Спосіб одержання in situ контрольованої кількості фурфуралю в установці для виробництва спирту з лігноцелюлозної біомаси

Реферат: Винахід належить до способу одержання спирту другого покоління, з лігноцелюлозного субстрату, в якому отримують in situ контрольовану кількість фурфуралю і який містить щонайменше наступні стадії: стадію попередньої хімічної лужної обробки субстрату, стадію регулювання рН попередньо обробленого субстрату, стадію ферментативного гідролізу вказаного попередньо обробленого субстрату, стадію спиртового бродіння гідролізату, отриманого за допомогою спиртогонного мікроорганізму, стадію розділення/очищення і UA 103531 C2 (12) UA 103531 C2 стадію кислотного перетворення щонайменше однієї рідкої фракції в фурфураль, причому вказана рідка фракція отримана на одній з попередніх стадій стадію змішування отриманого фурфуралю із попередньо обробленим субстратом на стадії регулювання рН. UA 103531 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Галузь винаходу Даний винахід належить до способу отримання спирту, що називається спиртом "другого покоління", з лігноцелюлозної біомаси. Попередній рівень техніки Лігноцелюлозна біомаса є одним з джерел відновлюваної сировини найбільш поширених на землі, і, безумовно, такими, що найменш дорого коштує. Субстрати, що розглядаються, дуже різноманітні, оскільки до них належать одночасно деревні субстрати (листяні і хвойні), сільськогосподарські побічні продукти (солома) або побічні продукти галузей промисловості, що виробляють лігноцелюлозні відходи (агрохарчова промисловість, паперова промисловість). Лігноцелюлозна біомаса складається з трьох основних полімерів: целюлози (35-50 %), геміцелюлози (20-30 %), яка є полісахаридом, що складається головним чином з пентоз і гексоз, і лігніну (15-25 %), який є полімером зі складною структурою і високою молекулярною вагою, що походить зі співполімеризації фенілпропенових спиртів. Ці різні молекули зумовлюють властивості, властиві рослинній стінці, і організуються у вигляді складного переплетення. Целюлоза і можливо геміцелюлози є мішенями ферментативного гідролізу, але не є безпосередньо доступними для ферментів. З цієї причини ці субстрати повинні піддаватися попередній обробці, попередній стадії ферментативного гідролізу. Метою попередньої обробки є зміна фізичних і фізико-хімічних властивостей лігноцелюлозного матеріалу з метою поліпшення доступності целюлози, укладеної всередині лігнінової і геміцелюлозної матриці. Існує множина технологій такої попередньої обробки: кислотне варіння, лужне варіння, паровий вибух, органосольвентний спосіб обробки і т.д. Ефективність попередньої обробки вимірюється одночасно балансом речовини після попередньої обробки (показник рекуперації цукрів у вигляді розчинних мономерів або олігомерів або твердого полімеру), а також сприйнятливість до гідролізу целюлозних і геміцелюлозних залишків. Попередня обробка в м'яких кислотних умовах і паровим вибухом використовується дуже часто, оскільки забезпечує хорошу рекуперацію (більше 90 %) пентоз і хорошу доступність целюлози для ферментативного гідролізу. Вона дозволяє дійсно вивільняти цукри, що містяться в геміцелюлозах в формі мономерів, головним чином пентоз, таких як ксилоза і арабіноза, і гексоз, таких як галактоза, маноза і глюкоза. Цей вид попередньої обробки дає також продукти розпаду цукрів, які є головним чином альдегідами, такими як фурфураль або 5-HMF (гідроксиметилфурфураль). Ці два продукти походять відповідно з розкладання пентоз або гексоз в кислому середовищі і при високій температурі. Багато інших продуктів, такі як органічні кислоти, альдегіди або фенольні спирти є також результатом кислотного розкладання цукрів і частково розчиненого лігніну. Ці продукти і, більш конкретно, фурфураль, який є продуктом розкладання, концентрація якого частіше за все є найвищою, є токсичними для всіх мікроорганізмів і, отже, для дріжджів, які перетворюють цукри в спирт шляхом бродіння. Сукупність цих токсичних сполук називається "інгібіторами" і вони з'являються в результаті попередньої обробки при нагріванні в кислому середовищі. Наприклад, можна згадати Klinke HB, Schmidt AS, Thomsen AB (1998) Biomass for Energy and Industry, Proceedings of 10th European Conference and Technology Exhibition, CARMEN, Rimpar, Germany, 484-487, або Palmquist et al., (2000) Biores. Technol.74: 1,17-24. Після попередньої обробки такого типу концентрації можуть складати від 3 до 5 г/л фурфуралю і від 1 до 5 г/л 5-HMF і не є контрольованими. Присутність фурфуралю і 5-HMF в асоціації з присутніми фенольними альдегідами і спиртами викликає значні проблеми токсичності. У цей час багато команд досліджують методи детоксифікації, які могли б полегшити ферментацію цукрів, особливо дріжджами і спиртогонними бактеріями. Як приклад можна назвати статтю Cantarelle et al., опубліковану в Process Biochemistry (2004) том 39, випуск 11, стор. 1533-1542. Цукри, отримані гідролізом лігноцелюлозної біомаси, є пентозами (головним чином ксилоза і арабіноза) і гексозами. Глюкоза є основним доступним цукром. Цей останній легко перетворюється в етанол за допомогою дріжджів S. cerevisiae, що використовуються на всіх підприємствах спиртового бродіння. Навпаки, пентози ферментуються тільки специфічними дріжджами (P.stipitis, P.tannophilus) і показники є посередніми. Спиртове бродіння в нестерильних умовах має велику небезпеку зараження бродильного чана патогенними мікроорганізмами. Ці мікроорганізми використовують поживні речовини, присутні в середовищі і можуть спричиняти утворення небажаних співпродуктів, таких як молочна кислота або оцтова кислота. Цей вид мікроорганізмів зустрічається скрізь, де умови забезпечують їх ріст, тобто в присутності мінімальної кількості цих поживних речовин. Тут потрібно згадати, що для їх живлення потрібні: джерело вуглецю (головним чином цукри), джерело амінокислот (компоненти білків), деякі вітаміни і олігоелементи. 