NO812106L - ALCOHOL PREPARATION PROCESS. - Google Patents
ALCOHOL PREPARATION PROCESS.Info
- Publication number
- NO812106L NO812106L NO812106A NO812106A NO812106L NO 812106 L NO812106 L NO 812106L NO 812106 A NO812106 A NO 812106A NO 812106 A NO812106 A NO 812106A NO 812106 L NO812106 L NO 812106L
- Authority
- NO
- Norway
- Prior art keywords
- approx
- solution
- cellulosic material
- cellulose
- alcohol
- Prior art date
Links
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 434
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 196
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 162
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 137
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 claims description 123
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 claims description 123
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 116
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 claims description 107
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 claims description 107
- 235000000346 sugar Nutrition 0.000 claims description 84
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 72
- 238000004821 distillation Methods 0.000 claims description 67
- 150000008163 sugars Chemical class 0.000 claims description 67
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 claims description 58
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 claims description 58
- 229920002488 Hemicellulose Polymers 0.000 claims description 54
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 50
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 45
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 43
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 42
- 239000003929 acidic solution Substances 0.000 claims description 33
- 240000004808 Saccharomyces cerevisiae Species 0.000 claims description 32
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 28
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 claims description 17
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 claims description 17
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 claims description 15
- 210000005253 yeast cell Anatomy 0.000 claims description 15
- 230000003301 hydrolyzing effect Effects 0.000 claims description 14
- 239000002699 waste material Substances 0.000 claims description 14
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 11
- 238000010992 reflux Methods 0.000 claims description 10
- 235000002017 Zea mays subsp mays Nutrition 0.000 claims description 9
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 240000008042 Zea mays Species 0.000 claims description 6
- 235000005824 Zea mays ssp. parviglumis Nutrition 0.000 claims description 6
- 235000005822 corn Nutrition 0.000 claims description 6
- 239000002440 industrial waste Substances 0.000 claims description 6
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 6
- 238000010790 dilution Methods 0.000 claims description 5
- 239000012895 dilution Substances 0.000 claims description 5
- 239000002910 solid waste Substances 0.000 claims 12
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims 8
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims 8
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 claims 6
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 claims 4
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 44
- 229920005610 lignin Polymers 0.000 description 37
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 25
- 235000014680 Saccharomyces cerevisiae Nutrition 0.000 description 21
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 20
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 20
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 16
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 16
- UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N Benzene Chemical compound C1=CC=CC=C1 UHOVQNZJYSORNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 11
- 229920002472 Starch Polymers 0.000 description 10
- 239000000047 product Substances 0.000 description 10
- 235000021309 simple sugar Nutrition 0.000 description 10
- 235000019698 starch Nutrition 0.000 description 10
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 9
- 239000006227 byproduct Substances 0.000 description 8
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 8
- -1 hexose sugars Chemical class 0.000 description 7
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000005903 acid hydrolysis reaction Methods 0.000 description 6
- 239000002585 base Substances 0.000 description 6
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 6
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 235000013339 cereals Nutrition 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 5
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 5
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 description 5
- 239000008107 starch Substances 0.000 description 5
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 4
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 4
- WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N Glucose Natural products OC[C@H]1OC(O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-GASJEMHNSA-N 0.000 description 4
- GXCLVBGFBYZDAG-UHFFFAOYSA-N N-[2-(1H-indol-3-yl)ethyl]-N-methylprop-2-en-1-amine Chemical compound CN(CCC1=CNC2=C1C=CC=C2)CC=C GXCLVBGFBYZDAG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L Sodium Carbonate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]C([O-])=O CDBYLPFSWZWCQE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 4
- UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M Sodium bicarbonate Chemical compound [Na+].OC([O-])=O UIIMBOGNXHQVGW-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 4
- 239000012527 feed solution Substances 0.000 description 4
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 4
- 230000003472 neutralizing effect Effects 0.000 description 4
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 4
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 4
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 4
- 229920001353 Dextrin Polymers 0.000 description 3
- 239000004375 Dextrin Substances 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 241000482268 Zea mays subsp. mays Species 0.000 description 3
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 3
- HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N alpha-acetylene Natural products C#C HSFWRNGVRCDJHI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 3
- WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N beta-D-glucose Chemical compound OC[C@H]1O[C@@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-VFUOTHLCSA-N 0.000 description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 3
- 210000002421 cell wall Anatomy 0.000 description 3
- 235000021310 complex sugar Nutrition 0.000 description 3
- 238000010411 cooking Methods 0.000 description 3
- 239000010779 crude oil Substances 0.000 description 3
- 235000019425 dextrin Nutrition 0.000 description 3
- 125000002534 ethynyl group Chemical group [H]C#C* 0.000 description 3
- 239000003337 fertilizer Substances 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 3
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 3
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 3
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N Alumina Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000219310 Beta vulgaris subsp. vulgaris Species 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SRBFZHDQGSBBOR-IOVATXLUSA-N D-xylopyranose Chemical compound O[C@@H]1COC(O)[C@H](O)[C@H]1O SRBFZHDQGSBBOR-IOVATXLUSA-N 0.000 description 2
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 2
- VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N Ethene Chemical compound C=C VGGSQFUCUMXWEO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000005977 Ethylene Substances 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N Iron oxide Chemical compound [Fe]=O UQSXHKLRYXJYBZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000021536 Sugar beet Nutrition 0.000 description 2
- 238000013019 agitation Methods 0.000 description 2
- PYMYPHUHKUWMLA-UHFFFAOYSA-N arabinose Natural products OCC(O)C(O)C(O)C=O PYMYPHUHKUWMLA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 description 2
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- SRBFZHDQGSBBOR-UHFFFAOYSA-N beta-D-Pyranose-Lyxose Natural products OC1COC(O)C(O)C1O SRBFZHDQGSBBOR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000008121 dextrose Substances 0.000 description 2
- 230000003467 diminishing effect Effects 0.000 description 2
- 239000003502 gasoline Substances 0.000 description 2
- 239000008103 glucose Substances 0.000 description 2
- GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N hydron Chemical compound [H+] GPRLSGONYQIRFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 2
- 239000006193 liquid solution Substances 0.000 description 2
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 description 2
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 2
- 239000003348 petrochemical agent Substances 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 238000001226 reprecipitation Methods 0.000 description 2
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 description 2
- 229910000030 sodium bicarbonate Inorganic materials 0.000 description 2
- 235000017557 sodium bicarbonate Nutrition 0.000 description 2
- 229910000029 sodium carbonate Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 238000005292 vacuum distillation Methods 0.000 description 2
- 235000013343 vitamin Nutrition 0.000 description 2
- 239000011782 vitamin Substances 0.000 description 2
- 229940088594 vitamin Drugs 0.000 description 2
- 229930003231 vitamin Natural products 0.000 description 2
- NAOLWIGVYRIGTP-UHFFFAOYSA-N 1,3,5-trihydroxyanthracene-9,10-dione Chemical compound C1=CC(O)=C2C(=O)C3=CC(O)=CC(O)=C3C(=O)C2=C1 NAOLWIGVYRIGTP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-QTVWNMPRSA-N D-mannopyranose Chemical compound OC[C@H]1OC(O)[C@@H](O)[C@@H](O)[C@@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-QTVWNMPRSA-N 0.000 description 1
- 229930091371 Fructose Natural products 0.000 description 1
- RFSUNEUAIZKAJO-ARQDHWQXSA-N Fructose Chemical compound OC[C@H]1O[C@](O)(CO)[C@@H](O)[C@@H]1O RFSUNEUAIZKAJO-ARQDHWQXSA-N 0.000 description 1
- 239000005715 Fructose Substances 0.000 description 1
- 240000005979 Hordeum vulgare Species 0.000 description 1
- 235000007340 Hordeum vulgare Nutrition 0.000 description 1
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 description 1
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 description 1
- 240000000111 Saccharum officinarum Species 0.000 description 1
- 235000007201 Saccharum officinarum Nutrition 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000209140 Triticum Species 0.000 description 1
- 235000021307 Triticum Nutrition 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 125000003158 alcohol group Chemical group 0.000 description 1
- WQZGKKKJIJFFOK-PHYPRBDBSA-N alpha-D-galactose Chemical compound OC[C@H]1O[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@H]1O WQZGKKKJIJFFOK-PHYPRBDBSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- PYMYPHUHKUWMLA-WDCZJNDASA-N arabinose Chemical compound OC[C@@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)C=O PYMYPHUHKUWMLA-WDCZJNDASA-N 0.000 description 1
- 125000003118 aryl group Chemical group 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 description 1
- OSQPUMRCKZAIOZ-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide;ethanol Chemical compound CCO.O=C=O OSQPUMRCKZAIOZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 239000003245 coal Substances 0.000 description 1
- 239000000571 coke Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 239000000498 cooling water Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 1
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 238000004925 denaturation Methods 0.000 description 1
- 230000036425 denaturation Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 238000007667 floating Methods 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 229930182830 galactose Natural products 0.000 description 1
- 238000002309 gasification Methods 0.000 description 1
- 150000004676 glycans Chemical class 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 150000002402 hexoses Chemical class 0.000 description 1
- 230000036571 hydration Effects 0.000 description 1
- 238000006703 hydration reaction Methods 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 239000013067 intermediate product Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002521 macromolecule Polymers 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 1
- 229910003455 mixed metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010422 painting Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 150000002972 pentoses Chemical class 0.000 description 1
- 239000003209 petroleum derivative Substances 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920001282 polysaccharide Polymers 0.000 description 1
- 239000005017 polysaccharide Substances 0.000 description 1
- 235000021395 porridge Nutrition 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000011122 softwood Substances 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 150000003722 vitamin derivatives Chemical class 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
- C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
- C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
- C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
- C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
- C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate
- C12P7/10—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate substrate containing cellulosic material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
- Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/50—Improvements relating to the production of bulk chemicals
- Y02P20/582—Recycling of unreacted starting or intermediate materials
Landscapes
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Zoology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Microbiology (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Preparation Of Compounds By Using Micro-Organisms (AREA)
- Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
- Mechanical Treatment Of Semiconductor (AREA)
Description
Foreliggende søknad er en "continuation-in-part" av US-PS nr. 088 196 inngitt 23. oktober 1979. The present application is a continuation-in-part of US-PS No. 088,196 filed October 23, 1979.
Foreliggende oppfinnelse vedrører fremstilling av alkohol. Mer spesielt angår den en fremgangsmåte for kontinuerlig fremstilling av etanol. The present invention relates to the production of alcohol. More particularly, it relates to a process for the continuous production of ethanol.
I betraktning av den stadig økende etterspørsel for flytende brennstoff og de minskende kilder for petroleum - råolje, har forskere begynt å undersøke alternative flytende brennstoffer for å bestemme muligheten av kommersiell fremstilling av slike erstatninger for å tilfredsstille denne økende etterspørsel. Gjeldende utbredte tilstander, inkludert at mangel på petroleum-råolje, sterk økning i prisen på olje-og bensinprodukter samt den dårlige politiske stabilitet i mange oljeproduserende land, har demonstrert sårbarheten til de nåværende kilder for flytende brennstoffer. Selv om man kunne godta en slik tilførsel og økonomisk ustabilitet, er det klart at den verdensomspennende produksjon av petroleum-produkter i de planlagte mengder hverken.kan holde tritt med den økende etterspørsel eller fortsette uendelig. Det har blitt helt klart at den tid snart vil komme da man vil få In view of the ever-increasing demand for liquid fuels and the diminishing sources of petroleum - crude oil, researchers have begun to investigate alternative liquid fuels to determine the feasibility of commercial production of such substitutes to satisfy this growing demand. Current widespread conditions, including shortages of petroleum crude oil, sharp increases in the price of oil and gasoline products, as well as the poor political stability in many oil-producing countries, have demonstrated the vulnerability of the current sources of liquid fuels. Even if one could accept such a supply and economic instability, it is clear that the worldwide production of petroleum products in the planned quantities can neither keep pace with the increasing demand nor continue indefinitely. It has become quite clear that the time will soon come when one will get
en overgang til kilder som er tilstrekkelige og fortrinnsvis kan fornyes. a transition to sources that are sufficient and preferably renewable.
