Спосіб одержання етанолу в процесі ферментації

Реферат: UA 105823 C2 (12) UA 105823 C2 Винахід належить до способу одержання етанолу з необробленого вуглеводвмісного субстрату, який включає ферментацію С5- і С6-цукрів з одержанням етанолу, подальше in situ видалення етанолу за допомогою газу-носія, подальшу адсорбцію етанолу з газової фази цеолітом, де адсорбент цеоліту має відношення SiO2/Al2O3 від 200 до 1000, і подальшу десорбцію етанолу. UA 105823 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь техніки, до якої належить винахід Винахід відноситься до способу виробництва етанолу ферментацією. Попередній рівень техніки При ферментації необробленого вуглеводвмісного субстрату дріжджі або бактерії здатні перетворювати мономери цукрів з п'ятьма (“C5-цукру”, пентози) і/або шістьма атомами вуглецю (“C6-цукру”, гексози) в етанол (Huber et al., Chem. Rev. 2006, Vol. 106, pp. 4044-4098). Етанол називається “біоетанолом”, якщо він отриманий з біогенної сировини. Біоетанол придатний як біопаливо, як домішка до бензину для двигунів з іскровим запаленням або для подальшої хімічної переробки. У минулому його виробляли головним чином з цукру і зерна, що містить крохмаль, але до теперішнього часу його не отримували з лігноцелюлозної біомаси (LCB) в якихось значимих кількостях (Huber et al., Chem. Rev. 2006, Vol. 106, pp. 4044-4098; Kamm and Kamm, Chem. Ing. Tech., 2007, Vol. 79, pp. 592-603). При виробництві етанолу ферментацією його необхідно виділити з розчину ферментації. Методи виділення включають первапорацію, екстракцію, адсорбцію, зворотний осмос і газовий відгін (Windsperger et al., Verfahrenstechnik 1989, Vol. 23, pp. 16-21; Qureshi et al., Bioprocess. Biosynt. Eng. 2005, Vol. 27, pp. 215-222). Зокрема, етанол може переводитися в газову фазу. Газовий відгін є методом селективного видалення летких речовин з розчину ферментації (Ezeji et al., J. Ind. Microbiol. Biotechnol., 2007, Vol. 34, 771-777). Після переводу в газову фазу етанол потрібно виділити з суміші етанолу і газу. Зокрема, етанол необхідно виділяти з суміші етанолу і газу-носія відразу після відгону. Для цієї мети існують різні методи, такі як конденсація або селективна адсорбція етанолу адсорбентом. CA 1 195 258, наприклад, описує спосіб, згідно якого розчин ферментації піддається газовому відгону після закінчення ферментації, а потім суміш етанолу і газу-носія адсорбується на молекулярних ґратках в умовах, що попереджують капілярну конденсацію води. Але цей спосіб не дозволяє контролювати концентрацію етанолу в процесі ферментації. Проте такий контроль концентрації етанолу в розчині ферментації дуже важливий при отриманні біоетанолу в промисловому масштабі. Однією з проблем у виробництві біоетанолу є інгібуючий ефект, що поступово посилюється, і токсична дія етанолу, що утворюється, на мікроорганізми в ході ферментації. Були розроблені різні методи для in situ (за місцем знаходження) відділення продуктів, що утворилися в процесі ферментації, щоб уникнути інгібуючого ефекту та токсичної дії, що завдається цими продуктами. Наприклад, Walsh et al. (Biotechnology and Bioengineering Symp., No. 13, 1983, pp. 629-647) описують спосіб, в якому C6-цукор зброджується до отримання етанолу, а отриманий етанол видаляється з ферментера in situ методом газового відгону і адсорбується активованим вугіллям. Цей спосіб дозволяє регулювати концентрацію етанолу в ході ферментації в межах близько 6 % (маса/об'єм). Проте через свою низьку селективність по відношенню до етанолу активоване вугілля не придатне для використання в економічно ефективному способі. Вказане регулювання в межах 6 % (маса/об'єм) недостатньо для виробництва етанолу з лігноцелюлозної біомаси, яке вимагає ферментації C5-цукрів. Наприклад, Dominguez et al. (Biotech. Bioeng., 2000, Vol. 67, pp. 336-343) вдалося показати, що реакція C5-цукрів з утворенням етанолу з дріжджами Pichia stipitis інгібується при концентрації етанолу тільки 2 % (маса/об'єм). Тому Dominguez et al. розробили спосіб, в якому концентрація етанолу може підтримуватися на рівні нижче 2 % (маса/об'єм) в процесі ферментації ксилози, причому етанол конденсується на охолоджуваному льодом конденсаторі після відгону in situ в спеціально сконструйованому ферментері з бічним відгалуженням. Коротке розкриття винаходу На відміну від попереднього рівня техніки метою винаходу є запропонувати ефективний спосіб виробництва етанолу ферментацією, який забезпечує високий вихід етанолу з сумішей C5- і C6-цукрів, отриманих, наприклад, з лігноцелюлозної біомаси. Авторами винаходу несподівано було встановлено, що комбінація in situ відгону і адсорбенту цеоліту не тільки дозволяє підтримувати концентрацію етанолу в розчині ферментації на рівні нижче 5 % (маса/об'єм) протягом всього процесу ферментації, але і робить можливим управління цим значною мірою енергозберігаючим процесом за рахунок застосування адсорбенту цеоліту. Таким чином, винахід пропонує спосіб виробництва етанолу, що включає: a) ферментативну реакцію C5- і/або C6-цукрів з отриманням етанолу в розчині ферментації; b) in situ видалення етанолу шляхом переведення його в газову фазу; c) пропускання суміші етанолу і газу-носія, отриманим газовим відгоном, через адсорбент цеоліту, в ході якого етанол адсорбується з газової суміші на адсорбенті; d) десорбцію адсорбованого етанолу з адсорбенту. 