ПОДВЕРГНУТАЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКЕ БИОМАССА, ХАРАКТЕРИЗУЮЩАЯСЯ УЛУЧШЕННОЙ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ ДОСТУПНОСТЬЮ
BIOMASS, SUBJECTED TO PRELIMINARY PROCESSING, CHARACTERISED BY IMPROVED FERMENTATIVE AVAILABILITY

Область техники
Данное изобретение заключается в использовании биомассы, гидролизуемой при выработке энергии.
Уровень техники
Использование биомассы в способах вторично произведенного этанола известно. Один типичный способ будет заключаться в проведении предварительной обработки биомассы, по меньшей мере, водяным паром взрывным способом, гидролизе целлюлозы в присутствии ферментов, а после этого ферментации получающегося в результате продукта для получения этанола. Одна возможная установка для предварительной обработки с концептуальными технологическими стадиями описывается в публикации WO 2009/108773. Несмотря на предложение в публикации WO 2009/108773 оборудования, в ней не предлагается каких-либо оперативных технологических деталей по проведению обработки биомассы.
Центр предшествующих исследований заключался в разработке или выборе лучших ферментов для гидролиза целлюлозы в целях обеспечения ускорения стадии гидролиза. Однако очень мало работ или исследований было проведено в отношении обработки биомассы по способу, обеспечивающему ее большую доступность для ферментов. Как известно, чем более доступным будет материал до гидролиза, тем быстрее пойдет реакция гидролиза и тем меньшим будет использование ферментов. Поэтому существует потребность в исходном сырье для биомассы, которое характеризуется более высокой ферментативной доступностью, чем у предшествующих форм исходного сырья для биомассы.
Краткое изложение изобретения
В данном описании изобретения описывается композиция биомассы, содержащая твердое вещество, жидкость, определенное количество С5 сахаров, исходя из количества арабинана и ксилана и мономеров, димеров, олигомеров и полимеров арабинозы и ксилозы в жидкости и твердом веществе композиции, определенное количество С6 сахаров, исходя из уровня содержания глюкана, который включает мономеры, димеры, олигомеры и полимеры глюкана в жидкости и твердом веществе композиции, и фурфураль, где композиция, кроме того, характеризуется 24-часовой ферментативной доступностью, составляющей, по меньшей мере, 30%.
Кроме того, описывается то, что соотношение между количеством С5 сахаров и количеством С6 сахаров является большим чем 0,50, а соотношение между количеством фурфураля и количеством С5 сахаров и С6 сахаров, добавленных совместно, является большим чем 0 и меньшим или равным 0,0060.
Кроме того, описывается то, что соотношение между количеством фурфураля и количеством С5 сахаров и С6 сахаров, добавленных совместно, является большим чем 0 и меньшим или равным 0,0050 или более предпочтительно большим чем 0 и меньшим или равным 0,0040; или еще более предпочтительно большим чем 0 и меньшим или равным 0,0030 или наиболее предпочтительно большим чем 0 и меньшим или равным 0,0016.
Кроме того, описывается то, что количество твердого вещества в композиции находится в диапазоне от 11 до 99% (масс.) от массы композиции; или более предпочтительно в диапазоне от 14 до 99% (масс.) от массы композиции; или еще более предпочтительно в диапазоне от 16 до 99% (масс.) от массы композиции, при этом наиболее предпочтительные диапазоны заключены в пределах от 19 до 99% (масс.) от массы композиции, от 21 до 99% (масс.) от массы композиции, от 24 до 99% (масс.) от массы композиции, от 26 до 99% (масс.) от массы композиции, от 29 до 99% (масс.) от массы композиции, от 31 до 99% (масс.) от массы композиции, от 36 до 99% (масс.) от массы композиции и от 41 до 99% (масс.) от массы композиции.
Подробное описание изобретения
Растительная биомасса представляет собой предпочтительное исходное сырье для способов ферментации. Ниже предлагаются предпочтительные разновидности исходного сырья для получения потока, характеризующегося высокой доступностью для ферментов.
Помимо крахмала три основных компонента в растительной биомассе представляют собой целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин, что обычно обозначают родовым термином лигноцеллюлоза. Полисахаридсодержащие биомассы в качестве родового термина включают как крахмальные, так и лигноцеллюлозные биомассы. Поэтому некоторые типы разновидностей исходного сырья могут представлять собой растительную биомассу, полисахаридсодержащую биомассу и лигноцеллюлозную биомассу.
В случае наличия биомассы в виде полисахаридсодержащей биомассы и ее лигноцеллюлозного характера зачастую используют предварительную обработку для обеспечения придания структуре лигноцеллюлозного содержимого большей доступности для ферментов, но в то же самое время концентрации вредных мешающих побочных продуктов, таких как уксусная кислота, фурфураль и гидроксиметилфурфураль, остаются существенно низкими.
Полисахаридсодержащие биомассы, соответствующие настоящему изобретению, включают любой материал, содержащий полимерные сахара, например, в форме крахмала, а также рафинированного крахмала, целлюлозы и гемицеллюлозы.
Соответствующие типы биомасс для гидролиза и перемешивания, соответствующих настоящему изобретению, могут включать биомассы, произведенные из сельскохозяйственных культур, такие как, например крахмал, например крахмалсодержащие зерна и рафинированный крахмал; кукурузная солома, багасса, солома, например, от риса, пшеницы, ржи, овса, ячменя, рапса, сорго; древесина хвойных пород, например, Pinus sylvestris, Pinus radiate; древесина лиственных пород, например Salix spp., Eucalyptus spp.; клубнеплоды, например свекла, картофель; зерновые культуры, например рис, пшеница, рожь, овес, ячмень, рапс, сорго и кукуруза; макулатура, волокнистые фракции от переработки биогаза, органическое удобрение, остатки от переработки масличной пальмы, коммунально-бытовые твердые отходы и тому подобное при подобном уровне содержания сухого вещества.
