СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПИРТА ИЗ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
METHOD FOR PRODUCING ALCOHOL FROM CELLULOSE

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).
3
Недостатками данного процесса являются: а) периодичность процесса, б) значительный расход воды (около 12 м 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.
3
Принимаем, что рабочий объем биореактора равен 1 м.
Исходные данные для расчета (см. в выше упомянутой статье Скиба Е.А. и др.):
3
1) концентрация целлюлозных волокон в биореакторе 75 кг/м,
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,
3
8) предельно допустимая норма накопления неосахариваемых взвешенных веществ в биореакторе - 17 кг/м,
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]).
3
5. Рабочая концентрация абсолютно сухих дрожжей 0,624:0,55=1,13 кг/м.
6. Длительность работы биореактора до перезагрузки
.
3
В соответствии с результатами проведенных расчетов процесс осуществляется следующим образом. В биореактор, имеющий рабочий объем 1 м, 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%.
3
3
Рабочая концентрация целлюлозных волокон в биореакторе 75 кг/м, концентрация дрожжей - 1,13 кг/м (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.
3
Предлагаемый способ масштабируется при соблюдении принципа гомогенности среды в биореакторе, поэтому при переходе на реактор другого объема, например 100 м, 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.