Спосіб гідролізу біомаси з високим вмістом твердих часток

Реферат: Спосіб гідролізу лігноцелюлозної біомаси з високим вмістом твердих часток, що включає етап приведення лігноцелюлозної сировини, яка містить біомасу, що має суху речовину та воду, з принаймні частиною розчинника, що містить розчинні у воді продукти гідролізу, в присутності каталізатора, який конвертує, принаймні одну із сполук біомаси до стану сполуки з меншою молекулярною вагою та подальше підтримання контакту сировини із сировинного потоку з розчинником при температурі в діапазоні від 20 °С до 200 °С для отримання продукту гідролізу з біомаси в сировині, при цьому співвідношення ваги розчинника, що контактує з сировиною, і ваги сировини перевищує 0,8:1. UA 109769 C2 (12) UA 109769 C2 UA 109769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Витребування пріоритету Ця патентна заявка заявляє пріоритет патентних заявок PCT/IT2009/000124, поданої 31 березня 2009 р, PCT/IT2009/000127, поданої 31 березня 2009 р., PCT/IB2009/055736, поданої 14 грудня 2009 р. та PCT/IB2009/055737, поданої 14 грудня 2009 р. Передумови створення винаходу Французька патентна заявка № 2609046 повідомляє про гідроліз крохмалю у присутності гідролізуючих ферментів крохмалю. Крохмаль, як відомо, екстрагується з харчових та зернових рослин. Відомо, що крохмаль легко гідролізуються завдяки своїм хімічним зв'язкам, тоді як целюлоза не так легко гідролізується. Згідно з патентом, до сухого розмолотого крохмалю додається вода для встановлення концентрації у розмолотому крохмалистому субстраті, представленого сухою речовиною, до величини, що допускає 50-400 г/л у середини ферментації. У французькій патентній заявці нічого не згадується про застосовність целюлозної сировини. Відомо, що енергетичні витрати на дистиляцію етанолу з процесу ферментації суттєво скорочуються, якщо ферментативний бульйон містить більш, ніж 4 % етанолу. Це потребує концентрації цукру, який перевищує 8 % (вагового співвідношення), і яка, для більшості типів біомас, зокрема, лігноцелюлозної біомаси, відповідає початковому вмісту сухої речовини, яка перевищує 20 %. Тому, дуже важливо мати змогу використовувати лігноцелюлозні біомаси з високим вмістом сухої речовини, переважно, більш, ніж 20 % по вазі. Ферментативний гідроліз біомас раніше вже описувався. Однак, у випадку лігноцелюлозних біомас, лише матеріал, який містить волокна та частки розміром нижче 1 дюйма (25,4 мм), і до того ж, який має відносно низький вміст сухої речовини, тобто, нижче 20 %, успішно гідролізовувався. Ферментативний гідроліз біомас традиційно проводився у реакційному апараті з мішалкою, який оснащений мішалками (наприклад, турбіна Руштона, або мішалки Інтеміг), які монтуються на розташованому у центрі валу, подібно тому, як це робиться у бродильному виробництві. Завдяки цьому обладнанню високов'язкі розчини, матеріали з високою клейкістю або дуже сухі матеріали, не можуть ефективно перемішуватися, що призводить до неоднорідності, яка містить області, які погано або зовсім не перемішані. До того ж, перемішування таких розчинів потребує дуже великого споживання енергії, яке дуже обтяжує економію процесу. Тому, оперування з полісахаридними біомасами раніше обмежувалося максимальною верхньою межею приблизно 20 % (вагового співвідношення). Це підтверджене у патенті США № 4,409,329, який описує гідроліз твердих целюлозних матеріалів до цукру, де целюлоза гідролізується до моносахаридів шляхом обробки гранульованої суспензії 3-20 %-ї (по ваговому співвідношенню) початкового твердого матеріалу, який містить 30-80 % (по ваговому співвідношенню) целюлози, за допомогою целюлозноферментного комплексу. Твердий матеріал, що завантажується, має частки середнім розміром від 0,01 до 1 дюйму (0,0254-25,4 мм) у діаметрі. Для змішування використовувалися перфоровані лопатки ротора. Метою патенту є використання високої швидкості зрушення близько 50 000 - 200 000 футів/хвилину/фут по всій реакційній зоні. US2002117167A описує ферментативний гідроліз геміцелюлози у біомасах, що включає розчинення хоча б частки геміцелюлози, та гідролізацію солюбілізірованої целюлози для створення хоча б одного моносахариду. Вибрана біомаса переважно є водною суспензією сировинного матеріалу або заздалегідь обробленого матеріалу. Біомасою може бути будь-який целюлозний матеріал, який включає геміцелюлозу. Процес описується як особливо ефективний з використанням харчових волокон, таких, як кукурудза, пшениця, рис, овес або ячмінь. Однак, як відзначається у прикладах, целюлоза не гідролізуються. US2004005674A описує процес ферментативного гідролізу лігноцелюлози. Процес розщеплювання лігноцелюлози до цукрів включаєконтактування лігноцелюлози хоча б з одним допоміжним ферментом та хоча б з однією целюлозою. Лігноцелюлозний матеріал був подрібнений (середній розмір волокна матеріалу у подальшому не встановлюється) та мав низький вміст сухої речовини (0,2 г подрібненої солом'яної маси у 10 мл ферментного розчину). WO 2006/056838 описує процес розрідження та зцукрення біомас, що містять полісахариди, і які мають відносно високий вміст сухої речовини. В цьому процесі ферментативний гідроліз комбінується з типом змішування, який базується на гравітаційному принципі, який гарантує піддавання біомас механічним силам, перш за все, силам зрушення та тертя. Вищезгадані процеси є витратними завдяки своїм високим вимогам щодо сили зрушення та тривалості гідролізу вихідної сировини. Тому, є необхідність використовувати економічні проекти водночас з обробкою біомас, що мають високий вміст сухої речовини. 1 UA 109769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Короткий виклад Відомо, що целюлоза дуже погано розщеплюється до цукру. Зусилля, які робилися для того, щоб гідролізувати целюлозну біомасу, виявилися, в основному, неекономічними. Хоча для збільшення доступу целюлози до каталізаторів гідролізу, таких, як ферменти, можна обробляти потоки біомаси, що містять целюлозу, все ще дуже неефективно перетворювати целюлозу у основні цукри з точки зору тривалості та енергетичних витрат. Саме з цієї причини передуючі в цій області системи спочатку видаляли целюлозні компоненти та гідролізували крохмаль або окремі компоненти вільних цукрів. Ці системи називають першими генераційними процесами. Труднощі целюлозного гідролізу підтверджуються у нещодавніх патентах на спосіб застосування, про які згадується у розділі Передумови створення винаходу, і відповідно до яких целюлозні матеріали піддаються значним силам зрушення та потребують багато часу для розщеплення волокон. Цей опис винаходу розкриває процес гідролізу, який не потребує застосування сил зрушення і який гідролізує целюлозу у дуже короткий термін. Цей опис винаходу, отже, розкриває процес для гідролізу біомас з високим вмістом сухої речовини, включаючи стадії контактування біомас, що містять як суху речовину, так і воду, хоча з б часткою розчинника, що складається з водорозчинних гідролізованих сполук; де хоча б деякі з водорозчинних гідролізованих сполук такі ж, як і водорозчинні гідролізовані сполуки, які отримуються з гідролізу біомас, що підтримують контакт між сировиною та розчинником у присутності каталітичної композиції при температурі від 20 °C до 95 °C протягом періоду від 5 хвилин до 72 годин для створення гідролізованого продукту з біомаси. Цей опис винаходу показує, що процес для гідролізу біомас може також включати стадії: А) Дозування кількості біомас, що містять суху речовину та воду хоча б у первинному сировинному потоці та вторинному сировинному потоці, В) Створення первинного потоку розчинника шляхом гідролізування первинного сировинного потоку з додаванням каталізатора до первинного сировинного потоку, де кількість каталізатора варіюється у межах від 0,1 до 150 FPU/г сухої речовини у всіх сировинних потоках, та проведення гідролізу при температурі від 20 °C до 95 °C протягом часу від 5 хвилин до 8 годин, С) Контактування хоча б одного з сировинних потоків, який не є першим сировинним потоком з першим потоком розчинника та D) підтримання контакту між хоча б одним сировинним потоком, який не є першим сировинним потоком та першим потоком розчинника при температурі від 20 °C до 95 °C протягом періоду від 5 хвилин до 72 годин для створення гідролізованого продукту з біомаси. Також він показує, що хоча б частка каталітичної композиції має контактувати з сировиною до, безпосередньо під час, або після контактування сировини з розчинником. Також він показує, що відношення біомаси до води у сировині може бути більш, ніж 1:6, або більш, ніж 1:5, або більш, ніж 1:4, або більш, ніж 1:3, або більш, ніж 1:2,5, або більш, ніж 1:2, або більш, ніж 1:1,5, або більш, ніж 1:1, або більш, ніж 1:0,9. Він також показує, що кількість біомаси та води у сировині мають бути у діапазоні співвідношень від 1:4 до 9:1; від 1:3,9 до 9:1; від 1:3,5 до 9:1; від 1:3,25 до 9:1; від 1:3 до 9:1; від 1:2,9 до 9:1; від 1:2 до 9:1; від 1,15 до 9:1; від 1:1 до 9:1 та 1: 0,9 до 9:1. Він також показує, що відношення ваги розчинника, контактуючого з сировиною, до ваги сировини на момент контакту, може бути у одному з діапазонів від 1:99 до 99:1, від 10:90 до 90:10, від 20:80 до 90:10, від 30:70 до 90:10, від 40:60 до 90:10, від 50:50 до 90:10, та від 60:40 до 90:10. Він також показує, що каталізатор включає фермент, та фермент має здатність перетворити сполуку у біомасі на цукор або низькомолекулярний цукровий полімер. Також він показує, що фермент має здатність до гідролізації целюлози, переважно до глюкози. Він також показує, що процес може бути періодичним процесом, де каталітична композиція вводиться у сосуд до, одночасно з, або після введення сировини і сировина та розчинник підтримуються у сосуді у температурному діапазоні протягом часу, вага гідролізованого продукту, що видаляється з сосуду, по суті еквівалентна вазі сировини плюс каталітичної композиції, що вводиться, плюс вазі всіх інших матеріалів, відмінних від розчинника, який вводиться у сосуд. Процес має також містити другий потік розчинника із попередньо гідролізованої партії. Може бути здійснене видалення продукту або частина продукту може залишитися у сосуді. Він також показує, що процес може бути безперервним, де сировина хоча б одного з сировинних потоків, який не є першим сировинним потоком, та розчинник першого потоку розчинника, безперервно вводяться у сосуд, та гідролізований продукт безперервно видаляється з сосуду, де вага гідролізованого продукту, що видаляється протягом певного часу, 2 UA 109769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 еквівалентна вазі сировини плюс каталітичної композиції, плюс вазі всіх інших матеріалів, відмінних від розчинника, який вводиться у сосуд протягом певного часу. Він також показує, що процес може мати стадію попереднього змішування, що базується на рециркуляційній лінії потоку розчинника продукту, де частка розчинника змішується хоча б з часткою сировини до введення у сосуд, та всі відношення розчинника до сировини базуються на загальній кількості розчинника, яка є кількістю розчинника у сосуді плюс кількість будь-якого розчинника, змішаного хоча б з часткою сировинного потоку. Він також показує, що сухі речовини відділяються від гідролізованого потоку, та сухі речовини у деяких випадках рециркулюють у гідролізний сосуд. Він також показує, що сухі речовини можуть також очищатися перед додаванням до гідролізного сосуду або взагалі не додаватися до гідролізного сосуду. Короткий опис фігур - Фіг. 1 - схема безперервного гідролізного процесу. - Фіг. 2 - схема безперервного гідролізного процесу з рециркуляційною