Исходное сырье для лигноцеллюлозной биомассы предпочтительно происходит из семейства, обычно называемого злаками. Надлежащим наименованием является семейство, известное как Poaceae или Gramineae в классе Liliopsida (односемядольные растения) цветочных растений. Растения данного семейства обычно называются злаками или, для их отличия от других злаковидных растений, истинными злаками. Также включается и бамбук. Существует приблизительно 600 родов и где-то 9000-10000 и более видов злаков (Kew Index of World Grass Species).
Poaceae включают основные зерновые продовольственные продукты и зерновые культуры, выращиваемые по всему миру, газонную и кормовую траву и бамбук. Poaceae обычно имеют пустотелые стебли, называемые соломинами, которые уплотняются (сплошным образом) с интервалами, называемыми узлами, в точках которых по длине соломины вырастают листья. Листья злаков обычно являются чередующимися, двурядными (в одной плоскости) или изредка спиральными и параллельно-нервными. Каждый лист разделяют на нижнее влагалище листа, которое охватывает стебель на определенном интервале, и листовую пластинку с обычно цельными краями. Листовые пластинки многих злаков отверждены кремнистыми фитолитами, что способствует отказу травоядных животных от их поедания. У некоторых злаков (таких как камыш американский) это делает кромки листовых пластинок злаков достаточно острыми для разрезания кожи человека. Перепончатый придаток или бахрома волосков, называемые лигулой, располагаются как сочленение между влагалищем и листовой пластинкой, предотвращая проникновение воды или насекомых во влагалище.
Листовые пластинки злаков растут в основании листовой пластинки, а не от кончиков удлиненных стеблей. Данная низкая точка роста возникла в результате эволюции как реакция на действия травоядных животных и позволяет регулярно щипать или косить злаки без серьезного повреждения растения.
Цветы Poaceae характеристически компонуются в колоски, при этом каждый колосок имеет один или несколько цветков соцветия (колоски, кроме того, группируются в метелки или колосья). Колосок состоит из двух (или иногда меньшего количества) прицветников в основании, называемых колосковой чешуей, за которыми следуют один или несколько цветков соцветия. Цветок соцветия состоит из цветка, окруженного двумя прицветниками, называемыми (внешней) нижней цветковой чешуей и (внутренней) верхней цветковой чешуей. Цветки обычно являются гермафродитами (однодомная кукуруза представляет собой исключение), и опыление почти всегда является анемофильным. Околоцветник уменьшается до двух чешуек, называемых лодикулами, которые расширяются и сокращаются, покрывая нижнюю цветковую чешую и верхнюю цветковую чешую; в общем случае их интерпретируют как модифицированные чашелистики.
Плод Poaceae представляет собой зерновку, в которой семенная оболочка сливается с плодовой оболочкой и, таким образом, не может быть от нее отделена (как в зерне кукурузы).
Существует три общих классификации форм роста, имеющихся у злаков: гроздевидная (также называемая дернообразующей), дающая подземные побеги и корневищная.
Успех злаков отчасти заключается в их морфологии и процессах роста, а отчасти - в их физиологическом многообразии. Большинство злаков разделяется на две физиологические группы по использованию С3 и С4 фотосинтетических путей для фиксации углерода. С4 злаки демонстрируют фотосинтетический путь, связанный со специализированной кранц-структурой листа, которая, в частности, адаптирует их к жарким климатам и атмосфере с низким уровнем содержания диоксида углерода.
С3 злаки называются «холодостойкими злаками», в то время как С4 растения считаются «теплолюбивыми злаками». Злаки могут быть либо однолетними, либо многолетними. Примерами однолетних холодостойких злаков являются пшеница, рожь, мятлик однолетний (мятлик луговой однолетний, Poa annua и овес). Примерами многолетних холодостойких злаков являются ежа сборная (ежа обыкновенная, Dactylis glomerata), овсяница (Festuca spp.), мятлик луговой и плевел многолетний (Lolium perenne). Примерами однолетних теплолюбивых злаков являются кукуруза, суданская трава и просо американское. Примерами многолетних теплолюбивых злаков являются бородач, айра голубая, свинорой пальчатый и просо прутьевидное.
Одна классификация семейства злаков признает наличие двенадцати подсемейств. Ими являются 1) Anomochlooideae - небольшая последовательность широколиственных злаков, которая включает два рода (Anomochloa, Streptochaeta); 2) Pharoideae - небольшая последовательность злаков, которая включает три рода, в том числе Pharus и Leptaspis; 3) Puelioideae - небольшая последовательность, которая включает африканский род Puelia; 4) Pooideae, куда включаются пшеница, ячмень, овсы, костер (Bronnus) и вейники (Calamagrostis); 5) Bambusoideae, куда включается бамбук; 6) Ehrhartoideae, куда включаются рис и канадский рис; 7) Arundinoideae, куда включаются арундо тростниковый и тростник обыкновенный; 8) Centothecoideae - небольшое подсемейство из 11 родов, которое иногда включается в Panicoideae; 9) Chloridoideae, в том числе полевички (Eragrostis, приблизительно 350 видов, в том числе полевичка абиссинская), спороболусы (Sporobolus, где-то 160 видов), просо пальчатое (Eleusine coracana (L.) Gaertn.) и мюленбергии (Muhlenbergia, приблизительно 175 видов); 10) Panicoideae, в том числе ежовник обыкновенный, кукуруза, сорго, сахарный тростник, большинство разновидностей проса, фонио и многобородники; 11) Micrairoideae; 12) Danthoniodieae, в том числе пампасная трава; совместно с Poa, который является родом из приблизительно 500 видов злаков, эндемичных для умеренных регионов обоих полушарий.
