CZ301471B6 - Zpusob a zarízení pro zpracování lignocelulózového materiálu tlakovou hydrolýzou - Google Patents

Abstract

Vynález se týká zpusobu a zarízení pro zpracování lignocelulózových materiálu, nejlépe k výrobe hydrolýzních cukru, lihu, ligninu, furalu a dalších produktu. Lignocelulózový materiál se mechanicky dezintegruje na velikost cástic 10 až 35 mm, v prvním stupni se smísí s vodou v množství 5 až 10 % hmotn. vztaženo na hmotnost sušiny lignocelulózového materiálu a podrobí se tlaku 0,2 až 2,3 MPa pri mechanickém namáhání za úcelem jeho destrukce po dobu 2 až 6 min, címž se zvýší jeho teplota na 80 až 140 .degree.C. Ve druhém stupni se na lignocelulózový materiál dále pri mechanickém namáhání pusobí postupne se zvyšujícím tlakem až na 1 až 3,3 MPa, pri teplote 180 až 240 .degree.C a pri soucasném pridání vody až na pomer lignocelulózového materiálu ku vode 1:4 až 1:4,5 a úprave pH na 1,5 až 4,5, po dobu 10 až 12 min, za úcelem dalšího rozmelnení a hydrolýzy lignocelulózového materiálu. Po té se smes bežným zpusobem podrobí skokové expanzi na atmosférický tlak a rozdelí se na jednotlivé produkty. Zarízení sestává z dezintegracního zarízení (100), které je napojeno na plnicí tlakovou extrudérovou jednotku (13), která je prestrelovacím potrubím (136) spojena s reakcním extrudérem (17), reakcní extrudér (17) je opatren prívodem prehráté vody (173) a je propojen pres poslední, závernou hlavu (170) reakcního extrudéru (17) s plynule promennou plochou výtoku (176) spojovacím potrubím (174) s adiabatickým expandérem (19).

Description

Způsob a zařízení pro zpracování lignocelulózového materiálu tlakovou hydrolýzou

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu zpracování lignocelulózového materiálu tlakovou hydrolýzou a využití biologických materiálů obsahujících polysacharidy (lignocelulózové a Škrobové materiály) pro přípravu jednoduchých zkvasitelných cukrů, ligninu, furalu a organických kyselin a zařízení pro provádění tohoto způsobu.

Zařízení se týká přípravy vstupní suroviny, kontinuální tlakové extruze lignocelulózových materiálů, s propojením na enzymovou hydrolýzu, a topného okruhu, který je součástí komplexního technického řešení.

Dosavadní stav techniky

Pro využití biomasy je rozhodující energetické hledisko. Vyprodukovaná biomasa má několik možností využití. Mezi ně patří:

Termochemická přeměna biomasy

Termochemická přeměna lignocelulózových materiálů se využívá především k získání zkvasitelných cukrů a následně etanolu, furfuralu a ligninu v některých případech i kyseliny octové a mra25 veněí, dále pak butanolu a dalších kvasných produktů. Výhodou tohoto postupu je příprava zdrojů energie ve formě využitelné stávajícími zařízeními (např. palivo pro stávající automobilové motory).

Získáváním jednoduchých cukrů z celulózy se zabývá mnoho vyspělých států. Byla vyvinuta řada technologických postupů, které do současné doby nenašly odpovídající technické a ekonomické řešení.

Biochemická úprava

Anaerobní vyhnívání, methanové kvašení (produkce bioplynu), enzymatické štěpení celulózy. Mechanickochemická úprava

Lisování olejů (produkce kapalných paliv a olejů), esterifíkace surových bioolejň (výroba bio40 nafty a přírodních maziv)

Využití bez úpravy (přímé spalování)

Nejjednodušší metoda využití biomasy, poskytuje však pouze tepelnou energii, navíc lokalizova45 nou na jedno místo. Problematický je také svoz velkého množství biomasy s poměrně velkou vlhkostí,

V následujícím přehledu jsou obsaženy nejprogresivnější výsledky úpravy lignocelulózových materiálů založené na hydrolytických a dehydrataěních postupech:

Firma Thermodynamik vyvinula obdobný způsob výroby furalu jako Qauker Oats. Jako vstupní surovinu používá listnaté dřevo. Místo kyseliny sírové je možno použít vodný extrakt superfosfátu, (Obsahující 45 % P₂05), který se přidává v malých množstvích přímo do autoklávu (postup Agrifuranu).