лінією. - Фіг. 3 - схема безперервного процесу потоку витіснення. - Фіг. 4 - схема періодичного гідролізного процесу. - Фіг. 5 - схема одного з варіантів виконання удосконаленого процесу, яка показує обробку з використанням додаткового каталізатора. - На Фіг. 6 зображено тип апарату, який використовується для проведення експериментів. - Фіг. 7 - схема безперервного гідролізного процесу з відділенням твердих часток у гідролізному продукті. Детальний опис Цей процес використовує відкриття відносно того, що ферментний гідроліз целюлози може проходити дуже швидко і таким чином уникаючи у деяких випадках зусиль зрушення та надлишку води, коли гідроліз виконується у присутності значної кількості продуктів, вже гідролізованих з біомаси. Тим самим спеціаліст-практик може уникнути використання спеціальних мішалок та великих витрат на змішування, які описані у попередніх пропозиціях у цій сфері. Процес починається з відбору сировини. Сировина складається з біомаси, яка має суху речовину та воду. Як правило, вода не знаходиться у вільному стані, а вона поглинається самою біомасою. Ця біомаса часто виражається відповідно до вмісту її сухої речовини (безводної). Біомаса з 20 %-м вмістом сухої речовини відповідає біомасі, яка має 80 % води і 20 % безводної речовини, або іншими словами сухої речовини. Термін біомаса і вода - це вміст сухої речовини у біомасі плюс поглинена та вільна вода, яка має бути додана. Наприклад, кількість біомаси плюс води для 100 кг біомаси с 20 %-м вмістом сухої речовини плюс 10 кг води - це 110 кг. Вважається, що описуваний процес здатний використовувати сировину біомаси і воду, де відношення вмісту сухої речовини до вмісту води, складає переважно від 15 до 80 %, від 20 до 80 %, або від 21 до 80 %, переважно від 25 до 70 %, або від 26 до 70 %, більш переважно, від 25 до60 %, або від 25 до 60 %, ще більш переважно від 25 до 50 %, або від 26 до 50 %, або від 25 до 40 %, або від 26 до 40 %, і найбільш переважно, від 25 до 35:, або від 26 до 35 %, або від 26 до 34 %, або від 31 % до 49 %. З другого боку, це можна виразити як мінімальний вміст сухої речовини, тобто, вага сухої речовини у відсотках відносно води у сировині. Це має відповідати щонайменше 18 ваговим відсоткам вмісту сухої речовини, переважно, щонайменше 21 або 21 ваговим відсоткам вмісту сухої речовини, переважно щонайменше 25 ваговим відсоткам вмісту сухої речовини, більш переважно, щонайменше 30 ваговим відсоткам вмісту сухої речовини, та найбільш переважно, щонайменше 40 ваговим відсоткам вмісту сухої речовини. Верхня межа вмісту сухої речовини, за визначенням, складає 100 %, але на практиці, верхня межа має складати 80 %, якщо вміст виражається у діапазонах. Описуваний тут процес, як вважається, здатний обробляти майже 100 % сухої речовини. Безумовно, признається, що для гідролізної реакції необхідна деяка кількість води. Отже, діапазони, що підходять для цього винаходу, це біомаси, які мають нижню межу вмісту сухої речовини більш, ніж 18 %,20 %, 21 %, 25 %, 26 %, 30 %, 31 %, 35 %, 36 %, 40 %, 50 %, 60 % і 80 %, при верхній межі 80 %, 90 %. Переважне розподілення розмірів волокон та часток у біомасі може включати діапазони 0150 мм, переважно, 5-125 мм, більш переважно, 10-100 мм, ще більш переважно, від 15-30 до 90 мм або 20-80 мм і найбільш переважно, від 26 до 70 мм. Переважне розподілення розмірів волокон та часток визначається щонайменше як 20 % (по вазі) біомаси, що варіюється у переважному інтервалі. 3 UA 109769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Перевага цього процесу полягає у тому, що він може проводитися без додавання неорганічної кислоти, відібраною переважно з групи, яка складається з сірчаної кислоти, соляної кислоти, фосфорної кислоти, та їм подібних, або їх сумішей або без лігнінових розчинювальних органічних розчинників, таких, що відбираються з групи, яка складається з вуглецю, кетонів, та ацетону, які складаються з 2-6 атомів вуглецю, або їх сумішей, метанолу, етанолу. Інша перевага полягає в тому, що ця реакція може бути здійснена при атмосферному тискові. З другого боку, вважається, що температура може бути підвищена таким чином, щоб реакція могла б здійснюватися у присутності ферментів, або без них при тискові, пов'язаному з температурою у діапазоні від 100 °C до 200 °C. Переважною сировиною є рослинна біомаса. Окрім крохмалю у рослинній біомасі є три основних складових - це целюлоза, геміцелюлоза та лігнін, які зазвичай мають загальний термін лігноцелюлоза. Біомаса, що містить полісахариди - це загальний термін, який включає як крохмаль, так і лігноцелюлозну біомасу. Тому, деякі типи сировини можуть включати рослинні біомаси, біомаси, що містять полісахариди, та лігноцелюлозні біомаси. Для уточнення, у цьому опису винаходу лігноцелюлозна біомаса може або не може містити крохмаль. Цей процес головним чином спрямований на другу генерацію гідролізної продукції, де лігноцелюлозна сировина містить більш, ніж 5 % по вазі сухої речовини целюлози. Хоча 5 %, по вазі, сухої речовини є переважною кількістю, ще більш переважною кількістю є целюлозний вміст, перевищуючий 10 %, по вазі, сухої речовини сировини, і найбільш переважною кількістю є вміст сухої речовини у сировині, перевищуючий щонайменше 15 % по вазі. При цьому, сировина може не містити крохмалю, в основному не містити крохмалю, або мати вміст крохмалю, що дорівнює 0. Крохмаль, якщо він присутній, може складати не менш, ніж 75 %, по вазі, сухої речовини. Не існує переважних діапазонів крохмалю, тому що його присутність, як вважається, не впливає на гідроліз целюлози. Якщо крохмаль присутній, діапазонами для його кількості є 0-75 %, по вазі, сухої речовини, 0-30 %, по вазі, сухої речовини, та 0-25 %, по вазі, сухої речовини. Попередня обробка часто використовується для забезпечення того, щоб структура лігноцелюлозного вмісту була більш доступною для каталізаторів, таких, як ферменти, і водночас, щоб концентрації шкідливих блокуючи побічних продуктів, таких, як оцтова кислота, фурфурол, та гидроксиметіл фурфурол залишалися б низькими. Є декілька стратегій для досягнення більшої доступності, більшість з котрих можуть ще бути у стадії винаходу. Сучасні стратегії означають такі процеси, коли лігноцелюлозний матеріал піддається температурам у діапазоні 110-250 °C протягом 1-60 хвилин, наприклад: Видалення гарячої води Багатоступінчастий гідроліз розбавленою кислотою, який видаляє розчинений матеріал перед формуванням блокуючих речовин. Гідроліз розбавленою кислотою при відносно нежорстких умовах. Оксидування в лужному середовищі в атмосфері вологого кисню Паровий вибух Практично кожна попередня обробка з подальшою детоксикацією. Якщо вибирається попередня гідротермічна обробка, наступні умови стають переважними: Температура при попередній обробці: 110-250 °C, переважно 120-240 °C, більш переважно 130-230 °C, більш переважно 140-220 °C, більш переважно 150-210 °C, більш переважно 160200 °C, ще більш переважно 170-200 °C, або найбільш більш переважно 180-200 °C. Час попередньої обробки: 1-60 хвилин, переважно 2-55 хвилин, більш переважно 3-50 хвилин, більш переважно 4-45 хвилин, більш переважно 5-40 хвилин, більш переважно 5-35 хвилин, більш переважно 5-30 хвилин, більш переважно 5-25 хвилин, більш переважно 5-20 хвилин, та найбільш переважно 5-15 хвилин. Вміст сухої речовини після попередньої обробки щонайменше 20 % (по вазі). Інші переважні більш високі межі розглядаються нижче. Біомаси, що містять полісахариди, відповідно до даного винаходу, включають будь-який матеріал, що містить полімерні цукри, наприклад, у формі як крохмалю, так і рафінованого крохмалю, целюлози та геміцелюлози. Однак, як обговорювалось вище, крохмаль не є основним компонентом. Релевантні типи біомас для гідролізу та змішування відповідно до даного винаходу, можуть включати біомаси, отримані з сільськогосподарських культур, таких, наприклад, що містять зернові культури, солому, вижимки, солому, наприклад, з рису, пшениці, жита, вівса, ячменю, рапсу, сорго звичайного; бульби, наприклад буряк, картопля. Сировина у вигляді лігно-целюлозної біомаси отримується переважно із сімейства, яке 4 UA 109769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 зазвичай називається травами. Власна назва- це сімейство, відоме як Тонконогові (Poaceae) або Злакові (Gramineae) в класі Однодільних (Liliopsida) (монокотів) квіткових рослин. Рослини цього сімейства зазвичай називаються травами, та включають бамбук. Існує близько 600 родів та приблизно від 9000 до 10000 або більше різновидів трав (Індекс Кью Світових різновидів трав). Тонконогові включають основні харчові волокна та зернові культури, які вирощуються по всьому світу, газонні та фуражні трави, та бамбук. Тонконогові мають в основному порожні стебла, які називаються соломиною, які усіяні так званими вузлами, розміщеними вздовж всій соломини, і з яких виникають листя. Трав'яні листя зазвичай бувають такими, що чергуються, дворядні (у одній площині) або рідше спіральні, та з паралельним жилкуванням. Кожен лист відокремлений у нижній піхві листка, яка охоплює стебло на відстані, та у листовій пластинці з краями, зазвичай суцільними. Листові пластинки більшості трав становляться отверділими із-за силікатних фітолітів, що допомагає відвертати пасовищних тварин. У деяких травах (таких, як очерет американський) цей ефект спричиняють краї трав'яних пластинок, які є достатньо гострими, щоб порізати шкіру людини. Плівчастий виріз або язичок, який називається лігула, знаходиться у місці переходу листкової пластинки в піхву, перешкоджаючи воді або комахам проникати у піхву. Трав'яні пластинки ростуть з основи, а не з подовжених верхівок стебел. Це низько розташоване місце росту еволюціонувало як реакція на пасовищних тварин і дозволяло використовувати трави як пасовища або скошувати їх регулярно без серйозної шкоди для рослин. Квітки Poaceae характерним чином розташовані у колосках, при цьому кожен колосок містить один або більше окремих маленьких квіточок (колоски окрім цього групуються у мітелки або колоси). Колоски складаються з двох (або іноді декількох) приквітків в основі, які називаються колосковою лускою, за яким слідують одна або дві квіточки. Квіточка складається з квітки, оточеної двома приквітками, які називаються нижньою квітковою лускою (зовнішня) та верхньою квітковою лускою (внутрішня). Квітки зазвичай двостатеві (кукурудза - обох статей, є виключенням) та їх опилення майже завжди відбувається шляхом вітрозапилювання. Оцвітина зменшуються до двох лусочок, які називаються лодикулами (маленька плівка), які розростаються та ущільнюються для того, щоб охопити нижню квіткову луску та верхню квіткову луску; вони в основному трансформуються до видозмінених чашолистків. Ця складна структура може бути побачена на зображенні зліва, на якому представлене графічне зображення пшеничного (Triticum aestivum) колоса. Плід Poaceae - це зернівка, у якій оболонка сім'я злита зі стінкою плоду і тому не відділяється від неї (як у кукурудзяному зерні). Існують три основних класифікації характеристики росту, які присутні у трав; пучкового типу (інша назва - дернові), трави, що дають підземні пагони, та кореневищного типу. Успішне існування трав криється частково у їх морфології та процесах зростання, та частково, у їх фізіологічній різноманітності. Більшість трав діляться на дві фізіологічні групи, у яких використовуються фотосинтетичні шляхи С3 та С4 для засвоєння вуглецю. Трави С4 мають фотосинтетичний шлях, зв'язаний з кранц-анатомією листя, яка, зокрема, адаптує їх до жаркого клімату та атмосфери з недостатнім вмістом вуглекислого