Способы и устройство для выделения этанола из ферментированной биомассы
Изобретение относится к процессам и устройству для выделения этанола из ферментированной биомассы. Способ выделения этанола из ферментированной биомассы, при этом указанный способ включает стадии: (a) предоставления ферментированной биомассы с высоким содержанием этанола; (b) набивки указанной ферментированной биомассы с высоким содержанием этанола в вертикальную дистилляционную колонну; (c) добавления воды в нижнюю часть указанной вертикальной дистилляционной колонны; (d) нагревания нижней части указанной вертикальной дистилляционной колонны для кипячения указанной воды с получением таким образом пара из нижней части; (e) охлаждения верхней части указанной вертикальной дистилляционной колонны для конденсации пара с верхней части с получением таким образом жидкости с верхней части с высоким содержанием этанола и (f) повторного введения фракции указанной жидкости с верхней части с высоким содержанием этанола в верхнюю часть указанной вертикальной дистилляционной колонны, при этом стадии с (d) по (f) выполняют одновременно. Технический результат – увеличение выхода этанола. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 1 ил.
ДАННЫЕ О ПРИОРИТЕТЕ
[0001] Настоящая международная заявка на патент испрашивает приоритет предварительной заявки №62/478619 на патент США, поданной 30 марта 2017, и заявки №15/898744 на патент США, поданной 19 февраля 2018, каждая из которых настоящим включена посредством ссылки в данный документ.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение относится к процессам и устройству для выделения этанола из ферментированной биомассы.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] Существует много подходящих способов получения биомассы с высоким содержанием этанола из ферментируемой биомассы. Это обычно называют «твердофазной ферментацией».
[0003] В патенте США №4490469 описан способ получения этанола посредством ферментации. В данном патенте описывается измельчение или превращение в пульпу биомассы до размера частицы пульпы менее 10 мм, необязательно засахаривание пульпы с помощью кислоты или ферментов, смешивание дрожжевой суспензии с пульпой, ожидание завершения ферментации и затем выделение этанола посредством отжимания или выдавливания жидкости из пульпы для получения жидкости с высоким содержанием этанола.
[0004] В патенте США №9428772 описаны способы и системы для получения продуктов ферментации из субстратов с высоким содержанием углеводов. В данном патенте указывают на введение гидролизных катализаторов и организмов ферментации в лигноцеллюлозную биомассу с использованием вакуумных циклов, ожидание завершения ферментации и выделение этанола посредством упаривания в вакууме.
[0005] В патенте США №9499839 описаны способы ферментации сельскохозяйственных культур с высоким содержанием углеводов. В данном патенте указывают на введение организмов ферментации в биомассу с высоким содержанием сахара, удаление избыточной жидкости из биомассы, ожидание завершения ферментации и выделение этанола посредством упаривания в вакууме или посредством размельчения.
[0006] В патенте США №9631209 описаны способы ферментации стеблей растений семейства Роасеае. В данном патенте указывают на размельчение стеблей между валиками при погружении в воду, содержащую дрожжи, удаление избыточной жидкости из стеблей, ожидание завершения ферментации и выделение этанола посредством упаривания в вакууме или посредством размельчения.
[0007] Все эти и многие другие способы твердофазной ферментации для получения этанола обладают недостатком, который заключается в том, что размельчение, отжимание или выдавливание в целом извлекает из биомассы только приблизительно 50% этанола, а упаривание в вакууме не очень эффективно, поскольку полученный этанол обычно содержит только от приблизительно 30% до приблизительно 40% спирта по объему (ABV).
[0008] Хотя существует много стран, в которых имеется надежный рынок для пищевого этанола с ABV от 30% до 40% (например, кашаса в Бразилии, самогон в Индии, байцзю в Китае и водка в России), существует еще более крупный рынок для использования этанола в генераторах, двигателях внутреннего сгорания и приготовлении пищи.
[0009] Специалистам в данной области техники будет понятно, что этанол с ABV 75% является минимальной концентрацией, необходимой для растапливания котла. Этанол с ABV 85% обычно является минимальной концентрацией, необходимой для запуска генератора или двигателя внутреннего сгорания. Для системы впрыска топлива требуется по меньшей мере 92,5% ABV и предпочтительно 96% ABV этанола. Хотя этанол с 50% ABV воспламеняется, этанол с ABV от 60% до 65% является минимальной концентрацией, необходимой для поддержания стабильного пламени для приготовления пищи, а этанол с 80% ABV необходим для получения надежного пламени для приготовления пищи.
[0010] В наиболее широко используемых способах получения концентраций этанола выше 80% ABV применяются дистилляционные колонны. При этом обычно начинают с жидкости, содержащей от 5 об. % до 40 об. % этанола, кипятят ее при атмосферном давлении или пониженном давлении и применяют дистилляционную колонну для получения более высоких концентраций этанола.
[0011] Специалистам в данной области техники известно, что существует два типа дистилляционных колонн, а именно, применяющие тарелки и применяющие набивку колонны, и два типа рабочих режимов дистилляционных колонн (порционный и непрерывный).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] В некоторых вариантах предусмотрен способ выделения этанола из ферментированной биомассы, при этом способ включает стадии:
(a) предоставления ферментированной биомассы с высоким содержанием этанола;
(b) набивки ферментированной биомассы с высоким содержанием этанола в вертикальную дистилляционную колонну;
(c) добавления воды в нижнюю часть вертикальной дистилляционной колонны;
(d) нагревания нижней части вертикальной дистилляционной колонны для кипячения воды с получением, таким образом, пара из нижней части;
(e) охлаждения верхней части вертикальной дистилляционной колонны для конденсации пара с верхней части с получением таким образом жидкости с верхней части с высоким содержанием этанола; и
(f) повторного введения фракции жидкости с верхней части с высоким содержанием этанола в верхнюю часть вертикальной дистилляционной колонны,
при этом стадии с (d) по (f) выполняют одновременно.
