Способ и устройство для ферментативного гидролиза
Группа изобретений относится к области биотехнологии. Предложен способ и устройство для ферментативного гидролиза. Способ включают предварительную обработку сочетанием кислотного гидролиза и парового взрыва материала на основе растительного сырья, подачу материала на первую стадию ферментативного гидролиза, гидролиз материала по меньшей мере на двух стадиях ферментативного гидролиза. Причем время пребывания на первой стадии короче, чем время пребывания на второй или любой последующей стадии ферментативного гидролиза, где пребывание на второй или любой последующей стадии составляет 22-48 часов. Устройство включает ступень предварительной обработки, по меньшей мере две ступени ферментативного гидролиза, устройство для подачи материала на основе растительного сырья и по меньшей мере две ступени разделения на жидкую и твердую фазу. Изобретения обеспечивают улучшение ферментативного гидролиза. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 8 пр., 8 ил.
Область техники
Изобретение относится к способу и устройству для ферментативного гидролиза. Кроме того, изобретение относится к жидкой фракции и твердой фракции и их применению.
Уровень техники
Известны различные способы получения углеводов и лигнина из различных исходных материалов, таких как биомасса. Существует множество видов переработки биологических веществ, например, гидролиз, для образования лигнина и Сахаров после обработки биомассы. Известно применение ферментативного гидролиза в переработке биологических веществ.
Целью настоящего изобретения является улучшение ферментативного гидролиза. Другой целью настоящего изобретения является обеспечение нового способа осуществления ферментативного гидролиза. Еще одной целью настоящего изобретения является получения жидкой фракции и твердой фракции в связи с ферментативным гидролизом.
Краткое описание изобретения
Способ ферментативного гидролиза отличается признаками, указанными в п. 1 формулы изобретения.
Устройство для ферментативного гидролиза отличается признаками, указанными в п. 15 формулы изобретения.
Жидкая фракция отличается признаками, указанными в п. 21 формулы изобретения.
Твердая фракция отличается признаками, указанными в п. 22 формулы изобретения.
Применение жидкой фракции отличается признаками, указанными в п. 23 формулы изобретения.
Применение твердой фракции отличается признаками, указанными в п. 24 формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Прилагаемые чертежи, которые включены для того, чтобы лучше понять изобретение, и составляют часть данного описания изобретения, иллюстрируют некоторые воплощения изобретения и совместно с описанием способствуют пояснению принципов изобретения. На чертежах:
на Фиг. 1 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ в соответствии с одним воплощением,
на Фиг. 2 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ в соответствии с другим воплощением,
на Фиг. 3 представлены результаты одного примера, осуществляемого в соответствии с одним воплощением способа,
на Фиг. 4 представлены результаты одного примера, осуществляемого в соответствии с одним воплощением способа,
на Фиг. 5 представлены результаты одного примера, осуществляемого в соответствии с одним воплощением способа,
на Фиг. 6 представлены результаты одного примера, осуществляемого в соответствии с одним воплощением способа,
на Фиг. 7 представлены результаты одного примера, осуществляемого в соответствии с одним воплощением способа, и
на Фиг. 8 представлены результаты одного примера, осуществляемого в соответствии с одним воплощением способа.
Подробное описание изобретения
В способе ферментативного гидролиза исходного материала на основе растительного сырья, предпочтительно материала на основе целлюлозы, гидролиз осуществляют с помощью ферментов. В способе исходный материал (1) на основе растительного сырья подают на первую стадию (2) ферментативного гидролиза, и исходный материал (1) на основе растительного сырья подвергают гидролизу по меньшей мере на двух стадиях (2, 4) ферментативного гидролиза. Жидкую фракцию (5а, 5b), содержащую углеводы, отделяют от твердой фракции (6а, 6b) на стадии (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу после каждой стадии (2, 4) ферментативного гидролиза, и твердую фракцию (6а) подают на следующую стадию (4) ферментативного гидролиза, на которой твердую фракцию обрабатывают, а твердую фракцию (6b) извлекают на последней стадии (7b) разделения на жидкую и твердую фазу, такой как заключительная или конечная стадия разделения на жидкую и твердую фазу. Предпочтительно твердую фракцию (6а, 6b), содержащую твердые частицы, и жидкую фракцию (5а, 5b) получают на стадии (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу.
Одно воплощение способа представлено на Фиг. 1. Другое воплощение способа представлено на Фиг. 2.
Устройство включает по меньшей мере две ступени (2,4) ферментативного гидролиза, на которых исходный материал (1) на основе растительного сырья подвергают гидролизу, по меньшей мере две ступени (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу, на которых жидкую фракцию (5а, 5b) отделяют от твердой фракции (6а, 6b) после каждой ступени (2, 4) ферментативного гидролиза, и по меньшей мере устройство для подачи исходного материала (1) на основе растительного сырья по меньшей мере на первую ступень (2) ферментативного гидролиза. Ступень (4) ферментативного гидролиза после первой ступени (2) ферментативного гидролиза предназначена для обработки твердой фракции (6а), отделенной на ступени (7а) разделения на жидкую и твердую фазу.
В одном воплощении способ и устройство включают две стадии ферментативного гидролиза. В одном воплощении способ и устройство включают более двух стадий ферментативного гидролиза.
Изобретение основано на эффективном ферментативном гидролизе. В одном способе можно удалять ингибиторы, предпочтительно ингибиторы, поступающие из материала на основе целлюлозы. Согласно примеру, ингибитор может принадлежать группе, состоящей из растворимого лигнина, органических кислот, растворенных солей, глюкозы, ксилозы, олигомеров или других ингибиторов или их сочетаний. Одновременно, можно улучшить извлечение жидкой фракции и твердой фракции и может быть получена более чистая твердая фракция, содержащая лигнин.
В данном контексте ферментативный гидролиз означает любой ферментативный гидролиз. В одном воплощении ферментативный гидролиз представляет собой ферментативный гидролиз углеводов, например, целлюлозы.
В данном контексте жидкая фракция (5а, 5b) означает жидкий фильтрат, который содержит главным образом растворимые углеводы и который отделяют от твердой фракции. В предпочтительном воплощении жидкая фракция включает углеводы предпочтительно С6 углеводы (С6Н12О6 или С6(Н2О)n). Кроме того, жидкая фракция может включать С5 углеводы (С5Н10О5 или С5(Н2О)n). Жидкая фракция может включать такие углеводы, как моносахариды (С6Н12О6 или С5Н10О5), дисахариды (С12Н22О11), олигосахариды и/или полисахариды ((C6H10O5)n или (C5H8O4)n). В одном воплощении жидкая фракция включает растворимые С5 и С6 углеводы и другие углеводы. В одном воплощении жидкая фракция включает растворимые С5 углеводы и другие углеводы. В одном воплощении жидкая фракция включает растворимые С6 углеводы и другие углеводы. Жидкая фракция также может включать другие компоненты.
В данном контексте твердая фракция (6а, 6b) означает любую твердую фракцию, содержащую твердые вещества, такие как твердый материал, например, твердый кек, суспензия высокой концентрации, агломераты или т.п., когда жидкая фракция отделена от твердой фракции. В предпочтительном воплощении твердая фракция включает лигнин. Кроме того, твердая фракция включает углеводы, например, твердые С6 углеводы (C6H12O6 или С6(H2O)n). Твердая фракция может также включать другие углеводы и другие компоненты.
В данном контексте исходный материал (1) на основе растительного сырья означает любой материал на основе растительного сырья, например, материал на основе древесины и/или другой материал на основе растительного сырья. Предпочтительно исходный материал на основе растительного сырья представляет собой материал на основе целлюлозы. Исходный материал на основе растительного сырья включает лигнин, целлюлозу и гемицеллюлозу. В одном воплощении, исходный материал на основе растительного сырья образован из материала, выбранного из группы, состоящей из материала на основе древесины, древесины, лигноцеллюлозной биомассы, сельскохозяйственных отходов, материала на основе жома, жома сахарного тростника, материала на основе кукурузы, кукурузной соломы, пшеничной соломы, рисовой соломы, древесной биомассы, древесных многолетних растений, сосудистых растений и т.п. и их смесей и их сочетаний. В одном воплощении исходный материал на основе растительного сырья включает материал на основе древесины или смесь, включающую материал на основе древесины. В одном воплощении материал на основе древесины выбирают из древесины твердых пород, древесины мягких пород или их сочетания. В одном воплощении исходный материал на основе растительного сырья включает части растений, например, части древесины.
В одном воплощении исходный материал (1) на основе растительного сырья включает углеводы и лигнин. Предпочтительно углеводы включают Cn(Н2О)n или Cn(H2O)n-1. Углеводы могут включать моносахариды (С6Н12О6 или С5Н10О5), дисахариды (С12Н22О11), олигосахариды и/или полисахариды ((C6H10O5)n или (C5H8O4)n). Предпочтительно исходный материал на основе растительного сырья включает такие углеводы, как растворимые углеводы, например, С5 углеводы (С5Н10О5 или С5(H2O)n) и твердые углеводы, например, С6 углеводы (C6H12O6 или С6(Н2О)n).