En av de mest alminnelig anerkjente erstatninger som kan gjøres tilgjengelig i betydelige mengder i nær fremtid er alkohol, og spesielt etanol. Se "The Report of the Alcohbl Fuels Policy Review" (Dept. og Energy/PE-0012, juni 1979). Det er f.eks. i dag mange selskaper i de forenede stater og ellers i verden som selger en blanding av bensin og fra ca. 10 til 20% etanol (vanligvis betegnet "gasohol"), som kan benyttes som et brennstoff i konvensjonelle automo-bilmotorer. Videre kan etanol blandes med additiver for dannelse av et flytende etanolbasert brennstoff (dvs. etanol er hovedkomponenten) som er egnet for drift i de fleste motortyper. Et slikt etanolbasert brennstoff er beskrevet i US-PS nr- 087 618 inngitt 23. oktober 1979. Foreliggende oppfinnelse er rettet mot problemet med hvordan man skal frem-stille tilstrekkelige mengder etanol som er nødvendig for bruk i slike erstatningsbrennstoffer for å tilfredsstille den forøkede etterspørsel for flytende brennstoff. One of the most widely recognized substitutes that may be made available in significant quantities in the near future is alcohol, and ethanol in particular. See "The Report of the Alcohol Fuels Policy Review" (Dept. and Energy/PE-0012, June 1979). It is e.g. today many companies in the United States and elsewhere in the world sell a mixture of gasoline and from approx. 10 to 20% ethanol (commonly referred to as "gasohol"), which can be used as a fuel in conventional automobile engines. Furthermore, ethanol can be mixed with additives to form a liquid ethanol-based fuel (ie ethanol is the main component) which is suitable for operation in most engine types. Such an ethanol-based fuel is described in US-PS No. 087,618 filed October 23, 1979. The present invention is directed to the problem of how to produce sufficient amounts of ethanol that are necessary for use in such substitute fuels to satisfy the increased demand for liquid fuel.
Det er velkjent at etanol kan fremstilles ved fermentering. Selv i dag blir etanol i størstedelen av verden fremstiltgjennom fermenteringsprosessen. I de forenede stater blir imidlertid bare ca. 25% av den totale etanol-produksjon oppnådd ved fermentering, idet den resterende del fremstilles syntetisk, vanligvis fra etylen. It is well known that ethanol can be produced by fermentation. Even today, in the majority of the world, ethanol is produced through the fermentation process. In the United States, however, only approx. 25% of the total ethanol production obtained by fermentation, with the remaining part produced synthetically, usually from ethylene.
I fermenteringsprosessen blir gjær tilsatt til en oppløsning av enkle sukkere. Gjær er en liten mikroorganisme som utnytter sukkeret i oppløsningen som næringsmiddel, og ved dette utvikles etanol og karbondioksyd som biprodukter. Karbondioksydet avgår som en gass, idet den bobler opp gjennom væsken og etanolen forblir i oppløsning. Uheldigvis stagnerer gjæren når konsentrasjonen av etanolen i oppløs-ning nærmer seg ca. 18 volumprosent, uansett om det fremdeles er fermenterbare sukkere til stede. In the fermentation process, yeast is added to a solution of simple sugars. Yeast is a small microorganism that utilizes the sugar in the solution as food, and this produces ethanol and carbon dioxide as by-products. The carbon dioxide leaves as a gas, as it bubbles up through the liquid and the ethanol remains in solution. Unfortunately, the yeast stagnates when the concentration of the ethanol in solution approaches approx. 18% by volume, regardless of whether fermentable sugars are still present.
For en nærmest fullstendig fermentering og for å fremstilles store mengder etanol, har det følgelig vært vanlig praksis å anvende en satsvis prosess hvorved det anvendes meget store fermenteringsbeholdere som kan inne-holde opp til 1 892 700 liter. Med slike store beholdere er det økonomisk urealistisk å tilveiebringe en gjærmengde som er tilstrekkelig til hurtig å fermentere sukkeroppløsningen. Således har konvensjonelle fermenteringsprosesser krevet 72 timer og mer fordi slike tidsperioder er nødvendig for at gjærpopulasjonen skal oppbygges til den nødvendige konsentrasjon. F.eks., en mengde gjær tilsettes til fermenteringsbeholderen. I løpet av omkring 45-60 minutter vil gjær-populas jonen ha blitt fordoblet; i løpet av ytterligere 45-60 minutter vil denne nye gjærpopulasjon ha blitt fordoblet. Det tar mange timer for at en slik formering skal produsere den mengde gjær som er nødvendig til å fermentere en slik stor mengde sukkeroppløsning. For an almost complete fermentation and to produce large quantities of ethanol, it has consequently been common practice to use a batch process whereby very large fermentation containers are used which can contain up to 1,892,700 litres. With such large containers, it is economically unrealistic to provide a quantity of yeast that is sufficient to rapidly ferment the sugar solution. Thus, conventional fermentation processes have required 72 hours and more because such time periods are necessary for the yeast population to build up to the required concentration. For example, a quantity of yeast is added to the fermentation vessel. Within about 45-60 minutes the yeast population will have doubled; within another 45-60 minutes this new yeast population will have doubled. It takes many hours for such propagation to produce the amount of yeast necessary to ferment such a large amount of sugar solution.
Videre, de sukkere som anvendes i slike tradisjonelle fermenteringsprosesser inneholdt typisk fra ca. 6 til 20% av de større, komplekse sukkere (slik som dekstriner og deks- trose) som tar meget lengre tid på å gjennomgå fermentering, dersom de vil fermenteres, enn tilfellet er for de enkle heksosesukkere (slik som glukose og fruktose) . Det er således vanlig praksis å avslutte fermenteringsprosessen etter et spesifisert tidsrom, slik som 72 timer, selv om ikke alle sukrene har blitt utnyttet. Dersom man betrakter de tidligere kjente prosesser ut fra et økonomisk synspunkt er det foretrukket å ofre de gjenværende ufermenterte sukkere istedenfor å vente på fullstendig fermentering av alle sukrene i satsen. Furthermore, the sugars used in such traditional fermentation processes typically contained from approx. 6 to 20% of the larger, complex sugars (such as dextrins and dextrose) which take much longer to undergo fermentation, if they want to be fermented, than is the case for the simple hexose sugars (such as glucose and fructose). Thus, it is common practice to end the fermentation process after a specified period of time, such as 72 hours, even if not all the sugars have been utilized. If one considers the previously known processes from an economic point of view, it is preferred to sacrifice the remaining unfermented sugars instead of waiting for complete fermentation of all the sugars in the batch.
I tillegg til dette har erfaring vist at det er foretrukket å tilsette maltenzymer som hjelper hydrolysen av stivelser og omdannelse av de høyere komplekse dekstrin-og dekstrosesukkere som er til stede i sukkeroppløsningene i de tidligere kjente fermenteringsprosesser. Mens slike maltenzymer tilfører en ønsket aroma til etanol fremstilt for menneskelig forbruk, bidrar maltenzymene ikke med noe til å gjøre etanol en mer fordelaktig flytende brennstoff-erstatning og kan faktisk skape problemer for en slik anvendelse. In addition to this, experience has shown that it is preferred to add malt enzymes which help the hydrolysis of starches and conversion of the higher complex dextrin and dextrose sugars which are present in the sugar solutions in the previously known fermentation processes. While such malt enzymes add a desired aroma to ethanol produced for human consumption, the malt enzymes do nothing to make ethanol a more advantageous liquid fuel substitute and may actually create problems for such an application.
Et av de viktigste forhold med konvensjonelle fermentéringssystemer er vanskeligheten med å opprettholde en steril tilstand fri for bakterier i de store satser og med den lange fermenteringsperiode. Den optimale atmosfæren, for fermentering er uheldigvis også meget gunstig for bak-teriell vekst. Skulle en slik sats bli forurenset må ikke bare gjæren og sukkeroppløsningen kasseres, men hele fermenteringsbeholderen må tømmes, renses og steriliseres. Dette er både tidskrevende og meget kostbart. One of the most important issues with conventional fermentation systems is the difficulty in maintaining a sterile condition free of bacteria in the large batches and with the long fermentation period. The optimal atmosphere for fermentation is unfortunately also very favorable for bacterial growth. Should such a batch become contaminated, not only must the yeast and sugar solution be discarded, but the entire fermentation vessel must be emptied, cleaned and sterilized. This is both time-consuming and very expensive.
Etter fermentering har man ved tradisjonelle prosesser fjernet etanolen fra fermenteringsoppløsningen og ytterligere konsentrert etanolproduktet ved destillasjon. Destillasjonstårn som kan foreta slik separering og konsentrasjon er velkjente. After fermentation, the ethanol has been removed from the fermentation solution using traditional processes and the ethanol product has been further concentrated by distillation. Distillation towers capable of such separation and concentration are well known.
Fra det foregående fremgår det klart at typen av sukrene som anvendes i fermenteringsprosessen er viktig for effektiv produksjon og utbytte av etanol. Det er meget ønskelig at sukkeret som anvendes i fermenteringsprosessen fortrinnsvis er enkle heksosesukkere, slik at fermenterings-perioden minimaliseres og slik at så meget som mulig av sukkeret kan utnyttes i fermenteringsprossen og derved re-sultere i et høyere utbytte av etanol. From the foregoing it is clear that the type of sugars used in the fermentation process is important for efficient production and yield of ethanol. It is highly desirable that the sugar used in the fermentation process is preferably simple hexose sugars, so that the fermentation period is minimized and so that as much as possible of the sugar can be utilized in the fermentation process and thereby result in a higher yield of ethanol.
Tidligere kjente etanol-fermenteringsprosesser har vanligvis vært begrenset til bruk av små korn som kilde for fermenterbare sukkere. Disse korn er spesielt fordelaktige fordi stivelsen deri lett hydrolyseres til sukkeret. Mens mesteparten av de resulterende sukkere er fermenterbare er uheldigvis typisk 6 - 20% av sukrene langsomt fermenterende eller ikke-fermenterende komplekse sukkere. Oppnåelse av de fermenterbare sukkere fra slike kornkilder er dessuten meget kostbart. Således, dersom store mengder etanol skal fremstilles for bruk som en flytende brennstoff-erstatning til rimelige omkostninger, må andre kilder tas i betraktning for oppnåelse av de fermenterbare sukkere. Selv om det under laboratoriebetingelser har blitt vist at slike sukkere kan oppnås fra celluloseholdige materialer, er hydrolyseprosessen for frigjøring av fermenterbare sukkere kjent for å være meget vanskelig. Forskere har derfor ikke funnet en økonomisk akseptabel metode for fremstilling av etanol fra slike celluloseholdige kilder. Previously known ethanol fermentation processes have generally been limited to the use of small grains as a source of fermentable sugars. These grains are particularly advantageous because the starch in them is easily hydrolyzed to the sugar. While the majority of the resulting sugars are fermentable, unfortunately typically 6 - 20% of the sugars are slowly fermentable or non-fermentable complex sugars. Obtaining the fermentable sugars from such grain sources is also very expensive. Thus, if large quantities of ethanol are to be produced for use as a liquid fuel substitute at reasonable cost, other sources must be considered for obtaining the fermentable sugars. Although it has been shown under laboratory conditions that such sugars can be obtained from cellulosic materials, the hydrolysis process to release fermentable sugars is known to be very difficult. Researchers have therefore not found an economically acceptable method for producing ethanol from such cellulosic sources.
Foreliggende oppfinnelse er rettet mot en kontinuerlig fremgangsmåte for fremstilling av alkohol, fortrinnsvis etanol, som er egnet for bruk som et flytende brennstoff, fra celluloseholdige materialer. The present invention is directed to a continuous process for the production of alcohol, preferably ethanol, which is suitable for use as a liquid fuel, from cellulose-containing materials.
Foreliggende fremgangsmåte begynner fortrinnsvisThe present method preferably begins
med celluloseholdige materialer, inkludert materialer som typisk anses som avfall. De celluloseholdige materialene prepareres ved oppdeling og/eller maleprosesser som reduserer det celluloseholdige materiale til en pulverformig tilførsel. with cellulosic materials, including materials that are typically considered waste. The cellulose-containing materials are prepared by division and/or grinding processes which reduce the cellulose-containing material to a powdery supply.
Dette tilførselsmateriale gjennomgår en delignifiseringsprosess som separerer de tre hovedkomponentene i de celluloseholdige kildematerialene: Cellulose, hemicellulose og lignin. Først blir tilførselen blandet med en fortynnet sur oppløsning og oppvarmet til en forhøyet temperatur ved et lite trykk i et kort tidsrom. Etter at syren er nøytral-isert forblir lett nedbrytbare stivelser og sukkere og hemicellulosen i oppløsning mens ligninet og cellulosen er filtrerbare faste stoffer. Hemicelluloseoppløsningen er ferdig for hydrolysering til enkle sukkere. This feed material undergoes a delignification process that separates the three main components of the cellulosic source materials: Cellulose, hemicellulose and lignin. First, the feed is mixed with a dilute acid solution and heated to an elevated temperature at a low pressure for a short period of time. After the acid is neutralized, readily degradable starches and sugars and the hemicellulose remain in solution, while the lignin and cellulose are filterable solids. The hemicellulose solution is ready for hydrolysis to simple sugars.