[0013] В некоторых вариантах осуществления ферментированную биомассу с высоким содержанием этанола выбирают из группы, состоящей из ферментированных щепок мягкой древесины, ферментированных стеблей растений семейства Роасеае, ферментированной сахарной свеклы, ферментированного картофеля, ферментированного сладкого картофеля, ферментированных клубней кассавы и их комбинаций.
[0014] В определенных вариантах осуществления вертикальная дистилляционная колонна представляет собой металлический барабан или металлический ящик. В определенных вариантах осуществления вертикальная дистилляционная колонна представляет собой трубу из гофрированного HDPE с металлической нижней частью в вертикальной ориентации.
[0015] В некоторых вариантах осуществления стадия (с) включает непрерывное или прерывистое введение наружной воды в вертикальную дистилляционную колонну.
[0016] В некоторых вариантах осуществления тепло подают на стадии (d) с использованием способа, выбранного из группы, состоящей из тепловой энергии, индукционного нагревания, пара и их комбинаций.
[0017] В некоторых вариантах осуществления охлаждение на стадии (е) применяют с использованием способа, выбранного из охлаждения воздухом, охлаждения водой или их комбинации.
[0018] В некоторых вариантах осуществления стадию (f) выполняют с использованием дефлегматора.
[0019] Стадии с (d) по (f) могут быть выполнены, например, под давлением менее 100 кПа.
[0020] В некоторых вариантах осуществления стадию (с) выполняют одновременно со стадиями с (d) по (f).
[0021] Другие варианты настоящего изобретения предлагают устройство для выделения продукта ферментации (например, этанола) из ферментированной биомассы, при этом устройство содержит:
(a) вертикальную дистилляционную колонну, содержащую ферментированную биомассу в качестве дистилляционной набивки, причем ферментированная биомасса содержит продукт ферментации;
(b) резервуар для воды либо (i) содержащийся в вертикальной дистилляционной колонне, либо (ii) физически изолированный от вертикальной дистилляционной колонны, но находящийся с ней в связи по текучей среде;
(c) нагревательное средство в нижней части вертикальной дистилляционной колонны;
(d) охлаждающее средство в верхней части вертикальной дистилляционной колонны; и
(e) средство для орошения для повторного введения охлажденной жидкости в верхнюю часть вертикальной дистилляционной колонны.
[0022] В определенных вариантах осуществления вертикальная дистилляционная колонна представляет собой металлический барабан или металлический ящик. В определенных вариантах осуществления вертикальная дистилляционная колонна представляет собой трубу из гофрированного HDPE с металлической нижней частью в вертикальной ориентации.
[0023] В некоторых вариантах осуществления резервуар для воды содержится в вертикальной дистилляционной колонне, в нижней части вертикальной дистилляционной колонны или возле нее. Устройство может дополнительно содержать средство для введения наружной воды в вертикальную дистилляционную колонну. В определенных вариантах осуществления резервуар для воды физически изолирован от вертикальной дистилляционной колонны.
[0024] Нагревательное средство может быть выбрано из группы, состоящей из тепловой энергии, индукционного нагревания, пара и их комбинаций.
[0025] Охлаждающее средство может быть выбрано из охлаждения воздухом, охлаждения водой или их комбинации.
[0026] В некоторых вариантах осуществления устройства средство для орошения представляет собой дефлегматор.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0027] Независимо от любых других форм, которые могут попадать в рамки объема настоящего изобретения, на фиг. 1 показано иллюстративное изображение устройства, реализующего способ согласно настоящему изобретению, в некоторых вариантах осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0028] Способы, процессы и системы по настоящему изобретению будут описаны подробно со ссылкой на различные неограничивающие варианты осуществления и фигуру (фигуры).
[0029] Данное описание позволяет специалисту в данной области техники изготовить и применить настоящее изобретение, и в нем описаны несколько вариантов осуществления, внедрений, вариантов, альтернатив и применений настоящего изобретения. Эти и другие варианты осуществления, признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидны для специалистов в данной области техники при рассмотрении со ссылкой на следующее подробное описание настоящего изобретения.
[0030] Используемые в данном описании и прилагаемой формуле изобретения формы единственного числа включают формы множественного числа, если контекст явно не указывает на иное. Если не определено иное, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, имеют то же значение, которое обычно понятно специалисту в данной области техники, к которой относится настоящее изобретение.
[0031] Если не указано иное, все числа, выражающие параметры, условия, результаты и т.д., используемые в данном описании и формуле изобретения, следует понимать как определенные во всех случаях термином «приблизительно». Соответственно, если не указано иное, числа, приведенные в следующем описании и прилагаемой формуле изобретения, представляют собой приблизительные значения, которые могут меняться в зависимости от конкретных алгоритмов и расчетов.
[0032] Термин «содержащий», который является синонимом слова «включающий», «содержащий в себе» или «характеризующийся», является охватывающим или неограничивающим и не исключает дополнительных не перечисленных элементов или стадий способа. «Содержащий» является термином области техники, используемым в языке формулы изобретения, который означает, что названные элементы формулы изобретения являются существенными, но другие элементы формулы изобретения могут быть добавлены и при этом образуют конструктивный элемент в рамках формулы изобретения.
[0033] В контексте настоящего документа фраза «состоящий из» исключает любой элемент, стадию или ингредиент, не указанный в формуле изобретения. Если фраза «состоящий из» (или ее варианты) появляется в отличительной части формулы изобретения, а не сразу после ограничительной части, она ограничивает только элемент, изложенный в этой отличительной части; при этом другие элементы в целом не исключаются из пункта формулы изобретения. В контексте настоящего документа фаза «состоящий по существу из» ограничивает объем формулы изобретения указанными элементами или стадиями способа, а также теми, которые не оказывают существенного влияния на основную и новую характеристику (характеристики) заявленного объекта изобретения.
