Спосіб виготовлення біомасла з біомаси

Реферат: Спосіб виготовлення біомасла з біомаси, що містить щонайменше один полісахарид, який включає піддання зазначеної біомаси кислотному гідролізу у присутності водного розчину щонайменше одної органічної кислоти, вибраної з алкіл- або арилсульфонових кислот, які мають від С7 до С20 атомів карбону, бажано від С9 до С15 атомів карбону, або з галогенованих карбонових кислот, при температурі від 80 °C до 160 °C, бажано від 100 °C до 150 °C, з отриманням першої суміші, що включає першу тверду фазу і першу водну фазу; піддання зазначеної першої суміші ферментативному гідролізу з отриманням другої суміші, що включає другу тверду фазу і другу водну фазу; піддання зазначеної другої водної фази ферментації у UA 103344 C2 (12) UA 103344 C2 присутності щонайменше одних жирових дріжджів з отриманням водної суспензії, що включає клітини зазначених жирових дріжджів; і піддання зазначеної водної суспензії термічній обробці з отриманням масляної фази, яка включає біомасло і третю водну фазу. Одержане у такий спосіб біомасло може бути застосоване у виготовленні біопалив, які можуть бути використані як такі або у суміші з іншими паливами для моторних транспортних засобів, або зазначене біомасло може бути використане як таке або у суміші з викопними паливами для вироблення електричної енергії або тепла. UA 103344 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується способу виготовлення біомасла з біомаси, яка включає щонайменше один полісахарид, зокрема, винахід стосується способу виготовлення біомасла з біомаси, яка включає щонайменше один полісахарид, причому цей спосіб включає піддання зазначеної біомаси кислотному гідролізу, піддання суміші, отриманої після зазначеного кислотного гідролізу, ферментативному гідролізу, піддання цукрів, отриманих в результаті зазначених кислотного і ферментативного гідролізів, ферментації у присутності щонайменше одних жирових дріжджів і піддання водної суспензії, що включає клітини зазначених жирових дріжджів, отриманих після зазначеної ферментації, термічній обробці. Отримане у такий спосіб біомасло може бути з успіхом використане у виготовленні біопалив, які можуть бути використані як такі або у суміші з іншими паливами для двигунів транспортних засобів. Зазначене біомасло може бути також використане як таке (біопаливо), або у суміші з викопними паливами (паливним маслом, лігнітом тощо) для генерації електричної енергії. Взагалі біомасою є будь-яка речовина, яка має органічну, рослинну або тваринну матрицю, яка може бути використана для енергетичних потреб, наприклад, як сировина для виготовлення біопалив, або компонентів, які можна додавати до палив. Отже, біомаса може бути відновлювальним джерелом енергії як альтернативою традиційні сировині викопного походження, яку звичайно використовують у виготовленні палив. Найбільш придатною для цього є лігноцелюлозна біомаса. Відомим є виробництво цукрів з біомаси, зокрема, з лігноцелюлозної біомаси. Лігноцелюлозна біомаса є комплексною структурою, яка включає три головні компоненти: целюлозу, геміцелюлозу і лігнін. Їх кількості можуть варіюватись згідно з способом використання лігноцелюлозної біомаси. У випадку рослин, наприклад, зазначені кількості залежать від виду і віку рослини. Целюлоза є найбільшою складовою частиною лігноцелюлозної біомаси і звичайно присутня у кількості від 30% до 60% за масою від повної маси лігноцелюлозної біомаси. Целюлоза складається з молекул глюкози (від приблизно 500 до 10000 одиниць) з'єднаних одна з одною через (3-1,4 глюкозидний зв'язок. Встановлення гідрогенних зв'язків між ланцюгами викликає утворення кристалічних доменів, які забезпечують стійкість і еластичність рослинних волокон. У природі їх можна спостерігати у чистому вигляді у однолітніх рослин, наприклад, бавовні і льоні, а у лігнінних рослинах вони завжди супроводжуються геміцелюлозою і лігніном. Геміцелюлоза, звичайно присутня у кількості від 10% за масою до 40% за масою відносно повної маси лігноцелюлозної біомаси, виглядає як змішаний відносно короткий розгалужений полімер (10 - 200 молекул), побудований з цукрів з 6 атомів карбону (глюкози, манози, галактози) і цукрів з 5 атомами карбону (ксилози, арабінози). Деякі важливі властивості рослинних волокон зумовлюються наявністю геміцелюлози, головною властивістю якої є сприяння пригніченню зазначених рослинних волокон у присутності води, яке викликає їх розбухання. Геміцелюлоза також має адгезивні якості і тому має здатність до цементації або створення рогоподібної консистенції, завдяки чому зазначені рослинні волокна стають жорсткими і абсорбуються більш повільно. Вміст лігніну звичайно становить 10% - 30% за масою відносно повної маси лігноцелюлозної біомаси. Його головна функція полягає у зв'язуванні і цементації різних рослинних волокон і наданні рослині компактності і стійкості, а також наданні захисту проти комах, патогенів, пошкоджень і ультрафіолету. Він звичайно використовується як паливо, але останнім часом широко використовується у промисловості як диспергатор, отверджувач, емульгатор для пластикових ламінатів, картонів і гумових виробів. Він може також бути хімічно оброблений для отримання ароматичних сполук, ваніліну, жасмінного альдегіду, р-гідроксибензальдегіду, які можуть бути використані у фармацевтичній хімії або у косметичній і харчовій промисловості. Для оптимізації перетворення лігноцелюлозної біомаси у продукти для енергетичного використання зазначену біомасу попередньо обробляють для відділення лігніну і гідролізу целюлози і геміцелюлози у прості цукри, наприклад, глюкозу і ксилозу. Ці