1 UA 103531 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Бактеріальне зараження є головною проблемою при виробництві спирту шляхом бродіння. Бактерії, природним чином присутні в знарядді виробництва, використовують поживні речовини, що містяться в середовищі, і вступають в конкуренцію з дріжджами, що використовуються в цьому способі. Ріст і життєздатність клітин дріжджів, таким чином, у великій мірі страждають від присутності цих бактерій і кінцевий вихід спирту в результаті зменшується. Молочні бактерії належать до потенційних забруднювачів. Головним чином вони зброджують цукри, що присутні в ферментованому суслі і їх росту сприяють анаеробні умови. Вони розвиваються головним чином при рН 5,5, але можуть зберігатися при такому низькому значенні рН як 3,0. Ці патогенні бактерії можуть розвиватися в широких температурних межах і переносять високі концентрації спирту в середовищі. Присутність бактерій в способах отримання спирту другого покоління потрібно виключити. Так в сучасному і нестерильному способі отримання етанолу другого покоління дві стадії є сприйнятливими до можливого мікробіологічного забруднення: стадія ферментативного гідролізу особливо і стадія ферментації. Відомі в даний час рішення для боротьби із забрудненням молочними бактеріями на стадії ферментації полягають в тому, щоб знизити рН до значення, що сприяє росту дріжджів на шкоду молочним бактеріям. Однак дріжджі є менш активними при цих кислотних рН. Рішення такого типу, проте, непридатне для стадії ферментативного гідролізу. Інша можливість боротьби полягає в тому, щоб вводити інгібітори бактеріального забруднення, як наприклад, фториди, антибіотики або сульфіти. Ці процедури застосовуються в способах отримання етанолу першого покоління. Використання традиційних антибактеріальних засобів має відносно високу вартість і вимагає досить частих активізацій процесу ферментації. На відміну від описаних в попередньому рівні техніки попередніх кислотних обробок, попередня лужна обробка за даним винаходом не спричиняє утворення продуктів розкладання цукрів, що звичайно отримуються при попередніх кислотних обробках. Цей вид попередньої обробки не приводить до отримання фурфуралю. Тому гідролізат, що походить з рослини, отриманий в лужних умовах, буде сприйнятливий до бактеріальних інфекцій, як на стадії ферментативного гідролізу, так і на стадії ферментації. Ця проблема зустрічається також в способі, що поєднує одночасно обидві стадії ферментативного гідролізу і спиртової ферментації (спосіб SSF - "Simultaneos Saccharification and Fermentation"). Обмеження небезпеки забруднення є потенційним виграшем часу і грошей в промислових способах такого масштабу і не треба нехтувати ніяким рішенням для усунення цієї проблеми. Будь-яке поліпшення способу, що приводить до максимального обмеження цього забруднення, потрібно брати до уваги. Даний винахід вписується в ці рамки і пропонує спосіб отримання спирту з попередньою лужною обробкою і антибактеріальним захистом. Короткий опис винаходу Даний винахід належить до способу отримання спирту "другого покоління" з лігноцелюлозної біомаси з використанням попередньої лужної обробки, в якому отримують in situ в контрольованій кількості шляхом кислотного перетворення пентоз, що утворюються безпосередньо в ході способу, антибактеріальний агент (фурфураль), призначений для захисту цукрів, присутніх на стадії ферментативного гідролізу і/або ферментації. Докладний опис винаходу Спосіб отримання спирту з целюлозного або лігноцелюлозного субстрату є способом, яким отримують фурфураль і який містить щонайменше наступні стадії: - першу стадію попередньої хімічної лужної обробки (стадія А) вказаного субстрату, що містить стадію нагрівання А1 в присутності лужного хімічного реактиву по закінченні якої отримують щонайменше один потік, що містить щонайменше вказаний хімічний реагент і попередньо оброблений субстрат, і можливо стадію А2 промивання вказаного попередньо обробленого субстрату, по закінченні якої отримують попередньо оброблений промитий субстрат і щонайменше один потік, що містить використані промивальні води, потім - стадію доведення рН попередньо обробленого можливо промитого субстрату до значення від 4,5 до 5,5, пов'язану зі стадією ферментативного гідролізу (стадія В1) вказаного попередньо обробленого субстрату з використанням целюлолітичних і/або гемицелюлолітичних ферментів, - стадію спиртового бродіння (стадія В2) гідролізату, отриманого за допомогою спиртогонного мікроорганізму, по закінченні якої отримують бродильне сусло, що містить суспендовані речовини, і рідку фазу, що містить спирт і солодову гущу, потім - стадію розділення/очищення (стадія С), по закінченні якої отримують очищений спирт, освітлену солодову гущу і нерозчинний осад і 2 UA 103531 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 - стадію кислотного перетворення (стадія D) щонайменше однієї з рідин, що отримані на одній з попередніх стадій і містять розчинені пентози, причому частина вказаних пентоз перетворена в фурфураль, і - стадію змішування фурфуралю, отриманого на стадії кислотного перетворення, із попередньо обробленим, можливо промитим, субстратом на стадії регулювання рН, причому кількість змішаного фурфуралю складає від 1 до 5 г/л відносно загальної кількості рідини, використаної на стадії ферментативного гідролізу і/або спиртового бродіння. У контексті даного винаходу термін "пентоза" означає розчинні мономери і олігомери цукрів, що містять 5 атомів вуглецю. Спосіб за даним винаходом належить, таким чином, до валоризації пентоз шляхом перетворення цих сполук в фурфураль. Отже, спосіб за даним винаходом стосується отримання in-situ контрольованої кількості антибактеріального агента, призначеного для захисту різного цукрів, присутніх на