Ifølge oppfinnelsen foreligger to alternative fremgangsmåter for separering av ligninet og cellulose-faststoffene. Ved anvendelse av den første fremgangsmåten blir ligninet og cellulose-faststoffene blandet med en moderat konsentrasjon av kadoksen (et meget basisk oppløsnings-middel) og deretter oppvarmet til en forhøyet temperatur og ved et lavt trykk i et relativt kort tidsrom. Ifølge den andre fremgangsmåten blir ligninet og cellulose-faststoffene avkjølt og omsatt med en avkjølt, meget konsentrert syre i et relativt kort tidsrom. Med enten kadoksen- eller syreprosessen inneholder den resulterende oppløsning cellulosen, mens ligninet forblir som filtrerbare faststoffer. Når kadoksen-prosessén anvendes blir'cellulosen utfelt som myke fnugg ved avkjøling og vandig fortynning; når syreprosessen anvendes blir cellulosen utfelt som myke fnugg ved tilsetning av metanol. Den myke fnuggformige cellulosen og den på forhånd separerte hemicelluloseoppløsningen kombineres før hydrolysering. According to the invention, there are two alternative methods for separating the lignin and the cellulose solids. Using the first method, the lignin and cellulose solids are mixed with a moderate concentration of cadox (a very basic solvent) and then heated to an elevated temperature and at a low pressure for a relatively short period of time. According to the second method, the lignin and cellulose solids are cooled and reacted with a cooled, highly concentrated acid for a relatively short period of time. With either the cadox or acid process, the resulting solution contains the cellulose, while the lignin remains as filterable solids. When the cadoxen process is used, the cellulose is precipitated as soft flakes on cooling and aqueous dilution; when the acid process is used, the cellulose is precipitated as soft flakes by the addition of methanol. The soft fluffy cellulose and the pre-separated hemicellulose solution are combined before hydrolyzing.
Ved den tredje alternative og i øyeblikket foretrukne fremgangsmåte blir ligninet og cellulose-faststoffene oppvarmet under høyt trykk i nærvær av damp til en temperatur i overkant av ca. 248,9°C i et kort tidsrom. De faste stoffene kastes deretter inn i et flash-kammer som holdes ved omkring atmosfæretrykk. Det resulterende materiale kombineres med den på forhånd separerte hemicellulose-oppløsningen før hydrolysering. In the third alternative and currently preferred method, the lignin and cellulose solids are heated under high pressure in the presence of steam to a temperature in excess of approx. 248.9°C in a short period of time. The solids are then thrown into a flash chamber which is maintained at around atmospheric pressure. The resulting material is combined with the previously separated hemicellulose solution prior to hydrolysis.
Hydrolyseprosessen utføres i en relativt fortynnet sur oppløsning ved en forhøyet temperatur under trykk i et kort tidsrom. Den deretter oppnådde oppløsning nøytrali-seres til en pH-verdi på fra ca. 4,5 til 5,0, og lignin-faststoffene separeres. Den resulterende oppslemming eller "brygg" inneholder vesentlig bare enkle heksosesukkeré i motsetning til de større komplekse sukkere. Etter hvert som oppslemmingen avkjøles til ca. 31,1 - 32,2°C (den foretrukne fermenteringstemperatur) tilsettes gjær - næringsstoffer. Oppslemmingen pumpes deretter inn i en kontinuerlig fermenteringsbeholder hvor den kan fermenteres nesten fullstendig i løpet av et tidsrom på så kort som ca. 3-6 timer, hvilket er betydelig kortere enn de tidligere kjente prosesser som krever 72 timer. The hydrolysis process is carried out in a relatively dilute acidic solution at an elevated temperature under pressure for a short period of time. The solution then obtained is neutralized to a pH value of from approx. 4.5 to 5.0, and the lignin solids are separated. The resulting slurry or "brew" contains essentially only simple hexose sugars as opposed to the larger complex sugars. As the slurry cools to approx. 31.1 - 32.2°C (the preferred fermentation temperature) yeast - nutrients are added. The slurry is then pumped into a continuous fermentation vessel where it can be almost completely fermented in as little as approx. 3-6 hours, which is considerably shorter than the previously known processes which require 72 hours.
Foreliggende oppfinnelse omfatter også alternative metoder for fermentering av oppslemmingen til etanol og deretter rensing av etanolen. Under anvendelse av den første metoden får væsken øverst i fermenteringsbeholderen, som inneholder en høy konsentrasjon av etanol, komme inn i en annen fermenteringstank hvor fermenteringen fortsetter i ytterligere noen timer for å omdanne vesentlig alle sukrene til etanol. Den resulterende oppløsning, som betegnes "wash", oppvarmes til en høy temperatur og destilleres deretter under lavt trykk. Denne høytemperatur- og lavtrykks-destillasjon resulterer i en høy sépareringsgrad for etanolen i bare en enkelt destillasjon. Det resulterende etanol-destillat kan deretter gjennomgå en sluttbehandling hvor det kan dehydratiseres, denatureres, lagres og/eller blandes med andre komponenter til et motorbrennstoff. The present invention also includes alternative methods for fermenting the slurry into ethanol and then purifying the ethanol. Using the first method, the liquid at the top of the fermentation vessel, which contains a high concentration of ethanol, is allowed to enter another fermentation tank where fermentation continues for a few more hours to convert substantially all of the sugars into ethanol. The resulting solution, called the "wash", is heated to a high temperature and then distilled under low pressure. This high temperature and low pressure distillation results in a high degree of separation of the ethanol in just a single distillation. The resulting ethanol distillate can then undergo a final treatment where it can be dehydrated, denatured, stored and/or mixed with other components of a motor fuel.
Alternativt blir karbondioksyd, som er et betydelig biprodukt i fermenteringsprosessen, sprøytet gjennom oppslemmingen i fermenteringsbeholderen. Ved opprettelse av et vakuum på toppen av fermenteringsbeholderen, vil karbondioksydet transportere etanolen fra fermenteringsoppløsningen. Etanolen kan lett oppnås ved avkjøling av karbondioksyd-etanoldampen og oppsamle etanolkondensatet. Etanolen kan deretter sluttbehandles. Alternatively, carbon dioxide, which is a significant byproduct of the fermentation process, is injected through the slurry into the fermentation vessel. By creating a vacuum at the top of the fermentation vessel, the carbon dioxide will transport the ethanol from the fermentation solution. The ethanol can be easily obtained by cooling the carbon dioxide-ethanol vapor and collecting the ethanol condensate. The ethanol can then be treated.
En ytterligere alternativ metode bruker teknikken med sprøyting eller gjennomføring av karbondioksyd for å fjerne etanol fra fermenteringsbeholderen under redusert trykk og deretter blir den fordampede etanol ført gjennom et destillasjonstårn under redusert trykk slik at et legalt vannfritt etanolprodukt oppnås uten bruk av kompliserte destillasjonsteknikker. A further alternative method uses the technique of spraying or passing carbon dioxide to remove ethanol from the fermentation vessel under reduced pressure and then the evaporated ethanol is passed through a distillation tower under reduced pressure so that a legal anhydrous ethanol product is obtained without the use of complicated distillation techniques.
Oppfinnelsen omfatter også oppfanging av karbondioksydet som frigjøres fra fermenteringsprosessen og ut-nyttelse derav for fremstilling av andre viktige kjemikalier slik som acetylen, benzen og metanol. Karbondioksydet kan dessuten syntetisk omdannes for fremstilling av ytterligere mengder etanol. The invention also includes capturing the carbon dioxide released from the fermentation process and utilizing it for the production of other important chemicals such as acetylene, benzene and methanol. The carbon dioxide can also be synthetically converted to produce additional amounts of ethanol.
Det er derfor et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en kontinuerlig fremgangsmåte for fremstilling av etanol i løpet av minimum tid og i høye utbytter. It is therefore an object of the present invention to provide a continuous process for the production of ethanol in a minimum of time and in high yields.
Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en etanol-fremstillingsprosess som kan utnytte mange typer av celluloseholdig avfall i fermenteringsprossen. Another purpose of the invention is to provide an ethanol production process which can utilize many types of cellulose-containing waste in the fermentation process.
Et ytterligere formål med oppfinnelsen'er å utnytte karbondioksydet som utvikles i fermenteringsprosessen i fremstillingen av andre kjemiske produkter. A further purpose of the invention is to utilize the carbon dioxide which is developed in the fermentation process in the manufacture of other chemical products.
Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe et etanolprodukt til rimelige omkostninger. A further object of the invention is to provide an ethanol product at a reasonable cost.
Disse og andre formål og trekk ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå mer tydelig fra nedenstående beskrivelse og medfølgende krav tatt i forbindelse med de medfølgende tegninger. Figur 1 er et blokkdiagram som representerer etanol-fremstillingsprosessen ifølge oppfinnelsen. Figur 2 er et skjematisk riss av en utførelse av den del av foreliggende kontinuerlige fremstillingsprosess hvori det celluloseholdige materiale omdannes til enkle sukkere i prepareringen for fermenteringsprosessen. Figur 3 er en skjematisk representasjon av en ut-førelse av en del av foreliggende kontinuerlige fremstillingsprosess hvori de enkle sukrene fermenteres til etanol og karbondioksyd og hver av disse stoffer bearbeides til sluttprodukter. Figur 4 er en skjematisk representasjon av en alternativ utførelse av den del av foreliggende kontinuerlige fremstillingsprosess som er vist på figur 3. Figur 5 er en skjematisk representasjon av en alternativ utførelse av den del av foreliggende kontinuerlige fremstillingsprosess som er vist på figur 2 hvori de celluloseholdige materialene omdannes til enkle sukkere i prepareringen for fermenteringsprosessen. Figur 6 er en skjematisk representasjon av en alternativ utførelse av den del av foreliggende kontinuerlige fremstillingsprosess som er vist på figurene 3 og 4. These and other objects and features of the present invention will appear more clearly from the following description and accompanying claims taken in connection with the accompanying drawings. Figure 1 is a block diagram representing the ethanol production process according to the invention. Figure 2 is a schematic view of an embodiment of the part of the present continuous manufacturing process in which the cellulose-containing material is converted into simple sugars in the preparation for the fermentation process. Figure 3 is a schematic representation of an embodiment of part of the present continuous manufacturing process in which the simple sugars are fermented to ethanol and carbon dioxide and each of these substances is processed into end products. Figure 4 is a schematic representation of an alternative embodiment of the part of the present continuous manufacturing process shown in Figure 3. Figure 5 is a schematic representation of an alternative embodiment of the part of the present continuous manufacturing process shown in Figure 2 in which the cellulose-containing the materials are converted into simple sugars in preparation for the fermentation process. Figure 6 is a schematic representation of an alternative embodiment of the part of the present continuous manufacturing process shown in Figures 3 and 4.
Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til fremstilling av alkohol i en kontinuerlig fremstillingsprosess som anvender celluloseholdige avfallsstoffer som utgangsmaterialer. Det er funnet at celluloseholdige materialer som ofte anses som avfall, kan utnyttes i foreliggende etanol-fremstillingsprosess for dannelse av etanol i et bedre utbytte og til betydelig reduserte omkostninger, sammenlignet med de tidligere kjente prosesser. Man vil forstå, at ethvert stivelsesholdig materiale (slik som bygg, mais, ris, hvete og andre små korn) hvori stivelsen lett kan omdannes til enkle sukkere, samt ethvert sukkerholdig materiale (slik som sukkerroer eller sukkerrør) kan anvendes ifølge den beskrevne fremgangsmåte. Ikke desto mindre er det ikke nødvendig og heller ikke økonomisk ønskelig å begrense bruken av foreliggende oppfinnelse til slike kostbare stivelse- eller sukkerholdige materialer. The present invention relates to a method for producing alcohol in a continuous production process which uses cellulose-containing waste materials as starting materials. It has been found that cellulosic materials which are often considered waste can be utilized in the present ethanol production process for the formation of ethanol in a better yield and at significantly reduced costs, compared to the previously known processes. It will be understood that any starchy material (such as barley, corn, rice, wheat and other small grains) in which the starch can be easily converted into simple sugars, as well as any sugary material (such as sugar beet or sugar cane) can be used according to the described method. Nevertheless, it is neither necessary nor economically desirable to limit the use of the present invention to such expensive starchy or sugary materials.
De fleste celluloseholdige materialer inneholder generelt tre hovedkomponenter: Cellulose, hemicellulose og lignin, i de omtrentlige forhold på 4:3:3, respektivt. Disse er imidlertid bare approksimasjoner; f.eks. inneholder myk-tre et typisk forhold på 42:25:28, maiskolber har mengde-andelene på ca. 40:36:13 med ytterligere 8% enkle sukkere, mens derimot byavfall inneholder ca. 75-90% cellulose. Most cellulosic materials generally contain three main components: Cellulose, hemicellulose and lignin, in the approximate ratios of 4:3:3, respectively. However, these are only approximations; e.g. contains softwood in a typical ratio of 42:25:28, corncobs have the quantity proportions of approx. 40:36:13 with a further 8% simple sugars, while urban waste, on the other hand, contains approx. 75-90% cellulose.