1 UA 105823 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Фіг. 1a і 1b показують ілюстративні варіанти способу винаходу з газовим відгоном у ферментері (1a) і зовнішній колоні для газового відгону (1b). Фіг. 2 показує динаміку концентрації етанолу в процесі ферментації згідно прикладу 1a. Фіг. 3 показує динаміку концентрації глюкози, ксилози і етанолу в процесі ферментації згідно прикладу 1b. Фіг. 4 показує динаміку концентрації глюкози, ксилози і етанолу в процесі ферментації згідно прикладу 1c. Фіг. 5 показує динаміку концентрації глюкози, ксилози і етанолу в процесі ферментації згідно прикладу 1d. Фіг. 6 показує результати порівняння цеоліту, вживаного згідно винаходу, і активованого вугілля по їх селективній здібності до адсорбції етанолу. Фіг. 7 показує один з варіантів способу винаходу з кільцевою схемою розміщення колон. Докладне розкриття винаходу Ферментація C5- і C6-цукрів Для ферментації готується розчин з C5- і C6-цукрами. Переважно, щоб розчин спочатку містив менше 200 г/л цукру, з яких менше 100 г/л, переважно – менше 80 г/л, особливо переважно – менше 70 г/л, повинен складати C6-цукор і менше 100 г/л, переважно – менше 35 г/л, особливо переважно – менше 30 г/л, повинен складати C5-цукор. У особливо переважному варіанті здійснення винаходу розчин містить менше 120 г/л цукру, при цьому 90 % або більш % цукрів складає C6-цукор. У іншому особливо переважному варіанті розчин містить менше 120 г/л цукру, при цьому 90 % або більш % цукрів складає C5-цукор. У ще одному особливо переважному варіанті розчин містить менше 200 г/л цукру, переважно – менше 120 г/л цукру, при цьому від 20 % до 40 % цукрів складає C5-цукор і, відповідно, від 60 % до 80 % цукрів складає C6-цукор. Вказаний розчин зазвичай отримують з сирих субстратів, що містять вуглеводи. Може виникнути необхідність в дігестії цих сирих субстратів відповідними способами передобробки і/або в гідролізі цих вуглеводів ферментативним шляхом або кислотним каталізом з метою отримання мономерів цукрів. Розчин необов'язково може концентруватися перед ферментацією. Термін “необроблений вуглеводвмісний” позначає чисті речовини, що містять вуглеводи, суміші різних вуглеводів і складні суміші субстратів, що містять вуглеводи. Матеріал, що містить вуглеводи, включає також відходи лісоводства і сільського господарства, харчопереробної промисловості і комунальні відходи. Зокрема, матеріали, що містять вуглеводи, містять лігноцелюлозну біомасу (LCB), що містить целюлозу, геміцелюлозу і лігнін. Сільськогосподарська LCB включає солому і полову зернових культур (пшениця, жито, ячмінь, овес), кукурудзяну солому і стрижні кукурудзяних качанів, підстилковий гній із стаєнь, макуху цукрового очерету (багасу), жом цукрового буряка (цукрово-бурякова стружка) і трав'янисті матеріали і трави, такі як Sericea lespedeza, просо прутьевидне (Panicum virgatum), слоняча трава (Miscanthus; китайський очерет) і суданська трава (Sorghum sudananse, Sorghum drummondi). LCB у вигляді відходів лісоводства включає деревну (вторинну) кору, деревну стружку і тріску inter alia (разом з іншим). LCB у вигляді сирих субстратів з відходів харчової промисловості включає, разом з іншим, плодову мезгу, залишки агави, відходи помелу кавових зерен і відходи маслобійних заводів, такі як ріпакова макуха і стічні води маслобійних заводів. LCB у вигляді сирих субстратів з відходів целюлозно-паперової промисловості включає брак, отриманий при виготовленні паперу, і стічні води паперових фабрик. LCB у вигляді сирих субстратів з комунальних відходів включає, але весь перелік не обмежується тільки вказаним тут, канцелярське сміття, залишки овочів і фруктів. Розчин ферментації переважно отримують з LCB шляхом гідролізу. У розчин можуть вводитися додаткові добавки, такі як pHстандартизатори. C5- і/або C6-цукри, переважно C5-цукор, необов'язково укупі з C6-цукром, що вивільняється в процесі гідролізу, перетворюються на етанол шляхом ферментації. Згідно переважному варіанту здійснення винаходу використовуються дріжджі або бактерії. Особливо переважними є дріжджі, продукуючі C5- і C6-цукри, і, зокрема, ті з них, чия активність ферментації інгібується при концентраціях етанолу вище 5 % (% маса/об'єм). Відповідно до способу винаходу температура ферментера складає від 10 °C до 100 °C, переважно від 10 °C до 50 °C, особливо переважно від 20 °C до 50 °C, найпереважніше від 20 °C до 50 °C. Переважно використовувати мезофільні дріжджі, такі як Pichia stipitis, Pichia segobiensis, Candida shehatae, Candida tropicalis, Candida boidinii, Candida tenuis, Pachysolen tannophilus, Hansenula polymorpha, Candida famata, Candida parapsilosis, Candida rugosa, Candida sonorensis, Issatchenkia terricola, Kloeckera apis, Pichia barkeri, Pichia cactophila, Pichia deserticola, Pichia norvegensis, Pichia membranefaciens, Pichia mexicana і Torulaspora 2 UA 105823 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 У альтернативному варіанті здійснення винаходу використовуються термофільні мікроорганізми. Прикладами термофільних дріжджів є Candida bovina, Candida picachoensis, Candida emberorum, Candida pintolopesii, Candida thermophila, Kluyveromyces marxianus, Kluyveromyces fragilis, Kazachstania telluris, Issatchenkia orientalis і Lachancea thermotolerans. Термофільні бактерії включають, разом з іншими, Clostridium thermocellum, Clostridium thermohydrosulphuricum, Clostridium thermosaccharolyticum, Thermoanaerobium brockii, Thermobacteroides acetoethylicus, Thermoanaerobacter ethanolicus, Clostridium thermoaceticum, Clostridium thermoautotrophicum, Acetogenium kivui, Desulfotomaculum nigrificans і Desulvovibrio thermophilus, Thermoanaerobacter tengcongensis, Bacillus stearothermophilus і Thermoanaerobacter mathranii. Особливо переважним є застосування наступних мезофільних дріжджів: Saccharomyces cerevisiae, Pichia stipitis, Pachysolen tannophilus, Candida shehatae. Ферментація переважно проводиться в періодичному режимі (періодична ферментація), в періодичному режимі з підживленням культур або в безперервному режимі. Найпереважніше ферментація проводиться в періодичному режимі. In-situ відгін Згідно даному винаходу переведення летючих компонентів, зокрема, продукту етанол в газову фазу здійснюється переважно відгоном з інертним газом-носієм. In-situ видалення етанолу означає видалення етанолу, наприклад, газовим відгоном паралельно з його ферментативним отриманням. Це може здійснюватися безперервно або періодично. У безперервному режимі