стадії ферментативного гідролізу і спиртового бродіння. Перевага цього способу також полягає в поліпшенні виходу перетворення цукрів С6 в спирт, обмежуючи виробництво гліцерину, основного побічного продукту спиртового бродіння. З іншого боку суміш кислого розчину, що містить фурфураль, отриманий при перетворенні пентоз, із попередньо обробленим субстратом, переважно дозволяє здійснювати необхідне регулювання рН попередньо обробленого субстрату до проведення ферментативного гідролізу. Попередня хімічна лужна обробка, що проводиться на стадії А, переважно є попередньою обробкою типу способу Крафта, по закінченні якого отримують паперову масу. Спосіб з використанням сульфату натрію або спосіб Крафта оснований на використанні гідроксиду натрію і сульфату натрію. Хімічна обробка деревної стружки здійснюється при 150175 °C протягом 1-7 годин залежно від використовуваного субстрату. Крафтові паперові маси отримують з найрізноманітніших біомас, але більш конкретно з хвойних порід дерев (Softwood, таких як ялини і сосни) або листяних порід дерев (Hardwood, таких як евкаліпт) або з сільськогосподарських лігноцелюлозних відходів (солома зернових, рису і т. д.). Їх частково делігніфікують за допомогою високотемпературного варіння в присутності гідроксиду натрію. Ця делігніфікація контролюється за допомогою операційних параметрів реакторів. Варіння здійснюють у вертикальному реакторі, де стружка спускається самопливом і зустрічає різні варильні розчини. Сульфід натрію отримують прямо з сульфату натрію шляхом горіння. Під час варіння сульфід натрію гідролізується в гідроксид натрію, NaHS і H 2S. Різні присутні сірковмісні сполуки взаємодіють з лігніном з утворенням тіолігнінів, легше розчинних. Розчин, що застосовується до стружки, називається білим лугом. Розчин, що виводиться з реактора або варильного котла, що містить сполуки, виведені із стінки, називається чорним лугом. По закінченні цієї попередньої лужної обробки отримують попередньо оброблений субстрат, збагачений целюлозою, оскільки він містить від 60 до 90 % целюлози і від 5 до 20 % геміцелюлози. Потім цей субстрат частково промивають. Інші види попередньої лужної обробки досліджували в лабораторних умовах з метою зменшення витрат, пов'язаних з цією стадією в світлі отримання пального. Попередня хімічна лужна обробка, що проводиться на стадії А, може також бути попередньою обробкою волокон вибухом аміаку, що називається також попередньою обробкою AFEX (Ammonia Fiber Explosion), або попередньою обробкою шляхом перколяції з використанням рециркульованого аміаку, що називається також попередньою обробкою ARP (Ammonia Recycle Percolation). Спосіб ARP (Ammonia Recycle Percolation) є способом попередньої обробки з використанням аміаку в режимі рециркуляції. Цей тип способу зокрема описаний Kim et al., 2003, Biores, Technol. 90 (2003) стор. 39-47. Висока температура перколяції приводить до часткового одночасного розчинення лігніну і геміцелюлоз, цей розчин потім нагрівають для рециркуляції аміаку і витягання, з одного боку, екстрагованого лігніну, наприклад, для енергетичної валоризації, а з іншого боку, розчинених цукрів, що походять з геміцелюлоз. Спосіб AFEX (Ammonia Fiber Explosion) полягає у введенні лігноцелюлозного субстрату у варильний котел під високим тиском в присутності аміаку, потім в пониженні тиску, що супроводжується вибухом, на виході з реактора і рециркуляції аміаку в газоподібній формі. Спосіб цього типу, зокрема, описаний Teymouri et al., 2005, Biores. Technol. 96 (2005) стор. 20142018. Цей спосіб головним чином приводить до руйнування матриці біомаси, але розділення на фази сполук лігніну, геміцелюлози і целюлози на виході з обробки не відбувається. Інші види лужної обробки також вивчаються, зокрема, на базі гідроксиду натрію або оксиду кальцію, огляд, що не є вичерпним, приведений Ogier et al., 1999, Oil & Gas Science and Technology-Revue de l'IFP, Vol.54 (1999), N1, стор. 67-94. 3 UA 103531 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Ці види попередньої лужної обробки можна комбінувати з механічною дією, наприклад, за допомогою екструдера двошнекового типу або дефібратора. Можлива стадія А2 є стадією, що полягає в промиванні попередньо обробленого субстрату шляхом введення одного або декількох промивальних розчинів. Ця стадія промивання може також обмежуватися стадією розведення. Отриманий попередньо оброблений можливо промитий субстрат містить нерозчинні тверді речовини і можливо рідку фракцію. Регулювання рН субстрату після попередньої обробки необхідне для проведення стадії ферментативного гідролізу. Дійсно, ферментативний гідроліз здійснюється в м'яких умовах при температурі близько 45-50 °C і рН 4,5-5,5. Дуже переважно рН становить 4,8-5,2. Це регулювання рН можна здійснювати окремо або на вході в реактор ферментативного гідролізу. Регулювання рН переважно проводять шляхом змішування продукту, отриманого по закінченні стадії кислотного перетворення, з потоком, що містить попередньо оброблений субстрат, можливо у випадку необхідності з додатковим введенням кислотного розчину. Завдяки попередній лужній обробці доступність целюлози і геміцелюлоз поліпшується, і їх сприйнятливість до ферментативному гідролізу стає дуже високою. На цій стадії цукрофікації полімери целюлози і геміцелюлоз перетворюються в цукри, що називаються "дуже ферментоздатними" (глюкоза, маноза), "середньо ферментоздатними" (галактора) і "що важко піддаються ферментації" (ксилоза і арабіноза). Ферментативний гідроліз (стадія В1) проводять за допомогою ферментів, що продукуються мікроорганізмом. Мікроорганізми, такі як гриби, що належать до видів Тrichoderma, Aspergillus, Penicillium або Schizophyllum, або анаеробні бактерії, що належать, наприклад, до виду Clostridium, продукують ці ферменти, що містять, зокрема, целюлази і геміцелюлази, адаптовані до інтенсивного