Cellulose er en homogen polymer av anhydroglykose-enheter som er bundet sammen ved hjelp av 1,4-beta-glukosidiske bindinger, sammenlignet med 1,4 og 1,6-alfa-bindingene i stivelse. Hemicellulose er en blanding av enkle eller blandede polysakkarider, inkludert polymerer av pentoser (slik som xylose og arabinose), heksoser (slik som mannose, galaktose og glukose) og sukkersyre. Lignin er et forgrenet polymer-makromolekyl med tre-dimensjonale vilkårlig bundede polyfenoliske enheter. Den generelle aromatiske karakter til lignin samt den alminnelige forekomst av kovalente karbonbindinger, hindrer tilbakeføring til monomerer ved behandling av lignin og cellulose fra de "treaktige" fibrøse cellevegger i planter og er det sementerende materiale mellom tilstøtende cellevegger. Cellulose is a homogeneous polymer of anhydroglycose units linked together by 1,4-beta-glucosidic bonds, compared to the 1,4 and 1,6-alpha bonds in starch. Hemicellulose is a mixture of simple or mixed polysaccharides, including polymers of pentoses (such as xylose and arabinose), hexoses (such as mannose, galactose and glucose) and saccharic acid. Lignin is a branched polymer macromolecule with three-dimensional randomly bonded polyphenolic units. The general aromatic character of lignin, as well as the general occurrence of covalent carbon bonds, prevents the return to monomers when processing lignin and cellulose from the "woody" fibrous cell walls in plants and is the cementing material between adjacent cell walls.
Selv om det er relativt enkelt å hydrolysere hemicellulose til enkle sukkere, er cellulose sterkt hydrolyse-bestandig fordi (1) cellulose har en meget ordnet krystal-linsk struktur og (2) lignin fysisk omgir og forsegler cellulosen. Vanskeligheten ved å benytte cellulose ved fremstilling av etanol er nødvendigheten av å frigjøre cellulosemolekylene fra lignin-forseglingen og den krystallinske struktur, men når først dette er gjort, er det ikke vanskeligere å hydrolysere de 1,4-beta-glukosidiske bindingene i cellulose enn de 1,4-alfa-glukosidiske bindinger i stivelse. Although it is relatively easy to hydrolyze hemicellulose to simple sugars, cellulose is highly resistant to hydrolysis because (1) cellulose has a highly ordered crystalline structure and (2) lignin physically surrounds and seals the cellulose. The difficulty in using cellulose in the production of ethanol is the necessity of freeing the cellulose molecules from the lignin seal and the crystalline structure, but once this is done, it is no more difficult to hydrolyze the 1,4-beta-glucosidic bonds in cellulose than the 1,4-alpha-glucosidic bonds in starch.
I betraktning av at nesten ethvert celluloseholdig materiale kan være et utgangsmateriale i foreliggende oppfinnelse, kan mange materialer som hittil har vært ansett kun som avfall, ble benyttet. Nylige statistikker demonstrerer den rikelige tilgjengelighet på slike celluloseholdige avfallskilder sammenlignet med tradisjonelle petroleum- og etanolkilder: In view of the fact that almost any cellulosic material can be a starting material in the present invention, many materials which have hitherto been regarded only as waste can be used. Recent statistics demonstrate the abundant availability of such cellulosic waste sources compared to traditional petroleum and ethanol sources:
Ved å utnytte slike hittil ubenyttede celluloseholdige avfallsmaterialer som kildemateriale for foreliggende fremgangsmåte, skapes muligheten av å tilveiebringe meget store mengder etanol uten nødvendigheten av vesentlig å øke pro-duksjonen av kostbart stivelsesholdig korn. Videre, til forskjell fra petroleum-råolje er det meste celluloseholdige avfallsmateriale årlig fornybart. By utilizing such previously unused cellulosic waste materials as source material for the present method, the possibility of providing very large amounts of ethanol is created without the necessity of significantly increasing the production of expensive starchy grain. Furthermore, unlike petroleum crude oil, most cellulose-containing waste material is annually renewable.
Dersom by- eller industriavfall anvendes som utgangsmaterialer, er det først nødvendig å sortere de celluloseholdige materialene. Dette kan oppnås på en hvilken som helst hensiktsmessig måte. F.eks., Teledyne National Corpo-ration markedsfører en rekke maskiner som kan foreta forskjellige sorterings-, opprivnings-, tørke- og komprimer-ingsoperasjoner som reduserer det celluloseholdige materiale fra avfallsstoffene til en pelletisert form. Det pelleti-serte celluloseholdige materiale kan lett males til den nødvendige størrelse. If urban or industrial waste is used as starting materials, it is first necessary to sort the cellulose-containing materials. This can be achieved in any suitable way. For example, Teledyne National Corporation markets a variety of machines that can perform various sorting, shredding, drying and compacting operations that reduce the cellulosic material from the waste materials to a pelletized form. The pelletized cellulosic material can be easily ground to the required size.
Under henvisning til figurene 1 og 2 blir de celluloseholdige utgangsmaterialene 10 underkastet oppkuttings-og malingsoperasjoner for å redusere utgangsmaterialene til en bearbeidbar størrelse. Disse operasjoner betegnes i alminnelighet som maleprosess 12. Det er funnet foretrukket å male det rå celluloseholdige materiale til en tilførsel av meget liten størrelse slik at det celluloseholdige materiale lett kan delignifiseres. Man har funnet det best dersom tilførselsmaterialet har en gjennomsnittlig partik-kelstørrelse på høyst ca. 3,2 mm. Tilførselsmaterialet bør fortrinnsvis være lite nok, slik at når det er fortynnet vil det passere gjennom en omtrentlig 20 mesh sikt. Hvis lett hydrolyserbare stivelses- eller sukkerholdige materialer, slik som korn eller sukkerroer, anvendes behøver den gjennomsnittlige størrelsen på tilførselsmaterialene ikke være så liten. Fra et økonomisk synspunkt har man funnet at maleinnretninger, slik som representert ved maleren 14 på figur 2, er mer effektive og bruker mindre energi enn tørr-malere. Bruken av varmt vann (nær kokepunktet) er dessuten funnet å hjelpe maleprosessen. With reference to Figures 1 and 2, the cellulosic starting materials 10 are subjected to cutting and grinding operations to reduce the starting materials to a workable size. These operations are generally referred to as grinding process 12. It has been found preferable to grind the raw cellulosic material into a feed of very small size so that the cellulosic material can be easily delignified. It has been found to be best if the feed material has an average particle size of approx. 3.2 mm. The feed material should preferably be small enough so that when diluted it will pass through an approximate 20 mesh sieve. If readily hydrolyzable starchy or sugary materials, such as corn or sugar beet, are used, the average size of the feed materials need not be so small. From an economic point of view, it has been found that painting devices, such as represented by the painter 14 in Figure 2, are more efficient and use less energy than dry painters. The use of hot water (close to the boiling point) has also been found to aid the grinding process.
Det resulterende tilførselsmateriale 16 blir deretter underkastet en delignifiseringsprosess 20 hvori de tre hovedkomponentene i tilførselen (cellulose, hemicellulose og lignin) separeres. I det innledende trinn i de-lignif iseringsprosessen blir hemicellulosen sammen med de lett nedbrytbare stivelser og sukkere fjernet. Tilførsels-materialet 16 fortynnes med vann, kombineres med fortynnet syre 22 og oppvarmes i kokebeholderen 24 ved en forhøyet temperatur under lavt trykk. Selv om syre 22, som fortrinnsvis er svovelsyre, kan tilsettes i konsentrasjoner over 20 volumprosent, er konsentrasjoner i området på ca. 0,5-2,0% funnet å være generelt tilfredsstillende. Slike lavere konsentrasjoner er faktisk foretrukket slik at innvirk-ningen av hydrogenionet begrenses, dvs. konsentrasjonen av hydrogenionet er ikke høyt nok til å hydrolysere hemicellulosen. Selv om dette trinn i delignifiseringsprosessen kan foretas over et bredt område for temperaturer og trykk, er det funnet ønskelig å oppvarme tilførselsmaterialet ved en temperatur på ca. 93,3-148,9°C ved et trykk på ca. 0,35-3,5 kg/cm i ca. 2-10 minutter under omrøring. (Med mindre annet er angitt er alle trykkmålinger gitt i forhold til atmosfæren og ikke i forhold til absolutte trykk). De foretrukne betingelser er en temperatur på ca. 107,2°C ved et trykk på ca. 1,05 kg/cm 2 i ca. 3-6 minutter. The resulting feed material 16 is then subjected to a delignification process 20 in which the three main components of the feed (cellulose, hemicellulose and lignin) are separated. In the initial step of the de-lignification process, the hemicellulose is removed together with the easily degradable starches and sugars. The feed material 16 is diluted with water, combined with diluted acid 22 and heated in the boiling vessel 24 at an elevated temperature under low pressure. Although acid 22, which is preferably sulfuric acid, can be added in concentrations above 20% by volume, concentrations in the range of approx. 0.5-2.0% found to be generally satisfactory. Such lower concentrations are actually preferred so that the influence of the hydrogen ion is limited, i.e. the concentration of the hydrogen ion is not high enough to hydrolyze the hemicellulose. Although this step in the delignification process can be carried out over a wide range of temperatures and pressures, it has been found desirable to heat the feed material at a temperature of approx. 93.3-148.9°C at a pressure of approx. 0.35-3.5 kg/cm in approx. 2-10 minutes while stirring. (Unless otherwise stated, all pressure measurements are given in relation to the atmosphere and not in relation to absolute pressure). The preferred conditions are a temperature of approx. 107.2°C at a pressure of approx. 1.05 kg/cm 2 in approx. 3-6 minutes.
I. den kontinuerlige fremstillingsprosess er det derfor foretrukket å blande syre 22 med tilførsel 16 og deretter kontinuerlig pumpe den resulterende sure til-førselsoppløsning inn i en ende av kokebeholderen 24. Om-røring foretas i beholderen 24 og tilførselsoppløsningen fjernes fra den andre enden av beholderen etter en passende oppholdstid. Det er også funnet foretrukket i en slik kontinuerlig fremstillingsprosess å anvende en kokebeholder som øyeblikkelig kan oppvarme tilførselsoppløsningen til koketemperaturen. Dette kan lett oppnås ved å bruke en stråleoppvarmer 26 som sprøyter damp gjennom tilførsels-oppløsningen idet den kommer inn i kokebeholderen. Andre typer varmeinnretninger (slik som varmeinnretninger som In the continuous production process, it is therefore preferred to mix acid 22 with feed 16 and then continuously pump the resulting acidic feed solution into one end of the cooking vessel 24. Agitation is carried out in the vessel 24 and the feed solution is removed from the other end of the vessel after a suitable residence time. It has also been found preferable in such a continuous manufacturing process to use a boiling container which can instantly heat the supply solution to the boiling temperature. This can be easily achieved by using a radiant heater 26 which sprays steam through the feed solution as it enters the boiling vessel. Other types of heating devices (such as heating devices such as
anvender dampspiraler) kan naturligvis anvendes.using steam coils) can of course be used.
Ved dette punkt kan nøytraliseringsmiddelet 28 tilsettes ved 30 til den sure tilførselsoppløsningen idet den fjernes fra kokebeholderen 24 inntil en pH-verdipå At this point, the neutralizing agent 28 can be added at 30 to the acidic feed solution as it is removed from the boiling vessel 24 until a pH value of
ca. 4,0-6,0 er oppnådd. Hvis den sure tilførselen nøytrali-seres er de foretrukne nøytraliseringsmidlene natriumkarbonat eller natriumbikarbonat. Separatoren 32 filtrerer den resulterende oppløsning (inneholdende de lett nedbrytbare stivelser, sukkere og hemicellulose 34), fra de faste stoffene (inneholdende cellulosen og ligninet). Hemicellulose 34 er deretter klar for den sure hydrolyseprosess i kokebeholderen 68, som omtalt i det nedenstående. Hemicellulose 34 kan kombineres ved 62 med cellulosen (etter at cellulosen er delignifisert) før hydrolyse eller den kan hydrolyseres og deretter fermenteres separat. Siden den hemicellulose-holdige oppløsning skal surgjøres på nytt under det etter-følgende hydrolysetrinn og siden nøytralisering vanligvis ikke er nødvendig for at hemicellulosen skal oppløses i oppløsning, er det funnet at nøytraliseringstrinnet vanligvis kan sløyfes. about. 4.0-6.0 has been achieved. If the acidic feed is neutralized, the preferred neutralizing agents are sodium carbonate or sodium bicarbonate. The separator 32 filters the resulting solution (containing the easily degradable starches, sugars and hemicellulose 34) from the solids (containing the cellulose and lignin). Hemicellulose 34 is then ready for the acid hydrolysis process in the boiling container 68, as discussed below. Hemicellulose 34 can be combined at 62 with the cellulose (after the cellulose is delignified) before hydrolysis or it can be hydrolyzed and then fermented separately. Since the hemicellulose-containing solution is to be acidified again during the subsequent hydrolysis step and since neutralization is usually not necessary for the hemicellulose to dissolve in solution, it has been found that the neutralization step can usually be omitted.