одночасно здійснюються перетворення цукру на етанол і видалення щонайменше однієї частини цього етанолу, наприклад, газовим відгоном. У періодичному режимі спочатку щонайменше одна частина цукру перетворюється на етанол ферментацією, а потім щонайменше одна частина етанолу відділяється, наприклад, газовим відгоном. Після цього щонайменше одна частина цукру перетворюється на етанол, тощо. У іншому варіанті періодичного режиму цукор безперервно перетворюється на етанол, але етанол відділяється тільки періодично, наприклад, газовим відгоном. In-situ видалення етанолу може проводитися газовим відгоном, первапорацією або схожими методами перетворення етанолу в газову фазу. Перетворення в газову фазу може відбуватися або у ферментері, або в окремому апараті. Для перетворення в газову фазу шляхом газового відгону переважно використовується газносій. Відповідними газами-носіями є такі гази, як діоксид вуглецю, гелій, водень, азот або повітря і їх суміші. Особливо переважними є діоксид вуглецю і суміші діоксиду вуглецю з повітрям; при необхідності умови мікроаеробів можуть регулюватися. Однією з переваг цього варіанту способу винаходу є те, що діоксид вуглецю, що утворюється в процесі ферментації, може використовуватися безпосередньо як газ-носій. Згідно способу винаходу ферментація проводиться в танку з мішалкою або барботажній колоні петлевого типу або в ерліфтному реакторі. Газообмін можливий також через зовнішню колону для газового відгону, сполучену з ферментером. У цю колону безперервно подається розчин ферментації, а потік, що виходить з неї, повертається у ферментер. Особливо переважно, щоб така зовнішня колона для газового відгону працювала в протитечії і/або в комбінації з наповнювачами для інтенсивного обміну матеріалами, такими як кільця Рашига. Питома швидкість насичення газом переважно складає від 0,1 до 10 vvm (відношення об'єм/об'єм в хвилину), особливо переважно від 0,5 до 5 vvm. Відгін переважно проводиться при тиску від 0,1 до 2 бар, особливо переважно від 0,5 до 1,1 бар. Особливо переважним є відгін при зниженому тиску. Для досягнення ефективного газового відгону у ферментері газові бульбашки переважно диспергуються. Це може здійснюватися за допомогою мішалки, змонтованої так, щоб гарантувалося утворення дрібних бульбашок газу-носія. У одному з переважних варіантів здійснення винаходу in-situ видалення етанолу з розчину ферментації проводиться при температурі ферментації. Завдяки цьому не вимагається додаткової теплової енергії для нагрівання розчину ферментації. Іншою перевагою способу винаходу є те, що теплота (ентальпія) випаровування, що виділяється в процесі переведення летючих речовин з рідини в газову фазу, сприяє охолоджуванню ферментера, скорочуючи, тим самим, витрати енергії на підтримку температури ферментера на постійному рівні. Адсорбція Згідно способу винаходу газовий потік, що виходить з ферментера, пропускається через одну або більше колон, заповнених адсорбентами одного або більше видів. Щонайменше одна з колон містить цеоліт як адсорбент. Іншими відповідними адсорбентами є кремнезем (діоксид кремнію), бентоніти, силікаліти, глини, гідроталькіти, силікати алюмінію, оксидний порошок, 3 UA 105823 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 слюда, склоподібні (некристалічні) матеріали, алюмінати, кліноптоліти, гісмондіни, кварци, активоване вугілля, кістяне вугілля, монтморілоніти, полістироли, поліуретани, поліакріламіди, поліметакрілати або полівінілпіридини. У особливо переважному варіанті як адсорбенти використовуються тільки цеоліти. Цеоліти є переважними адсорбентами; особливо переважні цеоліти бета- або MFI-типу. Цеоліт переважно має відношення SIO2/Al2O3 від 200 до 1000, особливо переважно – відношення SiO2/Al2O3 від 400 до 800. Синтетичні цеоліти з US 7 244 409 особливо переважні. Масове відношення адсорбенту до адсорбованого етанолу переважно складає від 1 до 1000, особливо переважно від 5 до 20. При адсорбції етанолу адсорбентом (адсорбентами) вивільняється теплота (ентальпія) адсорбції, яка викликає нагрівання шару наповнювача. Унаслідок низької теплопровідності можливих адсорбентних матеріалів, описаних тут, і об'єму порожнеч в шарі цих матеріалів, вказана теплота не може ефективно відводитися через стінку колони, особливо у разі колон великого діаметру. Тому в переважному варіанті заявленого винаходу усередині колон додатково використовуються нагрівальні змійовики, що забезпечують відведення теплоти (ентальпія) адсорбції, що вивільняється. Однією перевагою цього варіанту є те, що робиться можливою рекуперація енергії для подальшої енергоємної стадії способу. Відповідними нагрівальними змійовиками є труби, по яких тече рідина і які забезпечують як підведення, так і відведення теплової енергії. Альтернативно, можуть використовуватися нагрівальні змійовики з електричним обігрівом. Згідно способу винаходу на температуру можна впливати і підтримувати її на постійному рівні за допомогою нагрівальних змійовиків усередині колони. Це дозволяє впливати і на селективність адсорбенту. У переважному варіанті способу селективність контролюється не тільки температурою, але і тиском усередині колони. Температура в процесі адсорбції етанолу переважно складає від 10 °C до 100 °C, переважніше від 20 °C до 50 °C. Тиск переважно складає від 0,5 до 10 бар, особливо переважно від 1 до 2 бар. Особливо переважним є проведення адсорбції при температурі, яка не перевищує температуру суміші етанолу і газу-носія при виході з розчину ферментації. У особливо переважному варіанті способу ні суміш етанолу і газу, ні адсорбент не піддаються нагріву перед адсорбцією. На додаток до цього, особливо переважним є проведення адсорбції при надмірному тиску. У одному з переважних варіантів способу щонайменше один C5-цукор присутній в розчині ферментації. Це також відноситься до розчинів ферментацій, що містять суміші щонайменше одного C5-цукру і щонайменше