-1CZ 301471 B6

Je znám finský patent, jehož předmětem ochrany je způsob kontinuální dvoustupňové hydrolýzy v přítomnosti koncentrace kyseliny sírové větší než 2 až 10% hmotn. V prvém stupni probíhá hydrolýza při teplotě 150 až 200 ⁰C. V druhém stupni pří téže teplotě je koncentrace kyseliny do

5 % hmotn.

Český patent CZ 294398 řeší přípravu zkvasitelných cukrů pomocí kontinuální tlakové hydrolýzy a následnou enzymatickou hydrolýzou tuhých nezhydro lyžovaných zbytků. Tlaková hydrolýza probíhá při teplotě 190 až 235 °C, v přítomnosti zředěné kyseliny (0,3 až 0,85 % hmotn.) dvou io hydrolyzérech. Expanze probíhá dvoustupňové ve dvou expandérech. Vysoká teplota, a tomu odpovídající tlak, v kyselém prostředí, vedou k tomu, že nedostatečně mechanicky rozvolněný lignocelutózový komplex je odbouráván přednostně na glukózu na úkor oligosacharidů. Část glukózy při podmínkách termicko-tlakové hydrolýzy degraduje a o to se snižuje výtěžek.

Český užitný vzor CZ 16562 popisující zařízení pro zpracování dřevní štěpky je založen na podobném principu, tj. vyhřívaný extrudér je přes kontinuální plnicí šnekovou jednotku spojen s hydrolyzérem a ten přes dva expandéry do zásobníků. Technicky problematické je použití přídavného ohřevu sálavým teplem, které má nízký přestup energie a je tedy málo účinné a ekonomické. Zajímavé je použití extrudéru s dvěma rozvlákňujícími šneky. Není však zcela jasné, jak je zajištěno oddělení zásobníku dřevní štěpky od extrudéru, ve kterém při teplotě 240 až 260 °C musí být odpovídající tlak (cca 3,5 MPa). Při podmínkách činnosti extrudéru tj, při nízkém obsahu vody (taje doplňována z velké části do hydrolyzéru) bude účinnost zařízení pravděpodobně dosti nízká.

Podstata vynálezu

Zmíněné nevýhody uvedených hydrolýzních postupů řeší a odstraňuje způsob a zařízení na zpracování lignocelulózového materiálu tlakovou hydrolýzou pro výrobu cukrů, etanolu a dalších produktů z biomasy, podle vynálezu, který spočívá v tom, že lignocelulózový materiál se mechanicky upraví na velikost Částic 10 až 35 mm, v prvním stupni se smísí s vodou v množství 5 až 10 % hmotn., vztaženo na hmotnost sušiny lignocelulózového materiálu a podrobí se tlaku 0,2 až 2,3 MPa při mechanickém namáhání za účelem jeho destrukce po dobu 2 až 6 min., čímž se zvýší jeho teplota na 80 až 140 °C, ve druhém stupni se na lignocelulózový materiál dále při mechanic35 kém namáhání působí postupně se zvyšujícím tlakem až na 1 až 3,3 MPa, při teplotě 180 až 240 °C a při současném přidání vody až na poměr lignocelulózového materiálu ku vodě 1:4 až 1:4,5 a úpravě pH na 1,5 až 4,5, po dobu 10 až 12 min., za úěelem dalšího rozmělnění a hydrolýzy lignocelulózového materiálu, po té se směs podrobí skokové expanzi na atmosférický tlak, po expanzi se směs rozdělí na pevnou fázi obsahující lignin a nezreagovanou celulózu a na kapalnou fázi obsahující cukry a polysacharidy a parní fázi obsahující fural, methanol a organické kyseliny, po oddělení parní fáze se suspenze pevné a kapalné fáze podrobí enzymové hydrolýze.