De faste stoffene som er separert fra hemicellulose-oppløsningen blir deretter behandlet for å separere ligninet fra cellulosen. Dette kan oppnås ved alternative metoder. Ifølge den første metoden, som er representert på figur 2, blir de faste stoffene fortynnet med vann og blandet ved 36 med et kadoksen-oppløsningsmiddel 38 (etylendiamin-kation i en vandig konsentrasjon på ca. 25 volumprosent) til en mengde på ca. 10-20 volumprosent vann. Den resulterende oppløsning pumpes inn i kokebeholderen 40, som fortrinnsvis er konstruert slik at oppløsningen som kommer inn i beholderen øyeblikkelig oppvarmes av stråleoppvarmeren 42. Oppløsningen i kokebeholderen 40 oppvarmes til en for-høyet temperatur på ca. 65,6-115,6°C og et trykk fra ca. atmosfæretrykk til ca. 1,05 kg/cm i ca. 2-10 minutter under omrøring. Slike betingelser har blitt funnet å være tilstrekkelig til å bryte opp ligninforseglingen som omgir cellulosen og nedbryte den høyt ordnede cellulosestrukturen slik at cellulosen vil oppløses i oppløsning. Det vil forstås at en lengre oppholdstid eller en høyere temperatur og trykk kan være nødvendig avhengig av det spesielle cellulose-utgangsmateriale som benyttes, hvor lett cellulosen er bundet til ligninet, eller størrelsen til hvilken cellulose-utgangsmaterialene var oppmalt. De foretrukne betingelser er ved en temperatur på ca. 93,3°C ved atmosfæretrykk i ca. 3-6 minutter. The solids separated from the hemicellulose solution are then processed to separate the lignin from the cellulose. This can be achieved by alternative methods. According to the first method, which is represented in Figure 2, the solids are diluted with water and mixed at 36 with a cadoxene solvent 38 (ethylenediamine cation in an aqueous concentration of about 25% by volume) to an amount of about 10-20 volume percent water. The resulting solution is pumped into the boiling container 40, which is preferably constructed so that the solution entering the container is instantly heated by the radiant heater 42. The solution in the boiling container 40 is heated to a pre-elevated temperature of approx. 65.6-115.6°C and a pressure from approx. atmospheric pressure to approx. 1.05 kg/cm for approx. 2-10 minutes while stirring. Such conditions have been found to be sufficient to break up the lignin seal surrounding the cellulose and break down the highly ordered cellulose structure so that the cellulose will dissolve into solution. It will be understood that a longer residence time or a higher temperature and pressure may be necessary depending on the particular cellulose starting material used, how easily the cellulose is bound to the lignin, or the size to which the cellulose starting materials were ground. The preferred conditions are at a temperature of approx. 93.3°C at atmospheric pressure for approx. 3-6 minutes.
De uoppløste faste stoffer vesentlig inneholdende lignin 44 kan filtreres fra den celluloseholdige oppløsning-en ved separatoren 46. Disse lignin-faststoffer 44 kan tørkes, f.eks. med en vakuumtørker 48, og deretter anvendes som et brennstoff for varmeanlegget 50 som tilfører varme til hele fremstillingsoperasjonen. Resirkulering av biproduktene, slik som anvendelse av ligninet, kan være en betydelig faktor ved den økonomiske mulighet for etanol-fremstillingsprosessen ifølge oppfinnelsen. The undissolved solids substantially containing lignin 44 can be filtered from the cellulose-containing solution at the separator 46. These lignin solids 44 can be dried, e.g. with a vacuum dryer 48, and then used as a fuel for the heating system 50 which supplies heat to the entire manufacturing operation. Recycling of the by-products, such as use of the lignin, can be a significant factor in the economic feasibility of the ethanol production process according to the invention.
Det vil forstås at ligninet ikke behøver å separeres fra celluloseoppløsningen ved dette punkt i prosessen fordi ligninet ikke utsettes for nedbrytning i den etterfølgende hydrolyseprosess. F.eks., i et gitt spesielt prosessanlegg kan det være lettere å oppnå denne ligninseparering etter hydrolysering av cellulosen; en slik filtrering kan lett oppnås etter blandingen er avkjølt i kjøleren 86. Ved dette punkt i prosessen ville blandingen ikke være sterkt sur eller sterkt basisk. Tilstedeværelsen av de sterke syrer eller baser som benyttes i delignifiseringsprosessen kan forårsake vedlikeholdsproblemer i separatoren 46. It will be understood that the lignin does not need to be separated from the cellulose solution at this point in the process because the lignin is not subjected to degradation in the subsequent hydrolysis process. For example, in a given particular process plant it may be easier to achieve this lignin separation after hydrolyzing the cellulose; such filtration can easily be achieved after the mixture is cooled in the cooler 86. At this point in the process, the mixture would not be strongly acidic or strongly basic. The presence of the strong acids or bases used in the delignification process can cause maintenance problems in the separator 46.
Den celluloseholdige kadoksen-oppløsning avkjøles deretter i kjølebeholderen 54 og fortynnes med vann. Ettersom oppløsningen 52 avkjøles utfelles cellulosen som myke fnugg som kan filtreres fra kadoksen-oppløsningsmiddelet med separatoren 56. Kadoksen-oppløsningsmiddelet 38 kan deretter resirkuleres som angitt på figur 2. Denne myke fnuggaktige cellulosen 58 må hurtig underkastes sur hydrolyse, ellers vil det myke fnuggformige materiale herdes og bli motstandsdyktig overfor syrehydrolyse. At det er nød- vendig å foreta hurtig hydrolyse av det myke fnuggformige materiale straks etter at det dannes, er en vesentlig grunn til at fagmannen i den tidligere kjente teknikk hittil ikke har vært i stand til å benytte celluloseholdige utgangsmaterialer i de tidligere kjente satsvise prosesser. The cellulose-containing cadox solution is then cooled in the cooling vessel 54 and diluted with water. As the solution 52 cools, the cellulose precipitates as soft flakes which can be filtered from the cadoxene solvent with the separator 56. The cadoxene solvent 38 can then be recycled as indicated in Figure 2. This soft fluff-like cellulose 58 must be rapidly subjected to acid hydrolysis, otherwise the soft fluff-like material will harden and become resistant to acid hydrolysis. The fact that it is necessary to quickly hydrolyze the soft fluff-like material immediately after it is formed is a significant reason why the person skilled in the prior art has not been able to use cellulose-containing starting materials in the previously known batch processes .
Som et alternativ til kadoksen-behandlingen for delignifisering av cellulosen, kan konsentrert svovelsyre anvendes. Med en slik behandlingsprosess blir svovelsyre i konsentrasjoner på ca. 60-90 vekt-% og fortrinnsvis ca. 72-75%, tilsatt til ligninet og cellulose-faststoffene som filtreres fra hemicelluloseoppløsningen i separatoren 32. Andre syrer kan anvendes. Man har f.eks. funnet at salt-syre i konsentrasjoner fra ca. 30 til ca. 60%, fortrinnsvis ca. 40%, er effektivt med hensyn til å delignifisere det celluloseholdige materiale. As an alternative to the cadoxene treatment for delignification of the cellulose, concentrated sulfuric acid can be used. With such a treatment process, sulfuric acid in concentrations of approx. 60-90% by weight and preferably approx. 72-75%, added to the lignin and cellulose solids that are filtered from the hemicellulose solution in the separator 32. Other acids can be used. One has e.g. found that hydrochloric acid in concentrations from approx. 30 to approx. 60%, preferably approx. 40%, is effective in delignifying the cellulosic material.
De faste stoffene og den konsentrerte syren kan kokes ved en temperatur på ca. 65,6-115,6°C i 2-10 minutter (fortrinnsvis ved en temperatur på ca. 93,3°C i ca. 3-6 minutter). Når den resulterende oppløsning avkjøles og fortynnes med metanol vil cellulosen utfelles som et mykt fnuggaktig materiale. The solids and the concentrated acid can be boiled at a temperature of approx. 65.6-115.6°C for 2-10 minutes (preferably at a temperature of about 93.3°C for about 3-6 minutes). When the resulting solution is cooled and diluted with methanol, the cellulose will precipitate as a soft fluffy material.
Man har uheldigvis funnet at når ligninet og cellulose-f aststof f ene oppvarmes over romtemperatur i konsentrert svovelsyre, er det resulterende materiale ofte et svart tjærelignende stoff. Tilstedeværelsen av dette tjærelignende stoff kompliserer i stor grad gjenutfellingen av cellulose-fnuggmaterialet før hydrolyseprosessen. Når lignin- og cellulose-faststoffene omsettes med den konsentrerte svovelsyren ved en temperatur på ca. 15,6-23,9°C er resultatet en grå kolloidal oppløsning hvori noe av cellulosen har blitt forkullet og noe av sukrene har gjennomgått nedbrytning. Det kolloidale materiale kompliserer også gjenutfellingen av cellulose-fnuggmaterialet. It has unfortunately been found that when the lignin and cellulose solids are heated above room temperature in concentrated sulfuric acid, the resulting material is often a black tar-like substance. The presence of this tar-like substance greatly complicates the re-precipitation of the cellulose fluff material prior to the hydrolysis process. When the lignin and cellulose solids are reacted with the concentrated sulfuric acid at a temperature of approx. 15.6-23.9°C, the result is a gray colloidal solution in which some of the cellulose has been charred and some of the sugars have undergone decomposition. The colloidal material also complicates the reprecipitation of the cellulose fluff material.
Man har oppdaget at vesentlig forkulling av cellulosen og nedbrytning av sukrene kan unngås ved avkjøling av den konsentrerte svovelsyren og cellulose- og lignin-faststoffene til en temperatur fra ca. -1,1 til 15,6°C (den foretrukne temperatur er ca. 4,4-10°C) og deretter la reaksjonen forløpe under kraftig omrøring i ca. 1-10 minutter. Den høye syrekonsentrasjonen ved slike kjølige temperaturer kan fremdeles nedbryte lignin- og. cellulosestrukturen og oppløse cellulosen. I tillegg til dette vil de kjølige temperaturer forsinke nedbrytningen av cellulosen ved minimalisering av dannelsen av hydrogenioner som ville begynne å hydrolysere cellulosen til cellibose som ikke er fermenterbar. Under disse temperaturbetingelser vil mesteparten av cellulosen oppløses i den konsentrerte syren. Den resulterende syreoppløsning vil når den er fortynnet med metanol gi et mykt fnugglignende bunnfall av cellulose 58. Ved anvendelse av denne delignifiseringsmetode ville kokebeholderen 40 (vist på figur 2) erstattes med en kokebeholder hvori temperaturen til reaktantene kunne senkes til den ønskede temperatur. Dette cellulosebunnfall 58 kan separeres og hydrolyseres som om kadoksen-behandlingen ble benyttet. Syren og metanolen blir naturligvis fortrinnsvis resirkulert. It has been discovered that significant charring of the cellulose and breakdown of the sugars can be avoided by cooling the concentrated sulfuric acid and the cellulose and lignin solids to a temperature from approx. -1.1 to 15.6°C (the preferred temperature is about 4.4-10°C) and then allow the reaction to proceed with vigorous stirring for about 1-10 minutes. The high acid concentration at such cool temperatures can still break down lignin and. the cellulose structure and dissolve the cellulose. In addition to this, the cool temperatures will delay the breakdown of the cellulose by minimizing the formation of hydrogen ions that would begin to hydrolyze the cellulose into non-fermentable cellibose. Under these temperature conditions, most of the cellulose will dissolve in the concentrated acid. The resulting acid solution, when diluted with methanol, will give a soft fluff-like precipitate of cellulose 58. Using this delignification method, the boiling vessel 40 (shown in figure 2) would be replaced with a boiling vessel in which the temperature of the reactants could be lowered to the desired temperature. This cellulose precipitate 58 can be separated and hydrolyzed as if the cadoxene treatment was used. The acid and methanol are of course preferably recycled.
