enzime β - glucozidaze, inocul şi nutrienţi, la o temperatură cuprinsă între 38...45°C, timp de 24...72 ore şi se distilează azeotrop cu benzen, rezultând o cantitate de 3...6 g bioetanol.

Description

CF.'CIUL DE blAi PEKîiiU INVENȚII MÂI< i Cerere de brevet de invenție

Nr.. &... Îfe fe... £ 9. .¾ . _o

Data denozit ...2J„ JP/.ZPZO,,

PROCEDEU DE OBȚINERE BIOETANOL DIN COARDE DE VITA DE

VIE PRIN METODA SSF DE ZAHARIFICARE SI FERMENTARE

SIMULTANA

Invenția se refera la un procedeu de obținere bioetanol (combustibil lichid) din coarde de vita de vie prin pretratamentul de autohidroliza, delignificarea pentru eliminarea completa a ligninei si hidroliză si fermentarea zaharurilor obținute la bioetanol.

Cultivarea de plante pentru obținerea de biocombustibili creeaza numeroase probleme economice, sociale si de mediu astfel ca s-au cautat si se cauta alternative viabile constând in valorificarea superioara a deșeurilor de biomasa rezultate in practica agricola. Coardele de vita de vie sunt deșeuri lignocelulozice care conțin celuloza, hemiceluloze, lignina si materie anorganica. Producerea de biocombustibili din deseurile provenite din viticultura reprezintă o alternativa durabila, nealimentara, de eliminare a poluării cauzate de arderea acestora, care este o practica intalnita in mod curent [1],

In prezent, producerea bioetanolului are loc prin fermentația fracțiilor zaharoase cu un conținut ridicat de zaharuri. In general, metodele de producere bioetanol din biomasa lignocelulozica au in componenta patru etape: pretratamentul, hidroliză, fermentația si distilarea/anhidrificarea etanolului [2, 3], Celuloza si hemicelulozele prezente in structura coardelor de vita de vie se pot converti la etanol. Prezenta ligninei in procesul de hidroliză actioneaza ca un inhibitor al hidrolizei. Metoda de delignificare folosind dorit de sodiu in mediu acid reacționează selectiv doar cu lignina din structura coardelor de vita de vie. Metoda de hidroliză enzimatica si fermentație simultana presupune combinarea a doua procese intr-unui singur si reducerea substanțiala a timpului de producere bioetanol prin controlarea temperaturii de hidroliză, respectiv de fermentație. Unul din neajunsurile privind procesul de hidroliză enzimatica si fermentație simultana este gasirea temperaturii optime pentru realizarea proceselor simultan deoarece hidroliză enzimatica are loc la temperaturi de 40 -55°C, iar fermentația are loc la temperaturi de 30 -38°C. In acest sens, trebuie aleasa temperatura care acopera întreg domeniu de reactivitate, atat pentru enzime, cat si pentru drojdie. Un alt neajuns este gasirea timpul optim de reactivitate, atat pentru hidroliză enzimatica cat si pentru fermentație. In general, atat procesul de hidroliză enzimatica cat si fermentația au loc timp de 24 -72 h fiecare [4, 5]·

In străinătate exista metode de obținere a bioetanolului,; cunoscute din brevetele WO2009005390A1, WO2013114962A1, US8551747B2, CN104593448B.

Brevetul WO2009005390A1 descrie o metoda de producere a bioetanolului din lignocelulozice prin tratament mecanoenzimatic. Conform invenției, amestecul de lignoceluloze si enzime celulozice se introduc intr-o moara cu bile timp de 0,5-10 min si o viteza de agitare de 10-120 m/s, după care are loc fermentarea la bioetanol.

De asemenea, brevetul WO2013114962A1 descrie o metoda de producere etanol din manioc prin următoarele etape: deseurile de manioc si apa sunt introduse intr-un reactor de presiune si sunt încălzite la 80-95°C si presurizate la 200 KPa pentru 1-20 min, hidrolizate cu ajutorul enzimelor celulazice, glucoamilazice si pectinaze la 40-60°C si fermentate la etanol cu ajutorul bacteriilor (S. cerevisiae si Kluyveromyces marxianus). In literatura de specialitate se regăsește brevetul US8551747B2, in care se dezvăluie un procedeu de obținere a bioetanolului din materiale lignocelulozice prin următoarele etape: 1) destructurarea materialului lignocelulozic prin tratarea acestuia cu un amestec de apa si acid formic (50%) la temperatura de 95-110°C, (2) separarea fazei solide (care conține celuloza) de fracția lichida (care conține hemiceluloze, lignina si compuși secundari) si hidroliza enzimatica la zaharuri si (3) fermentația la bioetanol cu ajutorul drojdiilor. Brevetul CN104593448B descrie producerea bioetanolului din biomasa lignocelulozica prin următoarele etape: (1) pretratamentul biomasei cu acid sulfuric, (2) tratamentul alcalin al fracției solide; (3) hidroliza acida la 50-100°C in prima etapa, urmata de hidroliza enzimatica in cea de-a doua etapa, (4) fermentația la bioetanol.