Zařízení sestávající z dezintegračního zařízení, hydrolýzních jednotek a expandéru podle vynálezu spočívá v tom, že sestává z dezintegračního zařízení, které je napojeno na plnící tlakovou extrudérovou jednotku, pro další rozmělnění a hydrolýzu dezintegro váného materiálu v prvém stupni. Plnicí tlaková extrudérová jednotka je přestřelovacím potrubím spojena s reakčním extrudérem, představujícím druhý hydrolyzační stupeň. Zde kombinací fyzikálně-chemických podmínek a mechanického namáhání dochází k výrazně rychlejší a hlubší hydrolytické reakci, reakční extrudér je opatřen přívodem přehřáté vody a je propojen přes poslední, závěrnou hlavu reakční50 ho extrudéru s plynule proměnnou plochou výtoku spojovacím potrubím s adiabatickým expandérem, adiabatický expandér je opatřen odvodem parní fáze a rotačním vynašečem suspenze.

Dezíntegrační zařízení sestává z řetězového dopravníku, šnekového dopravníku, rozdmžovacího dopravníku, magnetického separátoru, řezačky, kladívkového mlýnu, prvních cyklonů s rotačním

-2CZ 301471 B6 podavačem a sil s vyhmovacím žlabem, po nichž následuje druhý cyklon s rotačním podavačem, dávkující lignocelulózový materiál do násypky, která je přímo napojená na plnicí tlakovou extrudérovou jednotku.

Plnicí tlaková extrudérová jednotka sestává ze 4 až 6 jednotlivých hlav, na procházející hřídeli jsou nasazeny jednoduché Šneky a parní zámky jednotlivých hlav, poslední, závěrečná hlava je opatřena rotačním destrukčním palcem, po jehož obvodě jsou spirálovité výstupky zapadající do první části přestřelovacího potrubí napojeného na reakční extrudér.

io Přestřelovací potrubí je tvořeno trubkou v přední části s vlnovcovitč proměnným průměrem s maximálním zúžením 15 % jejího průměru a ve výstupní částí kónicky rozšířené o 5 až 20 % jejího průměru.

Reakční extrudér je složen ze 4 až 6 jednotlivých hlav, počet hlav je proměnný vybavených jed15 ním šnekem s jednochodou, případně dvouchodou Šnekovnicí, otáčející se v pevné skříni s opačným smyslem šnekovnicové drážky, která vytváří vhodné reakční prostředí pro rozmělnění a hydrolýzu lignocelulózové ho materiálu a jeho posun k vystřelovacím otvorům s plynule proměnnou plochou výtoku do spojovacího potrubí, pevná skříň každé jedné hlavy je po svém obvodu opatřena pláštěm pro předehřev reakčního extrudéru vodou nebo parou.

Adiabatický expandér je tvořen válcovou nádobou s kónusovým dnem, v horní části je adiabatický expandér opatřen tangenciálním vstupem pro desintegrovaný a hydrolyzovaný lignocelulózový materiál, v horní části je adiabatický expandér dále patřen trubkou pro odvod parní fáze, zapuštěnou do hloubky 3 až 5 násobku jejího průměru, která je na konci vystupujícím z adiaba25 tického expandéru opatřena tangenciálním výstupem opačného smyslu rotace než je vstup pro desintegrovaný a hydrolyzovaný lignocelulózový materiál, kónusové dno adiabatického expandéru je opatřeno rotačním válcovým vynašečem.

Rotační válcový vynašeč je spojen se zásobníkem suspenze, opatřeným míchadlem, který je spojen s tepelným výměníkem, jehož výstup je připojen na vstupy enzymových hydrolyzérů, enzymové hydrolyzéry jsou opatřeny míchadlem, regulací teploty a pH, přívodem neutralizačních roztoků, roztoku enzymů a výstupem na zařízení pro separaci zkvasitelných cukrů a ligninu, které je propojeno se zásobníkem ligninu a tuhých částí, a zásobníkem zkvasitelných cukrů.

Způsob a zařízení pro výrobu hydrolýzních cukrů je plně kontinuální, nově využívá působení mechanických sil při termicko-tlakové hydrolýze a je navržen s maximální rekuperací tepelné energie. Většina tepelné energie vložené do reakčního media se po proběhlé reakci odčerpává zpět do procesu. Tím se postup zlevňuje a stává se ekonomicky rentabilní.