Сельскохозяйственные злаки, выращиваемые в связи с их съедобными семенами, называются зерновыми культурами. Тремя обычными зерновыми культурами являются рис, пшеница и кукуруза (маис). Среди всех сельскохозяйственных культур 70% являются злаками. Сахарный тростник является основным источником производства сахара. Злаки используются для строительства. Строительные леса, изготовленные из бамбука, способны выдерживать воздействие ураганных тайфунов, которые бы разрушили стальные строительные леса. Более крупные бамбуки и Arundo donax имеют прочные соломины, которые могут быть использованы по способу, подобному пиломатериалам, а корни злаков стабилизируют дерн у зданий, изготовленных из дерна. Арундо используют для изготовления дудочек духовых музыкальных инструментов, а бамбук используют для многочисленных инструментов.
Поэтому одну предпочтительную лигноцеллюлозную биомассу выбирают из группы, состоящей из злаков. Перефразируя это по-другому, можно сказать то, что предпочтительную лигноцеллюлозную биомассу выбирают из группы, состоящей из растений, относящихся к семейству Poaceae или Gramineae.
В случае лигноцеллюлозных полисахаридсодержащих биомасс материал может быть разрезан на куски, где 20% (масс./масс.) биомассы предпочтительно будут находиться в диапазоне 26-70 мм до проведения предварительной обработки. Подвергнутый предварительной обработке материал предпочтительно характеризуется уровнем содержания сухого вещества, большим чем 20%, до поступления в технологический процесс. Помимо высвобождения углеводов из биомассы способ предварительной обработки стерилизует и частично растворяет биомассу, и в то же самое время вымывает хлорид калия из лигниновой фракции.
Биомасса будет содержать некоторые соединения, которые являются гидролизуемыми с образованием растворимых в воде соединений, получаемых в результате гидролиза биомассы. Например, целлюлоза может быть подвергнута гидролизу с образованием глюкозы, целлобиозы и высших полимеров глюкозы и включает димеры и олигомеры. Целлюлозу подвергают гидролизу с образованием глюкозы под действием углеводолитических целлюлаз. Преобладающее понимание целлюлолитической системы разделяет целлюлазы на три класса: экзо-1,4-β-D-глюканазы или целлобиогидролазы (СВН) (ЕС 3.2.1.91), которые отщепляют целлобиозные звенья от концов целлюлозных цепей; эндо-1,4-β-D-глюканазы (EG) (EC 3.2.1.4), которые подвергают статистическому гидролизу внутренние β-1,4-глюкозидные связи в целлюлозной цепи; 1,4-β-D-глюкозидаза (ЕС 3.2.1.21), которая гидролизует целлобиозу с образованием глюкозы, а также отщепляет глюкозные звенья от целлоолигосахаридов. Поэтому в случае содержания в биомассе целлюлозы, растворимым в воде гидролизованным соединением, получаемым в результате гидролиза биомассы, будет глюкоза.
При подобном анализе продукты гидролиза гемицеллюлозы представляют собой растворимые в воде соединения, получаемые в результате гидролиза биомассы, в предположении того, что, само собой разумеется, биомасса содержит гемицеллюлозу. Гемицеллюлоза включает ксилан, глюкуроноксилан, арабиноксилан, глюкоманнан и ксилоглюкан. Различные сахара в гемицеллюлозе высвобождаются под действием гемицеллюлаз. Гемицеллюлитическая система является более сложной, чем целлюлолитическая система, вследствие гетерологической природы гемицеллюлозы. Системы могут включать, помимо прочего, эндо-1,4-β-D-ксиланазы (ЕС 3.2.1.8), которые подвергают гидролизу внутренние связи в ксилановой цепи; 1,4-β-D-ксилозидазы (ЕС 3.2.1.37), которые воздействуют на ксилоолигосахариды от невосстанавливающего конца и высвобождают ксилозу; эндо-1,4-β-D-маннаназы (ЕС 3.2.1.78), которые расщепляют внутренние связи; 1,4-β-D-маннозидазы (ЕС 3.2.1.25), которые расщепляют манноолигосахариды с образованием маннозы. Боковые группы удаляются под действием нескольких ферментов; таких как α-D-галактозидазы (ЕС 3.2.1.22), α-L-арабинофуранозидазы (ЕС 3.2.1.55), α-D-глюкуронидазы (ЕС 3.2.1.139), циннамоилэстеразы (ЕС 3.1.1.-), ацетилксиланэстеразы (ЕС 3.1.1.6) и ферулоилэстеразы (ЕС 3.1.1.73).
Композиция доступной подвергнутой предварительной обработке биомассы будет содержать жидкость и твердое вещество и может характеризоваться, исходя из своих количеств С5 соединений, С6 соединений, фурфураля и ферментативной доступности.
Совокупное количество С5 соединений в композиции представляет собой сумму арабинана и ксилана в композиции, которая включает мономеры, димеры, олигомеры и полимеры арабинозы и ксилозы в жидкости и твердом веществе композиции.
Совокупное количество С6 соединений в композиции представляет собой уровень содержания глюкана, который включает мономеры, димеры, олигомеры и полимеры глюкозы в жидкости и твердом веществе.