цукри можуть бути використані як джерела карбону у ферментативних процесах у присутності мікроорганізмів для виробництва спиртів і/або ліпіду. У заявці на патент US 2008/0102176, наприклад, описано спосіб екстракції рослинних жирів, який включає: розпилення целюлозовмісної сировини для отримання часток діаметром 1-2 мм; занурення цих часток у сульфурову кислоту концентрацією 1-2% для підкислення зазначених часток і підвищення цим гідролізу целюлози і доведення рН до 4,5+0,5; видалення часток, підкислених сульфуровою кислотою, і додання послідовно целюлази і жирових дріжджів до підкислених часток і ферментацію протягом 8-9 днів при температурі 25-30°С і вологості 8590%; додання аліфатичного гідрокарбону як розчинника до продуктів ферментації для екстракції жирів і отримання екстракційної суміші; відділення залишку підкислених часток з 1 UA 103344 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 екстракційної суміші і відділення жирів від розчинника дистиляцією з отриманням сирого масла. Бажаною целюлазою є Trichoderma viride, а жировими дріжджами - Rhodotorula glutinis. Отримані жири можуть бути перетворені у біодизель естерифікацією. У Dai et al. ""Biodiesel generation from oleaginous yeast. Rhodotorula glutinis with xylose assimilating capacity" (African Journal of Biotechnology, (2007), Vol. 6 (18), p.p. 2130-2134) описано виробництво біодизелю з жирових дріжджів, а саме, лігноцелюлозну біомасу подрібнюють і піддають кислотному гідролізу у присутності сульфурової кислоти. Отримані цукри використовують як джерело карбону у ферментаційному процесі у присутності заздалегідь вибраного штаму Rhodotorula glutinis, придатному також для використання пентози, ксилози, зокрема, для отримання масел, які потім екстрагують Soxhlet і піддають трансестерифікації для отримання біодизелю. Відомими є різні типи термічних обробок (наприклад, зрідження, гідротермічні обробки), які дозволяють перетворювати біомаси (наприклад, лігноцелюлозні біомаси, біомаси з органічних відходів, сільськогосподарських відходів і/або відходів сільськогосподарської промисловості, біомас з побутових відходів) у рідкі продукти для перетворення об'ємних матеріалів, з якими важко працювати і які мають низьку щільність енергії, у біомасло з високою щільністю енергії (тобто високою калорійністю), яке може бути використане як біопаливо або як джерело хімічних продуктів або джерело біопалив. Більш детальні дані про термічні обробки (гідротермічні обробки або зрідження) біомас можна знайти, наприклад, у "Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization and Environmental Effects", "Mechanisms of Thermochemical Biomass Conversion Processes. Part 3: Reactions of Liquefaction" (2008), 30:7, pages 649-659; або у "Energy & Environmental Science" (2008), "Thermochemical biofuel production in hydrothermal media: A review of sub-and supercritical water technologies", 1, pages 32-65. У патенті US 4 334 026 описано процес біотермічного гібридного зрідження для удосконалення зрідження сполук, що містять карбон, для отримання рідких палив, що містять спирт. Цей процес включає: подачу органічних сполук у ферментаційний реактор; ферментацію зазначених органічних сполук в умовах, придатних для отримання спирту у біологічній рідкій культурі; відділення рідкого палива, що містить спирт, і ферментаційного залишку, видалення води і внесення зазначеного ферментаційного залишку у термохімічний конвертор; термохімічне перетворення щонайменше більшості органічних компонентів зазначеного ферментаційного залишку при високій температурі з отриманням термохімічно перетворених продуктів і термохімічних залишків, причому частину щонайменше одного з зазначених термохімічно перетворених продуктів або їх похідних, або зазначених термохімічних залишків, вводять у зазначений ферментаційний реактор. Як органічні сполуки можуть бути використані ґрунтові або водні рослини (водорості), лісові і/або сільськогосподарські відходи, промислові відходи тощо. У патенті US 4 935 567 описано спосіб зрідження біомаси, що містить целюлозу, для отримання зрідженого продукту. Цей спосіб включає: (а) подачу біомаси, води і органічної рідини, що містить кисень, (наприклад, естер, кетон, спирт) у реакційний резервуар з отриманням суміші, яка складається з зазначеної біомаси, зазначеної органічної рідини і води, з повним вмістом рідкої органіки, що містить кисень, і води у цій суміші до 5-20 частин (за масою) на частину біомаси (за сухою біомасою) і кількістю рідкої органіки, що містить кисень у зазначеній суміші 5%-80% від повної кількості зазначених рідини і води; (b) нагрівання зазначеної суміші до 200-400°С під тиском 3-100 ат і отримання зрідженого продукту у формі масляної рідкої фази разом з водною фазою; (с) відділення зазначеної масляної рідкої фази від зазначеної водної фази і отримання зазначеної масляної рідкої фази як зрідженого продукту; і (d) нагрівання зазначеної масляної рідкої фази для дистиляції сполуки з низькою точкою кипіння і отримання зрідженого продукту збільшеної калорійності як дистиляційного залишку. Для прискорення зрідження зазначений процес зрідження можна проводити у присутності лужного каталізатора (наприклад, гідроксиду натрію, гідроксиду калію, карбонату натрію, карбонату калію тощо). Отриманий зріджений продукт може бути використаний як паливо або як сировина для різних хімічних сполук. Описані процеси мають ряд вад. Для гідролізу обох полісахаридних компонентів біомаси (наприклад, геміцелюлози і целюлози), зокрема, у присутності розрідженої сульфурової кислоти (наприклад, при концентраціях 0,5% - 11%) необхідно