Mechanickým rozvolněním lignocelulózového materiálu v plnicím a reakěním extrudéru se jednotlivá vlákna celulózy stávají přístupnější hydrolýzním činitelům jako je tlak a teplota a štěpí se v celém řetězci. Tím dochází ke zvýšení výtěžku po enzymové hydrolýze o 10 až 15 %. Vznikající oligosacharidy, na rozdíl od monosacharidů, nejsou náchylné na tepelnou destrukci. Dalším faktorem ovlivňujícím nízkou destrukci (karamelizaci) je i možnost použití nižší hydrolýzní tep45 loty.

Mechanické rozvolnění lignocelulózového materiálu v průběhu termicko-tlakové hydrolýzy, ke které dochází zejména v reakčním extrudéru má také velmi příznivý vliv na kvalitu získávaného ligninu. Lignin získaný navrženým způsobem je velmi čistý a má vysokou chemickou reaktivitu.

Hydrolýzní cukiy produkované zařízením podle způsobu jsou vzhledem k využití široce dostupné a levné suroviny lignocelu lóžových materiálů velmi levné. Hydrolýzní cukry jsou využívány jako zdroj energie pro fermentační a další postupy.

-3CZ 301471 B6

Přehled obrázků

Obr. 1 znázorňuje schematicky zařízení na zpracování Iignocelulóžového materiálu tlakovou 5 hydrolýzou.

Obr. 2 znázorňuje plnicí tlakovou extrudérovou jednotkou.

Obr. 3 znázorňuje reakční extrudér.

Obr. 4 znázorňuje adiabatický expandér.

Příklady provedeni vynálezu

Příklad 1

Zařízení znázorněné na obr. 1 sestává z příjmu lignocelulózových materiálů, napojeného na příruční stoh a dezíntegraěního zařízení 100.

DezintegraČní zařízení 100 je napojeno na plnicí tlakovou extrudérovou jednotku 13, která je přestřelovacím potrubím 136 spojena s reakčním extrudérem 17, reakční extrudér Γ7 (obr. 3) je opatřen přívodem přehřáté vody 173 a je propojen přes poslední, závěrnou hlavu 170 reakčního extrudéru Γ7 s plynule proměnnou plochou výtoku 176 spojovacím potrubím 174 s adiabatickým expandérem 19, adiabatický expandér 19 (obr. 4) je opatřen trubkou 193 pro odvod parní fáze a rotačním válcovým vynašečem 194 suspenze.

DezintegraČní zařízení 100 sestává z řetězového dopravníku 1, šnekového dopravníku 2, rozdružovacího dopravníku 3, magnetického separátoru 4, řezačky 5, kladívkového mlýnu 6, dvou prvních cyklonů 7, 8 s rotačním podavačem a dvou sil 9,10 s vyhmovacím žlabem, po nichž následuje druhý cyklon U s rotačním podavačem, dávkující lígnocelulózovy materiál do násypky 12, která je přímo napojená na plnicí tlakovou extrudérovou jednotku Γ3.

Plnicí tlaková extrudérová jednotka 13 je znázorněna na obr. 2 a sestává ze 3 jednotlivých hlav 130, na procházející hřídeli 131 jsou nasazeny jednoduché šneky 132 a parní zámky 133 jednotlivých hlav 130. poslední, závěrečná hlava 130 je opatřena rotačním destrukčním palcem 134, po jehož obvodě jsou spirálovité výstupky 135 zapadající do první části přestřelovacího potrubí 136 napojeného na reakční extrudér 17.

Přestřelovací potrubí 136 je tvořeno trubkou v přední části s vlnovcovitě proměnným průměrem s maximálním zúžením 15 % jejího průměru a ve výstupní části kónicky rozšířené o 5 až 20 % jejího průměru,

Reakční extrudér Γ7 je znázorněn na obr. 3 a je složen ze 3 jednotlivých hlav 170. Počet hlav je proměnný. Hlavy 170 jsou vybaveny dvouchodou šnekovnicí 172, otáčející se v pevné skříni 177 s opačným smyslem šnekovnicové drážky, která vytváří vhodné reakční prostředí pro rozmělnění a hydrolýzu lignocelulózové ho materiálu a jeho posun k vystřelovacím otvorům 175 s plynule proměnnou plochou výtoku 176 do spojovacího potrubí 174 s adiabatickým expandérem 19. Pevná skříň 177 každé jedné hlavy 170 je po svém obvodu opatřena druhým pláštěm 178 pro předehřev reakčního extrudéru 17 vodou nebo parou.

