RO135657A2 - Procedeu de obţinere bioetanol prin fermentaţia carbohidraţilor din coarde de viţă de vie prin metoda shf de separare a procesului de hidroliza de pro- cesul de fermentaţie - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu de obţinere a bioetanolului prin frmentaţia carbohidraţilor din coarde de viţă de vie prin metoda SHF de separare a procesului de hidroliză de procesul de fermentaţie. Procedeul conform invenţiei constă în prelucrarea unei cantităţi de 20 g coarde de viţă de vie prin uscare şi măcinare care se supun pretratamentului cu microunde în prezenţa apei la o temperatură cuprinsă între 150...180°C, pentru un timp de reacţie cuprins între 5...10 minute, după care urmează delignificarea cu clorit de sodiu în acid acetic 10%, la o temperatură cuprinsă între 60...80°C cu un timp de reacţie cuprins între 1...2 ore, urmată de hidroliza enzimatică în soluţie de citrat de sodiu 0,05 M, după care se adaugă 10 FPU/g biomasă enzime Tricoderma reesei ATCC 26924 şi 20U/g biomasă enzime β - glucozidaze la o temperatură cuprinsă între 37...55°C, cu timpul de hidroliză cuprins între 24...72 ore, urmată de fermentaţia cu drojdia de bere S. cerevisiae în mediu de inocul şi nutrienţi la o temperatură cuprinsă între 30...40°C, cu timpul de fermentaţie cuprins între 24...72 ore, urmată de distilare şi anhidrificare, rezultând o cantitate de 0,8...1,5 g bioetanol.

Description

£ &CIUL DE STAT PENîRU INVENȚII Șl MARCJ Cerere de brevet de invenție ! ‘ Daircie^ît7λ:^ .

PROCEDEU DE OBȚINERE BIOETANOL PRIN FERMENTAȚIA CARBOHIDRATILOR DIN COARDE DE VITA DE VIE PRIN METODA SHF DE SEPARARE A PROCESULUI DE HIDROLIZA DE PROCESUL DE FERMENTAȚIE

Invenția se refera la un procedeu de obținere bioetanol prin fermentația carbohidratilor din coarde de vita de vie prin metoda SHF de separare a procesului de hidroliza de procesul de fermentație.

Principala sursa de biomasa rezultata in plantațiile viticole este alcatuita din coarde (in proporție de 90%) si lemn multianual (porțiuni din trunchiul butucului sau brațe). Coardele de vita de vie sunt reziduuri lignocelulozice care conțin celuloza, lignina si hemiceluloze. In prezent, coardele de vita de vie sunt incorporate in sol sau sunt arse, ceea ce duce la creșterea emisiilor de gaze cu efect de sera. O soluție pentru protecția mediului este realizarea de noi metode de valorificare a acestor tipuri de deșeuri cu producerea de compuși chimici valoroși, cum este bioetanolul [U

Componentii majoritari ai coardelor de vita de vie pot fi transformati in bioetanol. Pentru conversia celulozei si hemicelulozelor din structura coardelor de vita de vie sunt necesare procese termochimice sau biochimice de separare a polimerilor (celuloza si hemiceluloza) si transformarea lor cu ajutorul organismelor fermentative la bioetanol (care poate fi utilizat ca biocarburant, înlocuitor al benzinei sau ca materie prima in industria chimica pentru obținerea de compuși chimici valoroși) [2],

Procesul de producere a bioetanolului din biomasa celulozica se compune din mai multe etape: (1) pretratamentul biomasei pentru separarea componentelor sale de celuloza, hemiceluloze si lignina; (2) hidroliza celulozei in carbohidrati si (3) fermentația - procesul biologic de transformare a carbohidratilor in etanol. Pretratamentul este etapa cea mai importanta din întreaga tehnologie de producere bioetanol. Majoritatea pretratamentelor folosite utilizează acizi anorganici, acizi organici, alcalii, solventi organici, etc. Dintre neajunsurile pretratamentului cu substanțe chimice se pot menționa: metode neprietenoase mediului si consumul mare de reactivi chimici. Pentru eliminarea acestor neajunsuri se cauta elaborarea unor metode ecologice care pot separa componentele celulozice fara folosirea de substanțe chimice. Pretratamentul cu microunde este un proces fizico-chimic care presupune expunerea biomasei la radiațiile cu microunde pentru un timp de 5-20 minute. Pretratamentul cu microunde distruge structura complexa si separa celuloza de hemiceluloze si lignina [3, 4], y \