забезпечувати високу температуру (наприклад, вище 160°С). При таких температурах відбувається утворення співпродуктів дегідрування цукрів і часткової деполімеризації лігніну. Ці співпродукти, зокрема, фурфурал, гідроксиметил фурфурал, фенольні сполуки, можуть діяти як інгібітори мікроорганізмів, що використовуються у 2 UA 103344 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 подальших цукрових ферментаційних процесах. Крім того, у присутності розрідженої сульфурової кислоти вихід цукру, зокрема, глюкози, є звичайно низьким (наприклад, нижче 50%). Перед підданнями цукру ферментації може виявитись необхідним нейтралізувати сульфурову кислоту для доведення рН до значень, прийнятних для подальшої ферментації. Нейтралізацію звичайно проводять доданням оксидів і/або гідроксидів, наприклад, оксиду кальцію, гідроксиду кальцію або гідроксиду барію з подальшим утворенням солей (наприклад, сульфату кальцію дигідросульфату кальцію ("гіпсу"), сульфату барію), які осаджуються і мають бути відділені від цукрів перед ферментацією. Крім того, ці солі мають бути у подальшому усунуті відповідною обробкою, яка підвищує виробничі витрати. Зазначені неорганічні кислоти неможливо відновити і повторно використати. Присутність спирту у рідких паливах, отриманих зрідженням, може також створити труднощі у відділенні зазначених рідких палив від водної вихідної біомаса внаслідок високої полярності зазначених рідких палив. Крім того використання органічних рідин (наприклад, естеру, кетону, спирт) у процесі зрідження може утруднити розділення масляної рідкої фази від водної фази внаслідок присутності зазначених органічних рідин, а також збільшити виробничі витрати. Нами було виявлено, що виготовлення біомасла з біомаси (тобто перетворення біомаси у рідкі продукти, які можуть бути використані, наприклад, як біопалива), зокрема, з біомаси, що включає щонайменше один полісахарид, може бути з успіхом здійснене способом, який включає піддання зазначеної біомаси кислотному гідролізу у присутності водного розчину щонайменше одної органічної кислоти при температурі не вище 160°С, піддання суміші, отриманої в результаті зазначеного кислотного гідролізу, ферментативному гідролізу, піддання цукрів отриманих в результаті зазначених кислотного гідролізу і ферментативного гідролізу, ферментації у присутності щонайменше одних жирових дріжджів, і піддання водної суспензії, що включає клітини зазначених жирових дріжджів, отриманих з зазначеної ферментації, термічній обробці. Цей спосіб має певні переваги. Наприклад, він забезпечує високий вихід пентозних і гексозних цукрів з кислотного гідролізу зазначеної біомаси, які можуть бути потім використані як джерелакарбону при ферментації жирових дріжджів для виготовлення біомасла. Отримане у такий спосіб біомасло може бути використане у виготовленні біопалив, які можуть бути використані як такі або змішані з іншими паливами для моторних транспортних засобів, або зазначене біомасло може бути використане як таке (біопаливо), або у суміші з викопними біопаливами (паливним маслом, лігнітом тощо) для вироблення електричної енергії або тепла. Крім того, цей спосіб не потребує високих температур, тобто таких, що перевищують 160°С і забезпечує зниження утворення співпродуктів, наприклад, фурфуралу, гідроксиметил фурфуралу, фенольних сполук, які можуть діяти як інгібітори мікроорганізмів, що звичайно використовуються у подальших ферментаційних процесах цукрів. Інша суттєва перевага полягає у тому, що зазначений спосіб дозволяє відновлення органічної кислоти з подальшою рециклізацією, зокрема, у кислотний гідроліз біомаси. Зазначене відновлення також дозволяє уникнути операції нейтралізації і, отже, утворення солей і їх подальшого усунення. Ще одною перевагою є те, що волога тверда фаза містить уламки клітин, зокрема, протеїни і полісахариди, що містяться у мембрані клітин жирових дріжджів і наприкінці ферментації можуть бути відновлені і використані в описаних вище процесах, зокрема, у кислотному гідролізі. Кислотний гідроліз цієї вологої твердої фази дозволяє отримати амінокислоти з протеїнів і цукри з полісахаридів, які потім потрапляють в операцію ферментації, завдяки чому знижується кількість нітрогену, який має бути звичайно доданий до культурного середовища, в якому відбувається ферментація, і отримати додаткові цукри для ферментації. Задачею винаходу є створення способу виготовлення біомасла з біомас, що містять щонайменше один полісахарид, який включає: - піддання зазначеної біомаси кислотному гідролізу у присутності водного розчину щонайменше одної органічної кислоти, вибраної з алкіл- або арил-сульфонових кислот, які мають від С7 до С20 атомів карбону, бажано, від С9 до С15 атомів карбону, або з галогенованих карбонових кислот, при температурі від 80°С до 160°С, бажано, від 100°С до 150°С, з отриманням першої суміші, що включає першу тверду фазу і першу водну фазу; - піддання зазначеної першої суміші ферментативному гідролізу з отриманням другої суміші, що включає другу тверду фазу і другу водну фазу; - піддання зазначеної другої водної фази ферментації у присутності щонайменше одних жирових дріжджів з отриманням водної суспензії, що включає клітини зазначених жирових дріжджів; 3 UA 103344 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - піддання зазначеної водної суспензії термічній обробці з отриманням масляної фази, що включає біомасло і третю водну фазу. У даному описі і у подальшій Формулі винаходу визначення числових меж завжди включає крайні значення, якщо не зазначено інше. Згідно з бажаним втіленням винаходу, зазначений полісахарид може бути