одного C6-цукру. Особливо переважно, щоб щонайменше один C5-цукор, присутній в розчині ферментації, реагував з утворенням етанолу. Кількість адсорбентного матеріалу переважно регулюється залежно від кількості етанолу, що утворюється ферментацією. Кількість етанолу, адсорбованого до кінця ферментації, переважно складає щонайменше 20 %, переважніше – щонайменше 50 % і особливо переважно – щонайменше 90 % максимального поглинання етанолу адсорбентом. Ще до ферментації можна визначити і кількість етанолу, яка може бути отримана ферментацією, і максимальну кількість етанолу, яка може бути адсорбована адсорбентом. Газовий відгін і адсорбція відбуваються точно так, як описано в прикладі 2 для визначення обох параметрів, тобто подається розчин з відомою концентрацією етанолу, який потім безперервно відганяється. Протягом цього періоду часу концентрація етанолу в розчині, що подається, вимірюється кожна година Як тільки вона перестає змінюватися (найпізніше – через 24 години), це означає, що поглинальна здатність адсорбентного матеріалу виснажилася. Після цього експеримент завершується і проводиться визначення об'єму подачі і концентрації етанолу, що міститься в цьому об'ємі, що дозволяє розрахувати масу етанолу і масу води. Різниця між початковими масами і масами після закінчення експерименту дає маси адсорбованого етанолу і води (масовий баланс). На підставі цих результатів можна визначити концентрацію адсорбованого етанолу і поглинальну здатність адсорбентного матеріалу. Максимальна кількість етанолу, що утворилася в процесі ферментації, можна оцінювати за допомогою теоретичних коефіцієнтів виходу. Теоретичні коефіцієнти виходу складають 0,51 г етанолу/1 г глюкози і, відповідно, 0,46 г етанолу/1 г ксилози (Lee et al., J. Microbiol. Biotechn., 2001, vol. 11 (3), pp. 384-388). Вихід етанолу, що досягається при практичному застосуванні способу, складає від 70 % до 100 %, в типових випадках від 90 % до 95 % від теоретичних виходів. Необхідна кількість адсорбенту розраховується на основі кількості етанолу – очікуваного плюс понад очікуваного, що становить в типових випадках від 10 % до 20 %. Адсорбентний матеріал може міститися в одній або більш колонах. Переважно 4 UA 105823 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 використовується декілька колон, особливо переважно від 2 до 6 колон. Ці колони можуть працювати послідовно або паралельно. Переваги паралельної роботи полягають, з одного боку, в тому, що напівбезперервний режим роботи забезпечується тим, що в двох або більш колонах по черзі здійснюються процеси адсорбції і десорбції, а, з іншого боку, в тому, що теплова енергія, що вивільняється в процесі адсорбції, може прямувати на стадію десорбції в іншу колону, тобто в тому, що адсорбція і десорбція можуть проводитися одночасно в різних колонах. Колони переважно поставляються скомпонованими в кільцеву схему розміщення. У особливо переважному варіанті втілення від 2 до 6 колон працюють таким чином, що колона(и), де проводиться адсорбція, працює/працюють паралельно з колоною(ами), де проводиться десорбція. Якщо адсорбція проводиться в більш ніж одній колоні, то ці колони можуть бути сполучені послідовно. Так, адсорбція може проводитися в колонах з 1 по 3 у разі використання 6 колон, наприклад, при кільцевій схемі їх розміщення; колона 4 нагрівається для десорбції; десорбція проводиться в колоні 5, а колона 6 охолоджується. Адсорбційна колона міняє свою функцію, як тільки кількість адсорбованого етанолу досягне щонайменше 90 %, особливо переважно щонайменше 95 %, максимального поглинання етанолу адсорбентами в цій колоні. Спосіб винаходу, що використовує декілька адсорбційних колон, робить також можливою послідовну роботу двох або більше колон. Кожна з цих колон заповнюється різними адсорбентами з різною селективністю і/або поглинальною здатністю. У цьому альтернативному варіанті газ-носій переважно пропускається через адсорбенти в порядку зростання селективної здібності до скріплення етанолу (по відношенню до води) в процесі адсорбції. Після виходу з адсорбційної колони збіднений етанолом газовий потік може повертатися у ферментер і повторно використовуватися для газового відгону. Адсорбція може проводитися в режимі киплячого (псевдозрідженого) шару. Концентрація етанолу в розчині ферментації може підтримуватися на рівні нижче 5 % (маса/об'єм), переважно – нижче 2 % (маса/об'єм), протягом всього процесу ферментації, завдяки комбінації in situ газового відгону і адсорбції цеолітом згідно винаходу. Ферментація переважно проводиться до тих пір, поки має місце утворення етанолу. Переважний час ферментації складає від 20 до 120 годин, особливо переважно від 30 до 80 годин. Десорбція Спосіб винаходу робить можливою селективну десорбцію етанолу з адсорбенту за рахунок підвищення температури і/або зниження тиску усередині колони. У переважному варіанті способу теплова енергія поступає до шару адсорбенту через стінку колони, а також (необов'язково) від нагрівальних змійовиків усередині колони. Температури від 25 °C до 300 °C і абсолютного тиску від 0 до 10 бар є переважними. Особливо переважними є температури від 80 °C до 180 °C і абсолютний тиск в умовах розрідження, переважно від 0,1 до 1 бар. Відповідно до способу винаходу газ-носій використовується для відведення десорбованого етанолу з колони. Переважно використовувати такий же інертний газ-носій, який використовувався для газового відгону. У одному варіанті способу винаходу температура і абсолютний тиск газу-носія регулюються відповідно до вказаних вище температур і абсолютного тиску усередині колони. Для цієї мети можуть використовуватися теплообмінники, що вмонтовуються по ходу газового потоку, і/або дроселі або компресори. Десорбція може проводитися в режимі киплячого шару. Подальше очищення Переважний варіант способу винаходу передбачає конденсацію десорбованого етанолугазу. Згідно з переважним варіантом способу газовий