гідролізу целюлози і геміцелюлоз. Стадія В2 є стадією спиртового бродіння: ферментоздатні цукри перетворюються, таким чином, в спирти за допомогою дріжджів. Бродіння найчастіше проводять при температурі від 30 до 35 °C. По закінченні цієї стадії отримують бродильне сусло, що містить суспендовані речовини і рідку фазу, в якій міститься отриманий спирт. Якщо стадії В1 і В2 проводять одночасно в одному реакторі, мова йде про спосіб SSF. Температура в цьому випадку складає близько 35 °C. Якщо ферментативний гідроліз полімерів цукрів і ферментацію глюкози і ксилози проводять одночасно, мова йде про спосіб SSCF (Simultaneous Saccharifiaction and Co Fermentation). У цьому випадку температура складає близько 35 °C. Стадія С є стадією розділення/очищення продукту, яка дозволяє отримати один або декілька очищених спиртів, готових до продажу. Ця стадія переважно включає в себе щонайменше три стадії: стадію перегонки, що дозволяє отримувати спирт в азеотропній суміші, стадію дегідратації, що дає дегідратований спирт, готовий до використання як пальне, і стадію освітлення солодової гущі, що дозволяє відділяти нерозчинні залишки від стічних вод. Залежності від кількості нерозчинних залишків стадію відділення здійснюють до або після стадії перегонки. Стадія D є стадією кислотного перетворення і, отже, отримання як такого антибактеріального агента. Кислотне перетворення (стадію D) проводять при температурі від 120 до 200 °C протягом 0,5-3 годин в присутності сильної кислоти, переважно вибраної з сірчаної або фосфорної кислоти. Переважно кислотне перетворення проводять при температурі від 130 до 190 °C протягом не більше 1,5 години в присутності 1-8 %-ного розчину сірчаної кислоти. Відповідно до варіанту здійснення способу за винаходом рідина, що містить розчинені пентози і використовувана на стадії кислотного перетворення, є рідкою фракцією потоку освітленої солодової гущі, отриманої на стадії розділення/очищення (стадія С). Рідка фракція, що використовується на стадії кислотного перетворення, складає від 5 до 75 % мас., переважно від 10 до 60 % мас. потоку освітленої солодової гущі. Відповідно до іншого варіанту здійснення способу за винаходом рідина, що містить розчинені пентози і використовувана на стадії кислотного перетворення, є фракцією потоку, що містить щонайменше хімічний реагент і попередньо оброблений субстрат, отриманого на стадії попередньої обробки. Ця рідка фракція складає від 10 до 100 % мас. вказаного потоку, переважно від 20 до 100 % мас. 4 UA 103531 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Відповідно до іншого варіанту здійснення способу за винаходом рідина, що містить розчинені пентози і використовувана на стадії кислотного перетворення, є фракцією потоку, що містить використані промивальні води, отриманого на стадії попередньої обробки. Ця рідка фракція складає від 10 до 100 % мас. вказаного потоку, переважно від 20 до 100 % мас. Весь продукт, отриманий в результаті кислотного впливу на стадії D, змішують з потоком попередньо обробленого субстрату, можливо промитого, під час регулювання рН, необхідного для стадії ферментативного гідролізу. Присутність фурфуралю в контрольованих концентраціях, наприклад, від 1 до 5 г/л дозволяє істотно зменшити розвиток бактеріальних забруднювачів і зокрема, молочних бактерій. При тих же концентраціях фурфуралю спиртові дріжджі тільки незначно зачеплені. Концентрації фурфуралю приведені в порівнянні з рідкою фракцією, що входить в реактори ферментативного гідролізу і/або ферментації. Допустима концентрація фурфуралю, при якій функція антибактеріального агента виконана фурфуралем, але продукт не стає токсичним для дріжджів, залежить від умов здійснення способу і використовуваних дріжджів. У способі за винаходом на стадії кислотного впливу на пентози також утворюється головним чином фурфураль. Цей останній є, отже, інгібуючою сполукою, присутньою в найбільшій кількості в можливій асоціації зі слідами (менше 0,1 г/л) оцтової і мурашиної кислоти. Для порівняння потрібно нагадати, що в способах попередньої обробки, що проводяться в кислотних умовах (таких як паровий вибух або кислотне варіння), фурфураль є лише однією з інгібуючих сполук серед п'яти десятків отриманих продуктів, що ідентифікуються. У цих способах, таким чином, дуже важко правильно керувати протимікробною дією, яка є результатом окремих або синергетичних ефектів сполук, отриманих при розкладанні цукрів або лігніну. Концентрація фурфуралю, отримана в умовах способу за даним винаходом, дозволяє таким чином контролювати популяції бактерій. На першому етапі концентрація фурфуралю 1 г/л є достатньою, оскільки бактерії не адаптовані до цього продукту. Але незабаром потрібно буде зробити концентрацію фурфуралю набагато вищою 1 г/л для зменшення бактеріальної інфекції і більш конкретно молочних бактерій. Не рекомендується, щоб концентрація перевищувала 5 г/л, що починає негативно позначатися на ферментативних властивостях дріжджів виду saccharomyces (зниження продуктивності). Таке регулювання концентрації, зокрема, можливе при контролі і регулюванні потоків, що спрямовується на стадію кислотного перетворення. З іншого боку присутність фурфуралю в контрольованій кількості в способі за винаходом дозволяє зменшити отримання гліцерину, основного співпродукту спиртового бродіння, що відповідає за зменшення виходу перетворення цукрів С6 (глюкоза і гексози) в спирт. При введенні фурфуралю в середовище дріжджі, що використовуються на стадії спиртового бродіння, відновлюють його до фурфурилової кислоти за допомогою ко-факторів (NADH). Це відновлення є пріоритетним відносно утворення гліцерину, який традиційно може бути відповідальним за втрату від 5 до 8 % вуглецю. Дійсно, в середовищі, що не містить фурфураль, необхідна регенерація ко-фактора здійснюється шляхом синтезу гліцерину з глюкози, відбиваючись, отже, на