вибраний з целюлози, геміцелюлози або їх суміші. Бажаними є целюлоза або суміші геміцелюлози і целюлози. Згідно з іншим бажаним втіленням винаходу, зазначена біомаса є лігноцелюлоз-ною біомасою. Як було відзначено, лігноцелюлозна біомаса включає три компоненти: геміцелюлозу, целюлозу і лігнін. Зазначену лігноцелюлозну біомасу бажано вибирати з: - продуктів культур, що спеціально вирощуються для енергетичного використання (наприклад, міскантусу, проса, звичайної тростини), включаючи співпродукти, залишки і відходи зазначених культур або їх обробки; - продуктів сільського господарства, лісорозведення і лісництва, включаючи деревину, рослини, залишки і співпродукти сільськогосподарського виробництва, лісорозведення і лісництва; - сільськогосподарських співпродуктів, призначених для харчування людей, або тварин; - нехімічно оброблених залишків паперової промисловості; - продуктів відходів з зібраних диференційованих твердих міських відходів (наприклад, міських відходів рослинного походження, паперу). Згідно з одним з втілень винаходу, зазначена біомаса може бути піддана попередньому подрібненню перед операцією кислотного гідролізу. Зазначену біомасу бажано подрібнювати до отримання часток діаметром від 0,1 до 10 мм, більш бажано, від 0,5 до 4 мм. Особливо бажаними є частки діаметром менше 1 мм. Згідно з іншим бажаним втіленням винаходу, зазначена біомаса присутня у реакційній суміші у кількості від 5% до 40% за масою, бажано, від 20% до 35% за масою відносно повної маси реакційної суміші. В описі і Формулі винаходу термін "реакційна суміш" означає суміш, що включає біомасу і водний розчин зазначеної щонайменше одної органічної кислоти. Згідно з ще одним бажаним втіленням винаходу, зазначена щонайменше одна органічна кислота є розчинною у воді і може бути екстрагована органічним розчинником, не розчинним у воді. В описі і Формулі винаходу термін "органічна кислота, розчинна у воді" означає органічну кислоту, розчинну у дистильованій воді при 25°С у кількості щонайменше 0,5 г/100 мл дистильованої води, бажано, щонайменше 2 г/100 мл дистильованої води. В описі і Формулі винаходу термін "органічна кислота, яка може бути екстрагована органічним розчинником, не розчинним у воді" означає органічну кислоту, яка може бути екстрагована органічним розчинником, не розчинним у воді з виходом щонайменше 80%, бажано, щонайменше 90%, обчисленим відносно повної кількості органічної кислоти у водному розчині. В описі і Формулі винаходу термін "органічний розчинник, не розчинний у воді" означає органічний розчинник, розчинний у воді при 25°С у кількості менше 4% за об'ємом, бажано, менше 2% за об'ємом. Згідно з бажаним втіленням винаходу, зазначені алкіл- або арил-сульфонові кислоти можуть бути вибрані з: додецил-сульфонової кислоти, пара-толуол-сульфонової кислоти, 1-нафталінсульфонової кислоти, 2-нафталін-сульфонової кислоти, 1,5-нафталін-дисульфонової кислоти або їх сумішей. Бажаними є пара-толуол-сульфонова кислота, 2-нафталін-сульфонова кислота, 1,5-нафталін-дисульфонова кислота або їх суміші. Згідно з бажаним втіленням винаходу, зазначені галогеновані карбонові кислоти можуть бути вибрані з тих, що мають не більше 20 атомів карбону, бажано, від 2 до 15, наприклад, трифлуороцтової кислоти, дихлороцтової кислоти, трихлороцтової кислоти, перфлуороктанової кислоти або їх сумішей. Особливо бажаними є дихлороцтова кислота, трихлороцтова кислота, перфлуороктанова кислоти і їх суміші. Згідно з іншим бажаним втіленням винаходу, зазначена щонайменше одна органічна кислота у водному розчині має концентрацію від 0,1% до 5% за масою, бажано, від 0,5% до 2,5% за масою відносно повної маси водного розчину. Зазначені органічні кислоти діють як каталізатор кислотного гідролізу зазначеної біомаси, зокрема, коли початковою біомасою є лігноцелюлозна біомаса, зазначена органічна кислота діє як каталізатор кислотного гідролізу геміцелюлози. Слід зазначити, що спосіб згідно з винаходом у випадку, коли початковою біомасою є лігноцелюлозна біомаса, не лише забезпечує кислотний 4 UA 103344 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 гідроліз геміцелюлози, але також поліпшує стан целюлози, тобто зазначена целюлоза залишається суттєво негідролізованою для подальшого ферментативного гідролізу завдяки поліпшеній деструктуризації початкової біомаси. Згідно з ще одним бажаним втіленням винаходу, зазначений кислотний гідроліз може бути проведений протягом від 20 хвил. до 6 год., бажано, від 30 хвил. до 3 год.. Зазначений кислотний гідроліз може бути проведений у реакторах, відомих у галузі, наприклад, автоклавах або екструдерах. Згідно з бажаним втіленням винаходу, зазначена перша тверда фаза включає лігнін і целюлозу і зазначена перша водна фаза включає щонайменше один цукор, який має від С 5 до С8 атомів карбону, і зазначену щонайменше одну органічну кислоту. Бажаним зазначеним цукром є ксилоза, бажано, отримана кислотним гідролізом геміцелюлози. Зазначений кислотний гідроліз дає щонайменше один цукор з С 5 - С6 атомами карбону, зокрема, ксилозу, отриману кислотним гідролізом геміцелюлози з високим виходом. Зокрема, зазначений кислотний гідроліз забезпечує вихід не менше 80%, обчислений відносно повної кількості ксилози у початковій біомасі. Зазначений кислотний гідроліз також забезпечує високий вихід целюлози і лігніну. Для відновлення зазначеної щонайменше одної органічної кислоти зазначена перша суміш може бути піддана екстракції органічним розчинником, не розчинним у воді. Згідно з іншим бажаним втіленням винаходу, зазначений спосіб також включає піддання зазначеної першої суміші екстракції щонайменше