Исходный материал (1) на основе растительного сырья может содержать один или более компонентов. Предпочтительно исходный материал на основе растительного сырья находится в форме суспензии, которая содержит жидкость, такую как вода. Предпочтительно исходный материал на основе растительного сырья обрабатывают, чтобы растворить гемицеллюлозу.
В одном воплощении исходный материал (1) на основе растительного сырья предварительно обрабатывают, предпочтительно посредством подходящей предварительной обработки. Стадию (10) предварительной обработки выбирают из группы, состоящей из физической предварительной обработки, такой как измельчение, экструзия, микроволновая предварительная обработка, ультразвуковая предварительная обработка и предварительная обработка замораживанием; химической предварительной обработки, такой как кислотная предварительная обработка, щелочная предварительная обработка, предварительная обработка ионной жидкостью, органосольвентная предварительная обработка и озонолиз; физико-химической предварительной обработки, такой как предварительная обработка паровым взрывом, предварительная обработка посредством разрушения волокон аммиаком, предварительная обработка CO2, предварительная обработка горячей водой и влажное окисление, биологическая предварительная обработка и их сочетания. В одном воплощении исходный материал на основе растительного сырья обрабатывают посредством гидролиза, например, кислотного гидролиза, автогидролиза, термического гидролиза, сверхкритического гидролиза и/или субкритического гидролиза, при котором по меньшей мере часть лигнина отделяют от исходного материала в связи с гидролизом. В одном воплощении исходный материал на основе растительного сырья обрабатывают посредством парового взрыва, при котором обрабатывают гемицеллюлозу, при котором по меньшей мере часть полисахаридов гемицеллюлозы разлагают на моносахариды и олигосахариды посредством гидролиза и при котором быстро снижают давление. В одном воплощении исходный материал на основе растительного сырья обрабатывают посредством гидролиза и парового взрыва на одной или более стадиях. В одном воплощении исходный материал на основе растительного сырья обрабатывают посредством каталитической предварительной обработки, например, с использованием кислоты или основания в качестве катализатора.
На стадии (10) предварительной обработки исходный материал на основе растительного сырья подают в реакторный блок, в котором осуществляют предварительную обработку. Исходный материал на основе растительного сырья обрабатывают посредством одной или более предварительных обработок. Затем, обработанный исходный материал (1) на основе растительного сырья подают непосредственно, или через промежуточную стадию, или через промежуточный накопитель на стадию (2) ферментативного гидролиза. Кроме того, в одном воплощении исходный материал на основе растительного сырья можно обезвоживать, например, с помощью отжимных прессов, и/или промывать на одной или двух, или более стадиях. Обезвоживание позволяет отделить потоки, содержащие сахар.
В одном воплощении исходный материал (1) на основе растительного сырья разбавляют жидкостью, предпочтительно водой, например, свежей водой или рециркулируемой технологической водой, например, из процесса очистки лигнина, или паром для формирования загрузки на первую стадию (2) ферментативного гидролиза. Предпочтительно исходный материал на основе растительного сырья разбавляют до подходящего содержания твердого вещества. Воду для разбавления можно добавлять перед стадией ферментативного гидролиза, например, на стадии смешивания или перед стадией смешивания. В одном воплощении концентрация исходного материала на основе растительного сырья в загрузке на стадию ферментативного гидролиза составляет 2-60 масс. % (ОСТВ, общее содержание твердых веществ при температуре 105°С), предпочтительно 4-40 масс. % (ОСТВ, общее содержание твердых веществ при температуре 105°С).
В одном воплощении исходный материал (1) на основе растительного сырья подают на стадию (2, 4) ферментативного гидролиза посредством любого подходящего подающего устройства, такого как насос, например, мононасос или плунжерный насос, или другой подходящий насос. Выбор подающего устройства основан, например, на концентрации в загрузке исходного материала на основе растительного сырья и/или его вязкости.
В одном воплощении способ ферментативного гидролиза представляет собой непрерывный процесс. В одном воплощении способ ферментативного гидролиза представляет собой периодический процесс. В одном воплощении исходный материал (1) на основе растительного сырья подают на стадию (2) ферментативного гидролиза в виде равномерного потока. В одном воплощении твердую фракцию (6а) подают на следующую стадию (4) ферментативного гидролиза в виде равномерного потока. В одном воплощении исходный материал (1) на основе растительного сырья подают на стадию (2) ферментативного гидролиза поэтапно или постепенно для подачи материала, который имеет более высокую концентрацию, чем материал на стадии ферментативного гидролиза. В одном воплощении твердую фракцию (6а) подают на следующую стадию (4) ферментативного гидролиза поэатпно или постепенно для подачи материала, который имеет более высокую концентрацию, чем материал на стадии ферментативного гидролиза.
В одном воплощении время пребывания на первой стадии (2) ферментативного гидролиза составляет менее 48 часов, в одном воплощении менее 36 часов, в одном воплощении менее 24 часов и в одном воплощении менее 12 часов. В одном воплощении время пребывания на первой стадии ферментативного гидролиза составляет более 2 часов, в одном воплощении более 4 часов, в одном воплощении более 6 часов и в одном воплощении более 8 часов. В одном воплощении время пребывания на первой стадии ферментативного гидролиза составляет от 2 до 48 часов, в одном воплощении от 4 до 36 часов, в одном воплощении от 6 до 24 часов и в одном воплощении от 8 до 12 часов.
В одном воплощении концентрация исходного материала (1) на основе растительного сырья на первой стадии (2) ферментативного гидролиза составляет менее 40%, в одном воплощении менее 30% и в одном воплощении менее 25% ОСТВ (общее содержание твердых веществ, при 105°С). В одном воплощении концентрация исходного материала на основе растительного сырья на первой стадии (2) ферментативного гидролиза составляет более 4%, в одном воплощении более 10% и в одном воплощении более 15% ОСТВ (при 105°С). В одном воплощении концентрация исходного материала на основе растительного сырья на первой стадии ферментативного гидролиза составляет от 4 до 40% ОСТВ (при 105°С), в одном воплощении от 10 до 30% ОСТВ (при 105°С) и в одном воплощении от 15 до 25% ОСТВ (при 105°С). В одном воплощении концентрация исходного материала на основе растительного сырья на первой стадии ферментативного гидролиза составляет от 4 до 10% ОСТВ (при 105°С),.
В одном воплощении твердую фракцию (6а) разбавляют жидкостью, предпочтительно водой, например, свежей водой или рециркулируемой технологической водой, например, из процесса очистки лигнина, или паром, в течении стадии ферментативного гидролиза и/или перед подачей на следующую стадию (4) ферментативного гидролиза. Предпочтительно твердую фракцию разбавляют до подходящего содержания твердых веществ. Воду для разбавления можно добавлять перед ферментативным гидролизом, например, на стадии смешивания или перед стадией смешивания. В одном воплощении температуру второй или любой последующей стадии (4) ферментативного гидролиза регулируют с помощью температуры жидкости для разбавления. В одном воплощении твердую фракцию (6а) подают без разбавления на последующую стадию (4) ферментативного гидролиза.
В одном воплощении время пребывания на второй или любой последующей стадии (4) ферментативного гидролиза составляет менее 72 часов, в одном воплощении менее 56 часов, в одном воплощении менее 50 часов, в одном воплощении менее 49 часов, в одном воплощении менее 48 часов и в одном воплощении менее 36 часов. В одном воплощении время пребывания на второй или любой последующей стадии ферментативного гидролиза составляет более 6 часов, в одном воплощении более 12 часов, в одном воплощении более 18 часов, в одном воплощении более 20 часов, в одном воплощении более 22 часов и в одном воплощении более 24 часов. В одном воплощении время пребывания на второй или любой последующей стадии ферментативного гидролиза составляет от 6 до 72 часов, в одном воплощении 12-56 часов, в одном воплощении 18-50 часов, в одном воплощении 20-49 часов, в одном воплощении 22-48 часов и в одном воплощении 24-36 часов. В одном воплощении время пребывания на второй стадии (4) ферментативного гидролиза составляет менее 72 часов, в одном воплощении менее 56 часов, в одном воплощении менее 50 часов, в одном воплощении менее 49 часов, в одном воплощении менее 48 часов и в одном воплощении менее 36 часов. В одном воплощении время пребывания на второй стадии ферментативного гидролиза составляет более 6 часов, в одном воплощении более 12 часов, в одном воплощении более 18 часов, в одном воплощении более 20 часов, в одном воплощении более 22 часов и в одном воплощении более 24 часов. В одном воплощении, время пребывания на второй стадии ферментативного гидролиза составляет 6-72 часа.
В одном воплощении время пребывания на первой стадии (2) ферментативного гидролиза меньше, чем время пребывания на второй или любой последующей стадии (4) ферментативного гидролиза. Согласно примеру, время пребывания на первой стадии (2) ферментативного гидролиза составляет 8-12 часов, а время пребывания на второй или любой последующей стадии (4) ферментативного гидролиза составляет 24-48 часов.
