Способ получения спирта из целлюлозы



Способ получения спирта из целлюлозы
Способ получения спирта из целлюлозы
Способ получения спирта из целлюлозы

 


Владельцы патента RU 2615455:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова" (САФУ) (RU)

Изобретение относится к производству спирта из целлюлозы. Способ включает ферментативное осахаривание, сбраживание с вакуумированием среды, отбором водно-спиртовых паров и их конденсацией. Причём сбраживание проводят непрерывно в одном аппарате, совмещают его с осахариванием. При отборе водно-спиртовых паров количество спирта в их составе соответствует выходу от перерабатываемой целлюлозы, а количество воды соответствует ее поступлению с целлюлозой. Изобретение обеспечивает непрерывное осуществление процесса при отсутствии технологического потока – бражки и стока – послеспиртовой барды, при этом концентрация спирта в водно-спиртовом растворе находится на уровне, достигнутом в производстве спирта при переработке сахаросодержащего и крахмалосодержащего сырья. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к получению спирта из полисахаридсодержащего сырья биохимическим путем и касается способов получения спирта из целлюллозы.

В настоящее время основную часть спирта в мире производят из искусственно возобновляемого полисахаридсодержащего сырья (злаковые культуры), что сопряжено со значительными сырьевыми затратами. Актуальной задачей является разработка способов получения спирта из естественного возобновляемого, т.е. целлюлозосодержащего сырья.

Общеизвестно, что процесс получения спирта из полисахаридсодержащего сырья (в том числе и из целлюлозы) должен включать стадии осахаривания, сбраживания образующихся сахаров и выделения и концентрирования спирта. При этом осахаривание сырья возможно производить путем кислотно-каталитического гидролиза либо ферментативным путем.

Данное изобретение основано на ферментативном осахаривании целлюлозы.

Об уровне достижений в получении спирта из целлюлозы можно судить по [Скиба Е.А. и др. Получение ферментативных гидролизатов технических целлюлоз мискантуса и их спиртовое брожение // Биотехнология. 2012. №6. С. 42-45]. Режимные параметры процесса: концентрация целлюлозы 83 г/л, продолжительность процесса 72 часа, выход спирта около 70% от теоретически возможного, концентрация спирта после сбраживания 3,1% (ферментативное осахаривание и последующее сбраживание осуществлялись периодически).

Недостатками данного процесса являются: а) периодичность процесса, б) значительный расход воды (около 12 м3 на 1 т целлюлозы), в) необходимость постоянно расходовать дорогостоящие ферментные препараты и дрожжи, г) сравнительно низкая концентрация спирта в сброженной среде (бражке) и в связи с этим - значительные затраты энергии на отгонку и ректификацию, д) затраты на утилизацию отработанной среды (барды).

Задачами изобретения являлись:

1) разработать непрерывный на всех стадиях процесс получения спирта из целлюлозы,

2) минимизировать расход воды настолько, чтобы исключить образование бражки и барды,

3) добиться повышения концентрации спирта в конечном растворе и за счет этого снизить затраты на ректификацию,

4) снизить расход ферментов и дрожжей.

Решение поставленных задач в данном изобретении достигнуто следующими приемами:

1) стадии осахаривания целлюлозы и сбраживания сахаров совмещены и осуществляются в одном аппарате,

2) отбор всего спирта, образующегося из целлюлозы, осуществляется в виде водно-спиртовых паров путем вакуумирования среды в процессе брожения,

3) количество воды, отбираемой с водно-спиртовыми парами, соответствует ее поступлению в составе сырья.