одним органічним розчинником, не розчинним у воді. Бажано, щоб зазначений органічний розчинник, не розчинний у воді, був вибраний з: галогенованих гідрокарбонів, наприклад, метиленхлориду, моно-хлорбензолу, дихлорбензолу або їх сумішей; ароматичних гідрокарбонів, наприклад, толуолу, ксилолу або їх сумішей; аліфатичних спиртів, які мають від С4 до С6 атомів карбону, наприклад, n-бутанолу, n-пентанолу або їх сумішей. Бажаними є суміші толуолу і n-бутанолу. Зазначений органічний розчинник, не розчинний у воді, потім випарюють і отримують додаткову тверду фазу, яка включає зазначену щонайменше одну органічну кислоту. Як було відзначено, спосіб згідно з винаходом дозволяє відновлювати зазначену щонайменше одну органічну кислоту з високим виходом, зокрема, з виходом щонайменше 80%, бажано, щонайменше 90%, обчисленим відносно повної кількості цієї кислоти у зазначеному водному розчині. Зазначена щонайменше одна органічна кислота може бути у подальшому використана повторно згідно з способом винаходу. Слід відзначити, що, коли відновлення зазначеної щонайменше одної органічної кислоти становить 100%, зазначена перша водна фаза буде вільною від зазначеної щонайменше одної органічної кислоти. Крім того, випарований органічний розчинник після конденсації також може бути рециклізований у процес способу винаходу, зокрема, для зазначеної екстракції. Згідно з бажаним втіленням винаходу, зазначений спосіб також включає рециклі-зацію зазначеної щонайменше одної органічної кислоти для зазначеного кислотного гідролізу. Згідно з бажаним втіленням винаходу, зазначений спосіб також включає рециклі-зацію зазначеного щонайменше одного органічного розчинника, не розчинного у воді, для зазначеної екстракції. Згідно з способом винаходу, зазначений ферментативний гідроліз може проведений, як це описано, наприклад, у патентах США US 5 628 830, US 5 916 780 і US 6 090 595, з використанням комерційних ферментів, наприклад, Celluclast 1,5L (Novozymes), Econase СЕ (Rohm Enzymes), Spezyme (Genecor), Novozym 18 8 (Novozymes), індивідуально або у суміші один з одним. Для доведення рН до значень 4-6, бажано, 4,5 - 5,5, до зазначеної першої суміші перед ферментативним гідролізом може бути додана льодяна оцтова кислота у належній кількості. Згідно з іншим бажаним втіленням винаходу, зазначена друга тверда фаза включає лігнін і зазначена друга водна фаза включає щонайменше один цукор, який має від С 5 до С6 атомів карбону, бажано, ксилозу, глюкозу, целобіозу або їх суміші. Зокрема, зазначена друга водна фаза включає ксилозу, отриману з кислотного гідролізу геміцелюлози, глюкозу і целобіозу, отримані з ферментативного гідролізу целюлози. Зокрема, цей ферментативний гідроліз забезпечує високий вихід глюкози, зокрема, більше 90%, обчислений відносно повної кількості глюкози у початковій біомасі. Кількість цукрів у початковій біомасі, а також кількість цукрів, отриманих після гідролізу (кислотного і/або ферментативного), можуть бути визначені відомими способами, наприклад, рідинною хроматографією високої ефективності (РХВЕ). 5 UA 103344 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Зазначена друга тверда фаза і зазначена друга водна фаза можуть бути відокремлені відомими способами, наприклад, фільтрацією, центрифугуванням. Зазначені фази бажано відокремлювати фільтрацією. Зазначена друга тверда фаза, що включає лігнін, може бути доведена до паливної якості, наприклад, як паливо для генерування енергії, потрібної для підтримання процесів обробки біомаси. Згідно з бажаним втіленням винаходу, зазначена ферментація може бути проведена при температурі від 20°С до 40°С, бажано, від 25°С до 35°С, протягом 3 - 10 днів, бажано, 4 - 8 днів, при рН від 4,5 до 6,5, бажано, від 5 до 6. Для підтримання рН у бажаних межах до культурного середовища, що використовується для ферментації, можна додавати водний розчин щонайменше одної неорганічної основи, наприклад, гідроксиду натрію, гідроксиду калію, гідроксиду кальцію, гідроксиду магнію або їх сумішей у кількості, необхідній для бажаного рН. Згідно з іншим бажаним втіленням винаходу, зазначені жирові дріжджі можуть бути вибрані з: Rhodotorula glutinis, Rhodotorula gracilis, Rhodotorula graminis, Lipomices starkeyi, Lypomices lipofer, Trigonopsis variabilis, Candida kefyr, Candida curvata, Candida lipolytica, Pichia stipitis, Torulopsis sp. Згідно з ще одним бажаним втіленням винаходу, зазначена ферментація є пакетною ферментацією. Перед використанням у зазначеній ферментації зазначені жирові дріжджі бажано вирощувати у культурному середовищі, яке містить ксилозу, целобіозу, глюкозу або їх суміші у концентрації, бажано, від 1% до 2% за масою відносно повної маси зазначеного культурного середовища. Зазначену ферментацію можна проводити у відомих у галузі бродильних чанах у присутності придатного для цього культурного середовища, яке містить живильні компоненти, наприклад, нітроген, фосфат калію, магній, солі, вітаміни. Згідно з бажаним втіленням винаходу, зазначений спосіб також включає піддання зазначеної жирової клітинної біомаси механічній обробці, яку можна проводити на звичайному обладнанні відомими способами. Для підвищення концентрації дріжджових клітин у водній суспензії, отриманій після ферментації, зазначена водна суспензія, перед термічною обробкою може бути піддана згущувальній обробці. Згідно з бажаним втіленням винаходу, наприкінці ферментації, зазначена водна суспензія може бути подана на згущувальну обробку. У цій фазі концентрація дріжджових клітини доводиться до 5- 50% за масою, бажано 15 - 30% за масою, відносно повної маси (сухої) водної суспензії. Зазначене