потік стискається і/або охолоджується за рахунок використання одного або більше компресорів і/або одного або більше теплообмінників, і/або однієї або більше охолоджуваних пасток. Особливо переважними є протиточні теплообмінники. У іншому переважному варіанті способу винаходу виходять конденсати з різними концентраціями етанолу за рахунок використання послідовно підключених двох або більше теплообмінників і/або охолоджувані пастки з різними температурами охолоджування. До того ж, це робить можливою селективну конденсацію все ще присутніх супутніх речовин, таких як вода або інші летючі речовини. В процесі конденсації вивільняється теплота (ентальпія) конденсації. Згідно переважному варіанту способу винаходу ця теплова енергія прямує на раніші і/або можливі подальші енергоємні стадії способу. Згідно особливо переважного варіанту способу винаходу цими енергоємними стадіями способу є попередня десорбція етанолу і/або можлива подальша ректифікація. Згідно іншому варіанту способу винаходу отриманий конденсований етанол очищається і 5 UA 105823 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 концентрується. Типовою супутньою речовиною етанолу в конденсаті є вода. Видалення води і/або інших супутніх речовин може здійснюватися ректифікацією. У переважному варіанті способу температура в процесі конденсації етанолу підтримується на рівні, нижче за температуру кипіння конденсату, що утворюється, так що розчин етанолу, що підлягає ректифікації, прямує на ректифікацію з температурою близько температури кипіння, завдяки чому витрати енергії на ректифікацію знижуються. Витрати енергії на ректифікацію можуть бути понижені також за рахунок компресії пари. Вода, що міститься в зливному піддоні колони ректифікації, може повертатися у ферментер. У верхній частині колони між етанолом і водою утворюється азеотроп. Якщо бажано отримати безводний етанол, то можна використовувати далі придатні для даної мети методи розділення, такі як видалення води за допомогою молекулярного сита або селективних мембранних методів. Можна також змістити місцеположення азеотропа шляхом зміни тиску в процесі ректифікації. Відповідно до альтернативного варіанту способу винаходу десорбований етанол-газ пропускається перед конденсацією через додаткову колону з метою видалення супутніх речовин з газової фази. У таких випадках переважно видаляти воду за допомогою молекулярного сита. У альтернативному варіанті можливо також застосування пермеації пари. Наступний альтернативний варіант способу винаходу передбачає пропускання конденсату, отриманого після десорбції, через стадію первапорації, що дозволяє отримати абсолютний етанол. Згідно способу винаходу потік газу-носія, рекуперований при конденсації етанолу і інших можливих супутніх речовин, може бути залучений в цикл, так що для газового відгону у ферментері може взагалі не потрібно або потрібно лише незначний об'єм подачі газу-носія ззовні. Особливо переважні варіанти способу винаходу Фіг. 1a показує можливий варіант способу винаходу. Потік інертного газу-носія (1) вдувається у ферментер (2) для газового відгону. LCB ферментується у ферментері до отримання етанолу при додаванні додаткових агентів (3), таких як агенти, стандартизуючі pH. Газ, що виходить з ферментера, містить етанол і інші летючі компоненти, пропускається через адсорбційну колону (4), в якій здійснюється селективна адсорбція етанолу. Для забезпечення напівбезперервного режиму дві або більше колон працюють паралельно і/або послідовно. Теплообмін між колонами досягається за рахунок використання внутрішніх нагрівальних змійовиків. Частина потоку газу-носія віддаляється під дією діоксиду вуглецю, що утворюється при ферментації. Температура і/або тиск усередині колон (4) змінюються для подальшої десорбції адсорбованого етанолу. Потік газу-носія, потрібний для відведення десорбованого етанолу, регулюється відповідно за допомогою теплообмінника (6) і/або дроселів. Потім газ, що виходить з колонки при десорбції, конденсується за допомогою стиснення і/або охолоджування (7). Завдяки цьому, регенерований потік газу-носія (8) повертається в систему. Конденсат пропускається через колону (9) ректифікації для подальшого очищення і конденсації. На зливному піддоні колони збирається вода (10), а в головній частині колони утворюється азеотроп між етанолом і водою (11). Фіг. 1b показує інший можливий варіант способу винаходу, але в цьому випадку газовий відгін проводиться в зовнішній колоні для газового відгону (12), сполученого з ферментером. З цією метою розчин ферментації пропускається через зовнішню колону для газового відгону, а відігнаний розчин повертається потім у ферментер. Всі інші стадії способу аналогічні Фіг. 1a. Фіг. 4 показує кільцеву схему розміщення колон, в якій три колони (A1 - A3) працюють послідовно в режимі адсорбції відігнаного газу, що виходить з ферментера (F). Колони A4 – A6 працюють паралельно. Колона A4 нагрівається (a), колона A5 працює в режимі десорбції (b), а колона A6 охолоджується (c). Після закінчення часу циклу колона A3 досягає фази нагрівання (a), A4 працює в режимі десорбції (b), а A5 охолоджується (c). Потім колони A6, A1 і A2 починають працювати послідовно в режимі адсорбції. Після 6 тимчасових циклів та ж сама колона, що і на початку, починає працювати в режимі десорбції, так що один цикл закінчується, а новий починається. Наступний спосіб є особливо переважним згідно винаходу. Спосіб виробництва етанолу, що включає a) ферментативну реакцію C5- і/або C6-цукрів з отриманням етанолу в розчині ферментації; b) in situ видалення етанолу газовим відгоном за допомогою газу-носія, причому концентрація етанолу в розчині ферментації підтримується на рівні нижче 5 % (маса/об'єм); 6 UA 105823 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 c) пропускання суміші етанолу і газу-носія, отриманим газовим відгоном, через адсорбент, при цьому етанол адсорбується з газової суміші