виході спирту. Фурфураль є захистом від бактеріальних заражень і, зокрема, молочними бактеріями, при температурі від 30 до 70 °C, що відповідає температурам, при яких проводять ферментативний гідроліз (40-50 °C) і спиртове бродіння (30-35 °C). Спосіб отримання спирту з лігноцелюлозної біомаси детально описаний нижче з посиланням на фігури. На Фігурі 1 зображена схема способу за винаходом відповідно до першого варіанту здійснення, в якому рідка фракція, що містить пентози, яка піддається кислотному перетворенню, походить з освітленої солодової гущі. На Фігурі 2 зображена схема способу за винаходом відповідно до другого варіанту здійснення, в якому рідка фракція, що містить пентози, яка піддається кислотному перетворенню, походить з використаного лужного розчину на виході з попередньої обробки після розділення. Пункти А-D, зображені на фігурах, відповідають різним стадіям способу за даним винаходом, позначеним тими ж буквами. Функціонування пункту А залежить, зокрема, від попередньої обробки, про яку йде мова. У випадку попередньої обробки, що називається способом Крафта, біомасу вводять по трубопроводу 1 в реактор варіння або варильний котел (А1). Лужний розчин, що називається 5 UA 103531 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 також білим лугом, вводять туди ж по трубопроводу 2. Біомасу частково делігніфікують за допомогою високотемпературних варінь і в присутності гідроксиду натрію. Розчинений лігнін витягує за допомогою лужного розчину і виводить по трубопроводу 3 за допомогою використаного лужного розчину, що називається також чорним лугом. Ця стадія делігніфікації може відбуватися в декількох послідовних варильних котлах, не зображених на фігурах, і контролюється робочими параметрами, встановленими в цих пристроях. Отримана на виході з варильний котлів маса, що циркулює в трубопроводі 4 і відповідає попередньо обробленому субстрату, збагачена целюлозою: вона містить від 60 до 90 % мас. целюлози відносно загальної кількості твердої сировини. Її спрямовують в реактор А2 на стадію промивання: одна або декілька промивальних рідин можуть вводитися по трубопроводу 5. Після цієї стадії промивання йде стадія регулювання рН маси з метою проведення стадії ферментативного гідролізу (стадія В). Використані промивальні рідини виводять по трубопроводу 6. У випадку обробки AFEX біомасу вводять по трубопроводу 1 у варильний котел (А1). Аміачний розчин вводять по трубопроводу 2 під тиском від 15 до 30 бар, при помірній температурі (від 70 °C до 110 °C). Суміш містять в цих умовах протягом певного часу залежно від субстрату, потім тиск знижують на виході з варильного котла. Аміачний розчин виводять по трубопроводу 3 в газоподібній формі для подальшого повторного використання. Попередньо оброблений субстрат, що виходить по трубопроводу 4 з варильного котла, має по суті той же склад, що і вхідний субстрат. Стадія промивання А2 після цієї попередньої обробки може обмежуватися стадією розведення рідиною для розведення, що вводиться по трубопроводу 5, в цьому випадку потік промивальної рідини, що виводиться по трубопроводу 6, відсутній. Потім проводять стадію регулювання рН з метою проведення стадії ферментативного гідролізу. У випадку попередньої обробки ARP біомасу вводять по трубопроводу 1 у варильний реактор (А1). Аміачний розчин перколюють через біомасу під тиском (від 15 до 30 бар) і при високій температурі від 130 °C до 190 °C. Біомасу частково делігніфікують, частину геміцелюлоз також розчиняють. Розчинені цукри і лігнін витягують за допомогою використаного лужного розчину і виводять по трубопроводу 3. Попередньо оброблений субстрат, що був підданий варінню і екстрагований по трубопроводу 4, промивають в промивальному реакторі (А2): одна або декілька промивальних рідин можуть вводитися по трубопроводу 5. Після цієї стадії промивання йде стадія регулювання рН з метою проведення стадії ферментативного гідролізу. Використані промивальні рідини виводять по трубопроводу 6. Після попередньої обробки субстрат, що циркулює по трубопроводу 7, містить від 1 до 55 % мас. і переважно від 1 до 45 % мас. нерозчинної твердої речовини і спрямовується на стадії перетворення в спирт, що включають в себе щонайменше одну стадію ферментативного гідролізу (стадія В1) і щонайменше одну стадію спиртового бродіння(стадія В2). На стадії ферментативного гідролізу В1 ферментативний розчин, що містить целюлолітичні і/або геміцелюлолітичні ферменти вводять по трубопроводу 8 і змішують із попередньо обробленим субстратом, можливо промитим, що циркулює по трубопроводу 7. Гідролізат, отриманий на стадії В1, що виводиться по трубопроводу 9, складається з пентоз (головним чином ксилози і арабінози), дисахаридів (целобіози) і гексоз (галактози, манози і особливо глюкози). Потім його спрямовують в пункт В2, де відбувається спиртове бродіння в присутності дріжджів або інших мікроорганізмів, що вводяться по трубопроводу 10. Фракцію, отриману бродінням, спрямовують по трубопроводу 11 в пункт С, де відбувається стадія розділення/очищення. Розділяють тверді залишки, отриманий спирт і освітлену солодову гущу. Відповідно до варіанту здійснення, зображеного на Фігурі 1, по закінченні стадії С розділення/очищення всі гексози (глюкоза і маноза), які були присутнім в потоці, що виходить після ферментативного гідролізу, перетворюються в спирт і виводяться по трубопроводу 12. Пентози не використовуються, оскільки вони належать до цукрів, "що важко піддаються ферментації", і містяться в освітленій солодовій гущині, що виводиться по трубопроводу 14, наприклад, з нижньої частини дистиляційної колони. Основною пентозою, присутньою в солодовій гущі, є ксилоза. Наприклад, в суслі, що містить 100 г/л глюкози, і залежно від джерела рослинної сировини, концентрація ксилози може складати від 5 до 55 г/л. Потік освітленої солодової гущі тоді