Согласно предлагаемому способу целлюлоза непрерывно поступает в емкость с мешалкой (в дальнейшем - биореактор), заполненную культуральной средой, содержащей осахаривающие ферменты, дрожжи, сахара, целлюлозу и спирт; при этом режим подачи целлюлозы в биореактор должен соответствовать осахаривающей активности находящихся в нем ферментов и физиологической активности дрожжей, а также рабочему объему биореактора. Этим обеспечивается необходимая глубина осахаривания целлюлозы и сбраживания спирта. В процессе осахаривания и сбраживания вся среда, находящаяся в биореакторе, или ее часть подвергается вакуумированию, образующиеся при этом водно-спиртовые пары отводятся в конденсатор, водно-спиртовой раствор из которого отводится на дальнейшее концентрирование известными приемами. Важным условием отбора водно-спиртовых паров является то, что количество содержащегося в них спирта соответствует его выходу от поступающей на переработку целлюлозы (с тем чтобы спирт не накапливался в биореакторе и не ингибировал процесс); в то же время количество воды в составе водно-спиртовых паров должно соответствовать ее поступлению в биореактор с сырьем. Этим обеспечивается постоянство объема среды в биореакторе и концентрации всех компонентов. Если вакуумированию подвергается вся среда, находящаяся в биореакторе, то в этом случае биореактор 1 выполняется герметически закрытым, его паровое пространство подключено к вакуум-насосу через поверхностный конденсатор 2 (Фиг. 1); если же вакуумированию подвергается часть среды, то в этом случае биореактор 1 эксплуатируется при атмосферном давлении, из него непрерывно осуществляется отбор среды, пропускание ее через вакуум-испаритель 4 (подключенный к вакуум-насосу через поверхностный конденсатор 2) и возврат в биореактор (Фиг. 2).

В соответствии с Фиг. 1 и 2 водно-спиртовые растворы из сборника 3 направляются на дальнейшее концентрирование, например ректификацию.

В связи с тем что при переработке целлюлозы в реальном процессе невозможно достигнуть 100%-ного перевода ее в растворимое состояние за счет осахаривания, при эксплуатации биореактора в нем со временем будут накапливаться неосахаренные взвешенные вещества, и поэтому через определенные промежутки времени для их удаления биореактор придется опорожнять и запускать в работу заново либо приостанавливать его работу, удалять взвеси (например, фильтрованием), а жидкость возвращать обратно и запускать работу вновь.

Ниже приводится пример осуществления способа, обоснованный инженерными расчетами.

Принимаем, что рабочий объем биореактора равен 1 м3.

Исходные данные для расчета (см. в выше упомянутой статье Скиба Е.А. и др.):

1) концентрация целлюлозных волокон в биореакторе 75 кг/м3,

2) продолжительность осахаривания 72 часа,

3) глубина осахаривания - 90%,

4) выход абсолютного спирта - 0,6 л/кг целлюлозы,

5) концентрация спирта в водно-спиртовом растворе - 10%,

6) коэффициент летучести спирта при вакуумировании - 5,

7) удельная продуктивность дрожжей по спирту 0,55 л/кг⋅час,

8) предельно допустимая норма накопления неосахариваемых взвешенных веществ в биореакторе - 17 кг/м3,

Результаты расчетов.

1. Производительность биореактора:

а. по абсолютно сухой целлюлозе ,

б. по абсолютному спирту 1,04⋅0,6=0,624 л/ч,

в. по водно-спиртовому раствору 10%-ной концентрации 6,24 л/ч (в том числе воды 5,616 л/ч).

2. Количество влаги, поступающей в биореактор с целлюлозой, 5,616 л/ч.

3. Влажность целлюлозы, поступающей на переработку

, а расход влажной целлюлозы - 6,65 кг/ч.

4. Рабочая концентрация спирта в биореакторе 10%:5=2% (это вполне приемлемо, т.к. максимальная концентрация - 3,1% в соответствии с [Скиба Е.А. и др. Получение ферментативных гидролизатов технических целлюлоз мискантуса и их спиртовое брожение // Биотехнология. 2012. №6. С. 42-45]).

5. Рабочая концентрация абсолютно сухих дрожжей 0,624:0,55=1,13 кг/м3.

6. Длительность работы биореактора до перезагрузки

.

В соответствии с результатами проведенных расчетов процесс осуществляется следующим образом. В биореактор, имеющий рабочий объем 1 м3, поступает 6,65 кг/ч целлюлозы влажностью 84%, а из него непрерывно выводится путем вакуумирования 6,24 кг/ч водно-спиртовых паров, которые отводятся в вакуумный конденсатор; концентрация спирта в конденсате 10%, а равновесная ей концентрация спирта в биореакторе - 2%.

Рабочая концентрация целлюлозных волокон в биореакторе 75 кг/м3, концентрация дрожжей - 1,13 кг/м3 (в процессе работы дрожжи находятся в квазистационарном состоянии - прирост и отмирание отсутствуют). Концентрация осахаривающих ферментов принимается в зависимости от их характеристики. Через 7 суток работы биореактора он подлежит опорожнению и запускается в работу вновь.

Предлагаемый способ масштабируется при соблюдении принципа гомогенности среды в биореакторе, поэтому при переходе на реактор другого объема, например 100 м3, производительность по целлюлозе и по спирту будет 100-кратной.