In tara nu exista nici instalatii industriale nici de capacitate mica care sa producă bioetanol din deșeuri provenite din viticultura sau materiale lignocelulozice, dar exista cateva metode de producere bioetanol descrise de invențiile: RO127523 B1, RO 126407 B1 si RO 127297 B1.

Brevetul RO127523 B1 descrie producerea unei tulpine de drojdie, Saccharomyces cerevisiae, cu activitate antagonista si fermentativa folosita pentru fermentarea alcoolica la bioetanol si bioproduse din cereale contaminate cu micotoxine. Brevetul RO 126407 B1 descrie un procedeu de obținere a unui combustibil pentru motoare cu aprindere interna din lemn. Conform invenției, fracțiile zaharoase sunt separate prin autohidroliza cu abur la presiune de 50...70 bari, catalizate de acid la pH 2...4, la temperatura de 19O...22O°C, după care faza lichida conținând herniceluloaza este amestecata cu fracția solida rezultata si hidrolizata cu acid sulfuric 2% si 15% si fermentate la bioetanol. Brevetul RO 127297 B1 descrie un procedeu de obținere bioetanol din deșeuri celulozice in procesul de zaharificare si fermentare simultana prin următoarele etape: (1) separarea fracțiunilor celulozice si hemiceluloza prin metoda de pretratament de autohidroliza in faza de vapori catalizata la pH 2...4, la o temperatura de 180...210^0, la o presiune de 50...70 bari, timp de rezidenta de 10...15 min si (2) faza solida separata după pretratament este km / hidrolizata si fermentata simultan cu S. cerevisiae la pH 4.8...5,5, la o temperatura de 3O...4O°C, timp de hidroliză si fermentație de 24...72h.

Scopul prezentei invenții este obținerea bioetanolului din coarde de vita de vie printr-un procedeu de obținere ce consta in patru etape de conversie: (i) pretratarea coardelor de vita de vie cu apa la temperaturi si presiuni ridicate, (ii) delignificarea coardelor pretratate, (iii) hidroliză enzimatica si fermentația simultana la bioetanol si (iv) distilarea si anhidrificarea bioetanolului obtinut si scurtarea duratei procesului.

Descriere: Invenția se caracterizează prin aceea ca are la baza patru etape de conversie a coardelor de vita de vie la bioetanol: (i) pretratarea, prin autohidroliza pentru separarea hemicelulozelor, (ii) delignificarea cu dorit de sodiu in mediu acid, pentru eliminarea ligninei, (iii) combinarea proceselor de hidroliză si fermentare intr-un singur proces si (iv) distilarea azeotropa pentru purificarea/anhidrificarea bioetanolului obtinut. Metoda de autohidroliza folosita folosește doar apa la temperaturi si presiuni ridicate pentru separarea hemicelulozelor din structura coardelor de vita de vie. Fracția solida rezultata după pretratament conține cu preponderenta celuloza si lignina. Delignificare cu dorit de sodiu in mediu acid este folosita pentru eliminarea ligninei din coardele de vita de vie pretratate înainte de hidroliză di fermentarea la bioetanol. In figura 1 este prezentat procedeul de obținere bioetanol din coarde de vita de vie propus spre brevetare prin prezenta cerere de brevet.

Problema tehnica pe care o rezolva invenția este:

• eliminarea reactivilor chimici utilizați in etapa de pretratament din componenta metodelor descrise anterior, prin propunerea unei metode de pretratament ecologic care folosește doar apa la temperaturi si presiuni ridicate in scopul separării componentelor principale din coarde, • eliminare intr-un procent ridicat a ligninei, prin propunerea unei metode de delignificare care asigura eliminarea ligninei in proporție de 98%, • scurtarea timpului total al procesului de obținere bioetanol, prin combinarea etapei de hidroliză enzimatica cu cea de fermentație intr-o singura etapa.

Mod de aplicare al invenției

1. Uscare si maruntire a coardelor de vita, pana la granulatii de 2.. 10 mm. Se cântăresc 100 ±10 g coarde maruntite.

2. Pretratamentul coardelor de vita de vie:

a. autohidroliza amestecului de celor 100 ±10 g coarde vita de vie cu 700 ml apa, încălzite la temperaturile de 165...180 °C, 60..80 bari pentru un timp de reacție de 5 ...10 minute.

b. faza solida este separata de fracția lichida si este supusa delignificarii cu soluție acida de dorit de sodiu.