[0034] Что касается терминов «содержащий», «состоящий из» и «состоящий по существу из», когда один из этих трех терминов используется в контексте настоящего документа, раскрываемый и заявляемый объект настоящего изобретения может включать использование любого из остальных двух терминов. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления, если иное не указано в явном виде, любое использование «содержащий» может быть заменено на «состоящий из» или, в качестве альтернативы, «состоящий по существу из».
[0035] Настоящее изобретение основывается на техническом решении проблемы, состоящей в том, что размельчение, отжимание или выдавливание в целом извлекает из ферментированной биомассы только 50% этанола, а упаривание в вакууме не является очень полезным, поскольку производимый этанол обычно содержит только от приблизительно 30% до приблизительно 40% спирта по объему (ABV).
[0036] Настоящее изобретение основывается по меньшей мере частично на техническом подходе, предусматривающем использование самой ферментированной биомассы в качестве материала набивки в дистилляционной колонне.
[0037] Принципы настоящего изобретения, в некоторых вариантах, продемонстрированы в примерах, приведенных в настоящем документе. Следует отметить, что хотя описаны многие варианты осуществления, относящиеся к этанолу, настоящее изобретение не ограничено этанолом как продуктом ферментации, содержащимся в ферментированной биомассе. В других вариантах осуществления могут быть получены различные спирты, органические кислоты, углеводороды и другие соединения.
[0038] Настоящее изобретение предлагает способ выделения этанола из ферментированной биомассы, при этом способ включает стадии:
(a) предоставления ферментированной биомассы с высоким содержанием этанола;
(b) набивки ферментированной биомассы с высоким содержанием этанола в вертикальную колонну;
(c) добавления воды в нижнюю часть вертикальной колонны;
(d) нагревания (например, с применением тепла или при подходящих температурах) нижней части вертикальной колонны для кипячения воды с получением пара из нижней части;
(e) охлаждения (например, с применением охлаждения или при подходящих температурах) верхней части вертикальной колонны для конденсации пара с верхней части и получения жидкости с верхней части с высоким содержанием этанола; и
(f) повторного введения фракции жидкости с верхней части с высоким содержанием этанола в вертикальную колонну, предпочтительно в верхней части вертикальной колонны или возле нее,
при этом стадии с (d) по (f) предпочтительно выполняют одновременно.
[0039] Специалисты в данной области техники поймут, что этот способ подобен дистилляционной колонне с набивкой, за исключением того, что (а) материал набивки представляет собой или включает ферментированную биомассу и (b) воду или водный раствор в нижней части дистилляционной колонны используют для передачи тепла в ферментированную биомассу в нижней части дистилляционной колонны.
[0040] Ферментированная биомасса с высоким содержанием этанола используется в качестве материала набивки в дистилляционной колонне, и небольшое количество воды в нижней части колонны может быть использовано для эффективной передачи тепла в биомассу в нижней части колонны. Набивка из ферментированной биомассы имеет высокое отношение площади поверхности к объему и поэтому является эффективным материалом набивки. По мере того как пар конденсируется на биомассе, тепло распространяется в биомассу, приводя к образованию пара этанола/воды, и этот пар затем вытесняется из биомассы через апопласт или волокна биомассы. Этот пар этанола/воды из консистенции (объемной фазы) биомассы повышает концентрацию этанола на поверхности частиц биомассы. Поскольку этанол является более летучим, чем вода, капли, содержащие более низкие концентрации этанола, стекают вниз с биомассы, а пар, содержащий более высокие концентрации этанола, поднимается вверх с биомассы. Это приводит к образованию более высокой концентрации этанола в верхней части колонны, по сравнению с первоначальной в ферментированной биомассе.
[0041] Распространение тепла в биомассу занимает некоторое время. Это описано в главе 5 Lienhard IV, J. Н., and V. Lienhard, A Heat Transfer Textbook, 4th Ed., Cambridge Massachusetts (2017), что включено в настоящий документ посредством ссылки и называется в настоящем документе как «Leinhard». На фиг. 5.8 (для цилиндров, например, стеблей) и на фиг. 5.9 (для сфер, например, клубней и древесных щепок) в Leinhard показан простой способ вычисления того, сколько времени требуется центру биомассы для нагревания до точки кипения этанола в биомассе. Например, по истечении одного часа (так же, как в примере 5.2 в Leinhard) число Фурье (Fo) ферментированной сахарной свеклы диаметром 0,1 м (4 дюйма) составляет 0,208. Ферментированная сахарная свекла с содержанием сахара 18% по весу имеет содержание этанола приблизительно 10% ABV, точка кипения которого составляет приблизительно 94°С (которая на фиг. 5.9 является безразмерной температурой, составляющей приблизительно 0,05). Для конденсирующегося пара (1000 Вт м-2 K-1), число Био (Bi) этой сахарной свеклы составляет приблизительно 83, и поэтому l/Bi составляет приблизительно 0,012. В верхнем левом углу фиг. 5.9 в Leinhard показано, что конденсирующийся пар нагревает центр этой сахарной свеклы до приблизительно 94°С примерно за 1,5 часа.
[0042] В предпочтительных вариантах осуществления ферментированную биомассу выбирают из группы, состоящей из ферментированных щепок мягкой древесины, ферментированных стеблей растений семейства Роасеае (например, сахарного тростника и сладкого сорго), ферментированной сахарной свеклы, ферментированного картофеля, ферментированного сладкого картофеля, ферментированных клубней кассавы и их комбинаций. Это наиболее часто выращиваемые сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием углеводов, но этот список не является исчерпывающим, и принципы настоящего изобретения могут применяться к другому сырью для биомассы. Геометрическая форма ферментированной биомассы может варьироваться, например, она может представлять собой сферу, стержни, трубки, волокна, пластины, маты, щепки, хаотичные ориентации или их комбинацию. При необходимости ферментированную биомассу вдавливают в выбранные геометрические формы набивки дистилляционной колонны, но это никоим образом не является обязательным.