В одном воплощении общее время пребывания на первой стадии (2) ферментативного гидролиза и последующих стадиях (4) ферментативного гидролиза составляет более 24 часов, в одном воплощении более 36 часов, в одном воплощении более 48 часов, в одном воплощении более 56 часов, в одном воплощении более 72 часов и в одном воплощении более 80 часов.
В одном воплощении способ или устройство включает по меньшей мере три стадии ферментативного гидролиза, на которых первая стадия ферментативного гидролиза является короткой, промежуточная стадия или стадии ферментативного гидролиза являются более продолжительными, а последняя стадия ферментативного гидролиза является длительной. Согласно примеру, время пребывания на первой стадии ферментативного гидролиза составляет от 4 до 36 часов, в одном воплощении от 6 до 24 часов и в одном воплощении от 8 до 12 часов; время пребывания на промежуточной стадии или стадиях ферментативного гидролиза составляет от 6 до 72 часов, в одном воплощении от 12 до 56 часов, в одном воплощении от 18 до 50 часов, в одном воплощении от 22 до 48 часов и в одном воплощении от 24 до 36 часов, а время пребывания на последней стадии ферментативного гидролиза составляет от 30 до 100 часов. В одном воплощении время пребывания на первой стадии ферментативного гидролиза меньше, чем время пребывания на промежуточной стадии или стадиях ферментативного гидролиза, и время пребывания на последней стадии ферментативного гидролиза по меньшей мере такое же, как время пребывания на первой стадии ферментативного гидролиза. В одном воплощении время пребывания на первой стадии ферментативного гидролиза меньше, чем время пребывания на промежуточной стадии или стадиях ферментативного гидролиза, и время пребывания на последней стадии ферментативного гидролиза больше, чем время пребывания на первой стадии ферментативного гидролиза. В одном воплощении время пребывания на первой стадии ферментативного гидролиза меньше, чем время пребывания на промежуточной стадии или стадиях ферментативного гидролиза, и время пребывания на последней стадии ферментативного гидролиза находится на том же уровне, как время пребывания на первой стадии ферментативного гидролиза, например, по существу такое же, как время пребывания на первой стадии ферментативного гидролиза. В одном воплощении способ или процесс включает по меньшей мере три стадии ферментативного гидролиза, где первая стадия ферментативного гидролиза является короткой, промежуточная стадия или стадии ферментативного гидролиза более длительные, и последняя стадия ферментативного гидролиза является короткой. Согласно примеру, время пребывания на первой стадии ферментативного гидролиза составляет от 4 до 36 часов, в одном воплощении от 6 до 24 часов и в одном воплощении от 8 до 12 часов; время пребывания на промежуточной стадии или стадиях ферментативного гидролиза составляет от 6 до 72 часов, в одном воплощении от 12 до 56 часов, в одном воплощении от 18 до 50 часов, в одном воплощении от 22 до 48 часов и в одном воплощении от 24 до 36 часов, и время пребывания на последней стадии ферментативного гидролиза составляет от 4 до 36 часов, в одном воплощении от 6 до 24 часов и в одном воплощении от 8 до 12 часов. В одном воплощении время пребывания по меньшей мере на второй стадии ферментативного гидролиза больше, чем время пребывания на первой стадии ферментативного гидролиза. В одном воплощении последняя стадия ферментативного гидролиза является длительной, например, от 30 до 100 часов. В одном воплощении время пребывания на последней стадии ферментативного гидролиза зависит от количества активного фермента на последней стадии ферментативного гидролиза. В одном воплощении последнюю стадию ферментативного гидролиза осуществляют без добавления ферментов. В одном воплощении фермент добавляют на последней стадии ферментативного гидролиза. В одном воплощении очистку твердой фракции, например, лигнина осуществляют на последней стадии ферментативного гидролиза. В одном воплощении количество углеводов в твердой фракции (6b) после последней стадии ферментативного гидролиза составляет менее 15 масс. %, предпочтительно менее 10 масс. %, более предпочтительно менее 5 масс. %.
В одном процессе ферментативного гидролиза время пребывания на первой стадии ферментативного гидролиза может быть больше, чем время пребывания на второй или любой последующей стадии ферментативного гидролиза.
В одном воплощении концентрация твердой фракции (6а) на второй или любой последующей стадии (4) ферментативного гидролиза составляет менее 40%, в одном воплощении менее 30% ОСТВ (общее содержание твердых веществ, при 105°С). В одном воплощении концентрация твердой фракции (6а) на второй или любой последующей ферментативного гидролиза составляет более 10%, в одном воплощении более 20 ОСТВ (при 105°С). В одном воплощении концентрация твердой фракции (6а) на второй или любой последующей стадии ферментативного гидролиза составляет от 10 до 40%, в одном воплощении от 20 до 30% ОСТВ (при 105°С). В одном воплощении концентрация твердой фракции (6а) на второй стадии (4) ферментативного гидролиза составляет менее 40%, в одном воплощении менее 30% ОСТВ (общее содержание твердых веществ, при 105°С). В одном воплощении концентрация твердой фракции (6а) на второй стадии ферментативного гидролиза составляет более 10%, в одном воплощении более 20% ОСТВ (при 105°С). В одном воплощении концентрация твердой фракции (6а) на второй стадии ферментативного гидролиза составляет от 10 до 40%, в одном воплощении от 20 до 30% ОСТВ (при 105°С).
В одном воплощении концентрация на второй или любой последующей стадии (4) ферментативного гидролиза выше, чем концентрация на первой стадии (2) ферментативного гидролиза.
В одном воплощении исходный материал (1) на основе растительного сырья обрабатывают так, что твердая фракция (6а) перед второй или любой последующей стадией (4) ферментативного гидролиза содержит более 80% мелких твердых частиц, которые являются волокноподобными или не имеющими определенной формы частицами менее 0,2 мм, определяемыми оптическим прибором, например, Metso FS5. В одном воплощении твердая фракция (6а) содержит более 85%, в одном воплощении более 90%, в одном воплощении более 92% и в одном воплощении более 94%, мелких твердых частиц, которые являются волокноподобными или не имеющими определенной формы частицами менее 0,2 мм, определяемыми оптическим прибором, например, Metso FS5. В одном воплощении исходный материал (1) на основе растительного сырья обрабатывают так, что твердая фракция (6а) перед второй или любой последующей стадией (4) ферментативного гидролиза включает мелкие твердые частицы, которые имеют размер от 18 до 300 мкм, определенный с помощью Coulter LS230. В одном воплощении твердая фракция (6а) включает мелкие твердые частицы, которые имеют размер от 19 до 200 мкм, в одном воплощении от 20 до 120 мкм и в одном воплощении от 21 до 75 мкм, определенный с помощью Coulter LS230. В одном воплощении исходный материал на основе растительного сырья обрабатывают так, что вязкость твердой фракции (6а) перед второй или любой последующей стадией (4) ферментативного гидролиза составляет менее 18000 мПа⋅с при содержании сухого вещества 15%, измеренная с помощью вискозиметра Брукфильда при температуре 45°С со скоростью 10 об/мин и со шпинделем типа «Vane». В одном воплощении вязкость твердой фракции (6а) составляет менее 18000 мПа⋅с, в одном воплощении менее 13000 мПа⋅с, в одном воплощении менее 10000 мПа⋅с и в одном воплощении менее 8000 мПа⋅с, при содержания сухого вещества 15%, измеренная с помощью вискозиметра Брукфильда при температуре 45°С со скоростью 10 об/мин и со шпинделем типа «Vane». Исходный материал (1) на основе растительного сырья можно предварительно обрабатывать и/или можно определять размер частиц и вязкость твердой фракции (6а) в соответствии с PCT/FI2016/050075 или PCT/FI2016/050076.
В одном воплощении способ включает по меньшей мере одну стадию (11, 12) смешивания в связи со стадией (2, 4) ферментативного гидролиза, например, перед стадией ферментативного гидролиза или на стадии ферментативного гидролиза или в ходе ферментативного гидролиза. В одном воплощении способ включает стадию смешивания в связи с первой стадией ферментативного гидролиза. В одном воплощении способ включает стадию смешивания в связи со стадиями ферментативного гидролиза, следующими за первой стадией ферментативного гидролиза, например, в связи со второй стадией ферментативного гидролиза или в связи с любой стадией ферментативного гидролиза, следующей за второй стадией ферментативного гидролиза. В одном воплощении способ включает стадию смешивания в связи с любой требуемой стадией ферментативного гидролиза. Предпочтительно смешивание представляет собой смешивание, при котором присутствует достаточная сила сдвига для перемешивания жидкости и твердых веществ с получением однородной смеси в ходе смешивания. Кроме того, твердые вещества можно измельчать посредством эффективного смешивания. Твердые частицы могут измельчаться, что приводит к увеличению удельной поверхности. В одном воплощении температуру материала можно повышать на 5-15°С в течение стадии смешивания. В одном воплощении устройство включает по меньшей мере одно смесительное устройство, выбранное из группы, состоящей из смесителя, шнекового смесителя, насоса, другого подходящего устройства или их сочетания.