на адсорбенті в першій колоні; d) десорбцію адсорбованого етанолу з адсорбенту в другій колоні e) теплота, що виділилася в процесі адсорбції в першій колоні, використовується для нагрівання другої колони; газ-носій повертається в розчин ферментації після виходу з адсорбенту, і g) концентрація десорбованого етанолу. Наступний спосіб також є особливо переважним згідно винаходу. Спосіб виробництва етанолу, що включає a) ферментативну реакцію C6-цукрів з отриманням етанолу в розчині ферментації, що містить C5- і C6-цукри; b) видалення етанолу з розчину ферментації газовим відгоном за допомогою газу-носія; c) подальшу ферментативну реакцію C5-цукрів з отриманням етанолу в розчині ферментації, причому етанол видаляється in situ газовим відгоном за допомогою газу-носія, а концентрація етанолу в розчині ферментації підтримується на рівні нижче 5 % (маса/об'єм); d) пропускання суміші етанолу і газу-носія, отриманим газовим відгоном, через адсорбент, при цьому етанол адсорбується з газової суміші на адсорбенті, а газ-носій повертається в розчин ферментації після виходу з адсорбенту. Наступний спосіб також є особливо переважним згідно винаходу. Спосіб виробництва етанолу, що включає a) ферментативну реакцію C6-цукрів з отриманням етанолу в розчині ферментації, що містить C5- і C6-цукри, в першому реакторі; b) подальшу періодичну або безперервну подачу розчину ферментації, що містить етанол і C5-цукор, в другий реактор; c) ферментативну реакцію C5-цукру в розчині ферментації з отриманням етанолу в другому реакторі; d) in situ видалення етанолу з другого реактора газовим відгоном за допомогою газу-носія; e) пропускання суміші етанолу і газу-носія, отриманим газовим відгоном, через адсорбент, при цьому етанол адсорбується з газової суміші на адсорбенті; f) десорбцію адсорбованого етанолу, при цьому газ-носій повертається в розчин ферментації другого реактора після виходу з адсорбенту, у якому подача розчину ферментації, що містить етанол і C5-цукор, в другий реактор здійснюється таким чином, що концентрація етанолу в розчині ферментації в другому реакторі підтримується на рівні нижче 5 % (маса/об'єм). У цьому способі концентрація етанолу переважно підтримується на рівні нижче 5 % (маса/об'єм) за рахунок регулювання швидкості подачі розчину ферментації, що містить етанол і C5-цукор, в другій ферментер і/або швидкостях насичення газом в процесі газового відгону, і/або за рахунок регулювання кількості адсорбенту. Адсорбент переважно містить цеоліт. У особливо переважному варіанті способу теплота, що вивільняється в процесі адсорбції, використовується для десорбції. Переважно також підтримувати концентрацію етанолу в розчині ферментації на рівні нижче 5 % (маса/об'єм). Ферментація, газовий відгін, адсорбція і десорбція, а також остаточне очищення переважно зв'язані між собою, так що витрати енергії на очищення готового продукту – етанолу – значно скорочуються в порівнянні з традиційними способами. Приклади Винахід ілюструється в подробицях нижчеприведеними прикладами, які не обмежують його об'єм. Приклад 1 – In-situ відділення етанолу в процесі ферментації A) Ферментація дріжджами Pachysolen tannophilus в синтетичному середовищі Ферментація дріжджами Pachysolen tannophilus (DSMZ, Braunschweig) з або без in-situ відділення етанолу проводилася за інших рівних умов при 30⁰С протягом 100 годин. Середовище ферментації складалося з 5 г/л Bacto™ Yeast Extract (дріжджовий екстракт Bacto™) (Becton, Dickinson Co., France), 6,7 г/л 1х Difco Yeast Nitrogen Base w/o Amino Acids (азотиста основа дріжджів без амінокислот) (Becton, Dickinson Co., France) і дистильована H 2O, додана до загальної кількості 350 мл. Дві культури дріжджів (по 350 мл кожна) готувалися в 1літрових Schott-скляних пляшках з газонепроникними GL 45 множинними розподільниками на кожній пляшці (Bola, Grünsfeld), що мають три вхідні отвори GL 14 для гвинтового сполучення з системою труб. В кожному випадку 35 г глюкози використовувалися як джерело вуглецю в режимі періодичного підживлення культур. Один вхідний отвір використовувався для відбору зразків. Газ-носій (азот) подавався в середовище ферментації через другий вхідний отвір за 7 UA 105823 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 системою труб PA 12-8 x 6 x 1 (Riegler, Bad Urach) і скляну фриту. Через третій вхідний отвір газ-носій поступав за системою труб з головки пляшки в заповнену цеолітом (підготовленим згідно US Patent No. 7 244 409 B2) колонку з скляною фритою (100 мл) для in-situ розділення. У контрольному експерименті колонка з скляною фритою не навантажувалася. Газовий цикл запускався мембранним насосом (KNF, Freiburg), що працює між колоною зі скляною фритою і Schott-скляними пляшками при швидкості 1,5 л/хв. Як підживлення додавалися по 2,5 % (маса/об'єм) глюкози (Sigma-aldrich, Munich) через 0, 24, 48 і 72 години. Кількість етанолу в середовищі ферментації визначалася газовою хроматографією (GC) (Trace GC, Thermo Fisher). Результат експерименту показаний на Фіг. 2. GC-визначення концентрацій етанолу в середовищах показує, що концентрація етанолу в середовищі ферментації може утримуватися на рівні нижче 1 % (маса/об'єм) етанолу в результаті in-situ розділення, завдяки чому попереджається інгібування, що викликається концентрацією етанолу. За інших рівних умов, як описано вище, проводилася також ферментація суміші C5- і C6цукрів з і без in-situ відділення етанолу, при цьому як джерело вуглецю використовувалися в періодичному режимі 2,45 г глюкози і 10,5 г ксилози. B) Ферментація дріжджами Pichia stipitis на лігноцелюлозному субстраті Ферментація дріжджами Pichia stipitis (DSMZ, Braunschweig, Germany) з або без in-situ відділення етанолу проводилася за інших рівних умов протягом 95 годин при 30 °С в умовах мікроаеробів. Середовище ферментації було заздалегідь обробленим і гідролізованим лігноцелюлозним субстратом. Дві культури по 800 мл кожна готувалися