загущення можна проводити відомими способами, наприклад, седиментацією, декантуванням, флокуляцією, фільтрацією тощо. Зазначену термічн у о бробку (гідротермічну обробку) проводять для на грівання концентрованої водної суспензії, отриманої згущувальною обробкою, у резервуарі під тиском. Зазначену термічну обробку можна проводити різними способами, наприклад, "партіями", "напівпартіями " або безперервно. Згідно з бажаним втіленням винаходу, зазначену термічну обробку можна проводити при температурі від 80°С до 350°С, бажано, від 150°С до 330°С. Тиск бажано підтримувати на рівні, який забезпечує перебування щонайменше частини води у зазначеній водній суспензії у рідкому стані. Згідно з бажаним втіленням винаходу, зазначену термічну обробку можна проводити при тиску від 0,1 МПа до 25 МПа, бажано, від 0,5 МПа до 18 МПа, а тривалість зазначеної термічної обробки може становити не менше 1 хвил., бажано, від 0,5 до 2 год.. Теплову енергію, необхідну для термічної обробки повністю або частково отримують від відновлення тепла або від спалювання традиційних джерел енергії, наприклад, метану, зрідженого нафтового газу, мінерального масла, вугілля тощо, але не виключається використання для цього сонячної енергії. Під час зазначеної термічної обробки відбувається також руйнування мембран клітин жирових дріжджів, присутніх у зазначеній водній суспензії, причому отримана суміш містить масляну фазу, яка включає біомасло і водну фазу, що містить цукри, глюкозидні фракції і розчинні у воді протеїни, отримані в результаті термічної обробки (термічного гідролізу) протеїнів і полісахаридів, що містились у клітинній мембрані використаних жирових дріжджів. Слід зазначити, що частина зазначених протеїнів і зазначених полісахаридів під час зазначеної термічної обробки може перетворитись у біомасло. Згідно з бажаним втіленням винаходу, наприкінці зазначеної термічної обробки отримана суміш (масляна фаза + водна фаза) може охолоджена до температури від 40°С до 90°С, 6 UA 103344 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 бажано, від 45°С до 80°С перед подачею у секцію сепарації/відновлення для розділення цих двох фаз. Зазначену сепарацію проводять відомими способами, наприклад, статичною сепарацією або екстракцією щонайменше одним органічним розчинником, не розчинним у воді, який може бути вибраний, наприклад, з метилен хлориду або з вуглеводневих фракцій нафтопереробки, з отриманням масляної фази, що включає біомасло, і третьої водної фази. В іншому варіанті, зазначена сепарація може бути проведена фракціонованою дистиляцією. Зазначену третю водну фазу, як варіант, додатково охолоджують до температури у межах від кімнатної (25°С) до 50°С і рециклюють для ферментації. У випадку наявності забруднень (наприклад, залишків біомасла, залишків інгібіторів тощо), зазначена водна фаза може бути піддана детоксифікаційній обробці, яка може бути здійснена, наприклад, фільтрацією, центрифугуванням або екстракцією органічним розчинником, не розчинним у воді (наприклад, сумішшю толуолу і n-бутанолу). Під час зазначеної термічної обробки утворюється також газова фаза, яка становить приблизно 10%-25% за масою від маси (сухої) дріжджових клітин, присутніх у зазначеній водній суспензії, і включає приблизно 80% - 95% (мольових) діоксиду карбону, 10% - 20% (мольових) вуглеводнів з 1 - 3 атомами карбону. Зазначену газову фазу, яку після сепарації можна отримати, наприклад, розгерметизацією герметичного резервуару для зазначеної термічної обробки перед подачею отриманої суміші (масляна фаза + водна фаза) після зазначеної термічної обробки на сепарацію, звичайно поліпшують якісно у її вуглеводневому компоненті до рівня паливного газу. В іншому варіанті газову фазу можна відділяти під час сепарації масляної і водної фаз. Спосіб згідно з винаходом забезпечує вихід біомасел у межах від 50% до 95%, бажано, від 55% до 85%, обчислений відносно повної маси (сухої) клітин жирових дріжджів, присутніх у водній суспензії, отриманій після ферментації. Біомасло, отримане описаним способом, може бути спрямоване до подальших фаз обробки для його перетворення, наприклад, у біопаливо обробкою, відомою у галузі, наприклад, гідруванням або крекінгом. Далі наведено опис винаходу з посиланнями на фіг. 1. Згідно з типовим втіленням способу згідно з винаходом, біомасу (лінія 1) (наприклад, заздалегідь подрібнену лігноцелюлозну біомасу) піддають кислотному гідролізу у присутності органічної кислоти (наприклад, 2-нафталінсульфонової кислоти) і отримують в результаті першу суміш (лінія 2), яка включає першу водну фазу, що містить кси-лозу, отриману гідролізом геміцелюлози, і зазначену органічну кислоту, і першу тверду фазу, яка включає лігнін і целюлозу. Як показано на фіг. 1, зазначену першу суміш (лінія 2) екстрагують органічним розчинником, не розчинним у воді (наприклад, сумішшю толуолу і n-бутанолу) для відновлення зазначеної органічної кислоти і її рециклізації після випарювання розчинника для зазначеного кислотного гідролізу (лінія 4). Зазначений випарений органічний розчинник (лінія 5) конденсують, відновлюють і рециклізують для зазначеної екстракції (line 6). Після екстракції органічним розчинником зазначену першу суміш (лінія 7) піддають ферментативному гідролізу у присутності ферменту (наприклад, водного розчину Celluclast 1,5L і Novozym 188), отримуючи другу суміш, яка включає другу водну фазу, що містить ксилозу як результат кислотного гідролізу геміцелюлози, глюкозу і целобіозу, отримані з ферментативного гідролізу целюлози, і другу тверду фазу, що містить лігнін. Перед ферментативним гідролізом до зазначеної