[0043] Ферментированную биомассу, как правило, получают посредством твердофазной ферментации исходной биомассы с использованием одного или нескольких подходящих микроорганизмов, чтобы по меньшей мере частично ферментировать сахара или сахарные полимеры, сохраненные в биомассе, в продукты ферментации. Твердофазная ферментация представляет собой способ обработки, при котором микроорганизмы ферментируют сахара в продукты (такие как этанол) при контролируемых условиях на влажных твердых частицах с влажностью, достаточной для поддержания роста микроорганизмов и/или метаболизма. В некоторых вариантах осуществления применяются способы, раскрытые в патенте США №9428772, патенте США №9499839 и/или патенте США №9631209, которые включены в настоящий документ посредством ссылки. Специалистам в данной области техники будет понятно, что существует много способов и подходящих организмов для твердофазной ферментации биомассы с высоким содержанием углеводов в этанол или другие продукты ферментации.
[0044] Также ферментированная биомасса может быть получена посредством ферментации биомассы, которая может отличаться от твердофазной ферментации. Например, может применяться погруженная ферментация/жидкая ферментация биомассы, при которой ферментированную биомассу затем извлекают (например, посредством фильтрации или центрифугирования) для использования в настоящем изобретении. Это является менее практичным, поскольку продукты ферментации также содержатся в жидкой фазе, но все же это остается в пределах объема настоящего документа. Продукты ферментации в жидкой фазе могут быть извлечены отдельно и/или при необходимости могут быть поданы в дистилляционную колонну, как предложено в настоящем документе, в разбавленном виде, для очистки с использованием восстановленной ферментированной биомассы в качестве набивки дистилляции.
[0045] Ферментированная биомасса может содержать различные концентрации этанола, как например, приблизительно или по меньшей мере приблизительно 0,1, 0,5, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 вес. % или более на основе общего веса ферментированной биомассы со всеми компонентами, включая все твердые частицы и воду.
[0046] В настоящем изобретении могут быть использованы многие типы дистилляционных колонн. Наиболее простое - это использовать контейнер с металлическим дном, такой как барабан объемом 204 л (55 галлонов), или большой металлический ящик, или трубу большого диаметра (>0,5 м) из гофрированного HDPE, стоящую на торце с металлической пробкой на дне. Труба из гофрированного HDPE может быть преимущественной в том, что она является недорогой в перерасчете на единицу объема, она является изолированной и может поддерживать вакуумметрическое давление.
[0047] В некоторых вариантах осуществления вертикальная колонна представляет собой металлический барабан. В некоторых вариантах осуществления вертикальная колонна представляет собой металлический ящик. В некоторых предпочтительных вариантах осуществления вертикальная колонна представляет собой трубу из гофрированного полиэтилена высокой плотности (HDPE) с металлической нижней частью в вертикальной ориентации.
[0048] На стадии (с) воду могут добавлять посредством непрерывного или прерывистого введения наружной воды в вертикальную дистилляционную колонну. Например, внешнюю воду могут закачивать насосом в вертикальную колонну. В некоторых вариантах осуществления подходящее количество воды изначально размещают в нижней части дистилляционной колонны, а дополнительная вода может понадобиться или не понадобиться во время работы дистилляционной колонны. В определенных вариантах осуществления в ферментированной биомассе содержится достаточное количество воды, так что нет необходимости изначально или непрерывно вводить дополнительную (внешнюю) воду в нижнюю часть колонны. Другими словами, когда в ферментированной биомассе содержится достаточное количество воды, во время работы часть этой воды диффундирует из частиц биомассы и капает в нижнюю часть колонны. Воду по-прежнему добавляют в нижнюю часть вертикальной колонны (стадия (с)), но это вода, изначально содержащаяся в ферментированной биомассе. Возможны и комбинации. Например, исходное количество воды может быть размещено в колонне для запуска. Во время работы эта вода испаряется, но может быть заменена, частично или полностью, водой, полученной из ферментированной биомассы. Если этого все равно не достаточно, то внешняя вода может вводиться непрерывно или периодически в дистилляционную колонну. В некоторых вариантах осуществления стадию (с) выполняют одновременно со стадиями с (d) по (f).
[0049] По мере того как жидкость с верхней части удаляется с верхней части колонны, может понадобиться добавление жидкой воды в нижнюю часть колонны, чтобы обеспечивать передачу тепла в ферментированную биомассу, когда исходное содержание воды ферментированной биомассы становится недостаточным. В противном случае нижняя часть колонны может пересохнуть, и передача тепла будет происходить только посредством теплопроводности, что гораздо менее эффективно, чем кипячение воды в нижней части колонны.
[0050] В некоторых вариантах осуществления в нижнюю часть колонны вводят достаточное количество воды, так что нижняя часть никогда не пересыхает во время дистилляции. Эту воду можно вводить изначально в колонну и/или периодически вводить во время дистилляции. На практике уровень воды, составляющий приблизительно 5% высоты колонны, как правило, является достаточным, поскольку вода также выталкивается из биомассы вместе с этанолом, и эта вода перемещается вниз по колонне, в то время как этанол перемещается вверх по колонне. В различных вариантах осуществления применяется уровень воды, составляющий приблизительно 1%, 2%, 5%, 10%, 15%, 20% или 25% высоты колонны. Предпочтительно количество воды в нижней части колонны является достаточным для покрытия наружной стороны биомассы при конденсации.
[0051] В предпочтительных вариантах осуществления тепло подают на колонну с использованием способа, выбранного из группы, состоящей из тепловой энергии, индукционного нагревания, пара и их комбинаций.
[0052] Энергия составляет основную часть затрат при дистилляции, и специалисты в данной области техники поймут необходимость выбора оптимального соотношения при использовании различных типов из тепловой энергии, индукционного нагревания и пара. Если используется индукционное нагревание, нижняя часть дистилляционной колонны предпочтительно представляет собой черный металл и предпочтительно марку стали, которая не относится к нержавеющей стали.