Ved klargjøringen for den sure hydrolyseprosess, blir cellulosen 58 (i form av et mykt fnuggaktig materiale) fortynnet med vann for lettere håndtering og blandet ved 62 med hemicellulose 34. Denne oppslemming blandes deretter med syre 64, fortrinnsvis svovelsyre, for oppnåelse av en konsentrasjon beregnet på vannvolum, på ca. 0,5-10%. Man har funnet at denne blanding best oppnås i en kontinuerlig blandetank 66 for oppslemmingen, slik at man får en fullstendig blanding av komponentene. Oppslemmingen oppvarmes i kokebeholderen 68, fortrinnsvis øyeblikkelig ved hjelp av stråleoppvarmingsinnretningen 70, til en temperatur på ca. 93,3-204 ,4°C ved et trykk på ca. 1 ,05-14 kg/cm<2>i ca. 2-10 minutter. Det vil forstås at temperaturen, trykket og oppholdstiden er innbyrdes avhengige slik at hvilke som helst av dem kan modifiseres for å tilpasse den sure hydrolyseprosess til den kontinuerlige fremstillingsprosess. F.eks., dersom man anvender lett hydrolyserbare stivelser vil en temperatur på ca. 93,3°C ved 1,05 kg/cm2 være tilstrekkelig. In preparation for the acid hydrolysis process, the cellulose 58 (in the form of a soft fluffy material) is diluted with water for easier handling and mixed at 62 with hemicellulose 34. This slurry is then mixed with acid 64, preferably sulfuric acid, to achieve a concentration calculated on water volume, of approx. 0.5-10%. It has been found that this mixing is best achieved in a continuous mixing tank 66 for the slurry, so that a complete mixing of the components is obtained. The slurry is heated in the boiling container 68, preferably instantaneously by means of the radiant heating device 70, to a temperature of approx. 93.3-204 .4°C at a pressure of approx. 1.05-14 kg/cm<2>in approx. 2-10 minutes. It will be understood that the temperature, pressure and residence time are interdependent so that any of them can be modified to adapt the acid hydrolysis process to the continuous manufacturing process. For example, if easily hydrolyzable starches are used, a temperature of approx. 93.3°C at 1.05 kg/cm2 be sufficient.
Dersom mer hydrolysebestandige materialer anvendes, kanIf more hydrolysis-resistant materials are used,
det imidlertid være nødvendig å heve temperaturen over 204,4°C eller mer ved å øke trykket tilstrekkelig til å hindre at vannet forandres til damp. Ikke desto mindre er de foretrukne hydrolysebetingelser som er tilstrekkelige for de fleste materialer en temperatur på ca. 182,2°C ved et trykk på ca. 10,5 kg/cm 2 i en oppholdstid på ca. 3-6 minutter. however, it may be necessary to raise the temperature above 204.4°C or more by increasing the pressure sufficiently to prevent the water from changing to steam. Nevertheless, the preferred hydrolysis conditions which are sufficient for most materials are a temperature of approx. 182.2°C at a pressure of approx. 10.5 kg/cm 2 in a residence time of approx. 3-6 minutes.
Den hydrolyserte oppslemmingen nøytraliseres vedThe hydrolyzed slurry is neutralized by
74 til en foretrukken pH-verdi på ca. 4,5-5,0; foretrukne nøytraliseringsmidler 72 er natriumkarbonat og natriumbikarbonat. Denne svakt sure oppslemming betegnes "wort", representert som 76 på figur 1, skjønt.den vanligvis betegnes "grøt". Oppslemmingen må avkjøles til fermenteringstemperaturen som fortrinnsvis er i området 31,1-32,2°C. Ifølge foreliggende kontinuerlige fremstillingsprosess er det fordelaktig å avkjøle oppslemmingen i en rekke kjøle-prosesser 78 for derved å minimalisere mengden av nødvendig energi. 74 to a preferred pH value of approx. 4.5-5.0; preferred neutralizing agents 72 are sodium carbonate and sodium bicarbonate. This slightly acidic slurry is termed "wort", represented as 76 in Figure 1, although it is usually termed "porridge". The slurry must be cooled to the fermentation temperature, which is preferably in the range 31.1-32.2°C. According to the present continuous manufacturing process, it is advantageous to cool the slurry in a series of cooling processes 78 in order to thereby minimize the amount of energy required.
Ved f.eks. å føre oppslemmingen inn i en flash-kjøler 80, kan temperaturen øyeblikkelig senkes til ca. 126,7-104,4°C. Det er deretter foretrukket å tilsette gjær-næringsstoffer 82 til oppslemmingen fordi ved denne temperatur blir de automatisk sterilisert og blir fullstendig blandet med oppslemmingen. Oppvarming av gjær-nærings-stoffene og oppslemmingen til en temperatur i overkant av 93,3°C resulterer i et betydelig fremskritt i forhold til den kjente teknikk ved at man hindrer bakterieforurensning i fermenteringsbeholderne. Oppslemmingen kan deretter pumpes inn i en vakuum-flash-kjøler 84, fortrinnsvis en barometrisk kondensator og ejektor, hvor den ytterligere avkjøles til en temperatur på ca. 71,1-48,9°C. Oppslemmingen pumpes deretter gjennom kjøleren 86 hvor kjølevann tilsettes for å bringe oppløsningen ned til fermenteringstemperaturen og pH-verdien innstilles til ca. 4,5-5,0. Ved dette punkt er oppslemmingen klar for fermenteringsprosessen 90. By e.g. feeding the slurry into a flash cooler 80, the temperature can be instantly lowered to approx. 126.7-104.4°C. It is then preferred to add yeast nutrients 82 to the slurry because at this temperature they are automatically sterilized and are completely mixed with the slurry. Heating the yeast nutrients and the slurry to a temperature in excess of 93.3°C results in a significant advance compared to the known technique by preventing bacterial contamination in the fermentation containers. The slurry may then be pumped into a vacuum flash cooler 84, preferably a barometric condenser and ejector, where it is further cooled to a temperature of about 71.1-48.9°C. The slurry is then pumped through the cooler 86 where cooling water is added to bring the solution down to the fermentation temperature and the pH value is adjusted to approx. 4.5-5.0. At this point the slurry is ready for the fermentation process 90.
Det vil forstås at de prosesser som er beskrevet for delignifisering og hydrolysering av de celluloseholdige materialene beskrevet ovenfor, er relativt strenge fordi en sterk syre eller base er nødvendig for å separere ligninet og cellulosen. Disse delignifiseringsprosesser krever dessuten kostbart utstyr for å redusere1 syre-, base-og metanol-reagensene. Slikt resirkuleringsutstyr kan be-løpe seg til over 40% av de totale apparaturkostnader for alkoholfremstillingsprosessen; videre kan drift av dette resirkuleringsutstyr utnytte opp til 60% av energibehovene for den totale fremstillingsprosess. It will be understood that the processes described for delignification and hydrolysis of the cellulosic materials described above are relatively severe because a strong acid or base is required to separate the lignin and cellulose. These delignification processes also require expensive equipment to reduce1 the acid, base and methanol reagents. Such recycling equipment can amount to over 40% of the total equipment costs for the alcohol production process; furthermore, operation of this recycling equipment can utilize up to 60% of the energy requirements for the total manufacturing process.
Et alternativ til de ovenfor beskrevne delignifiseringsprosesser som unngår bruk av syrer eller baser, er oppdaget. Man har funnet at når celluloseholdige materialer oppvarmes under trykk i nærvær av damp til en temperatur på ca. 204,4°C, begynner cellulosecellene å mykne, og at når slike materialer oppvarmes til ca. 248,9°C blir cellulosen praktisk talt amorf. Ved temperaturer på ca. 248,9°C og det tilsvarende høye trykk, vil de celluloseholdige celler absorbere vann fra strømmen inn i mellomrommene mellom cellene og gjennom celleveggene (på grunn av trykk) inn i cellen. Resultatet er at cellene blir hydratiserte. Ved plutselig å utsette disse hydratiserte celluloseholdige celler for atmosfæretrykk vil vannet i og mellom cellene ekspandere eksplosivt og derved ødelegge den celluloseholdige krystallinske struktur og bryte ligninforseglingen. Virkningen av den ekspanderende vanndamp idet den utsettes for atmosfæretrykk, som kan sammenlignes med "popcorn-smelling", er hurtig eksponering av cellulosecelle-strukturen slik at cellulosen lett kan hydrolyseres av syre i den etterfølgende hydrolyseprosess. An alternative to the above-described delignification processes which avoids the use of acids or bases has been discovered. It has been found that when cellulosic materials are heated under pressure in the presence of steam to a temperature of approx. 204.4°C, the cellulose cells begin to soften, and that when such materials are heated to approx. 248.9°C the cellulose becomes practically amorphous. At temperatures of approx. 248.9°C and the correspondingly high pressure, the cellulosic cells will absorb water from the flow into the spaces between the cells and through the cell walls (due to pressure) into the cell. The result is that the cells become hydrated. By suddenly exposing these hydrated cellulosic cells to atmospheric pressure, the water in and between the cells will expand explosively and thereby destroy the cellulosic crystalline structure and break the lignin seal. The effect of the expanding water vapor when exposed to atmospheric pressure, which can be compared to "popcorn popping", is rapid exposure of the cellulose cell structure so that the cellulose can be easily hydrolyzed by acid in the subsequent hydrolysis process.
Ifølge denne metode, som er illustrert på figur 5, blir ligninet og cellulose-faststoffene (fra separatoren 32) pumpet inn i cellulosekokéren 240 som holdes ved et damp-trykk på mellom ca. 42 og ca. 105 kg/cm o (som, ifølge konvensjonelle damptabeller, gir temperaturer fra ca. 248,9 til ca. 315,6°C) i ca. 3-30 minutter. De foretrukne betingelser er ca. 49 kg/cm<2>(tilsvarende ca. 260°C) i ca. 10-15 minutter. Trykk på ca. 42-49 kg/cm 2 er nødvendig for at cellene skal bli tilstrekkelig hydratiserte til å gjennomgå nevnte effekt av "popcorn-smelling" når de hydratiserte cellene utsettes for atmosfæretrykk. I tillegg til dette er det ønskelig å minimalisere temperaturen som de celluloseholdige materialer utsettes for fordi for høy temperatur kan forkulle eller svi cellulosen. Det vil følgelig forstås at den effektive bruk av 'popcorn-smelle"-metoden er begrenset til relativt snevre trykk- og temperatur-områder. Tiden som skal til for å hydratisere de celluloseholdige cellene vil naturligvis variere avhengig av den type tilførselsmateriale som anvendes. I tillegg til dette kan overflateaktive midler, slik som "4X fire water", anvendes for å redusere overflatespenningen til vannmole-kylene og derved gi adgang for en mer hurtig hydratisering av cellulosematerialene og en tilsvarende reduksjon av oppholdstiden. According to this method, which is illustrated in figure 5, the lignin and cellulose solids (from the separator 32) are pumped into the cellulose digester 240 which is maintained at a steam pressure of between approx. 42 and approx. 105 kg/cm o (which, according to conventional steam tables, gives temperatures from about 248.9 to about 315.6°C) for about 3-30 minutes. The preferred conditions are approx. 49 kg/cm<2> (equivalent to approx. 260°C) for approx. 10-15 minutes. Press approx. 42-49 kg/cm 2 is necessary for the cells to become sufficiently hydrated to undergo the aforementioned "popcorn popping" effect when the hydrated cells are exposed to atmospheric pressure. In addition to this, it is desirable to minimize the temperature to which the cellulose-containing materials are exposed because too high a temperature can char or scorch the cellulose. It will therefore be understood that the effective use of the 'popcorn-smashing' method is limited to relatively narrow pressure and temperature ranges. The time required to hydrate the cellulosic cells will naturally vary depending on the type of feed material used. in addition to this, surfactants, such as "4X fire water", can be used to reduce the surface tension of the water molecule coolers and thereby allow for a more rapid hydration of the cellulose materials and a corresponding reduction of the residence time.
De hydratiserte materialene slynges deretter inn i flash-kammeret 242 som holdes nær atmosfæretrykk. Den plutselige overføring av de hydratiserte cellulosematerialene fra et trykk på ca. 42-105 kg/cm 2 til atmosfæretrykk, resulterer i oppriving av ligninet og eksponering av de celluloseholdige celler. Til forskjell fra delignifiserings-prosessene som anvender sterk syre eller båse (omtalt ovenfor) hvori cellulosen oppløses, utskiller "popcorn-smelle"-prosessen ligninet og cellulosen, men eksponerer kun cellulosen slik at den lett kan hydrolyseres. The hydrated materials are then flung into the flash chamber 242 which is maintained at near atmospheric pressure. The sudden transfer of the hydrated cellulosic materials from a pressure of approx. 42-105 kg/cm 2 to atmospheric pressure, results in uprooting of the lignin and exposure of the cellulose-containing cells. Unlike the delignification processes that use strong acid or booths (discussed above) in which the cellulose dissolves, the "popcorn popping" process separates the lignin and cellulose, but only exposes the cellulose so that it can be easily hydrolyzed.