Hidroliza consta in scindare polizaharurilor in monozaharuri. Exista doua tipuri de procese de hidroliza: hidroliza chimica si hidroliza enzimatica. Majoritate studiilor evidențiază faptul ca hidroliza enzimatica este net superioara hidrolizei acide si este influențată de: temperatura de hidroliza, reactivitatea enzimei, compoziția mediului de hidroliza, tipul de pretratament folosit si raportul de biomasa/enzima. Fermentația carbohidratilor poate avea loc prin trei tipuri diferite de procese: separarea procesului de hidroliza de procesul de fermentație (SHF), hidroliza si fermentarea simultana si conversia microbiana directa care combina zaharificare simultana cu co-fermentarea (SSCF). Factorii care influențează fermentația sunt: pH-ul, temperatura, compoziția mediului de fermentație, concentrația inițiala de carbohidrati si timpul de fermentație. Temperatura prea ridicata este un stres pentru microorganisme, pH-ul trebuie sa fie aiba valori intre 4-5 iar timpul de fermentație afecteaza creșterea microorganismelor [5].

In străinătate exista metode de obținere bioetanolului, prezentate in brevetele EP2006354A9, CN11079150A, KR101605068B1,

Brevetul EP2006354A9 descrie o metoda de producere biocombustibil lichid din biomasa celulozica prin următoarele etape: (1) pretratamentul biomasei cu microunde in prezenta unui catalizator de amoniac la frecventa de 300 MHz, intensitatea microundelor in domeniul de 0,1 -10 W pentru un timp de 1 -60 min; (2) hidroliza enzimatica a fracției solide recuperare după pretratament la un amestec de monozaharide; (3) fermentația monozaharidelor la bioetanol. Brevetul CN11079150A descrie o metoda rapida de pretratament al biomasei cu microunde in mediu alcalin pentru producerea de etanol. Conform invenției, materiile prime sunt măcinate la granulatia de 2-20 mm, amestecate cu soluție alcalina de soda caustica de concentrația 20-25% si supuse pretratamentului cu microunde la puterea radiațiilor de 50-100 W/kg biomasa umeda pentru un timp de 1 -10 min pana la evaporare completa a apei, după care puterea radiațiilor sunt reduse la 1-2 kW/kg biomasa pentru 10-1000 s. Biomasa pretratata este supusa in continuare hidrolizei si fermentării simultane pentru producerea de etanol combustibil, butanol si acid succinic. In brevetul KR101605068B1 se descrie un procedeu de extracție a polizahidelor din plante folosind tratamentul cu microunde in prezenta unui acid, precipitarea soluției acide si separare polizaharidelor prin extracție cu alcool. Conform invenție s-a utilizat o presiune de 10-760 mmHg, o presiune de 1 KW/kg biomasa pentru 5-120 minute.

In tara exista cateva metode/procedee de producere bioetanol si utilizare acestuia in motoare cu ardere interna descrise de invențiile: MD3656F22008.07.31, RO126407, RO127297.

Brevetul MD3656F22008.07.31 propune utilizarea etanolului combustibil in motoarele cu ardere interna fara necesitatea modificării constructive a acestora.