3. Coardele de vita de vie pretratate (cf. etapa 2) se trateaza cu 20..25 g dorit de sodiu in 1...1,5 L acid acetic 10%, temperatura de 60...80 °C, timp de reacție 1...4 h. Se formează doua faze: in fracția lichida se recuperează lignina, iar in fracția solida se recuperează celuloza care este supusa in continuare hidrolizei si fermentației simultane.

4. Celuloza (recuperata in etapa 3) este supusa in continuare hidrolizei si fermentației simultane. Hidroliza enzimatică si fermentația simultana au loc concomitent in același bioreactor (echipat cu senzor de temperatura, pH si oxigen) in care se introduc enzimele celulazice, drojdia de bere, nutrientii si soluția de inocul.

a. La 15...25 g faza solida uscata se adauga 250..300 ml citat de sodiu (0,05 M), după care se adauga 10 FPU/g biomasa enzime Trichoderma reesei ATCC 26924 si 20 U/g biomasa enzime β-glucozidaze, 100...150 ml nutrienti, 100..150 ml inocul, peptona (1g/L) cu 10% concentrația solidelor, temperatura de 38...45 °C, timp de hidroliza 24...72 ore.

b. Soluția de inocul conține: drojdie, KH2PO4, (NH4)2SO4. MgSO4.7H2O iar nutrientii conțin: (NH4)2HPO4, MgSO4.7H2O, NaH₂PO4.

5. Produsul de fermentație este separat prin distilare si anhidrificat prin distilare azeotropa cu benzen. Din 100 g coarde de vita de vie se obțin 3...6 g bioetanol.

Invenția are următoarele avantaje:

- bioetanolul se obține din surse regenerabile;

- metoda de pretratatment folosita este o metoda ecologica care folosește doar apa pentru separarea componentelor principale din coardele de vita de vie;

- se elimina lignina din structura coardelor pretratate prin metoda propusa obtinandu-se o creștere a randamentului de fermentație de pana la 98%;

- timpul de procesare pentru hidroliza, respectiv pentru fermentație este foarte scurt deoarece se combina doua procese intr-unui singur (hidroliza enzimatică + fermentație).

Bibliografie:

1. F. Cotana, M.Barbanera, D. Foschini, E. Lascaro, C. Buratti, Preliminary optimization of alkaline pretreatment for ethnaol production from vineyard pruning, Energy Procedia, 2015, 82, 389-394.

2. S. Achinas, G.J.W. Euverink, Consolidated briefing of biochemical ethanol production from lignocellulosic biomass, Electronic Journal of Biotechnology, 2016, 23, 44-53.

3. R. Sânchez-Gomez, G. L. Alonso, M. R. Salinas, A. Zalacain, Reuse of VineShoots Wastes for Agricultural Purposes. Handbook of Grape Processing ByProducts, 2017, 79-104.

4. E.R. Pachon, P. Mandade, E. Gnansounou, Conversion of vine shoots into bioethanol ane Chemicals: Prospective LCA of biorefinery concept, Bioresource Technology, 2020, 303, 122946.

5. M.S. Jesus, A. Romani, Z.Genisheva, J.A. Teixeira, L. Dominques, Integral valorization of vine pruning residue by sequential autohydrolysis stages, Journal of Cleaner Production, 2017, 168, 74-86.

Mulțumiri:

Cerere de brevet de invenție a fost realizata pe baza cercetărilor realizate in cadrul proiectului de cercetare CCCDI-UEFISCDI, project number PN-III-P1-1.2-PCCDI2017 0251/4PCCDI/2018, iar taxa de înregistrare si publicare au fost plătite din proiectul PROINSTITUTIO, contractor. 19PFE/17.10.2018.

Claims (1)

1. REVENDICARE

   Procedeu de obținere bioetanol din coarde de vita de vie prin metoda SSF de zaharificare si fermentare simultana caracterizat prin aceea că din 100 g coarde de vita de vie uscate si măcinate care se supun autohidrolizei cu apa la o temperatura de 165...180 °C, presiunea de 60..80 bari, timp de 5 ...10 minute, după care urmeaza delignificarea cu dorit de sodiu in acid acetic 10%, la o temperatura de 60...80 °C, timp de reacție 1...4 h, urmata de hidroliza enzimatica si fermentația (simultana) in soluție de cifrat de sodiu 0,05 M, celulase din Trichoderma reesei ATCC 26924 (10 FPU/g biomasa) si β-glucozidaze (20 U/g biomasa), inocul, nutrienti, la o temperatura de de 38...45°C, timp de hidroliza 24...72 ore, urmata de distilarea azotropa cu benzen, rezulta 3...6 g bioetanol.

   DESENE

   Fig. 1 Schema procedeu de obținere bioetanol din coarde de vita de vie prin metoda SSF de zaharificare si fermentare simultana