[0053] В предпочтительных вариантах осуществления охлаждение применяют с использованием способа, выбранного из охлаждения воздухом, охлаждения водой или их комбинации. В различных вариантах осуществления охлаждение может применяться в целом с использованием охлаждения газом, охлаждения жидкостью или совместным охлаждением газом/жидкостью. Специалистам в данной области техники известны жидкие охладители, отличные от воды.
[0054] Охлаждение конденсатора воздухом требует большей площади, чем охлаждение водой, но холодный воздух часто более экономичен. Специалисты в данной области техники поймут необходимость выбора оптимального соотношения при использовании разных типов охлаждения конденсатора.
[0055] В предпочтительных вариантах осуществления стадию (f) выполняют с использованием дефлегматора. Дефлегматор представляет собой устройство, предназначенное для частичной конденсации многокомпонентного потока пара. Поток пара протекает вертикально вверх, а конденсат (конденсированный пар) стекает обратно вниз под воздействием силы тяжести. Дефлегматоры обеспечивают хорошее средство для совмещения орошения с равномерным перераспределением орошения в верхнюю часть колонны. Один предпочтительный вариант осуществления, который является простым и недорогим, представляет собой охлаждаемую воздухом плоскую металлическую пластину с отверстиями, предназначенную для выхода пара из дистилляционной колонны.
[0056] В некоторых вариантах осуществления на стадии (f) жидкость с верхней части с высоким содержанием этанола повторно вводится в верхнюю часть вертикальной дистилляционной колонны. Альтернативно или дополнительно на стадии (f) жидкость с верхней части с высоким содержанием этанола может повторно вводиться возле верхней части вертикальной дистилляционной колонны, а не в верхней части, как например, на уровне приблизительно 50%, 60%, 70%, 80%, 90% или 95% высоты вертикальной дистилляционной колонны (100% высоты являются верхней частью самой вертикальной дистилляционной колонны, но не включают дефлегматор или другие устройства над колонной или ниже по потоку относительно верхней части колонны).
[0057] Фракция жидкости с верхней части с высоким содержанием этанола, которая может быть повторно введена в вертикальную дистилляционную колонну, может изменяться в широком диапазоне, например, иметь весовое соотношение от приблизительно 0,01 до приблизительно 0,99. В различных вариантах осуществления весовое соотношение составляет приблизительно 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 или 0,95. Во время работы весовое соотношение (фракция, повторно вводимая в колонну) может изменяться вследствие изменений температуры или давления, изменений концентрации, по мере того как этанол высвобождается из ферментированной биомассы, или случайным образом.
[0058] Как правило, жидкость с верхней части с высоким содержанием этанола повторно вводят в вертикальную дистилляционную колонну по существу непрерывным образом, так же как этанол дистиллируется из ферментированной биомассы по существу непрерывно. Однако изменения во времени и пространстве могут происходить во время дистилляции, из-за лежащих в основе явлений термодинамики, переноса массы и переноса тепла. В определенных вариантах осуществления жидкость с верхней части с высоким содержанием этанола повторно вводят в вертикальную дистилляционную колонну преднамеренно прерывистым образом, например, когда схема управления используется для отслеживания локальных концентраций этанола.
[0059] В предпочтительных вариантах осуществления стадии с (d) по (f) выполняют при абсолютном давлении меньшем, чем приблизительно 100 кПа (атмосферное давление), таком как приблизительно или меньше, чем приблизительно 90 кПа, 80 кПа, 70 кПа, 60 кПа, 50 кПа, 40 кПа, 30 кПа, 20 кПа или 10 кПа.
[0060] В некоторых вариантах осуществления стадию (d) выполняют при температуре, составляющей приблизительно или менее чем приблизительно 90°С, 80°С, 70°С, 60°С, 50°С, 40°С или 30°С.
[0061] Использование показаний давления ниже атмосферного давления позволяет использовать тепло более низкой температуры в нижней части дистилляционной колонны. Это дает возможность использовать для дистилляционной колонны солнечное тепло, дымовой газ, теплую воду или другие источники тепла более низкой температуры. Это также приводит к меньшим потерям тепла в окружающую среду через стенки дистилляционной колонны, увеличивая общую эффективность.
[0062] Ферментированная биомасса с высоким содержанием этанола часто содержит пектин в паренхиме. Пектин разлагается при нагреве с получением метанола, который обычно является нежелательным продуктом дистилляции. Это описано в статье Diaz, Jerome V., Gordon Е. Anthon, and Diane M. Barrett, «Nonenzymatic degradation of citrus pectin and pectate during prolonged heating: effects of pH, temperature, and degree of methyl esterification», Journal of agricultural andfood chemistry 55.13 (2007): 5131-5136, которая включена в настоящий документ посредством ссылки. В вышеуказанной статье на фиг. 3(A) показано, что количество метанола, получаемого из пектина при нагревании, приблизительно в 10 раз меньше при 75°С, чем при 100°С.
[0063] Иллюстративное устройство, реализующее способ согласно настоящему изобретению, показано на фиг. 1. Опять-таки, настоящее изобретение не ограничено этанолом как продуктом ферментации.
[0064] Биомасса 105, насыщенная этанолом, расположена внутри колонны 106 над перфорированной пластиной 117. Колонна 106 предпочтительно обернута подходящим изолирующим материалом (не показан), хотя нехватка такой изоляции не помешает работе устройства, а повлияет только на ее энергетическую эффективность. Перфорированная пластина 117 не дает биомассе контактировать с водой в резервуаре 102, в котором содержится достаточное количество воды благодаря водоснабжению 112. Перфорированная пластина 117 не является особо важной; отсутствие перфорированной пластины не помешает работе устройства и лишь несколько увеличит загрязнение металлической пластины 118. В нижней части колонны 106 металлическая пластина 118 расположена над нагревателем 101, находящимся под управлением индикатора 104 температуры и регулятора 103 мощности. Нагреватель 101 подает тепло на резервуар 102 для испарения воды, тогда как металлическая пластина 118 обеспечивает равномерное распределение тепла. В некоторых вариантах осуществления нагреватель 101 является электрическим. Однако могут использоваться и другие нагревательные устройства, включая паровой нагреватель, нагреватель с прямым обогревом, масляный нагреватель или солнечный нагреватель.