Как известно из литературы, типичная биомасса, подвергнутая обработке водяным паром взрывным способом, будет характеризоваться соотношением между фурфуралем и [C5 соединения + C6 соединения] × 10000, составляющим, по меньшей мере, 50, при этом соотношение между С5 соединениями и С6 соединениями является большим чем 0,55. Как было продемонстрировано в экспериментальных потоках, способ, описанный в настоящем документе, способен обеспечить получение продукта, подвергнутого обработке водяным паром взрывным способом и характеризующегося уровнем содержания фурфураля, большим чем 0, который всегда присутствует, но и соотношением между фурфуралем и (С5 соединения + С6 соединения) × 10000, меньшим чем 60. Поэтому предусматривается композиция, характеризующаяся соотношением между С5 соединениями и С6 соединениями в диапазоне от 0,45 до 0,54 и соотношением между фурфуралем и [C5 соединения + C6 соединения] × 10000 в диапазоне от 0 до 60 или более предпочтительно от 0 до 50 или более предпочтительно от 0 до 30.
Композиции от обработки водяным паром взрывным способом могут характеризоваться как всегда содержащие фурфураль и характеризующиеся соотношением между С5 соединениями и С6 соединениями, меньшим чем 0,45, и соотношением между фурфуралем и (С5 соединения + С6 соединения) × 10000, меньшим чем 40, или более предпочтительно соотношением между С5 соединениями и С6 соединениями, меньшим чем 0,45, и соотношением между фурфуралем и (С5 соединения + С6 соединения) × 10000, меньшим чем 15, или более предпочтительно соотношением между С5 соединениями и С6 соединениями, меньшим чем 0,45, и соотношением между фурфуралем и (С5 соединения + С6 соединения) × 10000, меньшим чем 10; или более предпочтительно соотношением между С5 соединениями и С6 соединениями, меньшим чем 0,40, и соотношением между фурфуралем и (С5 соединения + С6 соединения) × 10000, меньшим чем 40, или еще более предпочтительно соотношением между С5 соединениями и С6 соединениями, меньшим чем 0,40, и соотношением между фурфуралем и (С5 соединения + С6 соединения) × 10000, меньшим чем 9, соотношением между С5 соединениями и С6 соединениями, меньшим чем 0,35, и соотношением между фурфуралем и (С5 соединения + С6 соединения) × 10000, меньшим чем 10, или еще более предпочтительно соотношением между С5 соединениями и С6 соединениями, меньшим чем 0,30, и соотношением между фурфуралем и (С5 соединения +С6 соединения) × 10000, меньшим чем 7.
Композиция жидкой части потока уникальна и может быть описана как всегда содержащая фурфураль и характеризующаяся соотношением между С5 соединениями и С6 соединениями, большим чем 4,0, и соотношением между фурфуралем и (С5 соединения + С6 соединения) × 10000, меньшим чем 80, или более предпочтительно соотношением между С5 соединениями и С6 соединениями, большим чем 4,0, и соотношением между фурфуралем и (С5 соединения + С6 соединения) × 10000, меньшим чем 60, или еще более предпочтительно соотношением между С5 соединениями и С6 соединениями, большим чем 4,0, и соотношением между фурфуралем и (С5 соединения + С6 соединения) × 10000, меньшим чем 30; или в наиболее широком диапазоне соотношением между С5 соединениями и С6 соединениями, большим чем 3,0, и соотношением между фурфуралем и (С5 соединения + С6 соединения) × 10000, меньшим чем 160.
Композиция, кроме того, характеризуется своей ферментативной доступностью. После проведения предварительной обработки, для которой обработка водяным паром взрывным способом обычно представляет собой последнюю стадию, композицию биомассы отправляют на стадию гидролиза для уменьшения вязкости в результате деполимеризации целлюлозы. Обычно это осуществляют в присутствии ферментов. Чем быстрее протекает реакция, тем более доступными для ферментов будут целлюлозные материалы, что, таким образом, приводит к термину ферментативной доступности.
В способе гидролиза ферментативная доступность представляет собой меру того, как быстро стандартный фермент может подвергнуть гидролизу целлюлозные компоненты. Ферментативную доступность выражают через процент от совокупного количества целлюлозы, которое подвергается превращению в течение заданного количества времени.
У типичных композиций биомассы ферментативная доступность составляет 90% при приблизительно 72 часах. Это означает то, что для гидролиза 90% от совокупного доступного целлюлозного материала потребуется приблизительно 72 часа. Более высокая ферментативная доступность обозначает превращение большего количества целлюлозных материалов в течение более короткого периода времени. Ферментативная доступность также может быть выражена в виде процента за единицу времени. Например, ферментативная доступность 50% при 24 часах обозначает превращение 50% от доступной целлюлозы за 24 часа. Это может быть выражено в виде 50%-ной ферментативной доступности при 24 часах или 24-часовой ферментативной доступности 50%.
Все фразы, такие как ферментативная доступность, составляющая, по меньшей мере, 30% при 24 часах, по меньшей мере, 30%-ная ферментативная доступность при 24 часах, 24-часовая ферментативная доступность, составляющая, по меньшей мере, 30%, обозначают превращение за 24 часа от 30% до 100% от целлюлозы.
Неизвестно, почему композиция изобретения характеризуется такой высокой ферментативной доступностью, но, как представляется, более высокие величины доступности создает длина участка обработки водяным паром взрывным способом в сопоставлении с диаметром клапана.