газу. Трави С3 також називаються "травами холодного сезону", тоді, як рослини С4 вважаються "травами жаркого сезону". Трави можуть бути як однорічними, так і багаторічними. Прикладами однорічних холодно-сезонних трав можуть слугувати пшениця, жито, мятлик однорічний (мятлик луговий однорічний, Poa annua, та овес). Прикладами многолітніх холодно-сезонних трав можуть слугувати єжа збірна (єжа збірна Dactylis glomerata), овсяниця (Festuca spp), мятлик луговий (Poa pratensis) та райграсс пасовищний (Lolium perenne). Прикладами многолітніх жарко-сезонних трав можуть слугувати бородач, айра голуба, свинорий пальчастий та просо лозиноподібне. Одна класифікація сімейства трав признає дванадцять субсімейств: 1) anomochlooideae, нечисленне сімейство широколистих трав, що включає два роди (Anomochloa, Streptochaeta); 2) Pharoideae, нечисленне сімейство трав, що включає три роди, включаючи Pharus та Leptaspis; 3) Puelioideae, нечисленне сімейство трав, що включає африканський клас Puelia; 4) Pooideae, який включає пшеницю, ячмінь, овес, костер (Bromus) та війник очеретоподібний (Calamagrostis arundinacea); 5) Bambusoideae, який включає бамбук; 6) Ehrhartoideae, який включає рис та дикий рис; 7) Arundinoideae, який включає арундо очеретяний і очерет звичайний; 8) Centothecoideae, нечисленне субсімейство з 11 родів, яке іноді входить у Panicoideae; 9) Chloridoideae, що включає польовичку (Eragrosti, приблизно 350 різновидів, включаючи тефф, польовичку абіссінську), спороболус (Sporobolus, близько 160 різновидів), елевзине (Eleusine coracana) (L.) Gaertn.), та мюленбергія (Muhlenbergia, приблизно 175 різновидів); 10) 5 UA 109769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Panicoideae, що включає просо, кукурудзу, сорго, цукровий очерет, більшість видів пшона, пшоно фоніо та бородач. 11) Micrairoideae; 12) Danthoniodieae, що включає пампасну траву; також Poa, що є класом, який включає близько 500 різновидів трав, які почуваються природно у температурних зонах обох півкуль. Сільськогосподарські трави, які вирощуються з метою споживання їх насіння, називаються зерновими. Найбільш широковідомими зерновими культурами є рис, пшениця та кукурудза. Серед усіх сільськогосподарських культур, 70 % складають трави. Цукровий очерет є основним джерелом для цукрового виробництва. Трави використовуються для будівництва. Будівельні ліси, зроблені з бамбука, здатні витримати силу тайфунів, які могли б зруйнувати сталеві будівельні ліси. Бамбукові більших розмірів та арундо донакс мають міцні стебла, які можуть використовуватися у якості лісоматеріалу, а корні трави зміцнюють дерен дернових будинків. Арундо використовується для виготовлення язичків для дерев'яних духових інструментів, і бамбук використовується для незліченної кількості приладь. Тому, переважна лігноцелюлозна біомаса відбирається з групи, яка складається з трав. Іншими словами, переважна лігноцелюлозна біомаса відбирається з групи, яка складається з рослин, що належать до Poaceae або сімейства злакових. У більшості випадків крохмаль не повинен екстрагуватися. Таким чином, інша переважна лігноцелюлозна біомаса, це така, що відбирається з групи, яка складається з трав, з яких не повинен екстрагуватися крохмаль. Іншими словами, переважна лігноцелюлозна біомаса відбирається з групи, яка складається з рослин, що належать до Poaceae або сімейства злакових, у яких не треба екстрагувати крохмаль. Екстрагування відрізняється від видалення. Драцена духмяна має колос та солому. З видаленням колоса видаляється крохмальний компонент, але це не є екстрагуванням крохмалю. Екстрагування крохмалю - це відділення крохмалю від целюлозної крохмальної маси за допомогою хімічного чи фізичного процесу, який відрізняється від різання або подрібнення. Лігноцелюлозна біомаса перед обробкою має різатися на шматочки, де 20 % (по вазі) біомаси має розмір цих шматочків переважно у межах 26-70 мм. Попередньо оброблений матеріал має переважно вміст сухої речовини, який перевищує 20 % перед входом у процес. Окрім вивільнення вуглеводних з біомаси, процес попередньої обробки стерилізує та частково розчиняє біомасу і водночас промиває хлорид калію від фракції лігніна. Біомаса повинна містити деякі сполуки, які можуть гідролізуватися у водорозчинні сполуки, що отримуються з гідролізу біомаси. У випадку водорозчинних гідролізованих сполук целюлози, целюлоза може бути гідролізована у глюкозу, целобіозу, та вищі полімери глюкози, і включає дімери та олігомери. Таким чином, деякі з водорозчинних гідролізованих сполук целюлози є глюкозою, целобіозою, і вищими полімерами глюкози і включають свої відповідні дімери та олігомери. Целюлоза гідролізується у глюкозу карбогідролітичними целюлазами. Таким чином, карбогідролітичні целюлази є прикладами каталізаторів для гідролізу целюлози. Широко розповсюджене розуміння целюлолітичної системи припускає ділення целюлази на три класи; ексо- 1,4-β-D- глюканази або целобіогідролази (CBH) (EC 3.2.1.91), які відщеплюють целобіозні фрагменти з кінців целюлозних ланцюгів; ендо- 1,4-β-D- глюканази (EG) (EC 3.2.1.4), які довільно гідролізують внутрішні β-1,4- глюкозідні зв'язки у целюлозному ланцюзі; 1,4-β-Dглюкозидази (EC 3.2.1.21), які гідролізують целобіозу до глюкози і також розщеплює глюкозні фрагменти із целолігосахаридів. Якщо біомаса містить целюлозу, то глюкоза є водорозчинною гідролізованою. Отже, сполуки, отримані з гідролізу біомаси та вищезгаданих целюлаз є специфічними прикладами каталізаторів для гідролізу целюлози, як і ті, що згадувались в експериментальному розділі. У подібному аналізі, продукти гідролізу геміцелюлози є водорозчинними сполуками, отриманими з гідролізу біомаси, безумовно, при припущенні, що біомаса містить гемоцелюлозу. Гемоцелюлоза включає ксилан, глюкуроноксилан, арабіноксилан, глюкоманан та ксилоглюкан. Різні цукри у гемоцелюлозі вивільняються за допомогою геміцелюлаз. Геміцелулітична система більш складна, ніж целулолітична система завдяки різнорідній природі геміцелюлози. Системи можуть включати, серед інших, ендо- 1,4-β-D- ксиланази (EC 3.2.1.8), які гідролізують внутрішні зв'язки у ксилановому ланцюзі; 1,4-β-D- ксилозідази (EC 3.2.1.37), які атакують ксилоолігосахариди з нескороченого кінця, та вивільняють ксилозу; ендо- 1,4-β-D-мананази (EC 3.2.1.78), які розщеплюють внутрішні зв'язки; 1,4-β-D- манозідази (EC 3.2.1.25), які розщеплюють маноолігосахариди до манози. Бокові групи видаляються за допомогою ряду ферментів, таких, як: α-D-галастозідази (EC 3.2.1.22), α-L- арабінофуранозидази (EC 3.2.1.55), α-D-глюкуронідази (EC 3.2.1.139), цінамоіл естерази (EC 3.1.1), ацетил ксилан естерази (EC 3.1.1.6) та ферулойл естерази (EC 3.1.1.73). Отже, якщо біомаса містить геміцелюлозу, то ксилоза та маноза є прикладами водорозчинних гідролізованих сполук, отримуваних з гідролізу геміцелюлози, яка містить біомасу, а вищезгадані геміцелалази є характерними прикладами каталізаторів для 6 UA 109769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 гідролізу геміцелюлози, як і ті, що згадуються у експериментальному розділі У процес також включений каталітичний склад. Каталітичний склад складається з каталізатора, середовища-носія та інших добавок/інгредієнтів, які використовуються для введення каталізатора у процес. Як обговорювалося вище, каталізатор може складатися щонайменше з одного ферменту або мікроорганізму, який перетворює щонайменше одну із сполук у біомасі до сполуки чи сполук меншої молекулярної ваги, ажо до, та включаючи, початковий цукор чи вуглець, які використовуються для створення сполуки у біомасі. Ферменти, які здатні це робити для різних полісахаридів, таких, як целюлоза, геміцелюлоза та крохмаль, добре відомі у цій галузі, і вони можуть включати ферменти, які ще не винайдені. Каталітичний склад може також включати неорганічну кислоту, відібрану переважно з групи, яка складається з сірчаної кислоти, соляної кислоти, фосфорної кислоти та подібних їм, або з їх сумішей. Неорганічна кислота, як вважається, є корисною для обробки при температурі більш, ніж 100 °C. Процес також може проходити, зокрема, без додавання неорганічної кислоти. Зазвичай прийнято до процесу додавати каталізатор з середовищем-носієм, такою, як вода або матеріали на органічній основі. З метою балансу мас, термін каталітичний склад, отже, включає каталізатор(и) плюс середовище-носій(ї), яка використовується для додавання каталізатора(ів) до процесу. Якщо рН буфер додавати до каталізатора, то це є теж частиною каталітичного складу. Часто лігно-целюлозні біомаси будуть містити крохмаль. Найбільш важливими ферментами для використання у гідролізі крохмалю є альфа-амілази (1,4-α-D- глюкан глюканогідролази, (EC 3.2.1.1)). Вони є ендо-діючими гідролазами, які розщеплюють 1,4-α-D-глюкозідні зв'язки, та можуть обійти, але не гідролізувати точки галуження 1,6-α-D-глюкозидів. Однак, для гідролізу крохмалю можуть бути використані також ексо-діючі глюкоамілази, такі, як бета-амілаза (EC 3.2.1.2) та пуллуланаза (EC 3.2.1.41). Результатом гідролізу є перш за все глюкоза, мальтоза, αдекстрін та змінні кількості олігосахаридів. Коли для ферментації використовується гідролізат на основі крохмалю, вигідніше додавати протеолітичні ферменти. Такі ферменти можуть запобігати флокуляції мікроорганізмів та можуть генерувати амінокислоти, доступні для мікроорганізмів. Тому, якщо біомаса містить крохмаль, то глюкоза, мальтоза, мальтотріоза, αдекстрін, та олігосахариди є прикладами водорозчинних сполук, отримуваних з гідролізу біомаси, яка містить крохмаль, а характерними прикладами каталізаторів для гідролізу крохмалю є вищезгадані альфа-амілази, як і ті, що згадуються у експериментальному розділі. Хоча гідроліз може використовувати процеси контакту розчинників, зображений на фігурах 1-4, а переважне втілення з удосконаленою ефективністю та швидкістю гідролізу може бути суттєво вдосконалено при використанні свіжих каталізаторів. Вважається, що з часом, частина каталітичного складу у варіантах виконання 1,2,3 та 4 буде руйнуватися. Процес, запропонований на Фіг. 5, розкладає, або пропорційно розподіляє біомасу 3, потік 1а щонайменше на два потоки, причому перший сировинний потік 1а гідролізується у сосуді 15 з додатковою кількістю каталізатора, що вводиться у каталітичний склад за допомогою потоку 2, у деяких випадках без використання процесу розчинення. Після гідролізації першого сировинного потоку 1а у присутності додаткового каталізатора у потоці 2, гідролізований продукт 4, відомий як розчинник першого потоку розчинника, видаляється з сосуду 15. Перший потік розчинника, 4, далі комбінується з, щонайменше, частиною сировини, що залишається у сировинному потоці 1 b, а процес гідролізу розчинника починається з сосуду 16. Сосуд 16 може відповідати будьякому з сосудів 10 на Фіг. 1, сосуду 10 або 11 на Фіг. 2, сосуду 12 на Фіг.3, та сосуду 13 на Фіг. 4. Гідролізат 6 видаляється з сосуду як потік 5. Кількість каталізатора, необхідна для обробки першого сировинного потоку, залежить у великій мірі від обраного типу біомаси у сировині та каталізатора або фермента(ів). Отже, найкраща кількість каталізатора базується на кількості, необхідної для гідролізу 100 % компонентів у даній вазі біомаси, які здатні до гідролізування. Кількість каталізатора, необхідна для першого сировинного потоку, знаходиться у діапазоні від мінімальної кількості каталізатора, необхідної для гідролізу 100 % першого сировинного потоку, до подвоєної кількості, необхідної для гідролізу 100 % всіх сировинних потоків. Це може також бути виражено у Одиницях Фільтрувального Паперу (FPU)/г сухої речовини. FPU