[0065] В вариантах осуществления, изображенных на фиг. 1, резервуар 102 содержится внутри колонны. В других вариантах осуществления резервуар физически отделен от колонны надлежащим способом, чтобы обеспечить перетекание водяного пара из резервуара в колонну и конденсировать из колонны в резервуар.
[0066] По мере того как водяной пар поднимается по колонне 106, пар обогащается низкокипящим этанолом, в результате чего содержание этанола в биомассе понижается. После выхода из биомассы 105 пар с высоким содержанием этанола проходит через дефлегматор 108, который охлаждает пар и, обеспечивая частичную конденсацию, дает возможность далее повышать концентрацию этанола. Контроллеры 107 и 114 температуры могут использоваться для измерения температуры пара, покидающего биомассу 105, и температуры пара, покидающего дефлегматор 108, соответственно. Этой разницей температуры можно управлять посредством изменения охлаждения дефлегматора 108 с помощью охладителя 122. В некоторых вариантах осуществления охладитель 122 представляет собой охладитель воздуха, но могут быть использованы и другие охлаждающие системы, такие как водяной кожух или спираль с охлаждающей жидкостью, находящаяся снаружи или внутри пути потока. Пар, покидающий дефлегматор 108, полностью конденсируется в конденсаторе 109. Конденсатор 109, показанный в этом варианте осуществления, охлаждается с помощью жидкости. Линия 120 указывает поток соответствующей охлаждающей среды, но могут быть использованы и другие охлаждающие среды, такие как принудительная воздушная конвекция или естественная воздушная конвекция. Вакуумный насос 110 используется для управления давлением в системе. Давление системы указано на измерителе 111 давления. Вакуумный насос может быть выполнен с возможностью обеспечивания функционирования системы при высоком вакууме или только для удаления холодных неконденсирующихся газов. В некоторых вариантах осуществления, предназначенный для работы только при комнатной температуре или подобной ей, вакуумный насос может не использоваться. Индикатор 121 температуры показывает температуру внутри конденсатора 109. Конденсат с высоким содержанием этанола скапливается в сосуде 113 для сбора.
[0067] Специалисту в данной области техники будет понятно, что могут применяться известные оборудование и компоненты для процессов, способов, устройств и систем, раскрытых в настоящем документе. Процессы, описанные в настоящем документе, могут быть периодическими, непрерывными, полунепрерывными или псевдонепрерывными.
[0068] Например, стадия (b) набивки ферментированной биомассы с высоким содержанием этанола в вертикальную колонну может быть выполнена порционно, после чего следует непрерывная работа стадий с (d) по (f), и при необходимости стадии (с). В некоторых коммерческих вариантах осуществления стадия (b) является также непрерывным или полунепрерывным, то есть ферментированная биомасса с высоким содержанием этанола может быть введена в колонну через канал, например, возле верхней части колонны, в то время как биомасса с пониженным содержанием этанола может быть изъята из колонны через канал, например, возле нижней части колонны.
[0069] Выработка, или рабочая производительность, может изменяться в широком диапазоне от небольших лабораторных установок до полноценных установок промышленного масштаба, включая любые экспериментальные, демонстрационные или полупромышленные установки. В различных вариантах осуществления рабочая производительность составляет по меньшей мере приблизительно 1 кг/день, 10 кг/день, 100 кг/день, 1 тонна/день (все тонны являются метрическими тоннами), 10 тонн/день, 100 тонн/день, 500 тонн/день, 1000 тонн/день, 2000 тонн/день или более.
[0070] Вся система может быть неподвижно закреплена, или может быть выполнена как передвижная. Система может быть сконструирована с применением модулей, которые могут быть просто скопированы для приемлемого масштабирования.
[0071] Различные зонды могут обеспечивать точное управление и контроль в отношении хода процесса на различных стадиях процесса, вплоть до конца и потенциально включая все стадии процесса. Ожидается, что точное управление ходом процесса приведет к увеличению количества полученного продукта и повышению эффективности, как в динамическом режиме, так и в течение некоторого времени, когда история эксплуатации может быть использована для коррекции условий процесса (включая программы периодического изменения давления). В некоторых вариантах осуществления реакционный зонд расположен в функциональном взаимодействии с зоной, в которой происходит процесс. Такой реакционный зонд может быть полезен для извлечения жидких образцов и их анализа с целью определения степени выделения или профиля этанола и т.д. Коррекция процесса может основываться на измерениях, если это считается необходимым или желательным, путем применения хорошо известных принципов управления процессом (обратной связи, прямой связи, пропорционально-интегрально-дифференциальной логической схемы и т.д.).
[0072] Потоки твердых частиц, жидкости и газа, образованные или существующие в рамках процесса, могут быть независимо друг от друга возвращены, переданы на последующие стадии или извлечены/изъяты из процесса в любой момент.
ПРИМЕРЫ
[0073] Экспериментальное устройство сконструировали в соответствии с иллюстративным устройством, показанном на фиг. 1. Выполнили три испытания дистилляции: первое при атмосферном давлении (101,325 кПа) с насыщенными этанолом древесными щепками, второе при атмосферном давлении с ферментированным сахарным тростником и третье при давлении 50 кПа с насыщенными этанолом деревянными кубиками.