Как это продемонстрировано в экспериментальном разделе, ферментативная доступность данного материала является такой, что за 24 часа гидролизу подвергается, по меньшей мере, 30% целлюлозы. Одна предпочтительная композиция будет характеризоваться 24-часовой ферментативной доступностью, составляющей, по меньшей мере, 50%, при этом более предпочтительная композиция характеризуется 24-часовой ферментативной доступностью, составляющей, по меньшей мере, 61%, причем еще одна предпочтительная композиция характеризуется 24-часовой ферментативной доступностью, составляющей, по меньшей мере, 71%, при этом еще одна предпочтительная композиция характеризуется 24-часовой ферментативной доступностью, составляющей, по меньшей мере, 75%, причем еще одна предпочтительная композиция характеризуется 24-часовой ферментативной доступностью, составляющей, по меньшей мере, 81%, при этом еще одна предпочтительная композиция характеризуется 24-часовой ферментативной доступностью, составляющей, по меньшей мере, 91%; причем наиболее предпочтительная композиция характеризуется 24-часовой ферментативной доступностью, составляющей, по меньшей мере, 90%. Все измерения 24-часовой ферментативной доступности проводят при использовании количества фермента, эквивалентного 30 ЕФБ/г глюканов.
Композиции получали следующим далее образом, при использовании оборудования, в общем случае доступного в компании Andritz Inc., Глен-Фоллс, Нью-Йорк, США.
Как это подробно изложено в экспериментальном разделе, исходное сырье для использующегося материала целлюлозной биомассы было тем, которое идентифицировано в экспериментальной таблице. Если только не будет указано другого, то исходное сырье непрерывно подавали в первый реактор, работающий под давлением. Исходное сырье для целлюлозной биомассы подвергали обработке в результате добавления водяного пара с расходом в виде указанного количества водяного пара при указанных давлении и температуре для растворения и гидролиза гемицеллюлозы, которая в основном представляет собой С5 соединения. Из реактора, работающего под давлением, жидкий поток, образованный из растворенной гемицеллюлозы, С5 соединений и аморфных С6 соединений и побочных продуктов гидролиза, экстрагировали в виде жидкости.
Примеры побочных продуктов на основе С5 сахаров, которые удаляли в виде экстракта из исходного сырья в реакторе, включают: альдегиды (ГМФ, фурфураль и формальдегид), мономерные фенольные соединения (ванилин и конифериловый альдегид) и кислоты (такие как уксусная кислота и муравьиная кислота). После удаления растворенной гемицеллюлозы из первого реактора оставшееся исходное сырье выгружали из первого реактора для укупоривания или экстрагирования. Исходное сырье оставляли под давлением и переводили из первого реактора через выгружающий червяк в сливной червяк в установку Andritz (MSD) Impressafiner. Установка Impressafiner увеличивала давление, приложенное к исходному сырью, до уровня, превышающего давление в первом реакторе, и до уровня, подходящего для использования при обработке водяным паром взрывным способом, а также удаляла дополнительное количество жидкости по мере увеличения давления.
Реактор для обработки водяным паром взрывным способом изготавливали указанным образом для вливания воды в исходное сырье. После выдерживания исходного сырья в течение указанного периода времени исходное сырье выгружали из реактора для обработки водяным паром взрывным способом через дроссель на 10 мм с последующим перепусканием через продувочный клапан диаметром в 25 мм в продувочную линию на 15 мм, имеющую длину 5 м, после чего его подвергали воздействию атмосферы в большой сборной емкости. Продувочный клапан открывали на указанные процентные величины.
Выгрузку проводили следующим далее образом: давление исходного сырья на выгрузке из реактора для обработки водяным паром взрывным способом соответствовало указанному и кардинально уменьшалось до атмосферного давления в результате перепускания исходного сырья через продувочный клапан, присоединенный к реактору для обработки водяным паром взрывным способом. Падение давления через продувочный клапан составляло указанное падение давления. Превращение под действием водяного пара в ячейках исходного сырья создавало взрывным способом измельчение ячеек в исходном сырье для целлюлозной биомассы.
Давление исходного сырья при выгрузке из реактора для обработки водяным паром взрывным способом соответствовало указанному, и давление уменьшали до атмосферного давления.
Эксперименты
Назначение данных экспериментов заключалось в получении в результате проведения физико-химической обработки («предварительной обработки») материала, который после этого мог бы быть превращен в биоэтанол в результате проведения ферментативного гидролиза и ферментации. Материал (в последующем изложении называемый «подвергнутым предварительной обработке») должен удовлетворять разнообразным требованиям. Таким образом, с химической точки зрения он должен содержать наибольшее из возможных количество ферментируемых С5 и С6 сахаров в расчете на исходный материал (исходное сырье). С физической точки зрения биомасса должна быть деструктурирована при проведении предварительной обработки в результате разложения перепутанной сетки из гемицеллюлозы и лигнина, которая препятствует доступу ферментов к деполимеризуемой целлюлозе.
Эффективность предварительной обработки оценивают на основании обоих данных аспектов. Что касается химического эффекта, то данные, перечисленные ниже, демонстрируют типичные параметры для полученного продукта, а именно количество С5 и С6 сахаров в нем и количество фурфураля, полученного в нем в качестве основного продукта разложения.
В противоположность этому, физический эффект оценивают только косвенно, а именно в результате определения «ферментативной доступности», то есть того, насколько доступными для ферментов являются глюканы, присутствующие в твердом веществе, подвергнутом предварительной обработке, в стандартных условиях.
В порядке сопоставления данные, перечисленные ниже, также включают и соответствующие параметры, определенные в некоторых экспериментах, проведенных в сторонней организации.