вимірюється та визначається відповідно до NREL лабораторії аналітичних процедур (Технічний звіт NREL/TP-510-42628, січень 2008). Цей метод використовує промисловий стандарт і вимірює активність целюлози у "одиницях фільтрувального паперу" (FPU) на міліметр початкового (нерозведеного) ферментного розчину. Для кількісних результатів ферментні препарати повинні порівнюватися з урахуванням того, що перетворення мають бути значними і однаковими для всіх препаратів. Одна одиниця фільтрувального паперу для даного ферменту - це кількість ферменту, яка необхідна для вивільнення 2,0 мг редукуючого цукру у 7 UA 109769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 вигляді глюкози з 50 мг фільтрувального паперу з фільтруючої стрічки ватмана №1 (4 %-е перетворення) протягом 60 хвилин при 50 °C, і яка має визначатися, як відрізок для підрахунку целюлози у одиницях фільтрувального паперу (FPU) відповідно до положень Міжнародного союзу теоретичної та прикладної хімії (IUPAC). Каталітична активність для будь-якого процесу повинна у принципі забезпечуватися у будь-якій можливій формі, включаючи додавання мікроорганізмів, які підвищують ферментативну активність відповідно до 0,001-150 FPU/г сухої речовини, переважно до 0,001-25 FPU/г сухої речовини, переважно до 0,01-20 FPU/г сухої речовини, більш переважно до 0,2-16 FPU/г сухої речовини, більш переважно до 2-30 FPU/г сухої речовини та найбільш переважно від 4 до 25 FPU/г сухої речовини. На етапі гідролізу на Фіг. 5 (сосуд 15) кількість каталізатора або ферменту, який додається до першого сировинного потоку, знаходиться у діапазоні 0,001-150 FPU/г сухої речовини всіх сировинних потоків, переважно у діапазоні 0,001-15 FPU/г сухої речовини всіх сировинних потоків, переважно, у діапазоні 0,01-30 FPU/г сухої речовини всіх сировинних потоків, більш переважно, 0,1-30 FPU/г сухої речовини всіх сировинних потоків, більш переважно, у діапазоні 1-25 FPU/г сухої речовини всіх сировинних потоків, і найбільш переважно у діапазоні величин, менших, ніж 20 FPU/г сухої речовини всіх сировинних потоків, але більших, ніж 0,1 FPU/г сухої речовини всіх сировинних потоків. Хоча аналіз FPU добре відомий, у цьому випадку необхідно ділити кількість каталізатора на кількість всієї сировини і потім визначати, чи знаходиться FPU цієї концентрації у межах діапазону. З другого боку, якщо FPU каталітичної концентрації відоме, необхідно додати достатню кількість каталізатора для досягнення необхідного FPU для даної кількості сировини. Після гідролізації першого сировинного потоку з каталізатором гідролізований матеріал стає відомим як перший потік розчинника. Другим потоком розчинника має стати розріджений гідролізований матеріал всіх сировинних потоків і має включати перший потік розчинника плюс гідролізовані матеріали, які не є першим сировинним потоком. Термін всі потоки розчинника повинен включати всі розріджені потоки, які використовуються як розчинник і які вступають у контакт з біомасою, яка не прореагувала. Перший потік розчинника, що описаний нижче, може далі використовуватися як розчинник для гідролізу сировинних потоків, що залишилися. Потоки, що залишилися, можуть далі вводитися у гідролізний сосуд перед, після, або під час введення першого потоку розчинника у сосуд. Процеси 1,2,3 та 4 якраз є деякими типами процесів, які могли б використовуватися для гідролізу сировинних потоків, що залишилися (тих потоків, які не є першим сировинним потоком). Вважається, що каталізатор, який використовувався у першому потоку розчинника, і лише один раз, та з надлишком, покращує гідроліз потоків, що залишилися, тому що сировинні потоки, що залишилися, у подальшому контактують з більш свіжими каталізаторами, ніж з тими, що мають бути використані у процесі, показаному на фігурах 1-4 без попередньої стадії процесу, показаного на Фіг. 5. Як показано у експерименті № 5, сировина була розділена на дві частини, при цьому перша частина оброблялася такою кількістю каталізатора, яка мала б використовуватися для обробки двох частин разом. Для всіх процесів спільним є контроль рН при оптимальних умовах для ферментативної каталітичної активності у діапазоні 3-12, такому, як 5-10, такому, як 6-9, такому, як 7-8, і переважно 4-11. Зважаючи на високий вміст сухої речовини, для гідролізу у сосуді 15 може знадобитися спеціальний реактор. Вважається, що відповідний реактор можна знайти у WO 2006/056838, де він є об'єктом указаного винаходу. Процес також використовує розчинник з потоку розчинника. Кажучи звичною мовою, склад розчинника, який виключає водонерозчинні матеріали, є таким, що має бути подібним, якщо не точно таким же, як склад продукту після гідролізу біомаси. У більшості випадків розчинник повинен містити гідролізат, який отримується з біомаси сировини після гідролізу, і включає ферменти, буфери і все, що додається до реакції гідролізу. При тому, що розчинник є гідролізованою біомасою, розчинник додається до сировини, а не створюється з сировини. Наприклад, на Фіг. 4, періодичному процесі, кількість матеріалу типу розчинника буде збільшуватися з часом по мірі гідролізації сировини, і хоча це приведе до з'єднування розчинників, ця кількість не вважається частиною розчинника, який має враховуватися для розрахунку відношень розчинника до сировини, яка у випадку Фіг. 4 розраховується для випадку, коли сировина поступає у сосуд і контактує з розчинником. На практиці, розчинник для потоку розчинника буде в основному поступати з попередньо гідролізованої біомаси. Якщо, наприклад розділити гідролізат від ферментів, буферів, нерозчинних домішок, і т.п., то гідролізат буде розчинником. Потік розчинника повинен містити 8 UA 109769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 водорозчинні гідролізовані сполуки, де щонайменше декілька водорозчинних гідролізованих сполук є такими ж як водорозчинні гідролізовані сполуки, що отримуються або можуть отримуватися, з гідролізу біомаси сировини. Наприклад, переважний режим роботи періодичного процесу Фіг. 4 полягає в тому, щоб зберігати частину партії у сосуді для використовування як розчинника для подальшого завантаження. У безперервному процесі, такому, як хімічний реактор з мішалкою безперервної дії (CSTR), розчинник постійно є доступним. Добре відомо, що у реактора безперервної дії сировина і каталізатор безперервно вводяться у сосуд і продукт безперервно видаляється. Однак, безперервно не завжди означає без пусків та зупинок, наприклад, постійне капання вважається безперервною подачею, але все ж таки, це не є повністю безперервна подача, тому що є моменти, коли подача переривається. Отже, в контексті реактора безперервної дії, фраза безперервний означає, що і подача і продукти можуть з часом вводитися або виводитися з перервами і не повинні подаватися і видалятися одночасно. Як описано у експериментальному розділі, коли біомаса з високим вмістом сухої речовини розміщується у частині розчинника, розчинення і гідроліз проходять дуже швидко, фактично, це можна бачити. Потік розчинника і розчинник, тому, включають воду і водорозчинні гідролізовані сполуки. Щонайменше деякі, якщо не всі, з водорозчинних гідролізованих сполук, є такими ж, як і водорозчинні гідролізовані сполуки, які отримуються з гідролізу біомаси у сировинному складі. З огляду на те, що розчинник містить нерозчинені сполуки, які можна назвати дисперсними сухими речовинами, з метою балансу мас, якщо спеціально не буде вилучено одного з компонентів, термін розчинник і потік розчинника має охоплювати загальну кількість матеріалу, як у суміші, так і у масі, і включати водорозчинні сполуки і водонерозчинні сполуки, каталізатор, середовища-носії, рН буфери, суміші для регулювання рН, такі, як кислоти, або луги, які додаються протягом реакції, і інші суміші, які присутні у розчиннику. Процес включає момент контакту, який визначається моментом, коли сировина та розчинник вводяться разом. У періодичному процесі, показаному на фігурі 4, цей момент контакту виникає тоді, коли сировинний потік 3 вводиться у сосуд 13 через лінію 1 і контактує з потоком розчинника 4 на дні сосуду. Момент додавання каталітичного складу відносно контакту не є критичним. Він може додаватися одночасно в момент контакту сировини з розчинником, або він може додаватися після моменту контакту сировини з розчинником. Він також може додаватися до потоку розчинника перед додаванням сировинного потоку до потоку розчинника. Він може також бути пропорційно розподіленим та додаватися протягом будь-якої комбінації трьох стадій відносно моменту контакту. Кількість каталізатора, який має додаватися, легко встановити з даних цієї галузі, і який додається з розрахунку кількості каталізатора на кількість сухої речовини у біомасі, яка залежить від складу біомаси. Відповідно до процесу, сировина, розчинник та каталітичний склад та інші матеріали, такі, як рН буфер та кислоти/луги, які використовуються для регулювання рН на протязі всієї реакції, слід підтримувати переважно при температурі в діапазоні від 20 °C до 100 °C і більш переважно в діапазоні від 20 °C до 99 °C, причому діапазон від 20 °C до 95 °C є найбільш переважним. Ця температура визначається виходячи з найкращої температури для каталізованих реакцій, таких, наприклад, як гідроліз матеріалів біомаси для отримання сполук з більш низькою молекулярною масою, наприклад, гідролізатів. Також вважається можливим, що тиск грає певну роль, і що реакція може проходити з, або без, ферментів або кислотних каталізаторів під тиском, зв'язаним з температурою у діапазоні від 100 °C до 200 °C. Тому, вважається, що найбільший робочий діапазон для процесу - від 100 °C до 200 °C. Переваги цього процесу полягають у тому, що він може проводитися без додавання неорганічної кислоти, відібраної з групи, яка включає сірчану кислоту, соляну кислоту, ортофосфорну кислоту, та їм подібні, або їх суміші, або без додавання органічних розчинників, що розчиняють лігнін, таких, що відібрані з групи, що включає вуглець, цетони та ацетони, які мають від 2 до 6 атомів вуглецю, та їх суміші, метанол, етанол. Реакція триває до тих пір, поки не буде досягнута бажана кінцева точка. Цей період часу відомий як час резидентності або тривалість реакції. Хоча період від 5 хвилин до 8 годин може бути переважним, інші переважні періоди - це від 5 хвилин до 16 годин, від 5 хвилин до 24 годин, від 5 хвилин до 36 годин, від 5 хвилин до 48 годин, від 5 хвилин до 60 годин і від 5 хвилин до 72 годин. 