розділяють на два потоки, циркулюючих відповідно в трубопроводах 14а і 14b. Частина потоку, що складає від 5 до 17 % мас. загального потоку солодової гущі спрямовується по трубопроводу 14b до реактора для кислотного перетворення (пункт D). При нагріванні при високій температурі фракція пентоз, що містяться в цьому потоці, яка залежить від вибраних робочих умов, таким чином, специфічно перетворюється в 6 UA 103531 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 фурфураль. Потік продукту, отриманого після кислотного впливу, виводиться по трубопроводу 15. Наприклад, якщо кислотне варіння є відносно помірним (120 °C, 1,5 години, 4 % сірчаної кислоти), близько 20 % пентоз можуть бути перетворені в фурфураль, при цьому сам фурфураль не розкладається на побічні продукти. Не більше 2-3 % фурфуралю можуть бути перетворені в мурашину кислоту і/або бути підданими полімеризації. Продукт, отриманий кислотним впливом, що циркулює в трубопроводі 15 і містить фурфураль, таким чином, переважно змішується з потоком, циркулюючим в трубопроводі 7, що складається з рослинної сировини, попередньо обробленої перед тим, як направитися на стадію ферментативного гідролізу. Інша частина потоку солодової гущі виводиться по трубопроводу 14а для обробки в цілях валоризації пентоз. Отриманий спирт виводять по трубопроводу 12 і тверді залишки, отримані по закінченні стадії розділення/очищення (стадія С), виводять по трубопроводу 13. Спосіб здійснення, зображений на фігурі 2, відповідає більш конкретно здійсненню способу за даним винаходом, в якому попередня обробка, що проводиться, є попередньою обробкою типу ARP, з якою комбінується стадія регенерації аміачного розчину. Біомасу вводять по трубопроводу 1 у варильний реактор (А1). Аміачний розчин перколюють через біомасу під тиском (від 15 до 30 бар) і при високій температурі від 130 °C до 190 °C. Біомасу частково делігніфікують, частину геміцелюлоз також розчиняють. Розчинені цукри і лігнін витягують за допомогою використаного лужного розчину і виводять по трубопроводу 3. Додатково можна провести стадію (D1) регенерації аміачного розчину, яка дозволяє отримати щонайменше два потоки і переважно щонайменше три потоки: перший потік, циркулюючий в трубопроводі 18, що складається з усіх або частини цукрів, розчинених в розчині, другий потік, циркулюючий в трубопроводі 16, що складається з лужного розчину. Лігнін може міститися у другому потоці, що циркулює в трубопроводі 16 або переважно у відділеному потоку, що виводиться по трубопроводу 17. У випадку попередньої обробки типу ARP ця регенерація являє собою випаровування аміачного розчину. Цукри, отримані з геміцелюлоз, збирають в потоці, циркулюючому в трубопроводі 18. Цей потік містить тверді речовини, які головним чином є пентозами і гексозами, що походять з геміцелюлоз, і в меншій кількості органічними кислотами, що утворилися при частковому розкладанні лігніну. У деяких випадках залежно від складу геміцелюлоз первинного субстрату, пропорція гексоз в потоці в трубопроводі 18 може складати до 70 % розчиненихцукрів. Проте, варіант здійснення по фігурі 2 переважно використовують для субстратів, в яких вміст гексоз в геміцелюлозах менший 20 % і переважно менший 10 % геміцелюлоз. У не зображеному варіанті здійснення, відповідному фігурі 2, пункт відділення D1 цукрів від лужного розчину може знаходитися на шляху потоку промивальних рідин для попередньо обробленого субстрату, циркулюючого в трубопроводі 6. Частину, що складає від 5 до 100 % мас. потоку, циркулюючого в трубопроводі 18 (потік 18а), спрямовують в реактор кислотного перетворення. Шляхом нагрівання при високій температурі фракцію пентоз також специфічно перетворюють в фурфураль. Потік продукту, отриманий кислотним впливом, виводять по трубопроводу 15. У кислотних умовах нагрівання, описаних вище, продукт, отриманий в результаті реакції, головним чином є фурфуралем. Проте, не виключене отримання невеликих кількостей 5-HMF і левулінової і мурашиної кислоти, слідів, що утворюються при розкладанні гексоз. Фракцію 18b, яку не спрямовують в реактор кислотного перетворення, обробляють з метою валоризації даних цукрів. Потік, що виходить з реактора кислотного перетворення по трубопроводу 15, може змішуватися з потоком 7, що виходить зі стадії попередньої обробки і призначений для введення в реактор ферментативного гідролізу (стадія В). Таким чином, потік кислотного розчину, що містить протимікробний агент, також сприяє регулюванню рН потоку, що пройшов хімічну лужну попередню обробку до стадії ферментативного гідролізу. Нижченаведені приклади ілюструють винахід, не обмежуючи його об'єм. ПРИКЛАД 1 Розглядається спосіб отримання етанолу з паперової маси "крафтового" типу. Масу отримують з деревини "softwood", попередньо обробленої способом отримання крафтового паперу, який є лужним способом, здійснюваним в присутності гідроксиду натрію. Масу, бідну на лігнін після обробки способом Крафта, потім промивають і нейтралізують, після чого вводять в 7 UA 103531 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 спосіб перетворення целюлозного субстрату в етанол ферментативним гідролізом і ферментацією глюкози і манози (цукри, що містять 6 атомів вуглецю). Способом обробляють 40 тонн/год. маси (на базі сухої речовини). Склад сухої речовини наступний: Целюлоза (%) 75,75 % Ксилани (%) 8,96 % Манани (%) 5,26 % Інші речовини (%) 7,68 %. Спосіб перетворення в етанол включає в себе наступні стадії: ферментативний гідроліз, спиртове бродіння, перегонку і дегідратацію етанолу, відділення твердих залишків від солодової гущі. Ферментативний гідроліз проводять при рН 5, причому вхідний потік містить 10 % сухої речовини. У вибраних умовах гідролізу 90 % полімерів цукрів розчиняють до мономерів. Сік, що містить цукри, потім спрямовують на стадію бродіння, де 90 % цукрів глюкози і манози перетворюються в