першої суміші може бути додана льодяна оцтова кислота для корекції рН до значень 4 - 6 (не показано на фіг 1). Зазначену другу водну фазу (лінія 8) і зазначену другу тверду фазу (лінія 9) відділяють фільтрацією (не показано на фіг. 1). Зазначену другу водну фазу (лінія 8) піддають ферментації у присутності жирових дріжджів (наприклад, Lypomyces starkey NRRL 1389). Наприкінці ферментації отриману водну суспензію, що включає клітини зазначених жирових дріжджів (лінія 10), піддають згущувальній обробці для доведення концентрації клітин зазначених жирових дріжджів у зазначеній водній суспензії до значень у межах від 5% до 30% (за масою) від повної маси (сухої) зазначеної водної суспензії. Наприкінці згущувальної обробки концентровану водну суспензію (лінія 11) піддають термічній обробці при температурі, тиску і часах перебування, які дозволяють отримати суміш, що містить масляну фазу, яка включає біомасло, і третю водну фазу, яка включає цукри, глюкозидні фракції і розчинні у воді протеїни, отримані в результаті термічної обробки (термічного гідролізу) протеїнів і полісахаридів, що містились у клітинній мембрані використаних жирових дріжджів, і можливі забруднення (наприклад, залишки біомасла). 7 UA 103344 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Під час термічної обробки утворюється також газова фаза, яка включає СО2 і газові вуглеводні, що мають 1 - 3 атоми карбону, і яка може бути відділена, наприклад, розгерметизацією герметизованого резервуару для зазначеної термічної обробки, перед подачею отриманої суміші (масляна фаза + водна фаза) з зазначеної термічної обробки у секцію фазосепарації. Отримана газова фаза (лінія 13) може бути подана на подальшу обробку для підвищення якості у її вуглеводневому компоненті до рівня паливного газу. Суміш (масляна фаза + водна фаза), отриману після термічної обробки, охолоджують, пропускаючи через теплообмінники (не показані на фіг. 1), і надсилають (лінія 12) у секцію фазосепарації для розділення і екстракції двох фаз, отримуючи біомасло і водну фазу. Біомасло (лінія 14) може бути подане до подальних фаз обробки для його перетворення, наприклад, у біопаливо, наприклад, гідруванням або крекінгом (не показано на фіг. 1). Як показано на фіг. 1, водну фазу (лінія 15) надсилають на детоксифікацію і потім рециклюють для ферментації (лінія 16) після можливого охолодження у теплообміннику (не показаному). Для ілюстрації винаходу далі наведено необмежуючий приклад ПРИКЛАД Кислотний гідроліз біомаси 300 г подрібненої хвойної деревини (діаметр часток < 1 мм) додають до розчину 20 г 2нафталінсульфонової кислоти у 1 л води. Склад початкової біомаси: 50% за масою целюлози, 25% за масою геміцелюлози, 25% за масою лігніну відносно повної маси початкової біомаси. Цю реакційну суміш витримують з перемішуванням в автоклаві при 140°С протягом 1 год., отримуючи першу суміш, яка включає 225 г (сухої маси) першої твердої фази (включає целюлозу і лігнін) і 1,095 г першої водної фази (включає ксилозу, отриману з гідролізу геміцелюлози, і 2-нафталін-сульфонову кислоту). Після охолодження до 25°С зазначену першу суміш екстрагують сумішшю толуолу і nбутанолу (3/1 за об'ємом). Суміш толуолу і n-бутанолу потім відділяють і випарюють під зниженим тиском, отримуючи додаткову тверду фазу, яка включає 19,6 г (суха маса) 2-нафталін-сульфонової кислоти (вихід 98%, обчислений відносно повної кількості кислоти, присутньої у водному розчині). Після відділення кислоти додають льодяну оцтову кислотну до зазначеної першої суміші до отримання рН 5 зазначеної першої водної фази. Далі додають водний розчин ферменту Celluclast 1,5L (Novozymes), що відповідає 1485 FPU (одиниць Фільтрувального Паперу) і ферменту Novozym 188 (від Novozymes), що відповідає 18000 BGU (одиниць Бета-Глюканази). Отриману суспензію перемішують протягом 72 год. при 45°С. Наприкінці ферментативного гідролізу фільтрацією відділяють 90 г (суха маса) другої твердої фази, яка включає лігнін (75 г сухої маси) і негідролізовану целюлозу (15 г сухої маси), і 1200 г другої водної фази, яка включає глюкозу (152 г сухої маси) і ксилозу (72 г сухої маси). Ферментація 250 мл отриманої вище зазначеної другої водної фази, яка містить 200 г/л цукрів розріджують дистильованою водою до концентрації цукрів 50 г/л. До цього розчину додають такі живильні речовини: сульфат амонію - 0,1%, КН2РО4 - 0,1%, MgSO4•7H2O - 0,005%, NaCI - 0,001%, СаСІ2 - 0,001%, дріжджовий екстракт - 0,1%. Отримане культурне середовище окулюють у бродильному чані дріжджовими клітинами (Lypomices starkey NRRL 1389) (2,5 г/л, суха маса) для ферментаційного об'єму 1 л і рН встановлюють 5,5 доданням водного розчину NaOH 0,1 М. Дріжджові клітини вирощують з перемішуванням при 500 об./хвил. і 30°С, з аерацією - 0,5 л/хвил. стерильного повітря. Додаткові 250 мл зазначеної другої водної фази, отриманої гідролізом біомаси, які містять 200 г/л цукрів, розріджують дистильованою водою до концентрації цукрів 50 г/л і додають у бродильний чан. Термічна обробка Отриману водну суспензію (приблизно 1,25 л, яка містить 52 г дріжджових клітин, концентрують на центрифузі при 7000 об./хвил. протягом 20 хвил. і отримують 0,25 л дріжджових клітин (20% за сухою масою), які вносять у 0,5-літровий сталевий автоклав. Температуру в автоклаві в атмосфері азоту швидко доводять до 315°С і витримують суміш з перемішуванням при цій температурі протягом 1 год. під максимальним тиском в автоклаві 11 МПа. 8 UA 103344 C2 5 Потім автоклав швидко доводили до температури 70°С і розгерметизували для вивільнення газової фази (6,2 г). Аналіз зазначеної газової фази газовою хроматографією показав, що вона містить 90% (мольових) діоксиду карбону. Залишкову суміш (масляна фаза + водна фаза) була подана у сепараторну воронку і екстрагована метилен хлоридом з отриманням масляної і третьої водної фази. Зазначену масляну фазу сушили над сульфатом натрію і випарили під зниженим тиском для видалення метилен хлориду і отримали приблизно 35 г масла (вихід 67,3% відносно сухих дріжджових клітин). Зазначену водну фазу (43200 мг/л) рециклювали для ферментації. 