Предлагаемый способ представляет собой совокупность следующих существенных признаков:

1) ферментативное осахаривание целлюлозы совмещено со сбраживанием образующихся сахаров,

2) сбраживание осуществляется в одном аппарате,

3) в процессе брожения осуществляется вакуумирование среды с отбором водно-спиртовых паров и их конденсацией,

4) отбор водно-спиртовых паров осуществляется таким образом, что количество содержащегося в них спирта соответствует выходу его по отношению к перерабатываемой целлюлозе, а количество воды соответствует ее поступлению с целлюлозой.

Именно благодаря предоставленной совокупности достигаются:

а) непрерывность осуществления процесса,

б) максимальное упрощение аппаратурного оформления (в частности, в отличие от многоаппаратных бродильных установок во всех известных процессах здесь используется один аппарат),

в) получение водно-спиртовых растворов сравнительно высокой концентрации - на уровне той, которая характерна для бражек, традиционно получаемых при переработке сахаросодержащего и крахмалосодержащего сырья,

г) при осуществлении процесса вообще отсутствует такой технологический поток, как бражка; следовательно, отсутствует и сток - послеспиртовая барда,

д) при осуществлении процесса не нужно постоянно расходовать ферментные препараты и дрожжи (они не выводятся из биореактора) в процессе его работы и загружаются однократно.

При анализе каждого из перечисленных выше существенных признаков на новизну выявлено следующее:

- совмещение стадий ферментативного осахаривания (вообще, а не применительно к целлюлозе) и сбраживания известно по патенту РФ №2022017;

- проведение процесса сбраживания в одном аппарате непрерывно является новым, неочевидным и возможно только в совокупности с другими признаками;

- проведение процесса сбраживания при вакуумировании среды известно по патенту РФ №2022017, но в данном патенте осуществляется отбор лишь части спирта, образующегося при брожении, с целью уменьшить его ингибирующее воздействие на дрожжи, тогда как в предложенном способе осуществляется отбор всего образующегося спирта;

- регламентирование отбора спирта и воды при вакуумировании является новым.

В целом предложенная совокупность признаков является новой и все положительные эффекты, достигаемые в данном способе, обусловлены использованием не отдельных признаков, а всей совокупности, при исключении любого из признаков в данной совокупности способ становится неработоспособным.

1. Способ получения спирта из целлюлозы, включающий ферментативное осахаривание, сбраживание с вакуумированием среды, отбором водно-спиртовых паров и их конденсацией, отличающийся тем, что сбраживание проводят непрерывно в одном аппарате и совмещают его с осахариванием, при этом количество спирта в составе водно-спиртовых паров соответствует его выходу от перерабатываемой целлюлозы, а количество воды соответствует ее поступлению с целлюлозой.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вакуумированию подвергают не всю среду, находящуюся в аппарате, а лишь ее часть, которую отбирают из аппарата, пропускают через вакуум-испаритель и возвращают в аппарат.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к устройству и способу обработки биомассы, включающему сепарацию твердых частиц/текучей среды. Сепарационный модуль содержит сборную камеру и фильтрующий узел для отделения текучей среды от массы, находящейся под давлением.

Способ производства биоэтанола из лигнин-целлюлозного растительного сырья включает предобработку указанного сырья, ферментативный гидролиз и спиртовую ферментацию продуктов, полученных после гидролиза, способных к ферментации с получением биоэтанола.
Изобретение относится к способу получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья. Способ предусматривает предварительную обработку сырья, такого как солома, или плодовые оболочки злаков, или отходы масличных культур, или мискантус, или жом сельскохозяйственных культур разбавленным раствором кислоты с концентрацией 1-14% при температуре 85-98°C и атмосферном давлении в течение 3-18 часов, совмещенные стадии ферментативного гидролиза и спиртового брожения, которое осуществляют с помощью любых видов непатогенных этанолсинтезирующих дрожжей, выделение биоэтанола из бражки.
Способ получения биоэтанола из лигноцеллюлозного сырья предусматривает предварительную обработку сырья при атмосферном давлении, совмещение стадий ферментативного гидролиза и спиртового брожения, выделение биоэтанола из бражки.
Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для гидролиза лигноцеллюлозной биомассы. Способ получения ферментов целлюлазы и/или гемицеллюлазы микроорганизма Trichoderma ressei предусматривает по меньшей мере одну стадию роста в присутствии углеродного субстрата, который выбирают из глюкозы, ксилозы, лактозы, остатков, полученных после этанольной ферментации мономерных сахаров ферментативных гидролизатов целлюлозной биомассы и/или сырого экстракта водорастворимых пентоз и по меньшей мере одну стадию продуцирования в присутствии индуцирующего субстрата, в котором указанный индуцирующий субстрат представляет собой смесь, содержащую от 40 до 65 мас.% глюкозы или целлюлозных гидролизатов, от 21 до 25 мас.% лактозы и от 10 до 39 мас.% ксилозы или раствора гемицеллюлолозного лигноцеллюлозного гидролизата, причем сумма этих трех компонентов равна 100%.