9 UA 109769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Тривалість реакції може охоплювати певний діапазон величин. Наприклад, тривалість реакції може бути більшою, ніж 8 годин та меншою, ніж 72 години, що є переважним діапазоном, більшою, ніж 8 годин та меншою, ніж 60 годин, що є іншим переважним діапазоном, більшою, ніж 8 годин та меншою, ніж 48 годин, що є іншим переважним діапазоном, більшою, ніж 8 годин та меншою, ніж 36 годин, що є іншим переважним діапазоном, і більшою, ніж 8 годин та меншою, ніж 24 години, що є іншим переважним діапазоном. Тривалість реакції може також встановлюватись функціональним способом, як час, який необхідний для досягнення бажаної кінцевої точки. У цьому випадку бажана кінцева точка виражається як відсоток біомаси, доступної для гідролізу. Наприклад, якщо 100 кг сировини біомаси має 80 кг біомаси, доступної для гідролізу, бажана кінцева точка досягається переважно тоді, коли гідролізується 45 % біомаси, доступної для гідролізу, або більш переважно тоді, коли гідролізується 55 % біомаси, доступної для гідролізу, або ще більш переважно тоді, коли гідролізується 65 % біомаси, доступної для гідролізу. Після завершення реакції бажаної тривалості, отриманий гідролізований продукт (гідролізат) може бути видалений з сосуду та подальшої обробки. У періодичному процесі, показаному на Фіг. 4, кількість гідролізованого продукту 6 видаляється з дна сосуду та поміщається у другий сосуд 14 для подальшої обробки. Кількість, видалена з сосуду 13, в основному, така ж сама, як і кількість матеріалів, введених у сосуд, таким чином залишаючи розчинник у першому сосуді для контакту вже з іншою партією сировини та каталітичного складу. Однак, у одному з варіантів виконання, сосуд 13 може бути повністю пустим, а сировина і розчинник додаватися до сосуду одночасно або приблизно одночасно. Як показано на Фіг. 4, сировинний потік 3, який складається з біомаси та води, поставляється через лінію подачі 1 до реакційного апарату з мішалкою періодичної дії 13. Каталітичний склад, який містить каталізатор(и), поставляється до реактора через лінію подачі 2. Сировина та каталітичний склад у фазі 3 контактує з 4-ю фазою розчинника та поступово гідролізуються. Хоча показані три відмінні фази, фактично по всьому сосуду вони будуть присутніми у вигляді суміші фаз. Після бажаної кількості часу, або резидентного часу, або тривалості реакції, рідкий гідролізат, або продукт гідролізу або гідролізний продукт, видаляється з реактору за допомогою клапана 20 через продуктову лінію 5, і подається до сосуду 14, який може бути використаний для одночасного оцукрення та ферментації. Рідкий гідролізат може бути не повністю рідким, але може включати деякі тверді частки, які ще не були гідролізовані, і деякі тверді частки, які не піддаються гідролізу. Кількість видаленого продукту приблизно дорівнює кількості сировинного потоку та каталітичного складу, введеного у сосуд 13. Пунктирні лінії між сосудами 13 та 14 вказують на те, що кількість видаленого та поміщеного у сосуд 14 матеріалу приблизно дорівнює кількості матеріалу у 3-й фазі, тобто кількості, введеної у сосуд (фаза 3). Якщо сосуд має використовуватися для другої партії, потік розчинника, який залишається у реакторі (відомий також як мінімальний залишок) буде допомагати збільшувати швидкість реакції. Має бути очевидним для фахівця цієї області, що кількість, яка видаляється в залежності від партії, не обов'язково точно відповідає кількості, яка завантажується для кожної партії в залежності від рівня, але кількість, яка видаляється у випадку великого числа партій, має в основному дорівнювати кількості, яка завантажується, інакше, сосуд буде працювати або з недостатньою кількістю розчинника, або буде переповнюватися. Що стосується як періодичного, так і безперервного процесу, описаному тут, відомо, що норми добавок та норми видалення продукту з часом та в залежності від партії, часто змінюються, тому вирази "дорівнює" або "в основному дорівнює" можуть включати ці зміни. Існує, як очікується, відношення, нижче котрого не буде, або буде обмеженим, вплив на реакцію гідролізу. Можна зробити висновок, що хоча теоретично не існує верхньої межі для відношення, але є точка, де додатковий потік розчинника має невеликий вплив на швидкість гідролізу та тільки збільшує витрати на обладнання через розмір, та поточні витрати. Кількість розчинника, що використовується для даної кількості біомаси, залежить, як очікується, щонайменше від кількості сухої речовини біомаси (високий вміст сухої речовини, як очікується, потребує більше розчинника), типу біомаси та каталізатора, рН, робочої температури та типу змішування, який використовується. Відношення ваги розчинника до ваги біомаси плюс води у сировині на момент контакту, найкращим чином пояснюється при розгляді прикладів виконань. Як показано на Фіг. 1, сировинний потік 3, який складається з біомаси та води, поставляється до реактору безперервної дії з механічним перемішуванням 10 через лінію 1. Каталізатори, зазвичай, ферменти, поставляються як частина каталітичного складу, який 10 UA 109769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 вводиться у реактор 10 через лінію, поміченою цифрою 2. Усередині сосуду 10 знаходиться потік розчинника 4 з відомою, або визначуваною, вагою. Зважаючи на реактор безперервної дії з механічним перемішуванням, тривалість реакції є такою, що матеріал, що виходить з реактора через лінію 5, гідролізується до бажаної точки, кількість потоку розчинника є вагою матеріалу у сосуді плюс кількість у будь-яких рециркуляційних лініях та рециркуляційних танках у будь-який даний момент часу. Біомаса та каталізатор змішуються з розчинником і відбувається гідроліз з дуже високою швидкістю. Рідкий продукт реакції (каталізат) (6) видаляється з реактора через лінію 5. Кількість рідини, що залишає реактор через лінію 5, у певний період часу дорівнює нормі плюс каталітичний склад плюс інші матеріали, які можуть бути додані до сосуду протягом такого ж певного періоду часу. Відношення ваги розчинника до ваги біомаси плюс води у сировині на момент контакту, в цьому випадку, є відношенням ваги матеріалу у сосуді плюс кількості у будь-яких рециркуляційних лініях та рециркуляційних танках, які рециркулюють у сосуді (розчиннику), до ваги додаткового моментного показнику біомаси плюс води, доданої до сосуду у прийнятих одиницях часу. Ті, хто близько стикається з безперервним процесом, визнають це відношення резидентним часом. Наприклад, сосуд містить 400 кг розчинника, для резидентного часу 4 години. Сировина додається зі швидкістю 100 кг/год. і гідролізат видаляється зі швидкістю 100 кг/год. Відношення буде 400: 100 або 4, тобто, резидентний час складає 4 години. Отже, для CSTR відношення є резидентним часом. Фіг. 2 показує процес Фіг. 1 з рециркуляційним потоком. Як показано на фігурі, біомаса та вода поставляються через лінію подачі 1 до апарату для попереднього змішування 11, де вони контактують з частиною розчинника, рідким гідролізатом, що поступає з лінії 7. Суміш поставляється через лінію 8 до реактору безперервної дії з механічним змішуванням 10. Каталітичний склад поставляється через лінію подачі 2 до реактору 10. Біомаса поступово гідролізується та гідролізат, або продукт 6 видаляється з реактору через вихідну лінію 5, яка потім розділяється на рециркуляційний потік 7 та продуктову лінію 5. Кількість матеріалу, який покидає продуктову лінію 5 через певний час, дорівнює нормі плюс каталітичний склад плюс інші матеріали, які відмінні від тих, що виходять з лінії 7, і які додаються до сосуду протягом такого ж певного періоду часу. Подальше втілення процесу, зображеного на Фіг. 5, і який може бути перенесений на вже показані приклади виконань, полягає в тому, щоб відділити деякі або всі тверді частки рідкого гідролізату. В залежності від того, як завершується реакція, тверді частки можуть бути у деяких випадках повернуті до гідролізного сосуду 16 або сосуду 15 для подальшого гідролізу. Якщо гідроліз в основному завершений, тверді частки можуть бути видалені до надходження потоку продукту до наступної стадії. Це удосконалення показано на Фіг. 7. На Фіг. 7 потік 5 подається до устрою для розділення твердих часток з метою переміщення хоча б деяких з твердих часток та ймовірно, деяких з рідин, до потоку твердих часток 9 за допомогою потоку 5А, який є рідким потоком з деякими видаленими твердими частками. Як вказувалося раніше, принаймні частина потоку твердих часток може бути в деяких випадках повернута до гідролізного сосуду 16 або сосуду 15. Відділення не обов'язково повинно проходити до використання потоку 9 до або після повернення очищеної частки до сосудів 16 або 15, але переважно проходити до проходження потоку продуктів 6 до наступної стадії. Як показано на Фіг. 7, потік 9 може рециркулювати назад до сосудів 16 або 15, може бути повністю видалений з процесу, або частина потоку 9 може бути видалена (очищена) з процесу і залишок може рециркулювати як до сосуду 15, так і до сосуду 16. Пристрої для відділення твердих часток від рідкого потоку добре відомі у галузі та включають але не обмежуються, фільтрами, циклонами, центрифугами, пресами, декантаторами, пристроями для вільного осадження, пристроями для зняття піни, і т.п. Переважний пристрій для розділення відбирається з групи, яка складається з гідроциклонів та центрифуг. За аналогією фахівець у галузі може модифікувати процес ідеального витіснення фігури 3 для розділення принаймні деяких з твердих часток з потоку 5. Моделювання продемонструвало, що при рециркуляції твердих часток і більшості продуктів гідролізу швидкість перетворення для даного розміру сосуду та резидентного часу може бути збільшена аж до 400 %. Відношення ваги розчинника до ваги біомаси плюс води у сировині, у цьому випадку є відношення ваги матеріалу у сосуді плюс кількості розчинника, який додається до попереднього 11 UA 109769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 змішувача 11 кожного часу, до ваги біомаси плюс води, яка додається до сосуду кожного часу. І знову, резидентний час також виражає відношення. За схожою аналогією, існує втілення реактору ідеального витіснення, як зображено на Фіг. 3. Посилаючись на Фіг. 2, абсолютно очевидно, що процес Фіг. 3 можна вважати "модифікацію" процесу на Фіг. 2 таким чином, що всі розчинники потоку поставляються через попередній змішувач 11 і нічого не залишається у сосуді 10. Як показано на фігурі 3, сировинний потік 3, який містить біомасу та воду, поставляється через лінію подачі 1 до реактору ідеального витіснення безперервної дії 12. Каталітичний склад поставляється через лінію подачі 2 до реактору 12. Потік розчинника додається до матеріалів через лінію подачі 7, що відхиляється від лінії 5, яка містить гідролізований продукт. Інгредієнти формують суспензію, яка поступово гідролізується та рідкий гідролізат 6 видаляється з реактору через продуктову лінію 5, і який поступає до лінії 7. Кількість продукту 6, що видаляється в одиницю часу (нормативний показник), дорівнює нормативному показнику плюс каталітичний склад 2 плюс всі інші матеріали, які відрізняються від тих, що поступили з лінії 7. Момент контакту наступає тоді, коли сировинний потік контактує з потоком розчинника. Відношення ваги до ваги біомаси плюс води у сировині на момент контакту у цьому випадку є відношенням ваги матеріалу у потоці 7 на одиницю часу до ваги біомаси плюс води, що додається до сосуду на ту ж одиницю часу. У періодичному процесі, показаному на Фіг. 4 та описаному раніше, відношення ваги розчинника до ваги біомаси плюс води у сировині на момент контакту, у цьому випадку є відношенням ваги матеріалу у сосуді (потік розчинника, позначений як фаза 4) до ваги біомаси плюс води, яка додається на загрузку. Якщо додається додатковий розчинник, він має бути доданий до ваги 4 вже у реакторі. Якщо періодичний процес буде модифікований, щоб мати попереднє змішування біомаси з розчинником, відношення ваги розчинника до ваги біомаси плюс води у сировині на момент контакту, у цьому випадку є відношенням ваги розчинника у сосуді плюс вага розчинника у загрузці до ваги біомаси плюс води, яка додається на загрузку. Величини для відношення ваги розчинника до ваги біомаси плюс води у сировині можуть варіюватися від 1:99 до 100:1. Однак, більш переважно, щоб діапазон був від 5:95 до 95:5, або навіть більш переважно від 10:90 до 90:10, ще більш переважно від 20:80 до 80:20, найбільш переважно від 20: 80 до 60:40, але діапазони від 10:90 до 90:10, від 20:80 до 90:10, від 30:70 до 90:10, від 40:60 до 90:10, від 50:50 до 90:10, та від 60:40 до 90:10 є також відповідними. Величини для відношення ваги розчинника до ваги біомаси плюс води у сировині можуть також виражатися як мінімальне