В одном воплощении перед стадией (2, 4) ферментативного гидролиза регулируют рН, например, на стадии смешивания или перед стадией смешивания, или в течение стадии ферментативного гидролиза. В одном воплощении рН составляет от 3 до 8, в одном воплощении от 3,5 до 7 и в одном воплощении от 4 до 6. В одном воплощении рН регулируют так, что его значение является благоприятным для ферментов, используемых в способе.
В одном воплощении после первой стадии (2) ферментативного гидролиза осуществляют обезвоживание.
Предпочтительно способ включает стадию (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу после каждой стадии (2, 4) ферментативного гидролиза. В одном воплощении устройство включает по меньшей мере одно устройство для разделения на жидкую и твердую фазу. В одном воплощении устройство включает более чем одно устройство для разделения на жидкую и твердую фазу. В одном воплощении каждая ступень (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу включает по меньшей мере одно устройство разделения на жидкую и твердую фазу. В одном воплощении каждая ступень (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу включает более чем одно устройство разделения на жидкую и твердую фазу. В одном воплощении каждая ступень (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу включает одно устройство разделения на жидкую и твердую фазу. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) отделяют от твердой фракции (6а, 6b) с помощью устройства разделения на жидкую и твердую фазу на более чем одной стадии (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу. В одном воплощении одно устройство разделения на жидкую и твердую фазу применяют в течение более чем одной стадии (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу. В одном воплощении одно устройство разделения включает одну или более ступеней разделения, например, разделительные отсеки.
Стадия разделения на жидкую и твердую фазу может включать одну или более стадии разделения. В одном воплощении стадия разделения на жидкую и твердую фазу включает различные операции, которые можно выполнять за одну или более стадий разделения. В одном воплощении жидкую фракцию отделяют за одну стадию. В качестве альтернативы, жидкую фракцию отделяют за более чем одну стадию. В одном воплощении жидкую фракцию отделяют на каждой стадии разделения.
Предпочтительно стадия (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу включает отделение жидкой фракции (5а, 5b) от твердых веществ, таких как твердая фракция (6а, 6b). В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) отделяют от твердой фракции (6а, 6b) посредством фильтрации, обработки в центрифуге или их сочетаний. В одном воплощении фильтрацию осуществляют под действием давления, пониженного давления или избыточного давления.
В одном воплощении устройство разделения на жидкую и твердую фазу основано на противоточной промывке. В одном воплощении устройство разделения на жидкую и твердую фазу выбирают из группы, состоящей из фильтрующего устройства, вакуумного фильтрующего устройства, фильтр-пресса, ленточного фильтра, центробежного устройства и их сочетаний. В одном воплощении устройство разделения на жидкую и твердую фазу выбрано из группы, состоящей из устройства фильтрации под давлением, вакуумного фильтрующего устройства, фильтрующего устройства на основе пониженного давления, фильтрующего устройства на основе избыточного давления, фильтр-пресса, другого подходящего пресса, центробежного устройства и их сочетаний. В одном воплощении устройство разделения на жидкую и твердую фазу представляет собой устройство фильтрации под давлением, вакуумное фильтрующее устройство, фильтрующее устройство на основе пониженного давления или фильтрующее устройство на основе избыточного давления. В одном воплощении устройство разделения на жидкую и твердую фазу представляет собой ленточный пресс, двухсеточный пресс или центрифугу. В качестве альтернативы, устройство разделения на жидкую и твердую фазу может представлять собой другое промывочное устройство, в котором используют небольшое количество воды и промывку осуществляют при высоком содержании сухого вещества. Тогда может быть достигнута хорошая степень извлечения. В качестве альтернативы, устройство разделения на жидкую и твердую фазу может представлять собой любое подходящее устройство разделения.
В одном воплощении стадия (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу включает фильтрацию, при которой жидкую фракцию (5а, 5b) отделяют в жидкой форме и получают твердый материал. Предпочтительно при фильтрации применяют давление. В одном воплощении жидкость отделяют посредством разности давлений, например, с помощью вакуума или избыточного давления. В одном воплощении стадия разделения на жидкую и твердую фазу включает промывку, где промывку осуществляют вытеснением с помощью небольшого количества чистой воды, чтобы извлечь большую часть Сахаров, ингибиторов и других растворимых соединений из твердой фракции (6а, 6b) и обеспечить высокую степень извлечения растворимых соединений. Предпочтительно отношение промывочной воды к твердому веществу составляет менее 6, предпочтительно менее 3 и более предпочтительно менее 1,5. В одном воплощении стадия (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу включает фильтрацию и промывку. Предпочтительно достигают высокой концентрации и степени извлечения растворимого вещества в жидкой фазе при небольшом количестве чистой воды. Кроме того, можно получить твердую фракцию с меньшим количеством растворимых соединений или твердую фракцию, которая по существу не содержит растворимых соединений, или твердую фракцию, обеденную растворимыми соединениями.
В одном воплощении жидкую фракцию (5 а, 5b) отделяют посредством фильтрации под давлением. В одном воплощении, устройство включает по меньшей мере одно устройство фильтрации под давлением в качестве устройства разделения на жидкую и твердую фазу.
На разных стадиях разделения на жидкую и твердую фазу разделение осуществляют с помощью одинаковых или различных способов разделения или устройств разделения.
В одном воплощении устройство включает средства подачи промежуточного продукта (3, 8) со стадии (2, 4) ферментативного гидролиза на стадию (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу. В одном воплощении средства подачи промежуточного продукта (3, 8) выбирают из группы, состоящей из транспортера, шнека, конвейерной ленты, насоса, трубы, трубки, тракта, трубопровода, канала, выходного патрубка, других подходящих подающих устройств и их сочетаний.
В одном воплощении устройство включает средства подачи твердой фракции (6а) на следующую стадию (4) ферментативного гидролиза. В одном воплощении средства подачи твердой фракции выбирают из группы, состоящей из транспортера, шнека, конвейерной ленты, насоса, трубы, трубки, тракта, трубопровода, канала, выходного патрубка, других подходящих подающих устройств и их сочетаний.
В одном воплощении стадия (2, 4) ферментативного гидролиза включает реактор, емкость, контейнер, другое подходящее устройство или их сочетание, где осуществляют ферментативный гидролиз.
В одном воплощении устройство включает средства извлечения твердой фракции (6b) после последней стадии (7b) разделения на жидкую и твердую фазу. В одном воплощении средства извлечения твердой фракции выбирают из группы, состоящей из узла, выходного патрубка, транспортера, шнека, конвейерной ленты, трубы, трубки, тракта, разгрузочного выходного патрубка, разгрузочного вентиля, разгрузочного канала, трубопровода, других подходящих устройств и их сочетаний.
В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) извлекают после каждой стадии (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу. В одном воплощении устройство включает средства извлечения жидкой фракции (5а, 5b) после каждой стадии (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу. В одном воплощении средства извлечения жидкой фракции выбирают из группы, состоящей из узла, выходного патрубка, трубы, трубки, тракта, разгрузочного выходного патрубка, разгрузочного вентиля, разгрузочного канала, трубопровода, других подходящих устройств и их сочетаний.
В одном воплощении на второй или любой последующей стадии (4) ферментативного гидролиза добавляют фермент. В одном воплощении фермент добавляют в связи со стадией (4) ферментативного гидролиза, например, перед стадией ферментативного гидролиза или в ходе ферментативного гидролиза. В одном воплощении фермент добавляют на стадии смешивания или перед стадией смешивания. В одном воплощении устройство включает устройство для добавления фермента.
В одном воплощении фермент не добавляют на второй или любой последующей стадии (4) ферментативного гидролиза. В одном воплощении вторую или любую последующую стадию (4) ферментативного гидролиза осуществляют без добавления фермента. Неожиданно было обнаружено, что второй или любой последующий ферментативный гидролиз можно инициировать без добавления фермента, и ферментативный гидролиз протекает без добавления фермента. Кроме того, было обнаружено, что фермент выходит с твердой фракцией, и фермент предшествующий стадии (2) ферментативного гидролиза можно подавать на следующую стадию (4) ферментативного гидролиза совместно с твердой фракцией. В одном воплощении фермент выбирают так, что он обладает способностью адгезии к твердым веществам. В одном воплощении рециркулируемый фермент активируют в ходе смешивания.
В одном воплощении посредством способа получают жидкую фракцию (5а, 5b). В одном воплощении жидкая фракции (5а) содержит растворимые углеводы С5 и С6 после первой стадии (2) ферментативного гидролиза. В одном воплощении жидкая фракция (5b) содержит растворимые углеводы С6 после второй или любой последующей стадии (4) ферментативного гидролиза. Также жидкая фракции (5b) может содержать после второй или любой последующей стадии ферментативного гидролиза углеводы С5, предпочтительно менее 20 масс. %, более предпочтительно менее 10 масс. %, наиболее предпочтительно менее 5 масс. % углеводов. Предпочтительно жидкая фракция (5а, 5b) может содержать другие моносахариды, дисахариды, олигосахариды и/или полисахариды. В одном воплощении, жидкая фракция (5а, 5b) содержит галактозу, глюкозу, маннозу, арабинозу, ксилозу, глюкуроновую кислоту и галактуроновую кислоту. Предпочтительно жидкая фракция (5а, 5b) находится в форме раствора.