so Adiabatický expandér 19 je znázorněn na obr. 4 a je tvořen válcovou nádobou s kónusovým dnem, v horní části je adiabatický expandér 19 opatřen tangenciálním vstupem 191 pro desintegrovaný a hydrolyzovaný Iignocelulóžový materiál. V horní části je adiabatický expandér 19 dále patřen trubkou 193 pro odvod parní fáze, zapuštěnou do hloubky 4 násobku jejího průměrů,

-4CZ 301471 B6 která je na konci vystupujícím z adiabatického expandéru ]9 opatřena tangenciálním výstupem 195 opačného smyslu rotace než je vstup 191 pro desintegrovaný a hydrolyzovaný lignocelulózový materiál. Kónusové dno adiabatického expandéru 19 je opatřeno rotačním válcovým vynašečem 194.

Rotační válcový vynašeč 194 je spojen se zásobníkem 40 suspenze, znázorněným na obr. 1. Zásobník 40 suspenze je opatřen míchadlem a je spojen s tepelným výměníkem 41, jehož výstup je připojen na vstupy enzymových hydrolyzérů 44 až 46. Enzymové hydrolyzéry 44 až 46 jsou opatřeny míchadlem, regulací teploty a pH, přívodem neutralizačních roztoků, roztoku enzymů ío a výstupem na zařízení 47 pro separaci zkvasitelných cukrů a ligninu, které je propojeno se zásobníkem 48 ligninu a tuhých částí, a zásobníkem 49 zkvasitelných cukrů.

Částečně desintegrovaný lignocelulózový materiál z dezintegračního zařízení 100 je dávkován do plnicího extrudéru 13, kde při obsahu vody 8 % hmot., vztaženo na sušinu lignocelulózového materiálu a při teplotě 120 °C prochází systémem parních zámků zajišťujících mechanické rozvolnění materiálu a tím zpřístupnění jednotlivých celulózových vláken reakčním podmínkám a zvýšení jejich teplosměnné plochy. Tím dochází k prvnímu stupni hydrolýzy, ke štěpení celulózových polymerů po celé jejich délce a vzniku převažujícího podílu oligosacharidů, které jsou snadno štěpitelné enzymaticky.

Plnicí tlaková extrudérová jednotka 13 umožňuje snazší průchod materiálu a plně zabraňuje jeho zpětnému posunu.

Z plnicího extrudéru 13 je lignocelulózový materiál posouván pod tlakem, prostřednictvím přestřelovacího potrubí 136 do reakčního extrudéru 17, kde probíhají hlavní štěpící reakce, kde probíhá druhý stupeň hydrolýzy, kde při hmotnostním poměru vody k sušině 1:4 a při teplotě 220 °C a tlaku 3,0 MPa prochází systémem parních zámků zajišťujících mechanické rozvolnění materiálu a tím zpřístupnění jednotlivých celulózových vláken reakčním podmínkám a zvýšení jejich teplosměnné plochy, zde dochází ke štěpení na jednodušší cukry.

Reakční extrudér Γ7 svou konstrukcí vytváří vhodné reakční prostředí pro zpracovávanou surovinu a její posun k vystřelovacím otvorům 175 s plynule proměnnou plochou výtoku 176 umožňující kontinuální řízení procesu v reálném čase. Počet hlav 170 může být jednoduchým způsobem měněn, což umožňuje snadno měnit, v určitém rozsahu, kapacitu zařízení.