[0074] Биомасса 105 в первом испытании представляла собой 12-мм кубики из мягкой древесины, насыщенные под воздействием вакуума 10% ABV раствором. Биомасса 105 во втором испытании представляла собой сахарный тростник, ферментированный согласно способу, раскрытому в патенте США №9631209 (который включен в настоящий документ посредством ссылки), порезанный на отрезки по 25 мм, чтобы он поместился в колонну. Биомасса 105 в третьем испытании представляла собой 12-мм кубики из мягкой древесины, насыщенные под воздействием вакуума 10% ABV раствором.
[0075] Вакуумный насос 110 в первом и втором испытаниях не использовали, в третьем испытании вакуумный насос использовали для поддержания измерителя 111 давления на уровне 50 кПа.
[0076] Колонна 106 представляла собой трубу из нержавеющей стали марки 304 длиной 91 см, с внутренним диаметром 45 мм и наружным диаметром 51 мм и была обернута изоляцией труб водонагревателя из стекловолокнистого мата.
[0077] Резервуар 102 в каждом испытании изначально содержал 200 мл дистиллированной воды и перфорированную пластину 117 не использовали. В конце каждого испытания приблизительно 125 мл жидкости оставалось в резервуаре 102.
[0078] Металлическая пластина 118 представляла собой пластину из нержавеющей стали марки 304 с площадью поверхности 2600 см, приваренную к нижней части колонны 106.
[0079] Нагреватель 101 представлял собой 1200 Вт промышленную электроплитку, прикрепленную болтами к нижней поверхности металлической пластины 118. Индикатор 104 температуры не использовали, а регулятор 103 мощности представлял собой реостат, который оставили в положении полного включения во время этих трех испытаний.
[0080] Дефлегматор 108 представлял собой медную трубку с двумя стенками длиной 9 см, с внутренним диаметром 14 мм и наружным диаметром 20 мм.
[0081] Контроллеры 107 и 114 температуры представляли собой термопары, измеряющие температуру пара, покидающего биомассу, и температуру пара, покидающего дефлегматор, соответственно.
[0082] В первом и втором испытаниях охладитель 122 представлял собой воздух с переменным объемом подачи, накачиваемый шланговым насосом для поддержания температуры на контроллере 114 температуры ниже 80°С. В третьем испытании охладитель 122 представлял собой воду с непрерывным потоком при постоянной температуре 60°С.
[0083] Конденсатор 109 представлял собой медную трубку с двумя стенками длиной 50 см, с внутренним диаметром 20 мм и наружным диаметром 28 мм.
[0084] Индикатор 121 температуры поддерживали на уровне 10°С.
[0085] Сосуд 113 для сбора представлял собой 250 мл колбу Эрленмейера, соединенную с конденсатором посредством резинового стопора так, что она могла удерживаться в вакууме в третьем испытании.
[0086] Раствор 800 мл дистиллированной воды и 200 мл 50% ABV этанола подготовили для первого и третьего испытаний. Это 10% ABV, 8,01% спирта по весу.
[0087] В первом испытании этот 10% ABV раствор влили с помощью вакуума в 200 г абсолютно сухих кубиков из мягкой древесины с размером 12 мм каждой стороны. После вливания вес составлял 441,8 г, так что 241,8 г 10% ABV раствора были влиты в древесные кубики. Это составляло 241,8 г × 8,01%=19.37 г этанола. После 6 часов дистилляции при атмосферном давлении извлекли 23,492 г дистиллята, и масса 20 мл этого дистиллята составляла 16,8 г. Плотность составляла 0,84 г/см3, 86,6% ABV, 81,3% по весу, всего 19,09 г извлеченного этанола или 98% извлекли (с неточностью из-за погрешности эксперимента, составляющей приблизительно 5%).
[0088] Во втором испытании 500 г сахарного тростника насытили дрожжами с использованием способа, раскрытого в патенте США №9631209, и ферментировали в течение 60 часов. Протекание ферментации измеряли посредством газа, произведенного с помощью MilliGascounter типа MGC-1 производства компании «Dr.-Ing. Ritter Apparatebau GmbH & Co. KG», Бохум, Германия. Количество произведенного газа измеряется при разрешающей способности в миллилитрах в течение периода ферментации. При ферментации 3,35 г сахара (обычно сахарозы) вырабатывается 1 л газа (CO2), поэтому о количестве ферментированного сахара, скорости ферментации и общем количестве ферментированного газа можно судить по графику производимого газа в зависимости от времени. Было измерено 9 литров газа, что означает, что было ферментировано 30,15 г сахара и было произведено приблизительно 15 г этанола. 56 г жидкости вытеснили из 564 г насыщенного сахарного тростника, и эту вытесненную жидкость не использовали в дистилляционной колонне, поэтому приблизительно 13,5 г этанола осталось в сахарном тростнике. После 5 часов дистилляции при атмосферном давлении извлекли 12,71 г дистиллята и масса 10 мл этого дистиллята составляла 8,24 г. Плотность составляла 0,824 г/см3, 91,54% ABV, 87,7% по весу, всего 11,15 г извлеченного этанола, или 83% извлекли (с неточностью из-за погрешности эксперимента, составляющей приблизительно 10%).
[0089] В третьем испытании 10% ABV раствор влили с помощью вакуума в 231 г абсолютно сухих кубиков из мягкой древесины с размером 12 мм каждой стороны. После вливания вес составлял 491 г, так что 260 г 10% ABV раствора были влиты в древесные кубики. Это составляло 260 г × 8,01%=20.83 г этанола. После 3,5 часов дистилляции при давлении 50 кПа извлекли 28 мл дистиллята, и масса 20 мл этого дистиллята составляла 16,72 г, так что извлекли 23,41 г дистиллята. Плотность составляла 0,836 г/см3 87,89% этанола по объему, 82,97% этанола по весу, всего 19,42 г извлеченного этанола, или 93% извлекли (с неточностью из-за погрешности эксперимента, составляющей приблизительно 5%).