етанол. Потім вино спрямовують на перегонку, яка включає в себе стадію стрипінгу (перегонки в присутності твердих речовин) з подальшою стадією ректифікації для отримання азеотропної суміші етанол-вода. Отриману суміш вода-етанол потім дегідратують на молекулярній сітці для отримання цільового етанолу. Солодову гущу спрямовують на центрифугу для розділення твердої і рідкої фаз. 45 % потоку рідкої фази, отриманого після відділення рідини, спрямовують в реактор кислотного варіння. Час варіння становить 60 хвилин при 180 °C в присутності 2 % мас. H2SO4 в розчині, що являє собою витрату 3200 кг/год. У цих умовах 60 % присутніх ксилоз перетворюються в фурфураль. Потім цей розчин охолоджують і змішують з паперовою масою перед ферментативним гідролізом. Це приводить до вмісту 2 г/літр фурфуралю в середовищі, що забезпечує антибактеріальний захист під час гідролізу і ферментації. ПРИКЛАД 2 Розглядається спосіб отримання етанолу з паперової маси "крафтового" типу. Масу отримують з деревини "hardwood", попередньо обробленої способом отримання крафтового паперу, який є лужним способом, що здійснюється в присутності гідроксиду натрію. Масу, бідну на лігнін, після обробки способом Крафта, потім промивають і нейтралізують, після чого вводять в спосіб перетворення целюлозного субстрату в етанол ферментативним гідролізом і ферментацією глюкози. Способом обробляють 18 тонн/год. маси (на базі сухої речовини). Склад сухої речовини наступний: Целюлоза (%) 72 % Ксилани (%) 15,9 % Манани (%) 0% Інші речовини (%) 12,1 %. Спосіб перетворення в етанол включає в себе наступні стадії: ферментативний гідроліз, спиртове бродіння, перегонку і дегідратацію етанолу, відділення твердих залишків від солодової гущі. Ферментативний гідроліз проводять при рН 5, причому вхідний потік містить 20 % сухої речовини.У вибраних умовах гідролізу 90 % полімерів цукрів розчиняють до мономерів. Сік, що містить цукри, потім спрямовують на стадію бродіння, де 90 % цукрів глюкози і манози перетворюються в етанол. Потім вино спрямовують на перегонку, яка включає в себе стадію стрипінгу (перегонки в присутності твердих речовин) з подальшою стадією ректифікації для отримання азеотропної суміші етанол-вода. Отриману суміш потім дегідратують на молекулярній сітці і отримують цільовий етанол. Солодову гущу спрямовують на центрифугу для розділення твердої і рідкої фаз. 15 % потоку рідкої фази, отриманої після відділення, спрямовують в реактор кислотного варіння. Час варіння становить 60 хвилин при 180 °C в присутності 2 % мас. H2SO4 в розчині, що являє собою витрату 205 кг/год. У цих умовах 60 % присутніх ксилоз перетворюються в фурфураль. Потім цей розчин охолоджують і змішують з паперовою масою перед ферментативним гідролізом. Це приводить до вмісту 2 г/літр фурфуралю в середовищі, що забезпечує антибактеріальний захист під час гідролізу і ферментації. ПРИКЛАД 3 Розглядається спосіб отримання етанолу з соломи зернових. Солому попередньо обробляють способом AFEX, який є лужним способом, що проводиться в присутності аміаку. 8 UA 103531 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Попередньо оброблений субстрат перетворюють в етанол ферментативним гідролізом і ферментацією глюкози. Способом обробляють 120 тонн/год. соломи (на базі сухої речовини). Склад сухої речовини наступний: Целюлоза (%) 43 % Ксилани (%) 26 % Манани (%) 0% Інші речовини (%) 31 %. При обробці AFEX ніяка фракція субстрату не розчиняється, і основа хімічного каталізатора повторно використовується в газоподібній фазі, таким чином, попередньо оброблений субстрат має склад, дуже схожий зі складом соломи, що була сировиною. Спосіб перетворення в етанол включає в себе наступні стадії: ферментативний гідроліз, спиртове бродіння, перегонку і дегідратацію етанолу, відділення твердих залишків від солодової гущі. Ферментативний гідроліз проводять при рН 5, причому вхідний потік містить 20 % сухої речовини. У вибраних умовах гідролізу 80 % полімерів цукрів розчиняють до мономерів. Сік, що містить цукри, потім спрямовують на стадію бродіння, де 90 % глюкози перетворюються в етанол. Потім вино спрямовують на перегонку, яка включає в себе стадію стрипінгу (перегонки в присутності твердих речовин) з подальшою стадією ректифікації для отримання азеотропної суміші етанол-вода. Отриману суміш потім дегідратують на молекулярній сітці і отримують цільовий етанол. Солодову гущу спрямовують на центрифугу для розділення твердої і рідкої фаз. 10 % потоку рідкої фази, отриманої після відділення, спрямовують в реактор кислотного варіння. Час варіння становить 60 хвилин при 180 °C в присутності 2 % мас. H2SO4 в розчині, що являє собою витрату 906 кг/год. У цих умовах 60 % присутніх ксилоз перетворюються в фурфураль. Потім цей розчин охолоджують і змішують із попередньо обробленою соломою перед ферментативним гідролізом. Це приводить до вмісту 2 г/літр фурфуралю в середовищі, що забезпечує антибактеріальний захист під час гідролізу і ферментації. ПРИКЛАД 4 Розглядається спосіб отримання етанолу з соломи зернових. Солому попередньо обробляють способом типу ARP, який є лужним способом перколяції аміачного розчину. Попередньо оброблений субстрат перетворюють в етанол шляхом SSCF (Simultaneous saccharification and Co Fermentation). SSCF є стадією, на якій одночасно проводять ферментативний гідроліз полімерів цукрів і ферментацію глюкози і ксилози (дріжджами S/cerevisae, генетично модифікованими для використання цукрів С5). Способом обробляють 70 тонн соломи в годину (на базі сухої речовини). Склад сухої речовини наступний: Целюлоза (%) 43 % Ксилани (%) 26 % Манани (%) 0% Інші речовини(%) 31 %. Обробка способом ARP, який полягає в перколяції аміачного розчину через субстрат, що приводить до часткової делігніфікації субстрату, а також до розчинення частини геміцелюлоз. Целюлоза не розчиняється або розчиняється дуже трохи (менше за 1 %). У вибраних умовах температури і співвідношення рідин, 80 % лігніну виводиться і 51 % геміцелюлоз розчиняється. 