Pevná skříň 177 každé jedné hlavy 170 je po svém obvodu opatřena pláštěm 178 umožňujícím předehřev zařízení párou, nebo horkou vodou. Reakční extrudér 17 je navržen tak, aby průběžná doba zdržení suroviny byla 12 minut a teplota 220 °C, a tlaku 3,0 MPa. Podle potřeby se pro uiychlení hydrolýzy přidává kyselina chlorovodíková v množství které upraví pH reakční směsi na 3,3. V reakčním extrudéru Γ7 probíhá působením mechanických sil, tepla, tlaku, technologicko - konstrukčních úprav extrudéru a vhodného chemického prostředí, uvolnění celulózy z lignocelulózového komplexu a její následné štěpení na jednodušší cukry Z reakčního extrudéru 17 je zpracovaná lignocelulózová suspenze vedena do adiabatického expandéru 19, kde se proud dělí na parní a kapalnou fázi. Jednostupňová expanze zajišťuje dokonalé oddělení všech těkavých složek, které mohou inhibovat enzymatickou hydrolýzu a také se velkým tlakovým spádem s následnou expanzí rozruší případné větší tuhé částice, které jsou potom snáze přístupné pro působení celulolytických enzymů. Kondenzační teplo získané při kondenzaci parní fáze je využito pro předohřev technologické vody, například do extrudéru 17.

Vstup 191 do adiabatického expandéru 19 expandující suroviny je proveden tangenciálně, výstup kapalné suspenze je z kónického dna proveden prostřednictvím válcového rotačního vynašeče 194 nebo kalového Čerpadla. Nádoba 192 reakčního expandéru 17 je na stěně vybavena stíracím zařízením.

-5CZ 301471 B6

V adiabatickém expandéru ]9 dochází k expanzi na atmosférický tlak. Teplota parní fáze může být vyšší než 100 °C, vodní cukerný roztok s nezreagovanou fází má teplotu okolo 100 °C.

Kavitačními silami vyvolanými prudkou změnou tlaku dochází ke konečnému rozdružení ligno5 celulózového materiálu a také k oddělení těkavých složek obsažených v parní fází (furalovou směs, aj.), které mohou být potencionálními inhibitory enzymatické hydrolýzy eventuelně další fermentace cukrů na alkoholy a podobně. Při adiabatické expanzi dojde k rozdělení vstupního proudu na parní fázi a vodní suspenzi.

io Parní fáze z adiabatického expandéru 19 je vedena do kondenzačních a chladicích výměníků 20 a 2i (obr. 1), kde předehřívá technologickou vodu vstupující pres zásobník 15 do kotle 14 na přípravu přehřáté nástřikové vody a páry do reakčního extrudéru 17. Následují chladicí výměníky 22 a 23 parní fáze upravují teplotu zkondenzované parní (furalové) fáze na teplotu požadovanou při jejím zpracování na fural a další složky.

Parní fáze postupuje do zásobníku 24 furalové fáze a k dalšímu zpracování.

Kapalná fáze z adiabatického expandéru 19 postupuje do zásobníku kapalného produktu 40 a přes tepelný výměník 43 do enzymových hydrolyzérů 44, 45 a 46.

Tepelný výměník 43, zajišťuje snížení teploty uvedeného roztoku na optimální teplotu pro enzymovou hydrolýzu (50 až 60 °C). Konstrukce výměníku umožňuje čištění teplosměnné plochy a lze řídit výstupní teplotu roztoku. Teplota roztoku je snižována z 95 °C na 50 až 60 °C. Z tepelného výměníku 41 je směs vedena na enzymový reaktor 44, 45 a 46.

Produkt po proběhlé enzymové hydrolýze postupuje na separaci zkvasitelných cukrů 47 a dále do zásobníku zkvasitelných cukrů 49.

Oddělený lignin a tuhé částice postupují do zásobníku ligninu a tuhých částí 48, znázorněných na obr. I.