Использующаяся аппаратура
Предварительную обработку проводят в двух различных типах аппаратуры - одной, функционирующей в периодическом режиме, и другой, функционирующей в непрерывном режиме.
3
3
Аппаратура, использующаяся для периодического способа, представляет собой изолированный реактор с вместимостью 10 дм, который присоединяют к расширительной емкости на 600 дм через трубу, которая могла бы быть закрыта при использовании шарового клапана. Реактор имеет впускное отверстие для биомассы в верхней части и два впускных отверстия для водяного пара, также расположенные в верхней части. Водяной пар, введенный в реактор, регулируют с панели управления при использовании пневматического привода. Давление водяного пара регулируют при использовании клапана с ручным управлением, но сохраняют низким. Реактор также оснащают вентиляционным отверстием, снабженным двухстворчатым клапаном. Последний регулируют при использовании крана, приводимого в действие вручную. В заключение реактор также имел впускное отверстие для сжатого воздуха, который также регулируют вручную. С другой стороны, вышеупомянутую расширительную емкость соединяют с внешней средой через трубу сапуна и снабжают перегородкой, размещенной на ее внутренней поверхности для направления биомассы, поступающей из реактора, при доведении до максимума времени контакта с охлаждающей рубашкой на внешней стороне. Подвергнутую обработке биомассу выгружают через выпускное отверстие в нижней части, которое может быть закрыто при использовании шибера. Оборудование также включает пресс с ручным управлением, который может создавать давление 300 бар и который используют для удаления жидкой фазы из твердого вещества после проведения предварительной обработки.
Аппаратура, использующаяся для непрерывного способа, по существу представляет собой то же самое, что описывалось в международной патентной заявке WO 2009/108773. Современная версия включает секцию для введения биомассы через камеру давления с расположенными по бокам двумя шаровыми клапанами. Биомассу подают из данной камеры в вертикальный реактор (реактор 1), который выдерживают при требуемом давлении в результате введения в него водяного пара. После проведения обработки биомассу выгружают при использовании червячного транспортера, расположенного в нижней части реактора. Данный первый червячный транспортер соединяют со вторым наклонным червячным транспортером, который используют для исключения жидкости, поступающей от конденсации водяного пара, которая может быть обусловлена промыванием материала водой. По ходу технологического потока после данной секции биомассу перепускают в червячный транспортер, называемый «MSD Impressafiner» и приобретаемый в компании Andritz AG, который функционирует при высокой степени сжатия. Данное устройство используют для получения пробки материала, необходимой для отделения предыдущей области по ходу технологического потока от последующей области по ходу технологического потека, которая может находиться под другим давлением. В дополнение к этому, в данном случае также может быть осуществлено и дополнительное удаление жидкости. Секция, располагающаяся по ходу технологического потока после установки MSD Impressafiner, включает два червячных конвейера, первый из которых называют реактором 2. Автоматический выпускной клапан, установленный на конце данных червячных конвейеров, соединяется с трубой, называемой «продувочной линией», которая создает мгновенное сбрасывание давления. В заключение биомассу перепускают в циклон, где удаляют летучие компоненты и избыточный водяной пар.
Жидкости, которые удалили, собирают в двух раздельных резервуарах, необязательно выдерживаемых под давлением для возможного отправления на вторичную переработку.
Сам ферментативный гидролиз проводили в 3,6-литровых лабораторных ферментерах Infors. Данные реакторы снабжают рубашкой, а температуру в них регулируют на основании показания датчика, установленного внутри них. Значение рН определяют при использовании зонда, который приводит в действие два перистальтических насоса для добавления соответственно кислоты и основания. Биореакторы снабжают вращающимися валковыми перемешивающими устройствами, соединенными с двумя турбинами Pelton.
Использующиеся материалы
Эксперименты проводят при использовании двух типов исходного сырья для биомассы - один от Arundo donax, а другой от волокнистого сорго, композиции которых представляют собой нижеследующее.
Таблица 1Композиция исходных материалов
Сорго
Arundo
Уровень содержания сухого вещества:
%
83,00%
92,00%
Вода
% (масс.)
17,00%
8,00%
Глюканы
% (масс.)
26,97%
33,34%
Ксиланы
% (масс.)
14,42%
19,17%
Ацетильные группы
% (масс.)
2,06%
3,59%
Экстрагируемые вещества
% (масс.)
16,40%
7,95%
Лигнин Клазона
% (масс.)
13,49%
19,27%
Остатки (после обработки при 575°С)
% (масс.)
5,30%
5,86%
Другие несолюбилизированные вещества
% (масс.)
4,35%
2,82%
Итого
% (масс.)
100,00%
100,00%
Композицию биомассы определяли по следующим далее стандартным аналитическим методам.