відношення, так як вважають, що не існує теоретичної максимальної величини. Тому, відношення повинно бути щонайменше 0,8: 1,0, або більш переважно щонайменше 1:1, або навіть більш переважно щонайменше 1,2:1, а також більш переважно щонайменше 1,5:1, навіть більш переважно щонайменше 2:1, і навіть більш переважно щонайменше 3:1. Так як гідроліз целюлози є центральним елементом процесу, відношення ваги розчинника до ваги біомаси плюс води у сировині може бути замінено при використанні целюлози та продуктів її гідролізу. Як показано у прикладах, жоден з гідролізних продуктів не видаляється перед введенням наступної подальшої кількості сировини. Таким чином, відношення кількості целюлози плюс кількість продукту з гідролізованої целюлози у розчиннику, до кількості целюлози у сировині є такими ж, як і відношення ваги розчинника до ваги біомаси плюс води у сировині. Кількість целюлози у сировині та розчиннику легко перевіряються. Кількість гідролізованих продуктів з целюлози може визначатися при визначенні продуктів у розчиннику та відніманні кількості тих продуктів, які надійшли з гідролізу матеріалів, іноді відмінних від целюлози, або у початковій сировині, яка використовується для виготовлення розчинника. Наприклад, крохмаль також гідролізується до глюкози та інших здатних до гідролізу сполук, подібних целюлозі. Тому, кількість глюкози та інших здатних до гідролізу сполук, подібних целюлозі, у розчиннику має бути зменшена на кількість, яка надійшла з крохмалю. Це можна визначити, якщо знати кількість крохмалю у сировині, з якої був зроблений розчинник, кількість крохмалю у розчиннику, при цьому їх різницею буде кількість здатних до гідролізу сполук, яка надійшла з крохмалю. Контрольне відношення може бути виражено як мінімальне відношення кількості целюлози плюс кількість продуктів з гідролізованої целюлози у розчиннику, до кількості целюлози у сировині. Це відношення має бути щонайменше 0,8: 1, або більш переважно, щонайменше 1:1, або навіть більш переважно, щонайменше 1,2:1, а також більш переважно, щонайменше 1,5:1, а також навіть більш переважно. щонайменше 2:1, а також навіть більш переважно. щонайменше 3:1. Приклади, які перераховані нижче, мають також встановлювати відношення щонайменше 4:1 та щонайменше 5:1, які також є робочими. Слід відмітити стосовно Прикладу 5, що хоча 12 UA 109769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 зменшення відношення скорочує час гідролізу, удосконалення було невеликим при кожній додатковій кількості розчиннику. Слід відмітити, що відношення для целюлози та продуктів її гідролізу є виключними. Тому, глюкоза та продукти, які відомі як продукти гідролізу целюлози, які присутні у сировині, мають відніматися від продуктів, присутніх у розчиннику. Крім того, будьякі продукти, які були отримані з гідролізу геміцелюлози або крохмалю, або інших нецелюлозних матеріалів, мають відніматися також і з розчинника. Це має визначати, скільки крохмалю було зведено до глюкози, та скільки віднято цієї глюкози. Так як розчинник краще за все використовувати перед розділенням всього того, що відрізняється від нерозчинних речовин, відносний склад водорозчинних речовин у рідкій частині розчинника є таким же, як і відносний склад водорозчинних продуктів гідролізу сировини без розділення водорозчинних компонентів. Навіть якщо додати воду для розбавлення водорозчинних компонентів, їх кількість відносно друг друга залишається такою незмінною. Ці вищеописані приклади втілень не розробляються для того, щоб обмежити специфікацію або вимоги, оскільки є багато конфігурацій, доступних для звичайного фахівця, які включають ряд сосудів безперервної дії, або реакторів напівбезперервної дії, або комбінації, з або без, реакторів ідеального витіснення. Експериментальні випробування по зниженню в'язкості. Експериментальне обладнання 2 ідентичних скляних реактора з наступними геометричними характеристиками (див. Фіг. 6): - T (діаметр реактору) = 0,15 м - Z (висота реактору) = 0,30 м - Кожух для рідкого або газоподібного теплоносія довкола бічної поверхні і дна, шириною 4 см; - півсферичне дно; - кришка з прокладкою і ущільненням, з 5 отворами (1 центральний отвір для валу мішалки; 4 бічних отвори для додавання матеріалів або для взяття проб, які повинні бути закритими впродовж тесту ковпачками). Два реактори підбираються з двома різними якірними мішалками (А і В) для забезпечення наступних конфігурацій: Конфігурація А: D ("розмах крила") = 0,136 м S (товщина лопатки) = 0,01 м H (висота якорю) = 0,12 см C (зазор, відстань між лопаткою та стінкою) = 0,007 м D / T=0.907 D / S=13.6 T / S=15 Конфігурація В: В цій конфігурації лопатки нахилені під кутом 45 градусів для кращого зішкрябування стінок D ("розмах крила") = 0,145 м LS (товщина лопатки) = 0,0141 м S (товщина проекції лопатки) = 0,01 м H (висота якорю) = 0,145 см C (зазор, відстань між лопаткою та стінкою) = 0,0025 м D / T=0.907 D / S=14,5 T / S=15 Перемішування забезпечується керуючими електродвигунами Heidolph RZR 2102 (потужність 140 Вт). Дві термальні ванни забезпечують підтримання температури за допомогою циркуляції води при 45° у кожусі реактора. Матеріали Сировинні матеріали, які використовуються, це попередньо оброблений сорго та арундо донакс. Матеріали зберігалися при -18° для запобігання руйнування. Характеристики сировинних матеріалів наступні: 13 UA 109769 C2 Рідка фракція Тверда фракція 5 10 15 20 25 Вміст сухої речовини WIS WSS Розчинні тверді частки/всього твердих часток Вода Глюкоза Ксилоза Целобіоза Галактоза Арабіноза Мурашина кислота Оцтова кислота 5-HMF Фурфурал Левулінова кислота Молочна кислота Глюколігомери Ксилолігомери Галактолігомери Арабінолігомери Розчинні ацетилові групи Інші розчинні речовини Глюкани Крилани Галактани Арабінани Нерозчинні ацетилові групи Класон лігнін Інші нерозчинні речовини Всього % від ваги. % від ваги % від ваги Сорго 20.41 % 16.01 % 4.40 % Aрундо 30.39 % 24.51 % 5.88 % % від ваги 21.58 % 19.34 % % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги % від ваги 79.59 % 69.61 % 0.03 % 0.10 % 0.34 % 1.19 % 0.00 % 0.00 % 0.00 % 0.00 % 0.00 % 0.00 % 0.00 % 0.00 % 0.28 % 0.58 % 0.01 % 0.05 % 0.04 % 0.19 % 0.00 % 0.00 % 0.00 % 0.00 % 0.23 % 0.22 % 1.48 % 1.96 % 0.00 % 0.00 % 0.00 % 0.00 % 0.11 % 0.29 % 1.89 % 1.30 % 9.01 % 13.65 % 1.16 % 1.26 % 0.00 % 0.00 % 0.00 % 0.00 % 0.12 % 0.22 % 5.29 % 8.90 % 0.42 % 0.48 % 100.00 % 100.00 % WIS - це відсоток водонерозчинних твердих часток (у всьому матеріалові) WSS - це відсоток водорозчинних твердих часток (у всьому матеріалові) Сума WSS та WIS дорівнює величині вмісту сухої речовини. Композиційні характеристики визначалися при використанні стандартного аналітичного методу, з наступними процедурами: Визначення структурних вуглеводів та лігніну у біомасі. Лабораторія Аналітичних Процедур (LAP), дата випуску: 4/25/2008 Технічний звіт NREL/TP-510-42618, змінений у квітні 2008 р Визначення екстрактних речовин у біомасі Лабораторія Аналітичних Процедур (LAP), дата випуску: 7/17/2005 Технічний звіт NREL/TP-510-42619, січень 2008 р Підготовка проб для композиційного аналізу Лабораторія Аналітичних Процедур (LAP), дата випуску: 9/28/2005 Технічний звіт NREL/TP-510-42620, січень 2008 р Визначення загальної кількості твердих часток у біомасі та загальної кількості розчинених твердих часток у рідких технологічних пробах Лабораторія Аналітичних Процедур (LAP), дата випуску: 3/31/2008 Технічний звіт NREL/TP-510-42621, змінено у березні 2008 р. Визначення золи у біомасі Лабораторія Аналітичних Процедур (LAP), дата випуску: 7/17/2005 Технічний звіт NREL/TP-510-42622, січень 2008 р. Визначення цукрів, побічних продуктів та продуктів деструкції у рідкій фракції технологічних проб Лабораторія Аналітичних Процедур (LAP), дата випуску: 12/08/2006 Технічний звіт NREL/TP-510-42623, січень 2008 р. 14 UA 109769 C2 5 Визначення нерозчинних твердих часток у попередньо обробленому матеріалі біомаси Лабораторія Аналітичних Процедур (LAP), дата випуску: 03/21/2008 Технічний звіт NREL/TP-510-42627, березень 2008 р. Використовуваний ферментний коктейль має наступні характеристики, які підтримуються постійними для всіх тестів. Компонент \ Целюлазний комплекс Ксиланаза геміцелюлаза Ферментний комплекс Всього 10 15 Об'ємний склад % 87.4 % 5.3 % 6.6 % 0.7 % 100.0 % Щільність г/мл 1.08 1.2 1.1 1.2 1.09 Питома активність \ 100 FPU/гкомпонента 500 FXU/гкомпонента 470 FXU/гкомпонента 100 FBG/гкомпонента Ферментна обробка целюлазного комплексу – це розчин, який каталізує розкладання целюлозного матеріалу до глюкози, целобіози та глюко-олігомерів до більш високої молекулярної маси. Ферментні розчини геміцелюлаза та ксиланаза каталізують головним чином деполімерізацію геміцелюлози до її складових у формі простих цукрів або олігомерів; крім того, вони показують каталітичну побічну дію у меншій мірі. Ферментний комплекс - це ферментний розчин, який діє на різні вуглеводні та показує здатність посилювати активність приготованого таким чином розчину. Описаний коктейль має наступну активність: Активність ферментного коктейлю 94,39 FPU/мл 86,60 FPU/г 65,92 FXU/мл 60,48 FXU/г 0,84 FBG/мл 0,77 FBG/г 20 25 30 35 40 45 FPU вимірюється та визначається відповідно до Лабораторії Аналітичних Процедур NREL (Технічний звіт NREL/TP-510-42628, січень 2008 р). Цей метод використовує промисловий стандарт та вимірює целюлозну активність в залежності від "одиниць фільтрувального паперу" (FPU) на міліметр початкового (нерозбавленого) ферментного розчину. Для кількісних результатів ферментні препарати мають порівнюватися, коли здатні на значні та рівні перетворювання. Одна одиниця фільтрувального паперу для даного ферменту - це кількість ферменту, необхідного для вивільнення 2,0 мг редукуючого цукру у якості глюкози з 50 мг фільтрувального паперу з 50 мг фільтрувального паперу з фільтруючої стрічки ватмана №1 (4 %-е перетворення) протягом 60 хвилин при 50 °C, і яка має визначатися, як відрізок для підрахунку целюлози у одиницях фільтрувального паперу (FPU) відповідно до положень Міжнародного союзу теоретичної та прикладної хімії (IUPAC). Активність ксиланази у одиницях ксиланази FXU (Farbe Xylanase unit) г вимірюється відносно ферментного стандарту з відомою активністю. Спектрофотометричні вимірювання на надосадочній рідині, описаній нижче, порівнюються зі стандартною кривою, яка отримується за допомогою стандартних проб. Проби ксиланази інкубуються за допомогою субстрату пшеничного арабиноксилану, забарвленого ремазолєм. Субстрат незмінного складу осідає за допомогою етанолу. Інтенсивність блакитного забарвлення надосадової рідини завдяки продукту розкладу забарвленого ремазолєм субстрату, який не випав в осад, пропорціональна активності ендоксиланази. Профіль кольору може варіюватися в залежності від ферменту. W Активність проби (FXU/г) = C F D Де: С - активність ферменту, яка зчитана зі стандартної кривої (FXU/мл) F - об'єм проби (мл) D - подальше розбавлення проби (наприклад, друге чи третє розбавлення) W - вага проби (г) Один FBG - це кількість ферменту, який, відповідно до стандартної процедури (методу Сомогий Нельсона), описаного нижче, вивільняє глюкозу або редукуючий вуглевод з від'ємною ємністю еквівалентною 1 молю на хвилину. Стандартні умови реакції: 15 UA 109769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - Проба має бути розбавлена, щоб проявити активність від 0,02 до 0,10 FBG/мл. - Субстрат: 0.5 % бетаглюкан - Температура: 30 °C - pH: 5.0 - Тривалість реакції: 30 хв. Грибна бета-глюканаза реагує з бета-глюканом протягом процесу формування до глюкози або редукуючого вуглеводу, який визначається як редукуючий цукор. Крім того, для підтримування рН до величини приблизно 5 (так як неможливо використовувати рН-метр із-за природи матеріалу), використовується буферний розчин цитрату 1N для загальної кількості 1 % від кількості завантаженого матеріалу. Тест № 1 Матеріал: сорго (описаний вище). Реактори були відповідними (включаючи міксери) та рідкий або газоподібний теплоносій був доведений до температури (45 °C). 