10 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 1. Спосіб виготовлення біомасла з біомаси, що містить щонайменше один полісахарид, який включає: - піддання зазначеної біомаси кислотному гідролізу у присутності водного розчину щонайменше одної органічної кислоти, вибраної з алкіл- або арилсульфонових кислот, які мають від С 7 до С20 атомів карбону, або з галогенованих карбонових кислот, при температурі від 80 °C до 160 °C, з отриманням першої суміші, що включає першу тверду фазу і першу водну фазу; - піддання зазначеної першої суміші ферментативному гідролізу з отриманням другої суміші, що включає другу тверду фазу і другу водну фазу; - піддання зазначеної другої водної фази ферментації у присутності щонайменше одних жирових дріжджів з отриманням водної суспензії, що включає клітини зазначених жирових дріжджів; - піддання зазначеної водної суспензії термічній обробці з отриманням масляної фази, яка включає біомасло і третю водну фазу. 2. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що зазначений полісахарид вибирають з целюлози, геміцелюлози або їх сумішей. 3. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що зазначеною біомасою є лігноцелюлозна біомаса. 4. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що вміст зазначеної біомаси у реакційній суміші становить від 5 % до 40 % за масою від повної маси реакційної суміші. 5. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що зазначені алкіл- або арилсульфонові кислоти вибирають з додецилсульфонової кислоти, паратолуолсульфонової кислоти, 1-нафталінсульфонової кислоти, 2-нафталінсульфонової кислоти, 1,5нафталіндисульфонової кислоти або їх сумішей. 6. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що зазначені галогеновані карбонові кислоти вибирають з тих, що мають не більше 20 атомів карбону, наприклад, трифлуороцтової кислоти, дихлороцтової кислоти, трихлороцтової кислоти, перфлуороктанової кислоти або їх сумішей. 7. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що зазначена щонайменше одна органічна кислота міститься у водному розчині у концентрації від 0,1 % до 5 % за масою відносно повної маси водного розчину. 8. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що тривалість зазначеного кислотного гідролізу становить від 20 хв. до 6 год. 9. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що зазначену першу суміш екстрагують органічним розчинником, не розчинним у воді, вибираним з: - галогенованих гідрокарбонів, наприклад метиленхлориду, монохлорбензолу, дихлорбензолу або їх сумішей; - ароматичних гідрокарбонів, наприклад толуолу, ксилолу або їх сумішей; - аліфатичних спиртів, які мають від С4 до С6 атомів карбону, наприклад, n-бутанолу, nпентанолу або їх сумішей. 10. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що включає рециклізацію зазначеної щонайменше одної органічної кислоти у зазначений кислотний гідроліз. 11. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що включає рециклізацію зазначеного щонайменше одного органічного розчинника, не розчинного у воді, у зазначену екстракцію. 12. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що зазначену ферментацію проводять при температурі від 20 °C до 40 °C. 13. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що тривалість зазначеної ферментації становить від 3 днів до 10 днів. 9 UA 103344 C2 5 10 15 20 25 14. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що зазначену ферментацію проводять при рН від 4,5 до 6,5. 15. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що зазначені жирові дріжджі вибирають Rhodotorula glutinis, Rhodotorula gracilis, Rhodotorula graminis, Lypomices starkeyi, Lypomices lipofer, Trigonopsis variabilis, Candida kefyr, Candida curvata, Candida lipolytica, Torulopsis sp., Pichia stipitis. 16. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що зазначену водну суспензію наприкінці ферментації надсилають на згущуючу обробку, де концентрацію дріжджових клітин доводять до значень від 5 % до 50 % за масою від повної маси (сухої маси) водної суспензії. 17. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що зазначену термічну обробку проводять при температурі від 80 °C до 350 °C. 18. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що зазначену термічну обробку проводять при тиску від 0,1 до 25 МПа. 19. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що тривалість зазначеної термічної обробки становить не менше 1 хв. 20. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що тривалість зазначеної термічної обробки становить від 0,5 год. до 2 год. 21. Спосіб за будь-яким з попередніх пп., який відрізняється тим, що наприкінці зазначеної термічної обробки отриману суміш (масляна фаза+водна фаза) охолоджують до температури від 40 °C до 90 °C перед подачею у секцію сепарації/відновлення таких фаз: зазначеної масляної фази, що включає біомасло, і зазначеної третьої водної фази. 22. Спосіб за п. 21, який відрізняється тим, що зазначену третю водну фазу рециклюють у ферментацію. 23. Біомасло, одержане способом за будь-яким з попередніх пунктів. Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 10