Ved forberedelsene for hydrolyse blir den resulterende oppslemming (idet den forlater flash-kammeret 242) kombinert ved 244 med hemicellulose 34. Denne oppslemming blandes deretter med syre 246, fortrinnsvis svovelsyre, til en konsentrasjon fra ca. 0,5 til ca. 10% i en kontinuerlig blandetank 248y fortrinnsvis ca. 0,5%. Oppslemmingen hydrolyseres i kokebeholderen 250 under de samme betingelser som omtalt ovenfor med hensyn til hydrolysen i kokebeholderen 68 på figur 2. Cellulosen hydrolyseres lett under slike betingelser mens ligninet forblir upåvirket av syren ved de In preparation for hydrolysis, the resulting slurry (as it leaves flash chamber 242) is combined at 244 with hemicellulose 34. This slurry is then mixed with acid 246, preferably sulfuric acid, to a concentration of about 0.5 to approx. 10% in a continuous mixing tank 248y preferably approx. 0.5%. The slurry is hydrolyzed in the boiling vessel 250 under the same conditions as discussed above with respect to the hydrolysis in the boiling vessel 68 in Figure 2. The cellulose is easily hydrolyzed under such conditions while the lignin remains unaffected by the acid at the
angitte trykk og temperaturer.specified pressures and temperatures.
Den hydrolyserte oppslemmingen avkjøles ved ut-tømming i flash-kjøleren 252. Oppslemmingen nøytraliseres deretter ved 254 med nøytraliseringsmiddélet 256. Ved dette punkt i prosessen er sukrene i oppløsning mens ligninet, eventuelt uoppløst cellulose og andre ikke-hydrolyserbare komponenter i tilførselsmaterialet (slik som plast eller andre komplekse molekyler som kan være til stede i til-førselsmaterialer slik som søppel) er faste stoffer. Disse faste stoffer kan lett separeres ved 258, tørkes, deretter utnyttes som tidligere beskrevet. Selv om en hvilken som helst konvensjonell separeringsteknikk kan anvendes, er en hensiktsmessig metode for separering av faststoffet fra de fermenterbare sukkere (eller "wort"), er bruken av et vakuum-filterbelte som trekker oppløsningen fra faststoffer ved bruk av et vakuum. En tidlig fordel med et vakuum-filterbelte er at det samtidig i tilstrekkelig grad av-kjøler oppløsningen før fermentering uten bruk av kjølere 84 og 86 (vist på figur 2). Etter at gjær-næringsstoffer 260 er tilsatt til den sukkerholdige oppløsningen (dvs. "wort") og eventuelle mindre forandringer i temperaturen eller pH-verdien i oppløsningen er foretatt, er oppløsningen klar for fermentering. The hydrolyzed slurry is cooled by discharge into the flash cooler 252. The slurry is then neutralized at 254 with the neutralizing agent 256. At this point in the process the sugars are in solution while the lignin, any undissolved cellulose and other non-hydrolysable components of the feed material (such as plastic or other complex molecules that may be present in feed materials such as garbage) are solids. These solids can be easily separated at 258, dried, then utilized as previously described. Although any conventional separation technique may be used, a convenient method of separating the solids from the fermentable sugars (or "wort") is the use of a vacuum filter belt which draws the solution from the solids using a vacuum. An early advantage of a vacuum filter belt is that it simultaneously sufficiently cools the solution before fermentation without the use of coolers 84 and 86 (shown in figure 2). After yeast nutrients 260 have been added to the sugary solution (ie "wort") and any minor changes in the temperature or pH of the solution have been made, the solution is ready for fermentation.
Det er spesielt bemerkelsesverdig at oppslemmingen ("wort") fremstilt fra de celluloseholdige materialene ifølge foreliggende fremgangsmåter, inneholder en meget stor andel av enkle sukkere som er lett fermenterbare. Således blir nesten alle sukrene omdannet i fermenteringsprosessen. Videre, til forskjell fra tidligere kjente prosesser, er det intet behov for tilsetning av maltenzymer til oppslemmingen for å omdanne dekstrinene til fermenterbare sukkere. It is particularly noteworthy that the slurry ("wort") produced from the cellulosic materials according to the present methods contains a very large proportion of simple sugars which are easily fermentable. Thus, almost all the sugars are converted in the fermentation process. Furthermore, unlike previously known processes, there is no need to add malt enzymes to the slurry to convert the dextrins into fermentable sugars.
Foreliggende oppfinnelse omfatter tre alternative metoder hvorved sukrene i oppslemmingen fermenteres til alkohol og alkoholen renses. Disse alternative metoder er illustrert på figurene 3, 4 og 6 og omtales separat i det følgende. Ifølge den første metoden som er vist på figur 3 blir oppslemmingen ("wort")(som er avkjølt til ca. 31,1-32,2°C, som har fått pH-verdien innstilt til ca. 4,5-5,0 The present invention includes three alternative methods whereby the sugars in the slurry are fermented to alcohol and the alcohol is purified. These alternative methods are illustrated in figures 3, 4 and 6 and are discussed separately in the following. According to the first method shown in figure 3, the slurry ("wort") (which has been cooled to about 31.1-32.2°C, which has had its pH adjusted to about 4.5-5, 0
og som har blitt fortynnet med vann til en konsentrasjon på ca. 15-25 vektprosent sukker), pumpet inn i den primære fermenteringsbeholder 92 hvor den har en oppholdstid på ca. 6-11 timer, men fortrinnsvis ca. 8 timer. Beholderen 92 er forsynt med røreverk 94 som fortrinnsvis er forsynt med innretninger som kan holde oppløsningen i oppslemmingen i det foretrukne temperaturområde for fermentering. Siden fermenteringsprosessen er eksoterm må det tilveiebringes anordninger for kjøling av oppløsningen etter behov; hvis omgivelsene utenfor beholderen 92 er kalde må det også tilveiebringes anordninger for oppvarming av oppløsningen for å opprettholde fermenteringstemperaturen. and which has been diluted with water to a concentration of approx. 15-25 weight percent sugar), pumped into the primary fermentation container 92 where it has a residence time of approx. 6-11 hours, but preferably approx. 8 hours. The container 92 is provided with an agitator 94 which is preferably provided with devices which can keep the solution in the slurry in the preferred temperature range for fermentation. Since the fermentation process is exothermic, means must be provided for cooling the solution as needed; if the environment outside the container 92 is cold, means must also be provided for heating the solution to maintain the fermentation temperature.
Periodisk (slik som ved begynnelsen av hver opp-startingscyklus) tilsettes tilstrekkelig gjær (fortrinnsvis bryggerigjær), vanligvis representert som 88 på figur Periodically (such as at the beginning of each start-up cycle) sufficient yeast (preferably brewer's yeast) is added, usually represented as 88 in Figure
1, til den primære fermenteringsbeholder for å bringe gjær-celletellingen.opp til en konsentrasjon på ca. 100 millioner celler pr. ml i løpet av 4 timer. Man har funnet at under foreliggende oppfinnelses betingelser formerer gjær seg kontinuerlig under fermenteringen med en hastighet som er tilstrekkelig til å opprettholde denne optimale populasjon. 1, to the primary fermentation vessel to bring the yeast cell count up to a concentration of approx. 100 million cells per ml within 4 hours. It has been found that under the conditions of the present invention yeast multiply continuously during fermentation at a rate sufficient to maintain this optimum population.
Etter hvert som oppslemmingen gjennomgår fermentering produseres etanol og karbondioksyd i relative prosent-andeler på ca. 51% til 49%, respektivt. Til forskjell fra det tidligere kjente satsvise system hvor karbondioksydet får unnslippe til atmosfæren eller bare oppsamles for salg som et biprodukt, er det funnet fordelaktig å utnytte dette produserte karbondioksyd, representert som 96, for omdannelse til andre brukbare produkter, som omtalt i det nedenstående. As the slurry undergoes fermentation, ethanol and carbon dioxide are produced in relative percentages of approx. 51% to 49%, respectively. In contrast to the previously known batch system where the carbon dioxide is allowed to escape into the atmosphere or is only collected for sale as a by-product, it has been found advantageous to utilize this produced carbon dioxide, represented as 96, for conversion into other usable products, as discussed below.
Den primære fermenteringsbeholder 92 har fortrinnsvis et konstant nivåoverløp til en sekundær fermenteringsbeholder 98 for en ytterligere fermenterings-oppholdstid på ca. 2-5 timer, fortrinnsvis ca. 3 timer. Selv om det omfattes av foreliggende oppfinnelse kun å ha en fermenter- The primary fermentation vessel 92 preferably has a constant level overflow to a secondary fermentation vessel 98 for a further fermentation residence time of approx. 2-5 hours, preferably approx. 3 hours. Although it is covered by the present invention only to have a fermenter
ingsbeholder hvor oppholdstiden innstilles.tilsvarende,ing container where the residence time is set. Correspondingly,
er det funnet fordelaktig å benytte en slik sekundær fermenteringsbeholder fordi denne hjelper til å oppnå nesten fullstendig fermentering av sukrene i oppslemmingen. Et slikt arrangement tillater også at eventuelle langsommere fermenterende sukkere forblir i fermenteringsbeholderen i et lengre tidsrom for å fullføre fermenteringsprosessen. Dette oppnås fordi den spesifikke vekt for etanol (omtrent 1,0) er mindre enn den for oppslemmingen (omtrent 1,16 avhengig av sukkerinnholdet); etanolen har således tendens til å stige til toppen og bevege seg raskere til de etter-følgende prosesstrinn. Den sekundære fermenteringsbeholder 98 er også forsynt med røreverk og anordninger 99 for opprettholdelse av den riktige fermenteringstemperaturen. Følgelig er den totale fermenteringstid omtrent 8-15 timer, fortrinnsvis ca. 11 timer. it has been found advantageous to use such a secondary fermentation vessel because this helps to achieve almost complete fermentation of the sugars in the slurry. Such an arrangement also allows any slower fermenting sugars to remain in the fermenter for a longer period of time to complete the fermentation process. This is achieved because the specific gravity of ethanol (about 1.0) is less than that of the slurry (about 1.16 depending on the sugar content); the ethanol thus tends to rise to the top and move faster to the subsequent process steps. The secondary fermentation vessel 98 is also provided with agitators and devices 99 for maintaining the correct fermentation temperature. Consequently, the total fermentation time is approximately 8-15 hours, preferably approx. 11 hours.
Fra den sekundære fermenteringsbeholderen pumpes den etanolholdige "wash" til destillasjonssystemet, generelt representert som 100, hvor den oppvarmes i oppvarmingsanordningen 102 som er beliggende i bunnen av destillasjonstårnet 104. Ved å benytte de oppvarmede damper fra destil-las jonstårnet kan oppvarmingsanordningen 102 på økonomisk måte heve temperaturen i "wash"-materialet som skal destilleres. From the secondary fermentation vessel, the ethanol-containing "wash" is pumped to the distillation system, generally represented as 100, where it is heated in the heating device 102 located at the bottom of the distillation tower 104. By using the heated vapors from the distillation tower, the heating device 102 can be economically raise the temperature of the "wash" material to be distilled.
En av de unike trekk ved foreliggende oppfinnelse er høytemperatur-lavtemperatur-operasjonen av destillasjonstårnet. Ved å anbringe vakuumpunpen 106 ved toppen av destillasjonstårnet 104 reduseres trykket i tårnet. Selv om vakuumdestillasjon har blitt benyttet i den syntetiske vitaminindustrien, har en slik anvendelse foregått ved meget lave temperaturer for å beskytte vitaminene for nedbrytning. I foreliggende fremgangsmåte er det imidlertid ønskelig å oppvarme den etanolholdige "wash" til så varmt som mulig, fortrinnsvis i området på ca. 32,2-82,2°C, slik at den hurtig vil fordampe i destillasjonstårnet. Man vil forstå at temperaturen på den etanolholdige "wash" vil være over kokepunktet for etanol ved trykkene i destillasjons tårnet, hvilke trykk holdes så lave som mulig, fortrinnsvis på ca. 0,14-0,7 kg/cm 2. Dette hybrid-system med høy temperatur og lavt trykk gir adgang for større separering av etanolen enn konvensjonelle destillasjonstårn eller lav-temperatur-vakuumdestillasjonstårn. One of the unique features of the present invention is the high-temperature-low-temperature operation of the distillation tower. By placing the vacuum pump 106 at the top of the distillation tower 104, the pressure in the tower is reduced. Although vacuum distillation has been used in the synthetic vitamin industry, such use has taken place at very low temperatures to protect the vitamins from degradation. In the present method, however, it is desirable to heat the ethanol-containing "wash" to as hot as possible, preferably in the range of approx. 32.2-82.2°C, so that it will quickly evaporate in the distillation tower. It will be understood that the temperature of the ethanol-containing "wash" will be above the boiling point of ethanol at the pressures in the distillation tower, which pressures are kept as low as possible, preferably at approx. 0.14-0.7 kg/cm 2. This hybrid system with high temperature and low pressure allows for greater separation of the ethanol than conventional distillation towers or low-temperature vacuum distillation towers.