в невеликому ферментері на 1,4 л. Оскільки використовувався лігноцелюлозний субстрат, то в кожному випадку як джерело вуглецю вводилися 56 г/л глюкози і 31 г/л ксилози. Ферментація проводилася в періодичному режимі. Одне з двох культивувань виконувалося без in-situ відгону, інше – з in-situ відгоном. У останньому випадку газовий потік регулювався ротаметром (V_glin, Aesch, Switzerland) на рівні до 2 vvm. За допомогою мембранного насоса (KNF, Freiburg, Germany) і газонепроникної системи труб (VWR, Darmstadt, Germany) газовий потік пропускався через скляну колону, а потім повертався. Скляна колона була заповнена 535 г гранул цеоліту (Zsm-5; Sio2/al2o3 = 200, S"d-chemie AG, Germany). В процесі ферментації відбиралися зразки і проводилася кількісна оцінка вмісту етанолу за допомогою газової хроматографії (Trace GC, Thermo Fisher, Germany) і цукрів за допомогою HPLC (рідинної хроматографії високого тиску) (Dionex, U.s.a.). На додаток до цього, методом титрування по Карлу Фішеру (Schott Instruments, Germany) визначалося збільшення маси цеоліту і частка води в адсорбованій суміші. Крім того, було умовно прийнято, що за існуючих умов адсорбуються тільки вода і етанол. Це припущення вдалося підтвердити в попередніх експериментах, які дозволили зробити висновок про частку етанолу в змісті води. Результати експерименту показані на Фіг. 3 (вгорі: без in-situ відгону; внизу: з in-situ відгоном). Результати аналізу бульйонів ферментацій показують, що концентрація етанолу в середовищі ферментації може підтримуватися на рівні нижче 2 % (маса/об'єм) етанолу за рахунок in-situ розділення. Це допомагає уникнути інгібування, етанолу, що викликається концентрацією, і полегшує ферментацію частини ксилози. C) Послідовна ферментація дріжджами Saccharomyces cerevisiae і Pachysolen tannophilus на лігноцеллюлозному субстраті Якщо не вказано що-небудь інше, то всі умови в цьому експерименті ідентичні прикладу 1b. Проводилася послідовна ферментація: спочатку проводилася ферментація глюкози дріжджами Saccharomyces cerevisiae (DSMZ, Braunschweig, Germany) в анаеробних умовах в періодичному режимі без in-situ газового відгону. Використовуваний розчин містив 63 г/л глюкози і 32 г/л ксилози. Ферментація виконувалася в періодичному режимі. Отриманий таким шляхом субстрат, який містив ксилозу і етанол, ферментувався дріжджами Pachysolen tannophilus (DSMZ, Braunschweig, Germany) в умовах мікроаеробів протягом 114 годин при 30 °С в періодичному режимі з in-situ відділенням етанолу. Результат цієї другої фази ферментації показаний на Фіг. 4 (вгорі). З Фіг. 4 очевидно, що ферментація С5-цукрів не починається до тих пір, поки концентрація етанолу не знизиться до значень, нижче за приблизно 15 г/л за допомогою газового відгону. Іншими словами, тільки газовий відгін робить можливою ферментацію С5-цукрів. У другому експерименті з послідовною ферментацією проводилася ферментація глюкози дріжджами Pachysolen tannophilus (DSMZ, Braunschweig, Germany) в періодичному режимі. Отриманий субстрат, який містив ксилозу і етанол, ферментувався як живильний розчин в умовах мікроаеробів з in-situ відділенням етанолу в періодичному режимі тими ж організмами протягом 72 годин при 40 °С. Початковий об'єм для культивування з періодичним підживленням склав 300 мл; ці 300 мл не піддавалися попередній ферментації. Результати фази з 8 UA 105823 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 періодичним підживленням показані на Фіг. 4 (внизу, між двома маркувальними лініями). З Фіг. 4 очевидно, що комбінація режиму періодичного підживлення з газовим відгоном робить можливою підтримку концентрації етанолу на особливо низькому рівні в процесі ферментації С5-цукрів. D) Ферментація з періодичним підживленням дріжджами Pachysolen tannophilus на лігноцелюлозному субстраті Якщо не вказано що-небудь інше, то всі умови в цьому експерименті ідентичні прикладу 1b. Цукри, що містяться в лігноцелюлозному субстраті (60 г/л глюкози і 32 г/л ксилози), обидва присутні в початковому об'ємі і в розчині для підживлення, зброджувалися дріжджами Pachysolen tannophilus (DSMZ, Braunschweig, Germany) в умовах мікроаеробів в режимі з періодичним підживленням при 40 °С протягом 113 годин. Початковий об'єм склав 300 мл. Результат експерименту показаний на Фіг. 5. Результати аналізу бульйонів ферментацій показують, що концентрація етанолу в режимі періодичного підживлення при 40 °С може підтримуватися на рівні нижче 1,5 % і що одночасна реакція як C6-, так і C5-цукрів стала можливою тільки завдяки комбінації режиму з періодичним підживленням з in-situ газовим відгоном. Приклад 2 – Концентрація 7,5 % (маса/об'єм) розчину етанол-вода газовим відгоном, адсорбцією, десорбцією і конденсацією 100 мл 7,5 % (маса/об'єм) розчину етанол-вода відганялись об'ємним потоком повітря при швидкості 0,5 л/хв. протягом 24 годин з використанням мембранного насоса (KNF Neuberger, Freiburg, Germany), регулятора об'єму потоку (Swagelok, Garching, Germany) і газопромивальної склянки (VWR, Bruchsal, Germany). Газовий потік пропускався через скляну колону (VWR, Bruchsal, Germany), заповнену 91 г цеоліту (підготовленого згідно патенту US No. 7 244 409 B2). Усередині колонки були розміщені нагрівальні змійовики. Газовий відгін і адсорбція виконувалися при кімнатній температурі. Потім температура підвищувалася до 150 °С в лінійному режимі протягом 90 хвилин за допомогою нагрівальних змійовиків і через стінку колони. Десорбований етанол конденсувався в охолоджуваній пастці при 20 °С. Абсолютний тиск склав 800 мбар як в процесі адсорбції, так і в процесі десорбції. Потік газу-носія був направленим в контурі. Концентрації етанолу вихідний розчин: 7,48 % (маса/об’єм) розчин після газової відгонки: 2,15 % (маса/об’єм) конденсат: 44,92 % (маса/об’єм). Приклад 3 – Селективна адсорбція на активованому вугіллі і цеоліті A) Газовий відгін, адсорбція і десорбція цеолітом і порівняння з