2 двигуни були калібровані таким чином, щоб забезпечити (без матеріалу, лише з інерцією перемішування) швидкість при перемішуванні 12 об/хв. (мінімальна швидкість інструменту), величина моменту обертання дорівнювала 0,0 N • см. Обидва реактори наповнювалися матеріалом вагою 1,5 кг вже після його відтавання та швидкість перемішування забезпечувала однорідність матеріалу. У жодного з двох реакторів 3 вільної води не було видно. Щільність матеріалу у цих умовах приблизно дорівнювала 600 кг/м . Обидві системи перемішування, при швидкості 12 об/хв. показували перевантаження (встановлена величина моменту обертання виходила за межі вимірювальної шкали, була більшою, ніж 200 N • см). На момент часу t=0 до обох реакторів додавався розчин (загальною вагою приблизно 96 г), наступного складу: - 29,4 мл ферментного коктейлю зі складом, описаним вище, який визначався з метою забезпечення активності целюлазного комплексу 20 FPU/г глюканів (що означає глюкани як суму целобіози та глюко-олігомерів у рідкій фазі та глюкани у твердій фазі), але також, як наслідок, сприяв іншій активності. Ця величина 20 FPU/г глюканів - це приблизно 9 FPU/г від загальної кількості сухої речовини, розрахованої по целюлозному вмісту сировини. - 16,5 г буферного розчину (цитрату), як описано вище, та був визначений, приблизно як 1 % від загальної кількості матеріалу. - 48,5 г H2O для розбавлення ферментного розчину та покращення його дисперсності; кількість води, що додається, визначається таким чином, щоб загальна кількість розчину, що додається, (H2O + коктейль + цитрат) дорівнювала приблизно 30 % вмісту сухої речовини начального попередньо обробленого матеріалу. Після додавання, у кожному реакторі було в цілому 1,6 кг матеріалу, при цьому вміст сухої речовини (розрахований) був приблизно 19,2 %. Наявність конденсації під кришкою вказувала на те, що вміст сухої речовини був фактично занижений. Швидкість перемішування була збільшена до приблизно 180 об/хв. (протягом періоду часу) для змішування матеріалу та додавання розчину. У цей момент не було вільної води, та рівень матеріалу у реакторі був 3 таким же, як і раніше (на цій стадії, оцінена щільність була близько 650 кг/м ). Обидві реакції проводились паралельно, підтримуючи швидкість перемішування однаковою у обох випадках, швидкість перемішування була встановлена на рівні 12 об/хв. протягом першої години; далі підвищувалася до значення 100 об/хв. Кожні 60 хвилин швидкість перемішування підвищувалася до 180 об/хв. (протягом декількох секунд) для гомогенізації матеріалу. Протягом тесту виміряний момент обертання на двигуні реактору А був завжди нижчим, ніж реактору В. Через 5 годин матеріал у реакторі А мав вигляд рідини (величини моменту обертання близько 20 N • см при швидкості 100 об/хв.), тоді, як у іншій реакції (хоча реакція відбувалася частково, що підтверджувалося тим фактом, що момент обертання впав до значень 140 N • см при швидкості 100 об/хв., з більш, як 200 N • см початкового значення) матеріал мав вигляд твердої речовини. Через 1 годину (t=6 годин), протягом якої умови у двох реакторів значно не відрізнялися, весь матеріал реактору В (який мав нікчемно мале вивільнення рідини, але все ще мав вигляд твердої речовини) був поміщений у реактор А. Після додавання, перемішування було встановлено на показнику, який дорівнював 100 об/хв. протягом декількох секунд, при цьому момент обертання був 120 N • см, а матеріал мав вигляд дуже вологої твердої речовини. Приблизно через 10 хвилин, виміряна величина моменту обертання впала до 20 N • см, і матеріал прийняв вигляд рідини, подібної до рідини, яка була у реакторі А перед додаванням. Тест був зупинений ще через 10 хвилин, коли момент обертання впав до приблизно 15 N • см 3 при швидкості 100 об/хв. Щільність матеріалу, виміряна у цій точці, була приблизно 1100 кг/ м . 16 UA 109769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Тест №2 Матеріал: сорго (описаний вище). Реактори були відповідними (включаючи міксери) та рідкий або газоподібний теплоносій був доведений до температури (45 °C). 2 двигуни були калібровані таким чином, щоб забезпечити (без матеріалу, лише з інерцією перемішування) швидкість при перемішуванні 12 об/хв. (мінімальна швидкість інструменту), величина моменту обертання дорівнювала 0,0 N • см. У випробуванні №2, тест у реакторі А проводився в тих же умовах, що і тест №1(проводився у тому ж реакторі) з тими ж результатами. Реактор В наповнювався матеріалом вагою 1,5 кг, який поступав з тесту №1 (у рідкому 3 вигляді, щільність 1100 кг/м , виміряний момент обертання при 100 об/хв. був приблизно 15 N • см). До цього матеріалу додавалися 1,5 кг попередньо обробленого сорго (з характеристиками, описаними у попередньому розділі, зокрема, вміст сухої речовини дорівнював 20,41 %), та такий же розчин, який використовувався у тесті №1 (всього приблизно 96 г). Вміст сухої речовини, після різних додавань, розраховувався таким чином, щоб дорівнювати 19,2 %. Наявність конденсації під кришкою означала, що вміст сухої речовини має бути вищим. Швидкість перемішування була збільшена до приблизно 150 об/хв. (протягом певного часу) для змішування матеріалу. У це момент гомогенізований матеріал мав видиму щільність приблизно 3 800 кг/ м , та момент обертання при швидкості 100 об/хв. дорівнював приблизно 150 N • см. Обидві реакції проводились паралельно, підтримуючи швидкість перемішування однаковою у обох випадках, швидкість перемішування була встановлена на рівні 12 об/хв. протягом першої години; далі підвищувалася до значення 100 об/хв. Кожні 60 хвилин швидкість перемішування підвищувалася до 180 об/хв. (протягом декількох секунд) для гомогенізації матеріалу. Протягом тесту №2 у реакторі В були досягнуті значно кращі результати відносно тесту №1, у якому через 6 годин не було ще досягнуто розрідження. Зокрема, приблизно через 3 години (період часу, який нижче, ніж потрібний для реактору А) матеріал мав рідкий вигляд, при цьому величина моменту обертання при швидкості 100 об/хв. дорівнювала 20 N • см (тоді як у реакторі А виміряна величина була приблизно 100 N • см та матеріал мав вигляд вологої твердої речовини). Приблизно через 7 годин тестування матеріал у двох реакторах мав схожий вигляд, але результат у реактор В був досягнутий приблизно за 60 % часу. Композиційний аналіз матеріалів, отриманих у реакторі В (через 7 годин), показав корисну продуктивність ферментативного гідролізу на глюкозі (відносно загальної кількості глюканів), яка дорівнювала приблизно 25 %, та на ксилозі (відносно загальної кількості ксиланів), яка дорівнювала приблизно 50 %. Ці величини вище, ніж ті, які були отримані у попередніх випробуваннях по зменшенню в'язкості. Крім того, на кінцевому матеріалі було проведено вимірювання рН та було виявлено, що він дорівнював 3,9. Ця величина нижче за величину, яка відповідно до літературних даних гарантує більш високу ферментативну активність (рН =5). Тест №3 Матеріал арундо донакс (описаний вище). Процедура, яка виконувалась у тесті №3, була аналогічною тій, що використовувалася у тесті №1 (випробування з сорго). У двох реакторах, кожний з яких наповнювався попередньо обробленим арундо вагою 1,5 кг (виміряний вміст сухої речовини дорівнював 30,4 %), цьому вільної води не спостерігалося. 3 Щільність матеріалу у цих умовах була приблизно 600 кг /м . Обидві системи перемішування, при 12 об/хв., показували перевантаження. На момент часу t=0 до обох реакторів додавався розчин (загальною вагою приблизно 140 г), наступного складу: - 44,1 мл. ферментного коктейлю зі складом, описаним вище, який визначався з метою забезпечення активності целюлазного комплексу 20 FPU/г глюканів (що означає глюкани як суму целобіози та глюко-олігомерів у рідкій фазі та глюкани у твердій фазі), але також, як наслідок, сприяв іншій активності. - 17,3 г буферного розчину (цитрату), як описано вище, та був визначений, приблизно як 1 % від загальної кількості матеріалу. - 78,4 г H2O для розбавлення ферментного розчину та покращення його дисперсності; кількість води, що додається, визначається таким чином, щоб загальна кількість розчину, що додається, (H2O + коктейль + цитрат) дорівнювала приблизно 30 % вмісту сухої речовини начального попередньо обробленого матеріалу. Після додавання, у кожному реакторі було в цілому 1,6 кг матеріалу, при цьому вміст сухої речовини (розрахованої) був приблизно 27,8 %. Наявність конденсації під кришкою вказувала на те, що вміст сухої речовини був фактично занижений. Швидкість перемішування була 17 UA 109769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 збільшена до приблизно 180 об/хв. (протягом періоду часу) для змішування матеріалу та додавання розчину. У цей момент не було вільної води, та рівень матеріалу у реакторі був 3 таким же, як і раніше (на цій стадії, оцінена щільність була близько 650 кг/м ). Обидві реакції проводились паралельно, підтримуючи швидкість перемішування однаковою у обох випадках, швидкість перемішування була встановлена на рівні 12 об/хв. протягом першої години; далі підвищувалася до значення 100 об/хв. Кожні 60 хвилин швидкість перемішування підвищувалася до 180 об/хв. (протягом декількох секунд) для гомогенізації матеріалу. Протягом тесту виміряний момент обертання на двигуні реактору А був завжди нижчим, ніж реактору В. Приблизно через 6,5 годин матеріал у реакторі А мав вигляд рідини (величини моменту обертання близько 20 N • см при швидкості 100 об/хв.), тоді, як у іншій реакції (хоча реакція відбувалася частково, що підтверджувалося тим фактом, що момент обертання впав до значень 140 N • см при швидкості 100 об/хв., з більш, як 200 N • см початкового значення) матеріал мав вигляд твердої речовини. Через 30 хвилин, протягом яких умови у двох реакторів значно не відрізнялися, весь матеріал реактору В (який мав нікчемно мале вивільнення рідини, але все ще мав вигляд твердої речовини) був поміщений у реактор А. Після додавання, перемішування було встановлено на показнику, який дорівнював 200 об/хв. протягом декількох секунд для гомогенізації матеріалу, а далі встановлювався на значенні 100 об/хв., при цьому момент обертання був 130 N • см, а матеріал мав вигляд дуже вологої твердої речовини. Приблизно через 20 хвилин, виміряна величина моменту обертання впала до 20 N • см, і матеріал прийняв вигляд рідини, подібної до рідини, яка була у реакторі А перед додаванням. Тест був зупинений ще через 40 хвилин, коли момент обертання впав до приблизно 15 N • см при швидкості 100 3 об/хв. Щільність матеріалу, виміряна у цій точці, була приблизно 1100 кг/ м . Тест №4 Матеріал: арундо донакс (описаний вище). Процедура, яка виконувалась у тесті №3, була аналогічною тій, що використовувалася у тесті № 2 (випробування з сорго). У випробуванні №4, у реакторі А був проведений тесту тих же умовах, як і тест №3 (проводився на тому ж реакторі), з аналогічними результатами. Реактор В наповнювався матеріалом вагою 1,5 кг, який поступав з тесту № 3 (у рідкому 3 вигляді, щільність 1100 кг/м , виміряний момент обертання при 100 об/хв. був приблизно 15 N • см). До цього матеріалу додавалися 1,5 кг попередньо обробленого арундо (з характеристиками, описаними у попередньому