В одном воплощении, по меньшей мере часть жидкой фракции (5а) извлекают посредством отбора с первой стадии (7а) разделения на жидкую и твердую фазу. В одном воплощении по меньшей мере 50%, предпочтительно по меньшей мере 60%, более предпочтительно по меньшей мере 70% растворимых углеводов извлекают с первой стадии разделения на жидкую и твердую фазу.
В одном воплощении по меньшей мере часть жидкой фракции (5b) извлекают посредством отбора со второй или любой последующей стадии (7b) разделения на жидкую и твердую фазу. В одном воплощении по меньшей мере 50%, предпочтительно по меньшей мере 60%, более предпочтительно по меньшей мере 70% растворимых углеводов извлекают со второй или любой последующей стадии разделения на жидкую и твердую фазу. В одном воплощении жидкая фракция (5b) включает углеводы С6 в количестве более 80 масс. %, предпочтительно более 90 масс. %, наиболее предпочтительно более 95 масс % углеводов. Предпочтительно жидкая фракция (5b) представляет собой обогащенную глюкозой фракцию. Тогда жидкая фракция (5b) является достаточно чистой, чтобы ее использовать как таковую, или ее концентрируют и используют после концентрирования.
Жидкую фракцию (5а, 5b) можно использовать в качестве компонента при изготовлении конечного продукта. Жидкую фракцию (5а) из первого разделения на жидкую и твердую фазу и жидкую фракцию (5b) из второго или любого последующего разделения на жидкую и твердую фазу можно использовать отдельно, или их можно объединить или смешать и использовать в виде смеси. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) используют как таковую. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) подают на дальнейшую обработку. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) подвергают очистке. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) концентрируют. В одном воплощении перед дальнейшей обработкой осуществляют мономеризацию жидкой фракции (5а, 5b). В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) подают в процесс ферментации. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) используют в качестве исходного материала при ферментации. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) подают на гидролиз. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) используют в качестве исходного материала при гидролизе, таком как кислотный гидролиз, ферментативный гидролиз или т.п. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) подают на химическую обработку. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) используют в качестве исходного материала при химической обработке. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) подают на полимеризацию. В одном воплощении, жидкую фракцию (5а, 5b) используют в качестве исходного материала при полимеризации. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) подают на деполимеризацию. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) используют в качестве исходного материала при деполимеризации. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) подают на каталитическую обработку. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) используют в качестве исходного материала при каталитической обработке. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) подают на разложение. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) используют в качестве исходного материала при разложении. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) подают на ферментативную обработку. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) используют в качестве исходного материала при ферментативной обработке. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) подают в процесс изготовления связующего. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) используют в качестве исходного материала при изготовлении связующего. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) подают в процесс производства кормов. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) используют в качестве исходного материала при производстве кормов. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) подают в процесс производства продуктов питания. В одном воплощении жидкую фракцию (5а, 5b) используют в качестве исходного материала при производстве продуктов питания. Жидкую фракцию (5а, 5b) можно подавать на ферментацию, гидролиз, химическую обработку, каталитическую обработку, полимеризацию, деполимеризацию, разложение, ферментативную обработку, изготовление связующего, производство кормов, производство продуктов питания или в другие подходящие процессы или их сочетания непосредственно или, альтернативно, можно подавать на ферментацию, гидролиз, химическую обработку, каталитическую обработку, полимеризацию, деполимеризацию, разложение, ферментативную обработку, изготовление связующего, производство кормов, производство продуктов питания или в другие подходящие процессы или их сочетания через стадию походящей обработки или дополнительную стадию, например, дополнительную стадию концентрирования или стадию очистки.
Предпочтительно посредством способа получают твердую фракцию (6а, 6b), содержащую твердые вещества. В одном воплощении твердая фракция (6b) после последней стадии (7b) разделения на жидкую и твердую фазу содержит лигнин. В одном воплощении твердая фракция (6b) после последней стадии (7b) разделения на жидкую и твердую фазу содержит лигнин и твердые углеводы, такие как углеводы С6, такие как C6C12O6 или С6(Н2О)n и другие твердые углеводы. Кроме того, твердая фракция (6b) может содержать остаточное количество растворимого материала. В одном воплощении твердая фракция (6b) находится в форме твердого материала. В одном воплощении после последней стадии разделения на жидкую и твердую фазу содержание сухого вещества в твердом материале составляет более 30 масс. %, предпочтительно более 40 масс. %, более предпочтительно более 50 масс. %. В одном воплощении после последней стадии разделения на жидкую и твердую фазу содержание сухого вещества в твердом материале составляет от 15 до 80 масс. %, в одном воплощении от 20 до 70 масс. %, в одном воплощении от 30 до 60 масс. % и в одном воплощении от 40 до 60 масс. %. В одном воплощении после стадии разделения на жидкую и твердую фазу твердая фракция (6b) содержит растворимые соединения в количестве менее 15 масс. %, предпочтительно менее 6 масс. %, более предпочтительно менее 3 масс. %. В одном воплощении количество углеводов в твердой фракции (6b) составляет менее 25 масс. %, предпочтительно менее 10 масс. %, более предпочтительно менее 5 масс. %.
В одном воплощении твердую фракцию извлекают после последней стадии (7b) разделения на жидкую и твердую фазу. В одном воплощении по меньшей мере часть твердой фракции извлекают после любой предшествующей стадии разделения на жидкую и твердую фазу. В одном воплощении по меньшей мере часть твердой фракции извлекают после первой стадии (7а) разделения на жидкую и твердую фазу.
Твердую фракцию (6b) можно использовать в качестве компонента при изготовлении конечного продукта. В одном воплощении твердую фракцию (6b) можно использовать как таковую. В одном воплощении твердую фракцию (6b) подают на дальнейшую обработку. В одном воплощении, твердую фракцию (6b) подают на очистку лигнина для получения очищенного лигнина. В одном воплощении твердую фракцию (6b) подают на отделение лигнина для отделения лигнина от твердой фракции. В одном воплощении твердую фракцию (6b) подают на гидролиз, который можно выбирать из группы, состоящей из кислотного гидролиза, ферментативного гидролиза, сверхкритического гидролиза и/или субкритического гидролиза и их сочетаний, или на полимеризацию, деполимеризацию, разложение, химическую обработку, в процесс изготовления композиционного материала, композита на основе лигнина, активированного угля, углеродного волокна, связующего материала, полимеров, смол, фенольного компонента, диспергирующего агента или поглотительного материала, в процесс производства кормов или пищевых продуктов или в процесс сжигания, или в других соответствующие процессы или их сочетания. Твердую фракцию можно подавать на гидролиз, полимеризацию, деполимеризацию, разложение, химическую обработку, в процессы изготовления указанных материалов, в процесс сжигания или другой подходящий процесс непосредственно или, альтернативно, ее можно подавать на гидролиз, полимеризацию, деполимеризацию, разложение, химическую обработку, в процессы изготовления указанных материалов, в процесс сжигания или другой подходящий процесс через подходящую стадию обработки или дополнительную стадию, например, дополнительную стадию разделения, стадию очистки или стадию обезвоживания.
В одном воплощении после последней стадии (7b) разделения на жидкую и твердую фазу лигнин (14) отделяют от твердой фракции (6b) на стадии (13) отделения лигнина. Предпочтительно лигнин подвергают очистке в связи со стадией (4) ферментативного гидролиза, например, последней стадией ферментативного гидролиза и/или стадией (13) отделения лигнина. На стадии (13) отделения лигнина ферменты денатурируют. В одном воплощении устройство включает по меньшей мере одно устройство для отделения лигнина или устройство очистки лигнина. Лигнин используют как таковой, например, в качестве компонента в конечном продукте или при сжигании. В качестве альтернативы, лигнин можно подавать на дальнейшую обработку.
В одном воплощении часть твердой фракции (15), предпочтительно содержащую остаточную целлюлозу или остаточные углеводы твердой фракции, без активных ферментов, можно подавать рециклом со стадии (13) отделения лигнина на любую предшествующую стадию (2, 4) ферментативного гидролиза, в одном воплощении на первую стадию (2) ферментативного гидролиза. В одном воплощении устройство включает по меньшей мере одно устройство рециркуляции для циркуляции остаточной целлюлозы или остаточных углеводов твердой фракции со стадии отделения лигнина на стадию ферментативного гидролиза.
Способ и устройство можно использовать для обработки материалов, содержащих ингибиторы, для получения лигнина, углеводов и химических веществ и для удаления ингибиторов. С помощью способа и устройства можно улучшить ферментативный гидролиз, снизить дозировку ферментов, сократить время пребывания или время реакции ферментативного гидролиза, повысить концентрацию в ходе ферментативного гидролиза, повысить чистоту лигнина и/или повысить степень конверсии углеводов.