Invenția nu prezintă modul de obținere a bioetanolului. Conform invenției, etanolul poate fi amestecat in proporție de 35...70% cu combustibil de hidrocarbura 15...40% si eter metil-tertbutilic sau eter tertbutilic in proporție de 10...25% pentru obținerea unui combustibil pe baza de etanol ce poate fi utilizat ca înlocuitor al benzinei in motoare cu ardere interna. Brevetul RO126407 descrie un procedeu de obținere a unui combustibil pentru motoare cu aprindere interna. In documentul RO126407 se prezintă un procedeu de producere combustibil (etanol) din biomasa lignocelulozica prin autohidroliza biomasei la temperaturile de 19O...22O°C, presiunea de 50...70 bari, hidroliza acida cu 2% acid sulfuric in prima faza, respectiv 15% in cea dea doua faza a fracției celulozice si fermentația fracției lichide separata după autohidroliza biomasei si a fracției lichide separata după hidroliza acida cu S. cerevisiae, la un pH 4...6 si o temperatura de 3O...4O°C. Brevetul RO127297 descrie un procedeu de obținere a bioetanolului din deșeuri celulozice prin hidroliza enzimatica si fermentația fracțiilor zaharoase. Procedeul de obținere bioetanol are loc prin autohidroliza deșeurilor celulozice cu apa in cataliza acida la pH 2...4, la o temperatura de 18O...21O°C, la o presiune de 50...70 bari si un timp de rezidenta de 10...150 min, după care fracția lichida este separata de fracția solida care este in continuare hidrolizata cu enzime si fermentata cu drojdia de bere S. cerevisiae.

Scopul prezentei invenții este obținerea bioetanolului din coarde de vita de vie printr-un procedeu de obținere ce consta in cinci etape de conversie: (i) tratarea coardelor de vita de vie cu microunde, (ii) delignificarea coardelor pretratate, (iii) hidroliza enzimatica cu enzime celulozice, (iv) fermentația zaharurilor la bioetanol si (v) distilarea si anhidrificarea bioetanolului obtinut.

Descriere: Invenția se caracterizează prin aceea ca are la baza cinci etape de conversie a coardelor de vita de vie la bioetanol: (i) pretratare coardelor de vita de vie cu microunde in prezenta apei, (ii) delignificarea cu dorit de sodiu a coardelor pretratate pentru eliminarea ligninei, (iii) hidroliza enzimatica a coardelor delignificate pentru hidroliza celulozei la monozaharide, (iv) fermentația monozaharidelor la etanol, (vi) distilarea/anhidrificare etanolului obtinut.

Metoda de pretratament cu microunde folosește doar apa ca solvent pentru separarea hemicelulozelor din coardele de vita de vie. Se formează doua faze: fracția lichida care conține hemiceluloza solubilizata sub forma de monozaharide, oligozaharide si compuși inhibitori (furfurol, 5-hidroximetilfurfural) si fracția solida care conține celuloza si lignina. Fracția solida rezultata după pretratament conține cu preponderenta celuloza si lignina. Delignificarea cu dorit de sodiu in mediu acid este folosita pentru eliminarea ligninei din coardele de vita de vie pretratate înainte de hidroliza enzimatica. Metoda de delignificare are avantajul eliminării efective a ligninei fara degradarea altor componente. Hidroliza enzimatica a fracției solide delignificate are loc cu ajutorul enzimelor celulazice Trishoderma reesei si β3 glucosidaze. Trebuie menționat si subliniat ca hidroliză enzimatica se realizează separat de etapa de fermentație. In figura 1 este prezentata tehnologia de producere bioetanol din coarde de vita de vie propusa spre brevetare prin prezenta cerere de brevet.

Problema tehnica pe care o rezolva invenția este:

• Rapiditatea metodei de pretratament propusa;

• Eliminarea substanțelor chimice prin folosirea apei in locul solventilor chimici pentru extracția hemicelulozelor;

• Folosirea materiei prime regenerabile si utilizarea materiilor prime nealimentare sau furajere;

• Separarea celulozei prin metoda de delignificare propusa;

• Randament mare de hidroliză enzimatica si procent ridicat de bioetanol • Hidroliză se realizează separat de etapa de fermentație asigurând un randament mărit de obținere a carbohidratilor.