розділі, зокрема, вміст сухої речовини дорівнював 30,4 %), та такий же розчин, який використовувався у тесті № 3 (всього приблизно 140 г). Вміст сухої речовини, після різних додавань, розраховувався таким чином, щоб дорівнювати 27,8 %. Наявність конденсації під кришкою означала, що вміст сухої речовини має бути вищим. Швидкість перемішування була збільшена до приблизно 150 об/хв. (протягом певного часу) для змішування матеріалу. У це момент гомогенізований матеріал 3 мав видиму щільність приблизно 750 кг/ м , та момент обертання при швидкості 100 об/хв. дорівнював приблизно 150 N • см. Обидві реакції проводились паралельно, підтримуючи швидкість перемішування однаковою у обох випадках, швидкість перемішування була встановлена на рівні 12 об/хв. протягом першої години; далі підвищувалася до значення 100 об/хв. Кожні 60 хвилин швидкість перемішування підвищувалася до 180 об/хв. (протягом декількох секунд) для гомогенізації матеріалу. Протягом тесту №2 у реакторі В були досягнуті значно кращі результати відносно тесту № 3, у якому через 7 годин не було ще досягнуто розрідження. Зокрема, приблизно через 5 годин (період часу, який нижче, ніж потрібний для реактору А) матеріал мав рідкий вигляд, при цьому величина моменту обертання при швидкості 100 об/хв. дорівнювала 20 N • см (тоді як у реакторі А виміряна величина була приблизно 90 N • см та матеріал мав вигляд вологої твердої речовини). Приблизно через 8 годин тестування матеріал у двох реакторах мав схожий вигляд, але результат у реактор В був досягнутий приблизно за 75 % часу. Тест №5 Матеріал: арундо донакс (описаний вище). Реактор В наповнювався матеріалом вагою 1,5 кг, який поступав з тесту № 3 (у рідкому 3 вигляді, щільність 1100 кг/м , виміряний момент обертання при 100 об/хв. був приблизно 15 N • см). До цього матеріалу додавалося 0,5 кг попередньо обробленого арундо (з характеристиками, описаними у попередньому розділі, зокрема, вміст сухої речовини дорівнював 30,4 %). На момент часу t=0 до обох реакторів додавався розчин (загальною вагою приблизно 46,5 г), наступного складу: 18 UA 109769 C2 5 10 15 20 25 30 - 14,7 мл ферментного коктейлю зі складом, описаним вище, який визначався з метою забезпечення активності целюлазного комплексу 20 FPU/г глюканів (що означає глюкани як суму целобіози та глюко-олігомерів у рідкій фазі та глюкани у твердій фазі), але також, як наслідок, сприяв іншій активності. - 28,8 г буферного розчину (цитрату), як описано вище, та був визначений, приблизно як 5 % від загальної кількості матеріалу. - 3,1 г H2O для розбавлення ферментного розчину та покращення його дисперсності; кількість води, що додається, визначається таким чином, щоб загальна кількість розчину, що додається, (H2O + коктейль + цитрат) дорівнювала приблизно 30 % вмісту сухої речовини начального попередньо обробленого матеріалу. Після додавання, у реакторі було в цілому 2,05 кг матеріалу, при цьому вміст сухої речовини (розрахованої) був приблизно 27,8 %. Наявність конденсації під кришкою вказувала на те, що вміст сухої речовини був фактично занижений. Швидкість перемішування була збільшена до приблизно 150 об/хв. (протягом періоду часу) для змішування матеріалу та додавання розчину. 3 У цей момент гомогенізований матеріал мав видиму щільність приблизно 900 кг/м , а величина моменту обертання при швидкості 100 об/хв. дорівнювала приблизно 150 N • см. Реакція проводилася при підтримці швидкості перемішування на рівні 100 об/хв. протягом першої години. Кожні 20 хвилин швидкість перемішування підвищувалася до 180 об/хв. (протягом декількох секунд) для гомогенізації матеріалу. Приблизно через 65 хвилин матеріал мав вигляд рідини (величини моменту обертання 3 приблизно 30 N • см при швидкості 100 об/хв. Оцінена щільність була приблизно 1100 кг/м . В цей момент до матеріалу реактора було додано 500 г попередньо обробленого арундо донакс та 46,5 г розчину, описаного вище. Після додавання у реакторі було приблизно 2,6 кг загальної кількості матеріалу, при цьому відсоток сухої речовини (розрахований) був приблизно 27,8 %. Наявність конденсації під кришкою вказувала на те, що вміст сухої речовини був фактично занижений. Швидкість перемішування була збільшена до приблизно 150 об/хв. (протягом періоду часу) для змішування матеріалу, який мав видиму щільність приблизно 950 3 кг/м , а величина моменту обертання при швидкості 100 об/хв. дорівнювала приблизно 120 N • см. Приблизно через 45 хвилин матеріал мав вигляд рідини (величини моменту обертання 3 приблизно 30 N • см при швидкості 100 об/хв. Оцінена щільність була приблизно 1100 кг/м . ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 45 50 55 1. Спосіб гідролізу лігноцелюлозної біомаси, що включає наступні етапи: A) контактування лігноцелюлозної сировини, сировини, яка містить біомасу, що має суху речовину та воду, з принаймні частиною розчинника, що містить розчинні у воді продукти гідролізу, в присутності каталізатора, який конвертує принаймні одну із сполук біомаси до стану сполуки або сполук з меншою молекулярною вагою, причому принаймні частина розчинних у воді продуктів гідролізу ідентична розчинним у воді продуктам гідролізу, які отримують шляхом гідролізу біомаси в сировині; В) підтримання контакту сировини із сировинного потоку з розчинником при температурі в діапазоні від 20 °С до 200 °С для отримання продукту гідролізу з біомаси в сировині, при цьому співвідношення ваги розчинника, що контактує з сировиною, і ваги сировини перевищує 0,8:1. 2. Спосіб за п. 1, де суха маса містить целюлозу та геміцелюлозу, причому ваговий процентний вміст целюлози становить більше 5 % ваг. відносно вмісту сухої маси; де принаймні частина розчинних у воді продуктів гідролізу ідентична розчинним у воді продуктам гідролізу целюлози, які є у сировині, та контакт між сировиною та розчинником проводять у присутності каталізатора гідролізу целюлози. 3. Спосіб за будь-яким з пп. 1 та 2, де співвідношення ваги розчинника, що контактує з сировиною, і ваги сировини знаходиться у межах 50:50-90:10. 4. Спосіб за будь-яким з пп. 1 та 2, де співвідношення ваги розчинника, що контактує з сировиною, і ваги сировини знаходиться у межах 60:40-90:10. 5. Спосіб за п. 2, де співвідношення ваги целюлози і ваги продуктів гідролізу целюлози, які містить розчинник, і ваги целюлози у складі лігноцелюлозної сировини перевищує 1:1. 6. Спосіб за п. 2, де співвідношення ваги целюлози і ваги продуктів гідролізу целюлози, які містить розчинник, і ваги целюлози у складі лігноцелюлозної сировини перевищує 1,5:1. 7. Спосіб за п. 2, де співвідношення ваги целюлози і ваги продуктів гідролізу целюлози, які містить розчинник, і ваги целюлози у складі лігноцелюлозної сировини перевищує 2:1. 19 UA 109769 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 8. Спосіб за п. 2, де співвідношення ваги целюлози і ваги продуктів гідролізу целюлози, які містить розчинник, і ваги целюлози у складі лігноцелюлозної сировини перевищує 3:1. 9. Спосіб за п. 2, де співвідношення ваги целюлози і ваги продуктів гідролізу целюлози, які містить розчинник, і ваги целюлози у складі лігноцелюлозної сировини перевищує 4:1. 10. Спосіб за п. 2, де співвідношення ваги целюлози і ваги продуктів гідролізу целюлози, які містить розчинник, і ваги целюлози у складі лігноцелюлозної сировини перевищує 5:1. 11. Спосіб за будь-яким з пп. 2-10, де принаймні частина компонентів каталізатора контактує з сировиною перед контактом сировини із принаймні частиною розчинника. 12. Спосіб за будь-яким з пп. 2-10, де принаймні частина компонентів каталізатора контактує з сировиною після контакту сировини із принаймні частиною розчинника. 13. Спосіб за будь-яким з пп. 2-10, де принаймні частина компонентів каталізатора контактує з сировиною одночасно із контактом сировини із принаймні частиною розчинника. 14. Спосіб за будь-яким з пп. 1-10, де співвідношення біомаси і води у сировині перевищує 1:4. 15. Спосіб за будь-яким з пп. 1-10, де співвідношення біомаси і води у сировині перевищує 1:3. 16. Спосіб за будь-яким з пп. 1-10, де співвідношення біомаси і води у сировині перевищує 1:2. 17. Спосіб за будь-яким з пп. 1-10, де співвідношення біомаси і води у сировині перевищує 1:1,5. 18. Спосіб за будь-яким з пп. 1-10, де співвідношення біомаси і води у сировині перевищує 1:1. 19. Спосіб за будь-яким з пп. 1-10, де співвідношення біомаси і води у сировині перевищує 1:0,9. 20. Спосіб за будь-яким з пп. 2-10, де склад каталізатора включає фермент. 21. Спосіб за будь-яким з пп. 1-20, де температура знаходиться у межах від 20 °C до 95 °C. 22. Спосіб за будь-яким з пп. 1-21, де спосіб є серійним та включає наступні етапи: A) введення сировини до контейнера, що вже містить принаймні частину розчинника, B) введення каталізатора до контейнера до, одночасно або після внесення сировини до контейнера, C) витримування сировини, розчинника та каталізатора у контейнері при заданому діапазоні температур від 20 °C до 200 °C, D) видалення гідролізованого продукту з контейнера. 23. Спосіб за п. 22, де весь продукт гідролізу видаляють з контейнера перед введенням чергової порції сировини та розчинника, який містить розчинні у воді продукти гідролізу. 24. Спосіб за п. 22, де частину продукту гідролізу, так званий корінь, залишають у контейнері. 25. Спосіб за будь-яким з пп. 2-21, де спосіб є безперервним та включає наступні етапи: A) постійне внесення сировини до контейнера, в який вже введено принаймні частину розчинника, B) введення каталізатора до контейнера, C) безперервне видалення продукту гідролізу з контейнера. 26. Спосіб за п. 25, де спосіб є способом ідеального витіснення. 27. Спосіб за п. 25, де спосіб включає реактор з постійним перемішуванням. 28. Спосіб за будь-яким з пп. 22-27, де частину потоку розчинника змішують з сировиною перед внесенням до контейнера, та співвідношення розчинника і потоку сировини визначають, виходячи з суми кількості розчинника у контейнері і кількості розчинника в потоці сировини. 29. Спосіб за будь-яким з пп. 2-28, який включає наступні етапи: А) розподілення сировини, щонайменше, на перший потік сировини, В) створення першого потоку з розчинником шляхом гідролізу сировини з першого сировинного потоку, із додаванням каталізатора до першого сировинного потоку, де кількість каталізатора є в межах 0,1-150 FPU/г вмісту сухої маси всієї сировини, та проводять гідроліз при температурі в межах від 20 °C до 95 °C, С) приведення до контакту між собою лігноцелюлозної сировини, розчинника і розчинника першого потоку розчинника і підтримання контакту в діапазоні вказаних температур. 30. Спосіб за п. 29, де частину першого потоку розчинника змішують з сировиною, що не є першим сировинним потоком до внесення до контейнера, та всі співвідношення потоків розчинника і сировинного потоку визначають, виходячи із загальної кількості потоку розчинника, яка включає кількість першого потоку розчинника та кількість розчинника у контейнері. 31. Спосіб за будь-яким з пп. 1-30, де принаймні частину твердих речовин, які є у продукті гідролізу, відокремлюють від продукту гідролізу. 32. Спосіб за будь-яким з пп. 1-31, де принаймні частину твердих речовин відокремлюють від продукту гідролізу та повертають у процес. 33. Спосіб за будь-яким з пп. 1-32, де відокремлення принаймні частини твердих речовин від потоку продукту гідролізу здійснюють за допомогою пристрою, який вибирають з групи, що складається з гідроциклонів та центрифуг. 20 UA 109769 C2 21 UA 109769 C2 22 UA 109769 C2 23 UA 109769 C2 24 UA 109769 C2 25 UA 109769 C2 26 UA 109769 C2 Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 27