Способ и устройство позволяют обеспечить твердую фракцию и жидкую фракцию хорошего качества. Твердая фракция имеет очень высокую концентрацию лигнина. Кроме того, твердая фракция имеет очень высокую чистоту. Когда ингибиторы удаляют совместно с жидкой фракцией по меньшей мере в две стадии, в способе можно обеспечить больше очищенной твердой фракции. Более того, можно использовать исходный материал с ингибиторами и нежелательными веществами в качестве источника материала для способа. Также можно повысить степень извлечения и конверсию углеводов. Кроме того, способ и устройство позволяют снизить стоимость последующей обработки твердой фракции, а также жидкой фракции.
Способ и устройство позволяют обеспечить применимый в промышленности, простой и доступный процесс проведения ферментативного гидролиза. Способ или устройство легко и просто реализовать в масштабах промышленного производства. Способ и устройство подходят для применения при получении различных фракций на основе лигнина и Сахаров, и конечных продуктов из различных исходных материалов.
Примеры
Некоторые воплощения изобретения описаны более подробно посредством последующих примеров со ссылками на прилагаемые чертежи.
Пример 1
В данном примере ферментативный гидролиз осуществляют в две стадии, и получают твердую фракцию и жидкую фракцию согласно способу, показанному на Фиг. 1.
Исходный материал (1) на основе растительного сырья подают на первую стадию (2) ферментативного гидролиза. Исходный материал (1) на основе растительного сырья можно разбавить жидкостью перед первой стадией (2) ферментативного гидролиза. После первой стадии (2) ферментативного гидролиза промежуточный продукт (3) ферментативного гидролиза подают на стадию (7а) разделения на жидкую и твердую фазу, включающую фильтрующее устройство. Жидкую фракцию (5а), включающую растворимые углеводы С5 и С6, отделяют от твердых веществ на стадии (7а) разделения. Твердую фракцию (6а), содержащую, например, лигнин, твердые углеводы, некоторое количество растворимого сахара, остатки олигомеров и полимеров, удаляют со стадии (7а) разделения.
Твердую фракцию (6а) подают на следующую стадию (4) ферментативного гидролиза. Твердую фракцию (6а) можно разбавить жидкостью перед следующей стадией (4) ферментативного гидролиза. После второй стадии (4) ферментативного гидролиза, промежуточный продукт (8) ферментативного гидролиза подают на стадию (7b) разделения на жидкую и твердую фазу, включающую фильтрующее устройство. Жидкую фракцию (5b), включающую растворимые углеводы С6, отделяют от твердых веществ на стадии (7b) разделения. Твердую фракцию (6b), содержащую, например, лигнин, некоторое количество твердых углеводов и некоторое количество растворимых углеводов, удаляют со стадии (7b) разделения и извлекают после последней стадии (7b) разделения на жидкую и твердую фазу.
Пример 2
В данном примере ферментативный гидролиз осуществляют в две стадии, и получают твердую фракцию и жидкую фракцию в соответствии со способом, показанным на Фиг. 2.
Исходный материал (1) на основе растительного сырья подают на первую стадию (2) ферментативного гидролиза. Исходный материал на основе растительного сырья обработан посредством предварительной обработки (10), например, посредством физической, химической или физико-химической обработки, такой как микроволновая или ультразвуковая обработка, или посредством парового взрыва. Исходный материал (1) на основе растительного сырья можно разбавить жидкостью на стадии (11) смешивания в связи со стадией (2) ферментативного гидролиза перед первым ферментативным гидролизом.
После первой стадии (2) ферментативного гидролиза промежуточный продукт (3) ферментативного гидролиза подают на стадию (7а) разделения на жидкую и твердую фазу, включающую фильтрующее устройство. Жидкую фракцию (5а), включающую растворимые углеводы С5 и С6, отделяют от твердых веществ на стадии (7а) разделения. Твердую фракцию (6а), содержащую, например, лигнин, твердые углеводы, некоторое количество растворимого сахара, остатки олигомеров и полимеров, удаляют со стадии (7а) разделения.
Твердую фракцию (6а) подают на следующую стадию (4) ферментативного гидролиза. Твердую фракцию (6а) можно разбавить жидкостью на второй стадии (12) смешивания в связи со стадией (4) ферментативного гидролиза перед вторым ферментативным гидролизом. После второй стадии (4) ферментативного гидролиза, промежуточный продукт (8) ферментативного гидролиза подают на стадию (7b) разделения на жидкую и твердую фазу, включающую фильтрующее устройство. Жидкую фракцию (5b), включающую растворимые углеводы С6, отделяют от твердых веществ на стадии (7b) разделения. Твердую фракцию (6b), содержащую, например, лигнин, некоторое количество твердых углеводов и некоторое количество растворимых углеводов удаляют со стадии (7b) разделения и извлекают после последней стадии (7b) разделения на жидкую и твердую фазу.
Лигнин (14) отделяют от твердой фракции (6b) на стадии (13) отделения лигнина, включающей устройство для отделения лигнина. На стадии (13) отделения лигнина ферменты денатурируют. Часть твердой фракции (15), включающую остаточную целлюлозу и остаточные углеводы рециркулируют со стадии (13) отделения лигнина на первую стадию (2) ферментативного гидролиза
Пример 3
В данном примере исследовали ферментативный гидролиз в две стадии.
Моделировали двухстадийный способ ферментативного гидролиза и сравнивали с традиционным одностадийным способом ферментативного гидролиза при испытаниях в лабораторных условиях. В испытаниях использовали предварительно обработанную разбавленной кислотой и паровым взрывом березу в качестве субстрата. При ферментативном гидролизе использовали промышленно выпускаемую смесь А ферментов. Субстрат разбавляли, используя дистиллированную воду, и рН доводили до 5; температура в экспериментах составляла 50°С, дозировка ферментов составляла 4% (общее содержание твердых веществ, при 105°С) и начальное содержание сухого вещества (общее содержание твердых веществ, при 105°С) составляло 15%. Пробирки объемом 50 мл, содержащие суспензию субстрата массой 20 г, помещали в смеситель и смеситель помещали в термостат.
Пробирки со сравнительными образцами извлекали из термостата по прошествии 6, 12, 48 и 72 часов. Образцы, полученные в двухстадийном способе, извлекали после 1-ой стадии ферментативного гидролиза спустя 6 или 12 часов. Пробирки помещали в центрифугу и обрабатывали в течение 5 мин при скорости вращения 1000 об/мин. Разделение на жидкую и твердую фазу осуществляли путем забора жидкой фазы из пробирки. Остаточное количество твердых веществ в пробирке объемом 50 мл снова разбавляли до 20 г общей массы суспензии для второй стадии ферментативного гидролиза. Образцы второй стадии ферментативного гидролиза извлекали из термостата по прошествии одних или двух суток. Определение сахара осуществляли с применением стандартных способов ВЭЖХ (высокоэффективная жидкостная хроматография) в жидкой фазе.
Из Фиг. 3 можно видеть, что двухстадийный способ приводил к общему выходу 86%, тогда как сравнительные образцы показывали выход только 78% при одинаковой дозировке ферментов. Увеличение выхода при двухстадийном способе ферментативного гидролиза составило 8%.
Пример 4
В данном примере исследовали ферментативный гидролиз в две стадии.
Моделировали двухстадийный способ ферментативного гидролиза и сравнивали с традиционным одностадийным способом ферментативного гидролиза при испытаниях в лабораторных условиях. В испытаниях использовали предварительно обработанную разбавленной кислотой и паровым взрывом березу в качестве субстрата. При ферментативном гидролизе использовали промышленно выпускаемую смесь А ферментов. Субстрат разбавляли, используя дистиллированную воду, и рН доводили до 5, температура в экспериментах составляла 50°С, и начальное содержание сухого вещества (общее содержание твердых веществ, при 105°С) составляло 15%. Дозировка ферментов составляла 2% и 4% (общее содержание твердых веществ, при 105°С) для одностадийного способа и 2% (общее содержание твердых веществ, при 105°С) изначально для двухстадийного способа. Пробирки объемом 50 мл, содержащие суспензию 20 г субстрата помещали в смеситель, и смеситель помещали в термостат.
Пробирки со сравнительными образцами извлекали из термостата по прошествии 6, 12, 48 и 72 часов. Образцы, полученные в двухстадийном способе, извлекали после 1-ой стадии ферментативного гидролиза спустя 12 часов. Пробирки помещали в центрифугу и обрабатывали в течение 5 мин при скорости вращения 1000 об/мин. Разделение на жидкую и твердую фазу осуществляли посредством забора жидкой фазы из пробирки. Остаточное количество твердых веществ в пробирке объемом 50 мл снова разбавляли до 20 г общей массы суспензии для второй стадии ферментативного гидролиза. В двухстадийном способе на второй стадии ферментативного гидролиза также добавляли 0,5% и 1% (общее содержание твердых веществ, при температуре 105°С) ферментов, исходя из исходного содержания сухого вещества в образце. Образцы после второй стадии ферментативного гидролиза извлекали из термостата по прошествии одних или двух суток. Определение сахара осуществляли с применением стандартных способов ВЭЖХ в жидкой фазе.
