Алкогольна ферментація гідролізатів деревини

Деревина хвойних і листяних порід містить від 40 до 75% полісахаридів. Розрізняють легко- (геміцелюлози та пектинові речовини) та важкогідролізовані (целюлози з невеликою домішкою геміцелюлоз) полісахариди.

Під час виробництва біоетанолу використовуються такі компоненти рослинної біомаси, як вуглеводи та лігнін. Вуглеводи є формою простих цукрів і полімерів цукрів. Прості цукри, що містяться у біомасі, – це звичайно сахароза і глюкоза, а полімери цукрів – целюлоза, геміцелюлоза і крохмаль. Процесам спиртової ферментації піддаються тільки прості цукри шляхом гідролізу. Гідроліз полягає в розкладанні полімерів цукрів у воді або водних розчинах, як правило, з додаванням кислот.

Рис. 4.3. Схема одержання біоетанолу з меляси

Рис. 4.4. Принципова технологічна схема виробництва етанолу з меляси і клерсу

Невелика ефективність перетворення целюлози та геміцелюлози на цукри пояснюється будовою стінок клітин, в яких лігнін “покриває” ці компоненти й ускладнює доступ ферментів до кристалічної структури целюлози. Ліціни – це макромолекулярні речовини складної структури, що становлять 20...25% маси клітинних стінок рослин, особливо таких матеріалів, як дерево, солома чи міскант. Теоретично на основі гідролізу лігніно-целюлозної біомаси зі 100 кг деревини можна одержати 50 кг глюкози і 25 кг (35 дм³ ) етанолу, але в дійсності одержують до 75% цієї кількості.

Технологія ферментації лігноцелюлози передбачає такі етапи (рис. 4.5):

• попередня обробка (часткове руйнування мікрофібрил целюлози, зменшення ступеня її кристалізації та полімеризації, вилучення геміцелюлози, руйнування комплексу целюлози з лігніном та модифікація структури лігніну, збільшення поверхні, доступної для дії гідролізуючих ферментів);

• делігніфікація (відокремлення лігніну) та частковий гідроліз геміцелюлоз і целюлози (механічне подрібнення рослинної біомаси, обробка перегрітою парою або ж дія кислот чи лугів для делігніфікації);

• ферментативний гідроліз;

• спиртове бродіння (алкогольна ферментація);

• стандартизація паливного біоетанолу.

1. Одержання гідролізатів:

• просочення сировини H₂SO₄;

• нагрівання парою з метою пентозного гідролізу (видалення з реактора повітря й летких речовин) - t = 120...150 °С (пентозний гідроліз) і t=150...190 °С (гексозний гідроліз);

• перколяція - промивання водою (вода екстрагує лігнін, моносахариди і кислоту, які є в порах і капілярах сировини);

• віджим й вивантаження гідролізного лігніну;

• охолодження пентозного гідролізату;

• відділення фурфуролу з конденсату ректифікацією;

• відділення домішок, що не утилізуються мікроорганізмами – продуцентами етилового спирту й кормових дріжджів, або пригнічують їхню життєдіяльність

• продувка повітрям.

2. Збродження гідролізатів:

• спиртове сусло - гідролізат, що надходить на переробку, містить моносахариди (гексози), які зброджуються різними расами дріжджів з отриманням продукту (КР);

• КР, що містить 1-2 % етилового спирту, концентрують ректифікацією з виходом 94-96 % спирту 150-180 л;

• гідролізат, до складу якого входять неутилізовані при спиртовому бродінні пентози і органічні кислоти (барда), скеровують на вирощування кормових дріжджів з виходом до 220 кг/т.

Рис 4.5. Виробництво спирту етилового технічного способом гідролізу рослинної сировини

Схема одержання біоетанолу на рослинних гідролізатах, реалізована на гідролізному заводі ТАВДА (м. Свердловськ, Росія) наведена на рис. 4.6.

Показники технічного етилового спирту, одержаного на основі гідролізатів рослинної сировини наведені у табл. 4.1.

Сучасні підходи до одержання біоетанолу на основі рослинної біомаси:

Одностадійне зброджування лігноцелюлозних субстратів

• найефективнішим способом отримання етанолу з рослинної сировини (лігноцелюлози) вважається одночасний ферментоліз целюлози і геміцелюлози з подальшою ферментацією отримуваних вільних цукрів до етанолу

• пряме зброджування лігноцелюлозних субстратів Zymomonas mobilis -зброджує цукри удвічі швидше, ніж дріжджі. Цей вид бактерій також піддається модифікації генома, що дасть змогу розкладати целюлозу з одночасним зброджуванням цукрів деградації целюлози.

попередня обробка субстратів зводиться до мінімуму.