[0090] Результаты этих трех испытаний доказывают, что способ согласно настоящему изобретению является полезным и практичным методом для выделения этанола из ферментированной биомассы.
[0091] Специалисты в данной области техники поймут, что усовершенствования относительно количества извлекаемого этанола и концентрации дистиллята могут быть легко осуществлены посредством лучшего контроля температуры на дефлегматоре.
[0092] Принципы настоящего изобретения могут быть применены к другим продуктам ферментации, отличающимся от этанола, таким как (но без ограничения) спирты, органические кислоты, углеводороды и так далее.
[0093] В этом подробном описании были приведены ссылки на множество вариантов осуществления. Эти варианты осуществления описаны для того, чтобы специалисты в данной области техники смогли на практике использовать настоящее изобретение, и следует понимать, что модификации различных раскрытых вариантов осуществления могут быть сделаны специалистом в данной области техники.
[0094] Там, где способы и стадии, описанные выше, указывают на определенные события, происходящие в определенном порядке, специалистам в данной области техники будет понятно, что порядок определенных стадий может быть изменен, и что такие модификации находятся в соответствии с вариантами настоящего изобретения. Кроме того, определенные стадии могут выполняться одновременно в параллельном процессе, когда это возможно, а также выполняться последовательно.
[0095] Все публикации, патенты и заявки на патенты, упоминаемые в настоящем описании, полностью включены в настоящий документ посредством ссылки, как если бы каждая публикация, патент или заявка на патент была конкретно и индивидуально изложена в настоящем документе.
[0096] Варианты осуществления и варианты, описанные выше, должны давать представление о полезности и универсальности настоящего изобретения. Другие варианты осуществления, которые не предусматривают всех признаков и преимуществ, изложенных в настоящем документе, также могут быть использованы без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Такие модификации и варианты считаются такими, что входят в объем настоящего изобретения, определяемого формулой изобретения. В случае конфликта в определениях между настоящим описанием и словарем или другим источником информации настоящее описание будет иметь преимущественную силу.
1. Способ выделения этанола из ферментированной биомассы, при этом указанный способ включает стадии:
(a) предоставления ферментированной биомассы с высоким содержанием этанола;
(b) набивки указанной ферментированной биомассы с высоким содержанием этанола в вертикальную дистилляционную колонну;
(c) добавления воды в нижнюю часть указанной вертикальной дистилляционной колонны;
(d) нагревания нижней части указанной вертикальной дистилляционной колонны для кипячения указанной воды с получением таким образом пара из нижней части;
(e) охлаждения верхней части указанной вертикальной дистилляционной колонны для конденсации пара с верхней части с получением таким образом жидкости с верхней части с высоким содержанием этанола и
(f) повторного введения фракции указанной жидкости с верхней части с высоким содержанием этанола в верхнюю часть указанной вертикальной дистилляционной колонны,
при этом стадии с (d) по (f) выполняют одновременно.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанную ферментированную биомассу с высоким содержанием этанола выбирают из группы, состоящей из ферментированных щепок мягкой древесины, ферментированных стеблей растений семейства Роасеае, ферментированной сахарной свеклы, ферментированного картофеля, ферментированного сладкого картофеля, ферментированных клубней кассавы и их комбинаций.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанная вертикальная дистилляционная колонна представляет собой металлический барабан или металлический ящик.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанная вертикальная дистилляционная колонна представляет собой трубу из гофрированного HDPE с металлической нижней частью в вертикальной ориентации.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стадия (с) включает непрерывное или прерывистое введение наружной воды в указанную вертикальную дистилляционную колонну.
6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что тепло подают на стадии (d) с использованием способа, выбранного из группы, состоящей из тепловой энергии, индукционного нагревания, пара и их комбинаций.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанное охлаждение на стадии (е) применяют с использованием способа, выбранного из охлаждения воздухом, охлаждения водой или их комбинации.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стадию (f) выполняют с использованием дефлегматора.
9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стадии с (d) по (f) выполняют под давлением менее 100 кПа.
10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стадию (с) выполняют одновременно со стадиями с (d) по (f).
11. Устройство для выделения продукта ферментации из ферментированной биомассы, при этом указанное устройство содержит:
(a) вертикальную дистилляционную колонну, содержащую ферментированную биомассу в качестве дистилляционной набивки, причем указанная ферментированная биомасса содержит продукт ферментации;
(b) резервуар для воды либо (i) содержащийся в указанной вертикальной дистилляционной колонне, либо (ii) физически изолированный от указанной вертикальной дистилляционной колонны, но находящийся с ней в связи по текучей среде;
(c) нагревательное средство в нижней части указанной вертикальной дистилляционной колонны;
(d) охлаждающее средство в верхней части указанной вертикальной дистилляционной колонны и
(e) средство для орошения для повторного введения охлажденной жидкости в указанную верхнюю часть указанной вертикальной дистилляционной колонны.
12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что указанная вертикальная дистилляционная колонна представляет собой металлический барабан или металлический ящик.
13. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что указанная вертикальная дистилляционная колонна представляет собой трубу из гофрированного HDPE с металлической нижней частью в вертикальной ориентации.
14. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что указанный резервуар для воды содержится в указанной вертикальной дистилляционной колонне, в нижней части указанной вертикальной дистилляционной колонны или возле нее.
15. Устройство по п. 14, отличающееся тем, что указанное устройство дополнительно содержит средство для введения наружной воды в указанную вертикальную дистилляционную колонну.
16. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что указанный резервуар для воды физически изолирован от указанной вертикальной дистилляционной колонны.
17. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что указанное нагревательное средство выбрано из группы, состоящей из тепловой энергии, индукционного нагревания, пара и их комбинаций.
18. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что указанное охлаждающее средство выбрано из охлаждения воздухом, охлаждения водой или их комбинации.
19. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что указанное средство для орошения представляет собой дефлегматор.
20. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что указанный продукт ферментации представляет собой этанол.