Mod de aplicare al invenției

1. Uscare si maruntire a coardelor de vita, pana la granulatii de 0,2..2 mm. Se cântăresc 20 ±2 g coarde maruntite.

2. Pretratamentul coardelor de vita de vie:

a. amestecul celor 20±2 g coarde vita de vie cu 50 ml apa si introducerea intr-un digestor cu microunde, încălzite la temperaturile de 15O...18O°C, pentru un timp de reacție de 10 ...30 minute.

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

3. Coardele de vita de vie pretratate (cf. etapa 2) se trateaza cu 3..5 g dorit de sodiu in 200...400 ml acid acetic 10%, temperatura de 60...80 °C, timp de reacție 1...2 ore. Se formează doua faze: in fracția lichida se recuperează lignina, iar in fracția solida se recuperează celuloza care este supusa in continuare hidrolizei enzimatice.

4. Fracția solida (recuperata in etapa 3) este supusa in hidrolizei enzimatice. Hidroliză enzimatica are loc intr-un bioreactor (echipat cu senzor de temperatura, pH si oxigen) in care se introduc enzimele celulozice.

a. La 8...12 g faza solida uscata se adauga 80..120 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 βglucozidaze, cu 10% concentrația solidelor, temperatura de 37...55°C, timp de hidroliză 24...72 ore.

5. Produsul de hidroliză este supus in continuare fermentației cu drojdia de bere S. cerevisiae.

a. La 80..120 ml soluție de hidrolizat se adauga 50..100 ml soluție de inocul (peptona, drojdia, KH2PO4, (NH4)2SO4, MgSO4.7H2O), 50...100 ml soluție de nutrienti ((NH4)2HPO4, MgSO4.7 H2O, NaH2PO4), pH de 4...6, temperatura 3O...4O°C, timp de fermentație 24...72 ore.

6. Produsul de fermentație este separat prin distilare si anhidrificat. Din 20 g de coarde de vita de vie se obțin 0,8...1,5 g bioetanol.

Invenția are următoarele avantaje:

- bioetanolul se obține din surse regenerabile, ieftine si cu un conținut ridicat de celuloza, răspunzând astfel principiilor de implementare a principiilor economiei circulare;

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

- timpul de procesare pentru metoda de pretratament este foarte scurt;

- se elimina lignina din structura coardelor pretratate prin metoda propusa;

- randament mare al hidrolizei enzimatica.

Bibliografie:

1. 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.

2. Z. M. A. Bundhoo, Microwave-assisted conversion of biomass and waste materials to bio-fuels, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, 82, 1149-1177.

3. I. Dâvila, J. Remon, P. Gullon, J. Labidi, V. Budarin, Production and characterization of lignin and cellulose fractions obtained from pretreated vine-shoot by microwave assisted alkali treatment, Bioresource Technology, 2019, 289, 121726.

4. B. Sharma, C. Larroche, C. Dussap, Comprehensive assessment of 2G bioethanol production, Bioresource Technology, 2020, 313, 123630.

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

Mulțumiri:

Claims (1)

1. REVENDICARE

   Procedeu de obținere bioetanol prin fermentația carbohidratilor din coarde de vita de vie prin metoda SHF de separare a procesului de hidroliza de procesul de fermentație caracterizat prin aceea că din 20 g coarde de vita de vie uscate si măcinate care se supun pretratamentului cu microunde in prezenta apei la o temperatura de 150...180 °C, pentru un timp de reacție 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...2 ore, urmata de hidroliza enzimatică 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) la temperatura de 37...55°C, timp de hidroliza de 24...72 ore, urmata de fermentația cu S. cerevisiae in mediu de inocul si nutrienti la o temperatura de 3O...4O°C, timp de fermentație de 24...72 ore, urmata de distrilarea si anhidrificarea, rezulta 0,8...1,5 g bioetanol.

   RO 135657 A

   DESENE

   FIG. 1 Schema procedeu de obținere bioetanol prin fermentația carbohidratilor din coarde de vita de vie prin metoda SHF de separare a procesului de hidroliza de procesul de fermentație