Příklad 2

Příprava hydrolýzního cukru

Do kontinuálního zařízení pro přípravu hydrolýzních cukrů podle vynálezu, vstupuje 100 kg/hod, slámy upravené na maximální velikost částic 30 mm, s obsahem celulózy cca 45 %. Do plnicího extrudéru 13 se přidalo 10 kg/hod, teplé vody. Přestřelovacím potrubím 136 přechází tato směs do reakčního extrudéru Γ7, kde se připustila směs přehřáté vody a vodní páry v poměru 4:1 hmot. vody ku vstupující slámě. Teplota páry byla 235 °C a výsledná teplota v první hlavě 170 reakčního extrudéru Γ7 byla 165 °C. Pomocí teplonosného media v prostoru mezi tělesem reakčního extrudéru a druhým pláštěm, se směs vyhřála až na 210 °C v poslední hlavě 170. Po expanzi a rozdělení na kapalnou a parní fázi se kapalná fáze vedla přes tepelný výměník 41 do enzymové45 ho reaktoru 44, kde se při teplotě 58 °C a pH 4,8 hydrolyzovaly zbytky oligosacharidů směsí komerčně dostupných celulóz po dobu 1 hod. Po oddělení nerozpustných částic (lignin)a jejich promytí a odlisování vody se získalo 10,3 kg ligninu, 0,26 kg nerozpustných látek neligninové povahy a 12,6 kg vody. Promývací voda se vracela do enzymového reaktoru 44, kde naředila vstupující suspenzi před enzymatickým štěpením. Získalo se celkem 341 kg roztoku /hod o kon50 centraci 9,9 % hmotn. zkvasitelných cukrů (což je o 12,7 % více než bez použití reakčního extrudéru), který se dále použil např. pro výrobu ethanolu nebo butanolu. Parní fáze se dále zpracovávala a získalo se celkem 3,5 kg 98 % hmotn. furalu.

-6CZ 301471 B6

Příklad 2a

Příprava hydrolýzního cukru současně s alkoholovým kvašením.

Po expanzi a rozdělení na kapalnou a parní fázi se kapalná fáze vedla pres tepelný výměník 41 přímo do zásobníku zkvasitelných cukrů 49, kam se přidají celulolytické enzymy a živiny nezbytné pro fermentaci. Takto připravený roztok (zápara) se použije přímo pro fermentaci v jejímž průběhu dochází současně ke štěpení, oligosacharidu a uvolňování zkvasitelných cukrů nezbytio ných pro fermentaci.

Průmyslová využitelnost

Vynález je využitelný při zpracování lignocelulózového materiálu pro přípravu jednoduchých zkvasitelných cukrů, ligninu, furalu a organických kyselin.

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob zpracování lignocelulózového materiálu tlakovou hydrolýzou pro výrobu cukrů,

   25 etanolu a dalších produktů z bíomasy, kdy se lígnoceluíózový materiál mechanicky upraví na velikost částic 10 až 35 mm, v prvním stupni se smísí s vodou v množství 5 až 10 % hmotn., vztaženo na hmotnost sušiny lignocelulózového materiálu a podrobí se tlaku 0,2 až 2,3 MPa, ve druhém stupni se na lígnoceluíózový materiál dále působí postupně se zvyšujícím tlakem až na 1 až 3,3 MPa, pri teplotě 180 až 240 °C, a poté se směs podrobí skokové expanzi na atmosférický

   30 tlak, po expanzi se směs rozdělí na pevnou fázi obsahující lignin a nezreagovanou celulózu a na kapalnou fázi obsahující cukry a polysacharidy a parní fázi obsahující fural, methanol a organické kyseliny, po oddělení parní fáze se suspenze pevné a kapalné fáze podrobí enzymové hydrolýze, vyznačující se tím, že v prvním i druhém stupni se dezintegrovaný lignocelulózový materiál podrobuje mechanickému namáhání za účelem jeho dalšího rozmělnění, destrukce

   35 a hydrolýzy, v prvním stupni po dobu 2 až 6 min, čímž se zvýší jeho teplota na 80 až 140 °C, ve druhém stupni po dobu 10 až 12 min, při teplotě 180 až 240 °C a při současném přidání vody až na poměr lignocelulózového materiálu ku vodě 1:4 až 1:4,5 a úpravě pH na 1,5 až 4,5.
2. 2. Zařízení k provádění způsobu podle nároku 1, sestávající z dezintegračního zařízení (100)

   40 hydrolýzních jednotek a expandéru, vyznačující se tím, že dezintegrační zařízení (100) je napojeno na plnicí tlakovou extrudérovou jednotku (13) pro další rozmělnění a hydrolýzu dezintegrovaného materiálu v prvním stupni, která je přestřelovacím potrubím (136) spojena s reakčním extrudérem (17) představujícím druhý hydrolyzační stupeň; reakční extrudér (17) je opatřen přívodem přehřáté vody (173) a je propojen přes poslední závěrnou hlavu (170) reakční45 ho extrudéru (17) s plynule proměnnou plochou výtoku (176) spojovacím potrubím (174) s adiabatickým expandérem (19); adiabatický expandér (19) je opatřen odvodem (193) parní fáze a rotačním vynašečem (194) suspenze.
3. 3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že dezintegrační zařízení (100)