55 % розчиненої речовини виводять з використаним аміачним розчином. Решту 45 % виводять на подальших стадіях промивання попередньо обробленого субстрату. Використаний аміачний розчин спрямовують у випарник для витягання реагенту в газоподібній фазі, потім в реактор, де лігнін повторно конденсується. Розділення тверда речовина-рідина на виході з цього реактора дозволяє витягувати 75 % введених цукрів. 76 % цього потоку спрямовують в реактор кислотного варіння. Час варіння становить 60 хвилин при 180 °C в присутності 2 % мас. H2SO4 в розчині, що являє собою витрату 874 кг/год. У цих умовах 60 % присутніх ксилоз перетворюються в фурфураль. Потім цей розчин охолоджують і змішують із попередньо обробленою соломою перед ферментативним гідролізом. 9 UA 103531 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Спосіб перетворення в етанол включає в себе наступні стадії: SSCF, перегонку і дегідратацію етанолу, відділення твердих залишків від солодової гущі. SSCF проводять при рН 4,5, причому вхідний потік містить 8 % сухої речовини. У вибраних умовах гідролізу і ферментації 85 % полімерів цукрів розчиняють до мономерів, потім прямо піддають ферментації в етанол. Перетворюють 90 % цукрів С6 і 70 % цукрів С5. Потім вино спрямовують на перегонку, яка включає в себе стадію стрипінгу (перегонки в присутності твердих речовин) з подальшою стадією ректифікації для отримання азеотропної суміші етанол-вода. Цю суміш потім дегідратують на молекулярній сітці і отримують цільовий етанол. Солодову гущу спрямовують на центрифугу для розділення твердої і рідкої фаз. Змішування рідини, отриманої при кислотному варінні, з соломою, попередньо обробленою перед стадією SSCF, приводить до вмісту 2 г/літр фурфуралю в середовищі, що забезпечує антибактеріальний захист під час гідролізу і ферментації. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб одержання спирту з целюлозного або лігноцелюлозного субстрату, в якому отримують фурфураль і який містить щонайменше наступні стадії: першу стадію попередньої хімічної лужної обробки (стадія А) вказаного субстрату, що містить стадію нагрівання А1 в присутності лужного хімічного реактиву, по закінченні якої отримують щонайменше один потік, що містить щонайменше вказаний хімічний реагент і попередньо оброблений субстрат, і можливо стадію А2 промивання вказаного попередньо обробленого субстрату, по закінченні якої отримують попередньо оброблений промитий субстрат, і щонайменше один потік, що містить використані промивальні води, потім стадію доведення рН попередньо обробленого можливо промитого субстрату до значення від 4,5 до 5,5, пов'язану зі стадією ферментативного гідролізу (стадія В1) вказаного попередньо обробленого субстрату з використанням целюлолітичних і/або геміцелюлолітичних ферментів, стадію спиртового бродіння (стадія В2) гідролізату, отриманого за допомогою спиртогонного мікроорганізму, по закінченні якої отримують бродильне сусло, що містить суспендовані речовини, і рідку фазу, що містить спирт і солодову гущу, потім стадію розділення/очищення (стадія С), по закінченні якої отримують очищений спирт, освітлену солодову гущу і нерозчинний осад і стадію кислотного перетворення (стадія D) щонайменше однієї з рідин, які отримані на одній з попередніх стадій і містять розчинені пентози, причому частина вказаних пентоз перетворена в фурфураль, і стадію змішування фурфуралю, отриманого на стадії кислотного перетворення, із попередньо обробленим можливо промитим субстратом на стадії регулювання рН, причому кількість змішаного фурфуралю складає від 1 до 5 г/л відносно загальної кількості рідини, використаної на стадії ферментативного гідролізу і/або спиртового бродіння. 2. Спосіб за п. 1, в якому попередня хімічна лужна обробка є попередньою обробкою сульфатом натрію, що називається також способом Крафта, по закінченні якої отримують паперову масу. 3. Спосіб за п. 1, в якому попередня хімічна лужна обробка є попередньою обробкою волокон вибухом аміаку, що називається також попередньою обробкою AFEX, або попередньою обробкою шляхом перколяції з використанням рециркульованого аміаку, що називається також попередньою обробкою ARP. 4. Спосіб за будь-яким з пп. 1-3, в якому рідина, що містить розчинені пентози і використовується на стадії кислотного перетворення, є фракцією потоку освітленої солодової гущі, отриманої на виході зі стадії відділення/очищення. 5. Спосіб за п. 4, в якому вказана фракція становить 5-75 мас. % потоку освітленої солодової гущі. 6. Спосіб за будь-яким з пп. 1-3, в якому рідина, що містить розчинені пентози і використовується на стадії кислотного перетворення, є фракцією потоку, що містить щонайменше один хімічний реагент і попередньо оброблений субстрат, отриманий на стадії попередньої обробки. 7. Спосіб за п. 6, в якому вказана фракція становить 10-100 мас. % вказаного потоку. 8. Спосіб за будь-яким з пп. 1-3, в якому рідина, що містить розчинені пентози і використовується на стадії кислотного перетворення, є фракцією потоку, що містить використані промивальні рідини, отриманого на стадії попередньої обробки. 9.Спосіб за п. 8, в якому вказана фракція становить 10-100 мас. % вказаного потоку. 10 UA 103531 C2 5 10. Спосіб за будь-яким з пп. 1-9, в якому стадію кислотного перетворення проводять при температурі 120-200 °C протягом періоду 0,5-3 годин в присутності сильної кислоти, переважно вибраної з сірчаної або фосфорної кислоти. 11. Спосіб за п. 10, в якому стадію кислотного перетворення проводять при температурі 130-190 °C протягом не більше 1,5 годин в присутності розчину, що містить 1-8 % сірчаної кислоти. 11 UA 103531 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко 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 12