літературними даними Газовий відгін і адсорбція проводилися таким же шляхом, як описано в прикладі 2. Проте об'єм партії був збільшений до 1 л, так що зміна концентрації в процесі адсорбції етанолу була порівняно незначною, і, отже, концентрація була майже постійною (стійкий стан). Концентрація адсорбованого етанолу визначалася газовою хроматографією (Trace GC, Thermo Fisher). Walsh et al. перераховують два експерименти в табл. IV, в яких концентрація етанолу в рідині складала нижче 5 % (маса/об'єм) (4,94 % (маса/об'єм) і 3,37 % (маса/об'єм)). Розрахунки масових доль етанолу по адсорбованих масах дали 61 % (маса/маса) і 21 % (маса/маса) (див. діаграму, червоні крапки). Це означає, що масові долі етанолу в способі винаходу з використанням цеоліту були значно вищі (див. Фіг. 6). B) Пряме порівняння цеоліту і активованого вугілля в процесі газової відгонки і адсорбції У двох експериментах за інших рівних умов в скляну колонку (VWR, Bruchsal, Germany) завантажувалися 90 г цеоліту, з одного боку, і 90 г активованого вугілля, з іншого боку. В кожному випадку 250 мл 5 % (маса/об'єм) розчину етанол-вода відганялись при 1 vvm протягом 24 годин. У останньому конструкція була аналогічна описаній в прикладі 2 і включала мембранний насос (KNF Neuberger, Freiburg, Germany), регулятор об'єму потоку (Swagelok, Garching, Germany) і газопромивальну склянку (VWR, Bruchsal, Germany). Через 24 години експеримент завершився, після чого визначалося збільшення маси шару адсорбентів і проводилася кількісна оцінка концентрації етанолу газовою хроматографією (Trace GC, Thermo Fisher). Оскільки система була закритою, етанол, що відгониться з розчину, повинен був адсорбуватися на цеоліті або, відповідно, на активованому вугіллі. Решта приросту маси відбувалася за рахунок води. Кількість адсорбованого етанолу і води розраховувалася по масовому балансу, за наслідками якого були визначені наступні масові долі етанолу в адсорбованій суміші: цеоліт: 97,4 % (маса/об'єм) активоване вугілля: 49,8 % (маса/об'єм). 9 UA 105823 C2 5 Таким чином, показано, що застосування цеоліту має значні переваги перед активованим вугіллям, оскільки адсорбція цеолітамі безумовно є більш виборчою. З погляду вартості енергії це є вирішальною перевагою для подальшого термічного очищення. Технічний ефект даної заявки не може бути досягнутий за допомогою активованого вугілля, оскільки активоване вугілля зв'язує значно більше води, ніж цеоліт. Тому безперечною перевагою цеоліту перед активованим вугіллям є його вища селективність, тобто цеоліт переважно зв'язує етанол і лише невелику частину води. Це спрощує подальше очищення десорбованого етанолу (менша маса піддається десорбції, колона ректифікації має менший розмір і вартість енерговитрат різко скорочується). 10 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 25 30 35 40 45 1. Спосіб виробництва етанолу, який включає: a) ферментативну реакцію С5- та/або С6-цукрів з одержанням етанолу в розчині ферментації; b) in situ видалення етанолу методом газового відгону за допомогою газу-носія, при цьому концентрацію етанолу в розчині ферментації підтримують на рівні нижче 5 % (маса/об'єм); c) пропускання газової суміші, що містить етанол, одержаний газовим відгоном, через адсорбент цеоліту, при цьому етанол адсорбується з газової суміші на адсорбенті, причому адсорбент цеоліту має відношення SіО2/Аl2О3 більше 200 і менше 1000, і d) десорбцію адсорбованого етанолу з адсорбенту. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що С5-цукри, присутні в розчині ферментації, реагують з утворенням етанолу. 3. Спосіб за одним з пп. 1, 2, який відрізняється тим, що кількість адсорбованого етанолу до кінця ферментації складає щонайменше 20 %, переважно щонайменше 50 %, особливо переважно щонайменше 90 % від максимальної кількості етанолу, адсорбованого адсорбентом. 4. Спосіб за одним з пп. 1, 2, який відрізняється тим, що адсорбція має місце при температурі, що не перевищує температуру суміші етанолу і газу-носія при виході з розчину ферментації. 5. Спосіб за одним з пп. 1, 2, який відрізняється тим, що газ-носій повертають у розчин ферментації після виходу з адсорбенту. 6. Спосіб за одним з пп. 1, 2, який відрізняється тим, що газовий відгін проводять у колоні для газового відгону, сполученій з ферментером, в який безперервно подають розчин ферментації і вихідний потік з якого повертають у ферментер. 7. Спосіб за п. 6, який відрізняється тим, що колона для газового відгону працює в протитечії і/або містить наповнювач. 8. Спосіб за одним із пп. 1, 2, який відрізняється тим, що питома швидкість насичення газом складає від 0,1 до 10 vvm (відношення об'єм/об'єм за хвилину), переважно від 0,5 до 5 vvm. 9. Спосіб за одним із пп. 1, 2, який відрізняється тим, що діоксид вуглецю, що утворюється в процесі ферментації, використовують як потік газу-носія. 10. Спосіб за одним із пп. 1, 2, який відрізняється тим, що підведення і відведення теплової енергії в адсорбційній/десорбційній колоні здійснюють за допомогою нагрівальних змійовиків, на додаток до теплообміну через стінку колони і потік газу-носія. 11. Спосіб за одним з пп. 1, 2, який відрізняється тим, що температура в процесі адсорбції етанолу складає від 10 до 100 °C, переважно від 20 до 50 °C, а тиск складає від 0,5 до 10 бар, переважно від 1 до 2 бар. 12. Спосіб за одним із пп. 1, 2, який відрізняється тим, що декілька адсорбційних/десорбційних колон працюють паралельно і/або послідовно. 13. Спосіб за п. 12, який відрізняється тим, що колони заповнені різними видами адсорбентів. 14. Спосіб за п. 12, який відрізняється тим, що колони працюють паралельно або послідовно і адсорбцію в одній колоні проводять одночасно з десорбцією в іншій колоні. 10 UA 105823 C2 11 UA 105823 C2 12 UA 105823 C2 13 UA 105823 C2 14 UA 105823 C2 15 UA 105823 C2 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 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 16