Определение структурных углеводов и лигнина в биомассе
Laboratory Analytical Procedure (LAP), released on 25.4.2008
См. публикацию Technical Report NREL/TP-510-42618, revised in April 2008
[NREL = Национальная лаборатория возобновляемой энергии]
Определение экстрагируемых веществ в биомассе
Laboratory Analytical Procedure (LAP), released on 17.7.2005
См. публикацию Technical Report NREL/TP-510-42619 of January 2008
Получение образцов для определения композиции
Laboratory Analytical Procedure (LAP), released on 28.9.2005
См. публикацию Technical Report NREL/TP-510-42620 of January 2008
Определение совокупного твердого вещества в биомассе и совокупного растворенного твердого вещества в полученных жидких образцах
Laboratory Analytical Procedure (LAP), released on 31.3.2008
См. публикацию Technical Report NREL/TP-510-42621, revised in March 2008
Определение зольности биомассы
Laboratory Analytical Procedure (LAP), released on 17.7.2005
См. публикацию Technical Report NREL/TP-510-42622 of January 2008
Определение сахаров, побочных продуктов и продуктов разложения в полученной жидкой фазе
Laboratory Analytical Procedure (LAP), released on 8.12.2006
См. публикацию Technical Report NREL/TP-510-42623 of January 2008
Определение нерастворимого твердого вещества в биомассе, подвергнутой предварительной обработке
Laboratory Analytical Procedure (LAP), released on 21.3.2008
См. публикацию Technical Report NREL/TP-510-42627 of March 2008
Смесь ферментов, использующаяся для определения доступности биомассы для ферментов во время ферментативного гидролиза, во всех экспериментах имеет следующую далее композицию.
Компонент
Количество,% (об.)
Плотность, г/мл
Удельная активность
Целлюлазный комплекс
87,4%
1,08
100
ЕФБ/г<sub>компонент</sub>
Ксиланаза
5,3%
1,2
500
ЕГК/г<sub>компонент</sub>
Гемицеллюлаза
6,6%
1,1
470
ЕГК/г<sub>компонент</sub>
Комплекс фермента
0,7%
1,2
100
ГБГ/г<sub>компонент</sub>
Итого
100,0%
1,09
Целлюлазный комплекс представляет собой ферментативный препарат, который катализирует разложение целлюлозы с образованием глюкозы, целлобиозы и олигомеров глюкозы, имеющих более высокую молекулярную массу.
Растворы ксиланазы и гемицеллюлазы в основном катализируют деполимеризацию гемицеллюлозы с образованием ее компонентов в форме простых или олигомерных сахаров, но они также в меньшей степени обладают и другой каталитической активностью.
«Комплекс фермента» представляет собой ферментативный раствор, который оказывает воздействие на различные углеводы и улучшает активность совокупного раствора, полученного при его использовании.
Смесь ферментов демонстрирует следующие далее характеристики активности.
Активность смеси ферментов
94,39
ЕФБ/мл
86,60
ЕФБ/г
65,92
ЕГК/мл
60,48
ЕГК/г
0,84
ГБГ/мл
0,77
ГБГ/г
Различные единицы ферментативной активности определяют следующим далее образом.
Единицу фильтровальной бумаги (ЕФБ) определяют и устанавливают в соответствии с описанием в публикации NREL's Laboratory Analytical Procedure (см. публикацию Technical Report № NREL/TP-510-42628 of January 2008). В данном методе, который включает использование промышленного стандарта, определяют активность целлюлазы в единицах фильтровальной бумаги (ЕФБ) в расчете на один миллилитр первоначального (неразбавленного) ферментативного раствора. Для получения количественных результатов препараты ферментов должны быть сопоставлены, исходя из превращения, которое является как значительным, так и идентичным. Для заданного фермента 1 ЕФБ представляет собой количество фермента, которое требуется для высвобождения 2,0 мг восстанавливающих сахаров (измеряемых в пересчете на глюкозу) от 50 мг ватманской фильтровальной бумаги № 1 (степень превращения: 4%) за 60 минут при 50°С. Данную величину определяют согласно положениям Международного союза теоретической и прикладной химии (МСТПХ) как отрезок, отсекаемый на оси координат для вычисления значения ЕФБ.
Активность ксиланазы определяют в терминах ЕГК по отношению к стандартному ферменту, обладающему известной активностью. Результат, полученный в результате спектрофотометрического определения, проводимого для жидкого супернатанта, как это описывается ниже, сопоставляют со стандартной кривой, полученной для эталонного образца.
Для данного определения образцы ксиланазы инкубируют совместно с субстратом, состоящим из арабино-ксиланаз, экстрагированных из пшеницы, окрашенной ремазолем. Неподвергшийся превращению субстрат осаждают под действием этанола. Интенсивность синей окраски, которую продукты разложения в неосажденном субстрате, придавали жидкому супернатанту, пропорциональна активности ксиланазы, но профиль окраски может варьироваться при переходе от одного фермента к последующему.
<mrow><mfrac><mi>W</mi><mrow><mi>C</mi><mo>⋅</mo><mi>F</mi><mo>⋅</mo><mi>D</mi></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
Активность образца (ЕГК/г)=
где
С представляет собой активность фермента, считываемую со стандартной кривой в ЕГК/мл,
F представляет собой объем образца в мл,
D представляет собой последующее разбавление образца (например, второе или третье разбавление), и
W представляет собой массу образца в г.
Одна единица ГБГ представляет собой количество фермента, которое высвобождает количество глюкозы (или восстанавливающих углеводов) при восстанавливающей способности, эквивалентной 1 молю глюкозы, за одну минуту по стандартной методике, реализуемой по описанному ниже методу Сомоджи-Нельсона.
Стандартные условия проведения реакции:
образец должен быть разбавлен до активности 0,02-10 ГБГ/мл,
субстрат: 0,5% бета-глюканов,
температура: 30°С,
рН: 5,0,
время реакции: 30 минут.
Грибковая бета-глюканаза вступает в реакцию с бета-глюканами с образованием глюкозы или с восстановлением углеводов.
2
4
Значение рН выдерживали на уровне значения, составляющего приблизительно 5, при помощи системы автоматического регулирования с использованием водного раствора HSO с концентрацией 1 моль/л и водного раствора NaOH с концентрацией 1 моль/л в целях коррекции.