Из Фиг. 4 можно видеть, что двухстадийный способ при дозировке ферментов 2% (общее содержание твердых веществ, при 105°С) приводил к общему выходу 68%, тогда как для сравнительных образцов выход составлял только 60% при такой же дозировке ферментов. Увеличение выхода при двухстадийном способе ферментативного гидролиза составило 8%. Посредством добавления 0,5% ферментов (общее содержание твердых веществ, при 105°С) (всего 2,5%) достигали общего выхода 78% на второй стадии ферментативного гидролиза. Это точно такой же выход, как в случае дозировки 4% (общее содержание твердых веществ, при 105°С) в одностадийном способе. Такого же выхода достигали при потреблении на 1,5% меньше ферментов, если использовали двухстадийный способ. Более 80% общего выхода достигали при добавлении 1% ферментов (общее содержание твердых веществ, при 105°С) на второй стадии ферментативного гидролиза (всего 3%).
Пример 5
В данном примере исследовали ферментативный гидролиз в две стадии.
Моделировали двухстадийный способ ферментативного гидролиза и сравнивали с традиционным одностадийным способом ферментативного гидролиза при испытаниях в лабораторных условиях. В испытаниях использовали предварительно обработанную разбавленной кислотой и паровым взрывом березу в качестве субстрата. При ферментативном гидролизе использовали промышленно выпускаемую смесь В ферментов. Субстрат разбавляли, используя водопроводную воду, и рН доводили до 4,5, температура в экспериментах составляла 45°С, и начальное содержание сухого вещества (общее содержание твердых веществ, при 105°С) составляло 15%. Дозировка ферментов составляла 6% (общее содержание твердых веществ, при 105°С), и первую стадию осуществляли в реакторе объемом 10 л, оборудованном системой перемешивания и нагрева.
Суспензию обезвоживали до содержания сухого вещества 40% с помощью воронки Бюхнера после первой стадии, за исключением одностадийных образцов, которые забирали как таковые и помещали в пробирки объемом 50 мл, массой по 20 г в каждой в термостат. Определение сахара осуществляли на фильтратах, используя стандартные способы ВЭЖХ. Первую стадию ферментативного гидролиза осуществляли в течение 16 часов. Обезвоженный твердый материал снова разбавляли либо до 15%, либо до 25% содержания сухого вещества и помещали в пробирки объемом 50 мл в тот же термостат с пробирками одностадийного способа для второй стадии ферментативного гидролиза. Температуру в термостате доводили до 45°С и использовали в эксперименте смеситель с вращающимися пробирками, работающий в режиме авторотации. Пробирки помещали в центрифугу после ферментативного гидролиза и обрабатывали в течение 5 мин при скорости вращения 1000 об/мин. Разделение на жидкую и твердую фазу осуществляли посредством забора жидкой фазы из пробирки. Определение сахара осуществляли с применением стандартных способов ВЭЖХ в жидкой фазе.
Из Фиг. 5 можно видеть, что двухстадийный способ с дозировкой ферментов 6% (общее содержание твердых веществ, при 105°С) приводил к общему выходу 84-88%, тогда как для сравнительных образцов выход составлял только 70% при той же дозировке ферментов. Увеличение выхода глюкозы при двухстадийном способе ферментативного гидролиза составило более 14%.
Пример 6
В данном примере исследовали ферментативный гидролиз в две стадии.
Моделировали двухстадийный способ ферментативного гидролиза и сравнивали с традиционным одностадийным способом ферментативного гидролиза при испытаниях в лабораторных условиях. В испытаниях использовали предварительно обработанную разбавленной кислотой и паровым взрывом березу в качестве субстрата. При ферментативном гидролизе использовали промышленно выпускаемую смесь В ферментов. Субстрат разбавляли, используя водопроводную воду, и рН доводили до 4,5; температура в экспериментах составляла 45°С, и начальное содержание сухого вещества (общее содержание твердых веществ, при 105°С) составляло 22%. Дозировка ферментов составляла 6% (общее содержание твердых веществ, при 105°С) и первую стадию осуществляли в реакторе объемом 10 л, оборудованном системой перемешивания и нагрева.
Суспензию обезвоживали до содержания сухого вещества 40% с помощью воронки Бюхнера после первой стадии, за исключением одностадийных образцов, которые отбирали как таковые и помещали в пробирки объемом 50 мл, массой по 20 г в каждой в термостат. Определение сахара осуществляли на фильтратах, используя стандартные способы ВЭЖХ. Первую стадию ферментативного гидролиза осуществляли в течение 14 часов. Обезвоженный твердый материал снова разбавляли либо до 15%, либо до 25% содержания сухого вещества и помещали в пробирки объемом 50 мл в тот же термостат с одностадийными пробирками для второй стадии ферментативного гидролиза. Температуру в термостате доводили до 45°С и использовали смеситель с вращающимися пробирками, работающий в режиме авторотации. Пробирки помещали в центрифугу после ферментативного гидролиза и обрабатывали в течение 5 мин при скорости вращения 1000 об/мин. Разделение на жидкую и твердую фазу осуществляли посредством забора жидкой фазы из пробирки. Определение сахара осуществляли с применением стандартных способов ВЭЖХ в жидкой фазе.
Из Фиг. 6 можно видеть, что двухстадийный способ с дозировкой ферментов 6% (общее содержание твердых веществ, при 105°С) приводил к общему выходу 84-92%, тогда как для сравнительных образцов выход составлял только 70% при той же дозировке ферментов. Увеличение выхода глюкозы при двухстадийном способе ферментативного гидролиза составило более 14%.
Пример 7
В данном примере исследовали ферментативный гидролиз в две стадии.
Моделировали двухстадийный способ ферментативного гидролиза и сравнивали с традиционным одностадийным способом ферментативного гидролиза при испытаниях в лабораторных условиях. В испытаниях использовали предварительно обработанную разбавленной кислотой и паровым взрывом березу в качестве субстрата. Субстрат содержал приблизительно 98,7% мелких твердых частиц, которые представляют собой волокнистые или не имеющие определенной формы частицы менее 0,2 мм, определяемые оптическим прибором Metso FS5, и субстрат включал мелкие твердые частицы размером 28,7 мкм, определенным с помощью Coulter LS230. При ферментативном гидролизе использовали промышленно выпускаемую смесь В ферментов. Субстрат разбавляли, используя водопроводную воду, и рН доводили до 4,5; температура в экспериментах составляла 45°С, и начальное содержание сухого вещества (общее содержание твердых веществ, при 105°С) составляло 15%. Дозировка ферментов составляла 6% (общее содержание твердых веществ, при 105°С), и первую стадию осуществляли в реакторе объемом 10 л, оборудованном системой перемешивания и нагрева.
Суспензию обезвоживали до содержания сухого вещества 40% с помощью воронки Бюхнера после первой стадии, за исключением одностадийных образцов, которые отбирали как таковые и помещали в пробирки объемом 50 мл, массой по 20 г в каждой, в термостат. Определение сахара осуществляли на фильтратах, используя стандартные способы ВЭЖХ. Первую стадию ферментативного гидролиза осуществляли в течение 16 часов. Обезвоженный твердый материал снова разбавляли до 15% содержания сухого вещества и помещали в пробирки объемом 50 мл в тот же термостат с одностадийными пробирками для второй стадии ферментативного гидролиза. Образцы, полученные в двухстадийном способе, смешивали при слабом перемешивании и эффективном перемешивании перед второй стадией ферментативного гидролиза в термостате. Температуру в термостате доводили до 45°С, и использовали смеситель с вращающимися пробирками, работающий в режиме авторотации. Пробирки помещали в центрифугу после ферментативного гидролиза и обрабатывали в течение 5 мин при скорости вращения 1000 об/мин. Разделение на жидкую и твердую фазу осуществляли посредством забора жидкой фазы из пробирки. Определение сахара осуществляли с применением стандартных способов ВЭЖХ в жидкой фазе.
Из Фиг. 7 можно видеть, что двухстадийный способ с дозировкой ферментов 6% (общее содержание твердых веществ, при 105°С) приводил к общему выходу 90%, тогда как для сравнительных образцов выход составлял только 70% при той же дозировке ферментов и одинаковой продолжительности гидролиза. Кроме того, можно видеть, что выход двухстадийного способа немного выше при эффективном смешивании между стадиями ферментативного гидролиза.
Пример 8
В данном примере исследовали ферментативный гидролиз в две стадии.
Моделировали двухстадийный способ ферментативного гидролиза и сравнивали с традиционным одностадийным способом ферментативного гидролиза при испытаниях в лабораторных условиях. В испытаниях использовали предварительно обработанную разбавленной кислотой и паровым взрывом березу в качестве субстрата. При ферментативном гидролизе использовали промышленно выпускаемую смесь В ферментов. Субстрат разбавляли, используя водопроводную воду, и рН доводили до 4,5; температура в экспериментах составляла 45°С, и начальное содержание сухого вещества (общее содержание твердых веществ, при 105°С) составляло 15%. Дозировка ферментов составляла 6%, исходя из общего содержания твердых веществ (при 105°С) исходного материала, в сравнительном способе и 4%, исходя из общего содержания твердых веществ (при 105°С) исходного материала, в двухстадийном способе.