Группа изобретений относится к области биохимии. Предложены способ обработки лигноцеллюлозного материала, способ разжижения лигноцеллюлозного материала и система разжижения лигноцеллюлозного материала.

Изобретение относится к области биотехнологии. Предложен способ обработки лигноцеллюлозной биомассы.

Изобретение относится к области биотехнологии. Предложен способ гидролиза лигноцеллюлозной биомассы.

Изобретение относится к области биохимии. Предложен способ получения спиртов и/или ацетона из целлюлозного или лигноцеллюлозного субстрата.

Изобретение относится к гидролизной промышленности и может быть использовано при производстве сахаров из целлюлозосодержащего сырья. Согласно изобретению проводят измельчение целлюлозосодержащего сырья до состояния опилок с размером 80-100 мкм, гидролиз опилок с использованием раствора азотной кислоты, концентрация которого составляет 5% масс., при нагревании до 100-120ºС при заданном давлении и в течение заданного времени, разделение гидролизата на жидкую и твердую составляющие с возможностью их повторного использования.

Изобретение относится к биотехнологии. Штамм базидиального гриба Trametes hirsuta МТ-24.24 обладает способностью продуцировать этиловый спирт.

Способ предусматривает смешивание сырья с водой, подкисление сусла, внесение ферментных препаратов осахаривающего действия и активатор брожения Витамон комби, сбраживание сусла с использованием сухих спиртовых дрожжей и однократную дистилляцию с получением дистиллята из инулинсодержащего сырья.

Способ предусматривает смешивание инулинсодержащего сырья с водой, внесение ферментных препаратов осахаривающего действия и протеолитического действия, осахаривание, сбраживание осахаренного сусла с использованием сухих спиртовых дрожжей и однократную дистилляцию с получением дистиллята.
Изобретение относится к биотехнологии. Штамм Saccharomyces cerevisiae А-1, обладающий высокой продуктивностью, депонирован во Всероссийской Коллекции Промышленных Микроорганизмов под регистрационным номером Saccharomyces cerevisiae ВКПМ Y-4066.
Изобретение относится к биотехнологии. Штамм Kluyveromyces lactis А-2, обладающий высокой продуктивностью, депонирован во Всероссийской Коллекции Промышленных Микроорганизмов под регистрационным номером Kluyveromyces lactis ВКПМ Y-4067.

Изобретение относится к биотехнологической промышленности. Предложен способ получения химического вещества, продуцируемого микроорганизмом(ами) путем непрерывной ферментации сахарного сиропа, полученного из целлюлозосодержащей биомассы.

Изобретение относится к биотехнологической промышленности. Предложен способ получения химического вещества, продуцируемого микроорганизмом(ами) посредством непрерывной ферментации сахарного сиропа, полученного из целлюлозосодержащей биомассы.

Изобретение относится к биотехнологической промышленности. Предложен способ получения химического вещества, продуцируемого микроорганизмом (микроорганизмами) путем непрерывной ферментации сахарного сиропа, полученного из целлюлозосодержащей биомассы.
Изобретение относится к способу получения биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья. Способ предусматривает предварительную обработку сырья, такого как солома, или плодовые оболочки злаков, или отходы масличных культур, или мискантус, или жом сельскохозяйственных культур разбавленным раствором кислоты с концентрацией 1-14% при температуре 85-98°C и атмосферном давлении в течение 3-18 часов, совмещенные стадии ферментативного гидролиза и спиртового брожения, которое осуществляют с помощью любых видов непатогенных этанолсинтезирующих дрожжей, выделение биоэтанола из бражки.

Изобретение относится к биотехнологии, в частности к применению избыточного активного ила вторичных отстойников биологических очистных сооружений городов и населенных пунктов с целью получения биоэтанола.
Наверх