Методика метода испытания
Сначала получают определенное количество сухой биомассы, а после этого ее подвергают обработке водой при комнатной температуре для доведения ее влагосодержания до требуемого уровня. В использующихся условиях вода абсорбируется биомассой, а не присутствует в свободной форме.
Периодический способ (реализуемый в аппаратуре 1)
В данном случае предварительная обработка состоит из двух последовательных ступеней. На первой ступени в реактор загружают определенное количество биомассы, в то время как клапан впускного отверстия водяного пара сохраняют закрытым. Данное количество составляет приблизительно 1,5 кг при проведении вычислений, исходя из количества сухого вещества. После этого в реактор перепускают водяной пар вплоть до достижения требуемых температуры и давления для обеспечения насыщения. При достижении заданной точки систему выдерживают в стационарных условиях в течение предварительно определенного периода времени t. После этого давление медленно стравливают, а биомассу извлекают. Полученные твердую и жидкую фазы разделяют в результате прессования биомассы в прессе, действующем при давлении 300 бар. Твердую фазу используют на второй ступени способа для нового цикла проведения операции в том же самом реакторе. Данную ступень реализуют, как и прежде, за исключением того, что в данном случае давление стравливают не медленно через вентиляционное отверстие, а мгновенно в результате полного открытия «клапана обработки водяным паром взрывным способом». Поэтому материал расширяется в резервуаре и летучие компоненты и избыточная вода уходят в вентиляционное отверстие. Материал, полученный при проведении данной предварительной обработки, после этого перепускают в лабораторный биореактор для ферментативного гидролиза, который проводят в следующих далее условиях:
Т=45°С,
скорость перемешивающего устройства = 300 об/мин,
рН 5,
уровень содержания сухого вещества = 7,5% (масс.),
время = 24 часа.
Количество глюкозы, высвобожденное в материале, определяют по описанному выше методу, а полученное значение используют для вычисления выхода при помощи следующего далее уравнения:
<img file="00000002.tif" he="19" wi="76" img-content="undefined" img-format="tif" />
(Уравнение 1),
где
глюкоза
24 часа
Y, представляет собой выход глюкозы по истечении 24 часов, рассчитанный по совокупному солюбилизируемому количеству;
глюкоза
24 часа
с, представляет собой концентрацию глюкозы в жидкой фазе по истечении 24 часов;
WIS представляет собой количество несолюбилизированного твердого вещества по истечении 24 часов, рассчитанное в % (масс.), исходя из совокупной массы;
жидкость
ρ представляет собой плотность жидкой фазы;
глюканы
0 часов
w, представляет собой массу глюканов в момент времени t=0, рассчитанную, исходя из совокупной массы; и
1,111 представляет собой коэффициент, который учитывает разницу между молекулярной массой глюкозы (180 г/моль) и молекулярной массой глюканов (162 г/моль).
Непрерывный способ (реализуемый в аппаратуре 2)
В данном случае материал сначала перепускают в камеру давления полунепрерывным образом с использованием требуемого расхода при подаче. При достижении требуемого давления биомассу подают в реактор 1. Время пребывания там зависит от предшествующего строения волокон, и необязательно производят перепускание водяного пара для компенсации любых потерь тепла. После этого материал перепускают сначала в выгружающий червячный транспортер, а после этого в наклонный червячный транспортер, где удаляют первую часть избыточной жидкости. Затем материал перепускают в установку MSD Impressafiner, где из него удаляют дополнительное количество жидкости в результате его прессования. Отсюда биомассу переводят в реактор 2 через вышеупомянутую пробку материала. Требуемые температура и давление в данном реакторе могут быть получены в результате перепускания в него водяного пара по мере надобности. После этого материал переводят в продувочную линию при использовании последнего червячного транспортера. Уменьшение давления, проходящее в данном случае, приводило к получению значения уменьшенного давления, преобладающего в циклоне. Данная продувочная линия имеет длину, составляющую приблизительно 6 метров, и внутренний диаметр, составляющий приблизительно 25 мм (1 дюйм).
Клапан, контролирующий данную операцию, может быть открыт различным образом: а именно он может быть оставлен открытым в определенной степени в течение всего времени, или он может оставаться закрытым в течение определенной продолжительности периода времени, а после этого будет открыт до определенной степени в течение последующего периода.
После этого полученный материал подвергают тем же самым гидролизу и анализу, как и в случае периодического способа.
Экспериментальные условия и результаты
Непрерывный способ реализуют 8 раз, а периодический способ два раза при использовании в обоих случаях надлежащей описанной выше методики. Для сопоставления следующая далее таблица также включает соответствующие данные и для двух других экспериментов, которые проводили в установке, которая включала только один реактор для обработки водяным паром взрывным способом, а именно в установке ENEA, расположенной в компании Trisaia.
Данные, перечисленные в следующих далее таблицах, приводят экспериментальные условия и результаты, полученные как для композиции биомассы, так и для ее доступности для использующихся ферментов.
Таблица 2 демонстрирует результаты, полученные во всех экспериментах. Эксперименты 1-8 проводили по непрерывному способу в аппаратуре 2, а эксперименты 9 и 10 проводили по периодическому способу при использовании аппаратуры 1. Эксперименты 11 и 12 проводили в установке ENEA, включающей только один реактор с червячным транспортером и конечной обработкой взрывным способом.
Таблица 3 демонстрирует композицию материала, полученного по окончании предварительной обработки, в том, что касается количества С6 и С5 сахаров, при проведении вычислений, исходя из количества сухого вещества, и фурфураля, совместно с соотношением между данными компонентами.