В двухстадийном способе суспензию обезвоживали до 35% содержания сухого вещества (общее содержания твердых веществ, при 105°С), посредством вакуумной фильтрации после первой стадии, которая протекала 12 ч. Твердую фракцию, включающую ферменты, извлекали и разбавляли деионизированной водой для достижения исходного уровня общего содержания твердых веществ. Не осуществляли регулирования рН, и новые ферменты не добавляли перед второй стадией. Вторую стадию осуществляли в течение 68 часов, и тогда сочетание составило 84 часов. Большая часть целлюлозы подверглась гидролизу на первой стадии, а оставшаяся часть целлюлозы подвергалась гидролизу на второй стадии.
Из Фиг. 8 можно видеть, что такого же выхода сахара и степени извлечения сахара можно достичь при меньшем на 1/3 количестве ферментов, используя двухстадийный способ.
Способ и устройство в соответствии с настоящим изобретением можно реализовать в различных воплощениях, применяемых в различных видах ферментативного гидролиза. Кроме того, способ и устройство в соответствии с настоящим изобретением можно реализовать в различных воплощениях, используемых для получения большинства различных видов жидких и твердых фракций на основе различных исходных материалов.
Изобретение не ограничено только примерами, указанными выше; напротив, возможно множество изменений в пределах объема защиты изобретения, определяемого формулой изобретения.
1. Способ ферментативного гидролиза, в котором материал на основе растительного сырья подвергают гидролизу с помощью ферментов, где
материал на основе растительного сырья предварительно обрабатывают посредством использования сочетания кислотного гидролиза и парового взрыва, где при паровом взрыве быстро снижают давление, и обрабатывают гемицеллюлозы, при этом по меньшей мере часть полисахаридов гемицеллюлоз разлагают на моносахариды и олигосахариды и по меньшей мере часть лигнина отделяют от исходного материала на основе растительного сырья при сочетании кислотного гидролиза и парового взрыва, и где материал на основе растительного сырья представляет собой материал на основе древесины, который представляет собой материал на основе целлюлозы,
исходный материал (1) на основе растительного сырья подают на первую стадию (2) ферментативного гидролиза,
исходный материал (1) на основе растительного сырья подвергают гидролизу по меньшей мере на двух стадиях (2, 4) ферментативного гидролиза, причем время пребывания на первой стадии ферментативного гидролиза короче, чем время пребывания на второй или любой последующей стадии ферментативного гидролиза, при этом время пребывания на второй или любой последующей стадии ферментативного гидролиза составляет 22 - 48 часов,
жидкую фракцию (5а, 5b), содержащую углеводы, отделяют от твердой фракции (6а, 6b) на стадии (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу после каждой стадии (2, 4) ферментативного гидролиза и
твердую фракцию (6а) подают на следующую стадию (4) ферментативного гидролиза, на которой твердую фракцию обрабатывают, и твердую фракцию (6b) извлекают после последней стадии (7b) разделения на жидкую и твердую фазу.
2. Способ по п.1, в котором время пребывания на первой стадии (2) ферментативного гидролиза составляет от 2 до 36 часов.
3. Способ по п.1 или 2, в котором концентрация исходного материала (1) на основе растительного сырья на первой стадии (2) ферментативного гидролиза составляет от 4 до 40%.
4. Способ по любому из пп.1-3, в котором время пребывания на второй или любой последующей стадии (4) ферментативного гидролиза составляет 24 - 36 часов.
5. Способ по любому из пп.1-4, в котором концентрация твердой фракции (6а) на второй или любой последующей стадии (4) ферментативного гидролиза составляет от 10 до 40 %.
6. Способ по любому из пп.1-5, в котором способ включает по меньшей мере одну стадию (11, 12) смешивания в связи со стадией (2, 4) ферментативного гидролиза.
7. Способ по любому из пп.1-6, в котором исходный материал (1) на основе растительного сырья или твердую фракцию (6а) разбавляют водосодержащей жидкостью перед ферментативным гидролизом.
8. Способ по любому из пп.1-7, в котором жидкую фракцию (5а, 5b) отделяют от твердой фракции (6а, 6b) посредством фильтрации, обработки центрифугированием или их сочетания.
9. Способ по любому из пп.1-8, в котором жидкую фракцию (5а, 5b) извлекают после каждой стадии (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу.
10. Способ по любому из пп.1-9, в котором исходный материал (1) на основе растительного сырья или твердую фракцию (6а) подают на стадию (2, 4) ферментативного гидролиза поэтапно или постепенно.
11. Способ по любому из пп.1-10, в котором на второй или любой последующей стадии (4) ферментативного гидролиза добавляют фермент.
12. Способ по любому из пп.1-10, в котором вторую или любую последующую стадию (4) ферментативного гидролиза осуществляют без добавления фермента.
13. Способ по любому из пп.1-12, в котором лигнин (14) отделяют от твердой фракции (6b) на стадии (13) отделения лигнина после последней стадии (7b) разделения на жидкую и твердую фазу.
14. Способ по любому из пп.1-13, в котором исходный материал (1) на основе растительного сырья представляет собой материал на основе древесины или смесь, включающую материал на основе древесины.
15. Способ по любому из пп.1-14, в котором образуют жидкую фракцию (5а, 5b), содержащую углеводы.
16. Способ по любому из пп.1-14, в котором образуют твердую фракцию (6b), содержащую лигнин.
17. Способ по любому из пп.1-14, в котором жидкую фракцию (5а, 5b), получаемую этим способом, используют в качестве исходного материала при ферментации, гидролизе, химической обработке, каталитической обработке, полимеризации, деполимеризации, разложении, ферментативной обработке, изготовлении связующего, производстве кормов, производстве продуктов питания или их сочетаниях.
18. Способ по любому из пп.1-14, в котором твердую фракцию (6b), получаемую этим способом, используют в качестве исходного материала при гидролизе, полимеризации, деполимеризации, разложении, химической обработке, изготовлении композиционного материала, композита на основе лигнина, активированного угля, углеродного волокна, связующего материала, полимеров, смол, фенольного компонента, диспергирующего агента или поглотительного материала, производстве кормов, производстве продуктов питания, в процессе сжигания или их сочетаниях.
19. Устройство для ферментативного гидролиза, в котором исходный материал на основе растительного сырья подвергают гидролизу с помощью ферментов, включающее:
ступень предварительной обработки, где материал на основе растительного сырья предварительно обрабатывают посредством использования сочетания кислотного гидролиза и парового взрыва, где при паровом взрыве быстро снижают давление, и обрабатывают гемицеллюлозы, при этом по меньшей мере часть полисахаридов гемицеллюлоз разлагают на моносахариды и олигосахариды и по меньшей мере часть лигнина отделяют от исходного материала на основе растительного сырья при сочетании кислотного гидролиза и парового взрыва, и где материал на основе растительного сырья представляет собой материал на основе древесины, который представляет собой материал на основе целлюлозы,
по меньшей мере две ступени (2, 4) ферментативного гидролиза, где исходный материал (1) на основе растительного сырья подвергают гидролизу, причем время пребывания на первой стадии ферментативного гидролиза короче, чем время пребывания на второй или любой последующей стадии ферментативного гидролиза, при этом время пребывания на второй или любой последующей стадии ферментативного гидролиза составляет 22 - 48 часов,
по меньшей мере одно устройство для подачи исходного материала (1) на основе растительного сырья по меньшей мере на первую стадию (2) ферментативного гидролиза и
по меньшей мере две ступени (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу, где жидкую фракцию (5а, 5b) отделяют от твердой фракции (6а, 6b) после каждой стадии (2, 4) ферментативного гидролиза, и
ступень (4) ферментативного гидролиза после первой ступени (2) ферментативного гидролиза предназначена для обработки твердой фракции (6а), отделенной на ступени (7а) разделения на жидкую и твердую фазу.
20. Устройство по п.19, включающее по меньшей мере одно устройство разделения на жидкую и твердую фазу.
21. Устройство по п.19 или 20, где устройство разделения на жидкую и твердую фазу выбрано из группы, состоящей из фильтрующего устройства, вакуумного фильтрующего устройства, фильтр-пресса, ленточного пресса, центробежного устройства и их сочетаний.
22. Устройство по любому из пп.19-21, включающее средства подачи твердой фракции (6а) на следующую стадию (4) ферментативного гидролиза.
23. Устройство по любому из пп.19-22, включающее средства извлечения твердой фракции (6b) после последней стадии (7b) разделения на жидкую и твердую фазу.
24. Устройство по любому из пп.19-23, включающее средства извлечения жидкой фракции (5а, 5b) после каждой стадии (7а, 7b) разделения на жидкую и твердую фазу.