   50 sestává z řetězového dopravníku (1), šnekového dopravníku (2), rozdružovacího dopravníku (3), magnetického separátoru (4), řezačky (5), kladívkového mlýnu (6), prvních cyklonů s rotačním podavačem (7) a sil (9) s vyhmovacím žlabem, po nichž následuje druhý cyklon (11) s rotačním

   -7CZ 301471 B6 podavačem, dávkující lignocelulózový materiál do násypky (12), která je přímo napojená na plnicí tlakovou extrudérovou jednotku (13).
4. 4. Zařízení podle nároků 2 a 3, vyznačující se tím, že plnicí tlaková extrudérová
5. 5 jednotka (13) sestává ze 4 až
6. 6 jednotlivých hlav (130), na procházející hřídeli (131) jsou nasazeny jednoduché šneky (132) a parní zámky (133) jednotlivých hlav (130), poslední, závěrečná hlava (130) je opatřena rotačním destrukčním palcem (134), po jehož obvodě jsou spirálovité výstupky (135) zapadající do první části přestřelovacího potrubí (136) napojeného na reakční extrudér (17).

   io

   5. Zařízení podle nároků 2 až 4, vyznačující se tím, že přestřelovací potrubí (136) je tvořeno trubkou s v přední části vlnovcovitě proměnným průměrem s maximálním zúžením 15 % jejího průměru a ve výstupní Částí kónicky rozšířené o 5 až 20 % jejího průměru,

   15 6. Zařízení podle nároků 2až5, vyznačující se tím, že reakční extrudér (17) je složen ze 4 až 6 jednotlivých hlav (170), počet hlav vybavených jedním šnekem (172) s jednochodou, případně dvouchodou Šnekovnicí, otáčející se v pevné skříni (177) s opačným smyslem šnekovnicové drážky, která vytváří vhodné reakční prostředí pro rozmělnění a hydro lýzu lignocelulózového materiálu a jeho posun k vystřelovacím otvorům (175) s plynule proměnnou plo20 chou výtoku (176) do spojovacího potrubí (174), je proměnný, a pevná skříň (177) každé jedné hlavy (170) je po svém obvodu opatřena pláštěm (178) pro předehřev reakčního extrudéru (17) vodou nebo parou.
7. 7. Zařízení podle nároků 2až6, vyznačující se tím, že adiabatický expandér (19)

   25 je tvořen válcovou nádobou s kónusovým dnem, v horní části je adiabatický expandér (19) opatřen tangenciálním vstupem (191) pro des integrovaný a hydrolyzovaný lignocelulózový materiál, v horní části je adiabatický expandér (19) dále opatřen trubkou (193) pro odvod parní fáze, zapuštěnou do hloubky 3 až 5 násobku jejího průměru, která je na konci vystupujícím z adiabatického expandéru (19) opatřena tangenciálním výstupem (196) opačného smyslu rotace než je

   30 vstup (191) pro desintegrovaný a hydrolyzovaný lignocelulózový materiál, kónusové dno adíabatického expandéru (19) je opatřeno rotačním válcovým vynašečem (194).
8. 8. Zařízení podle nároků 2až7, vyznačující se tím, že rotační válcový vynaŠeČ (194) je spojen se zásobníkem (40) suspenze, opatřeným míchadlem, který je spojen s tepelným

   35 výměníkem (41), jehož výstup je připojen na vstupy enzymových hydrolyzérů (44), enzymové hydrolyzéry (44) jsou opatřeny míchadlem, regulací teploty a pH, přívodem neutralizačních roztoků, přívodem roztoku enzymů a výstupem na zařízení (47) pro separaci zkvasitelných cukrů a ligninu, které je propojeno se zásobníkem (48) ligninu a tuhých Částí, a zásobníkem (49) zkvasitelných cukrů.