Effektiviteten til ethvert destillasjonstårn be-stemmes ut fra dets evne til å foreta en hurtig utveksling av komponentene mellom væske- og dampfåsene, hvilket er en funksjon av damp-væske-grenseflatearealet og flytegenskapene til dampen. Høytemperatur- og lavtrykksystemet øker hastig-heten på dampen som beveger seg oppover og øker dermed grenseflate-overføringen mellom væske og damp og resulterer i en forøket splitteeffekt i destillasjonstårnet. Etter hvert som en del av dampene kondenserer og faller ned gjennom tårnet blir således kollisjonskraften meget større enn i konvensjonelle tårn. Samtidig forandrer vakuumet det totale trykk og gjør derved separeringen lettere på grunn av at den relative flyktighet til komponentene i oppløsningen forandres. Man må naturligvis sørge for at vakuumets oppoverrettede krefter ikke er så store at det skapes et løft på The efficiency of any distillation tower is determined by its ability to rapidly exchange the components between the liquid and vapor pools, which is a function of the vapor-liquid interface area and the flow characteristics of the vapor. The high-temperature and low-pressure system increases the velocity of the steam moving upwards and thus increases the interfacial transfer between liquid and steam and results in an increased splitting effect in the distillation tower. As part of the vapor condenses and falls down through the tower, the collision force thus becomes much greater than in conventional towers. At the same time, the vacuum changes the total pressure and thereby makes the separation easier because the relative volatility of the components in the solution changes. Naturally, one must ensure that the upward forces of the vacuum are not so great that a lift is created
de væskeformige dråpene som er større enn dråpenes gravita-sjonskrefter. the liquid droplets which are greater than the gravitational forces of the droplets.
Selv om det vil forstås at en rekke forskjellige konvensjonelle destillasjonstårn vil være tilstrekkelige ifølge foreliggende oppfinnelse, for illustrerende formål, skal en utførelse omtales. Det etanolholdige "wash"-materiale pumpes inn i bunnen av et destillasjonstårn som har en diameter på 0,91 m og en høyde på 14,6 m hvori den nederste del tjener som en splitteseksjon med omkring perforerte plater og den øvre seksjon som en rektifiseringskolonne med omtrent 26 bobleplater. På grunn av det reduserte trykk hvorunder destillasjonen oppnås er det foretrukket med et stort tverrsnittsareal slik at dampens oppoverrettede be-vegelse ikke hindres av dampens ekspansjon som forårsakes Although it will be understood that a number of different conventional distillation towers will be sufficient according to the present invention, for illustrative purposes, one embodiment shall be mentioned. The ethanol-containing "wash" material is pumped into the bottom of a distillation tower having a diameter of 0.91 m and a height of 14.6 m in which the lower part serves as a splitting section with perforated plates around it and the upper section as a rectification column with approximately 26 bubble plates. Due to the reduced pressure under which the distillation is achieved, it is preferred to have a large cross-sectional area so that the steam's upward movement is not hindered by the steam's expansion which is caused
av det reduserte trykk. Ellers blir destillasjonstårnets kapasitet sterkt redusert. Damp spyles inn i den inngående "wash" ved ca. 0,21 kg/cm 2 og oppvarmer dermed oppløsningen of the reduced pressure. Otherwise, the capacity of the distillation tower is greatly reduced. Steam is flushed into the incoming "wash" at approx. 0.21 kg/cm 2 and thus heats the solution
til dens kokepunkt. Følgelig blir etanolen umiddelbart fordampet idet den kommer inn i destillasjonstårnet. to its boiling point. Consequently, the ethanol is immediately vaporized as it enters the distillation tower.
Vakuumpumpen 106 reduserer trykket ved toppen av destillasjonstårnet med fortrinnsvis 1,4-2,1 kg/cm . Dette resulterer i en damp som er rik på etanol som hurtig stiger gjennom tårnet. Ettersom dampen trekkes oppover i tårnet støter den på dråper av vann og etanol som har kondensert, og dette resulterer i en splittevirkning hvorved vannet generelt returneres til bunnen av destillasjonstårnet og etanolen generelt trekkes til utløpsåpningen ved toppen av tårnet. Når dampen foreligger ved toppen av tårnet lar den seg lett kondensere ved avkjøling ved 108. The vacuum pump 106 reduces the pressure at the top of the distillation tower by preferably 1.4-2.1 kg/cm . This results in a vapor rich in ethanol that rapidly rises through the tower. As the vapor is drawn up the tower, it encounters droplets of water and ethanol that have condensed, and this results in a splitting action whereby the water is generally returned to the bottom of the distillation tower and the ethanol is generally drawn to the outlet opening at the top of the tower. When the steam is present at the top of the tower, it can easily condense on cooling at 108.
En del destillat 110 returneres fortrinnsvis til tårnet som tilbakeløp for å øke splittevirkningen og for å regulere styrkegraden på destillatet. Resten av etanol-destillatet sendes til sluttbehandling 112. Ved regulering av mengden av destillat som returneres til tårnet, kan konsentrasjonen av det resulterende etanolprodukt reguleres. F.eks., ved å tillate en større del av destillatet å returnere til tårnet, økes tilbakeløpsvirkningen slik at destillatet oppnår en høyere etanolkonsentrasjon. Konsentrasjoner på omkring 95% (styrkegrad 190) etanol kan oppnås. Skulle det bare være behov for konsentrasjoner på styrkegrad 140 eller 150, slik som i et blandet etanolbasert brennstoff, returneres en mindre mengde av destillatet til tårnet. Part of the distillate 110 is preferably returned to the tower as reflux to increase the splitting effect and to regulate the degree of strength of the distillate. The remainder of the ethanol distillate is sent to final treatment 112. By regulating the amount of distillate returned to the tower, the concentration of the resulting ethanol product can be regulated. For example, by allowing a larger portion of the distillate to return to the tower, the reflux effect is increased so that the distillate achieves a higher ethanol concentration. Concentrations of around 95% (190 strength) ethanol can be achieved. Should there only be a need for concentrations of 140 or 150 strength, such as in a blended ethanol-based fuel, a smaller amount of the distillate is returned to the tower.
De udestillerte komponenter eller rester i "wash"-materialet som forblir på bunnen av destillasjonstårnet, kan kontinuerlig fjernes og tørkes, slik som i vakuum-tørkeren 114. Når de celluloseholdige utgangsmaterialene er skogprodukter eller andre avlingsmaterialer, kan den tørkede resten anvendes som et supplement til dyrefdr eller som et gjødningsstoff. Når de celluloseholdige utgangsmaterialene er by- eller industriavfall, kan den tørkede resten anvendes som brennstoff for varmeanlegg eller som gjødningsstoff. The undistilled components or residues in the "wash" material that remain at the bottom of the distillation tower can be continuously removed and dried, such as in the vacuum dryer 114. When the cellulosic starting materials are forest products or other crop materials, the dried residue can be used as a supplement for animal feed or as a fertiliser. When the cellulose-containing starting materials are urban or industrial waste, the dried residue can be used as fuel for heating systems or as fertiliser.
Den andre fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen hvorved sukrene fermenteres til alkohol og alkoholen renses, eliminerer behovet for konvensjonelt destillasjonsapparatur. Det vil forstås at elimineringen av det konvensjonelle destillasjonstårnet i etanol-fremstillingsprosessen er av betydning siden tårnet kan representere en betydelig prosent av den totale kapitalinvestering som er nødvendig for å bygge et slikt etanol-fremstillingsanlegg og har et av de høyeste energiforbruk av samtlige komponenter i fremstillingsprosessen. Denne alternative utførelse av fermenteringsprosessen, generelt representert som 190 (på figur 1), er skjematisk vist på figur 4. Oppslemmingen ("wort") pumpes inn i fermenteringsbeholderen 192 under de samme temperaturbetingelser som omtalt ovenfor. Hovedforskjellen er at en del av det karbondioksyd som dannes ved fermenteringsprosessen resirkuleres til bunnen av fermenteringsbeholderen og føres gjennom oppslemmingen i fermenteringsbeholderen. The second method according to the invention, whereby the sugars are fermented to alcohol and the alcohol is purified, eliminates the need for conventional distillation equipment. It will be understood that the elimination of the conventional distillation tower in the ethanol manufacturing process is significant since the tower can represent a significant percentage of the total capital investment required to build such an ethanol manufacturing facility and has one of the highest energy consumption of all components in the manufacturing process . This alternative embodiment of the fermentation process, generally represented as 190 (in Figure 1), is schematically shown in Figure 4. The slurry ("wort") is pumped into the fermentation vessel 192 under the same temperature conditions as discussed above. The main difference is that part of the carbon dioxide that is formed during the fermentation process is recycled to the bottom of the fermentation vessel and passed through the slurry in the fermentation vessel.
(Andre gasser som ikke inhiberer fermenteringsprosessen kan naturligvis anvendes). Denne føring under trykk av findelt karbondioksyd gjennom stråledysen 194 inn i fermenteringsbeholderen, vil transportere en blanding av etanol og vann fra den fermenterte oppløsning i dampform. Den foretrukne hastighet på karbondioksydstrømmen er funnet å være ca. 0,075-3,74 dm 3 pr. liter oppløsning i fermenteringsbeholderen. Ved å sette fermenteringsbeholderen under et svakt redusert trykk (senke trykket med opptil 0,35 kg/cm ), slik som med vakuumpumpen 196, vil karbondioksydet føre en rikere etanolblanding ut av beholderen hvor den kan kondenseres og fjernes fra karbondioksydet i kondensatoren 198. Etanolen som har en styrkegrad på ca. 190 kan deretter føres til sluttbehandling uten at det er nødvendig med noen ytterligere destillasjon. (Other gases which do not inhibit the fermentation process can of course be used). This passage under pressure of finely divided carbon dioxide through the jet nozzle 194 into the fermentation container will transport a mixture of ethanol and water from the fermented solution in vapor form. The preferred rate of carbon dioxide flow has been found to be approx. 0.075-3.74 dm 3 per liter of solution in the fermentation vessel. By placing the fermentation vessel under a slightly reduced pressure (lowering the pressure by up to 0.35 kg/cm ), such as with the vacuum pump 196, the carbon dioxide will carry a richer ethanol mixture out of the vessel where it can be condensed and removed from the carbon dioxide in the condenser 198. The ethanol which has a degree of strength of approx. 190 can then be taken to final treatment without the need for any further distillation.
Det vil forstås at det gjennomspylte karbondioksyd vil anvende kollisjonen med fermenteringsoppløsningen (lik platen i destillasjonstårnet) til å fjerne etanolen for hvilken karbondioksyd har en affinitet. Det er foretrukket at strålen med karbondioksyd er findelt og sprøytes ut slik at den bringes i kontakt med nesten hele oppslemmingen i fermenteringsbeholderen. Dette kan oppnås ved å bruke et passende sprøytehode, fortrinnsvis et karbon- eller aloksit-sprøytehode. Selv om det er foretrukket å ha en témperaturreguleringsanordning 200 for å opprettholde temperaturen i fermenteringsoppløsningen, er det ikke nød-vendig også å ha et røreverk på grunn av at det gjennom-førte karbondioksyd vil sørge for tilstrekkelig omrøring. It will be understood that the flushed carbon dioxide will use the collision with the fermentation solution (similar to the plate in the distillation tower) to remove the ethanol for which the carbon dioxide has an affinity. It is preferred that the jet of carbon dioxide is finely divided and sprayed out so that it is brought into contact with almost the entire slurry in the fermentation vessel. This can be achieved by using a suitable spray head, preferably a carbon or aloxite spray head. Although it is preferred to have a temperature control device 200 to maintain the temperature of the fermentation solution, it is not necessary to also have an agitator because the introduced carbon dioxide will ensure sufficient agitation.
De ikke-etanolholdige deler av den fermenterte oppløsning inkludert de døde gjærcellene fjernes gradvis fra fermenteringsbeholderen gjennom overløp 212 ved toppen av fermenteringsbeholderen 192, tørkes (slik som i en vakuumtørker 214) og anvendes som et supplement til dyrefor, som et brennstoff eller som et gjødningsstoff. The non-ethanol containing portions of the fermented solution including the dead yeast cells are gradually removed from the fermentation vessel through overflow 212 at the top of the fermentation vessel 192, dried (such as in a vacuum dryer 214) and used as a supplement to animal feed, as a fuel or as a fertilizer .
Etanolen, enten den kondenseres idet den forlater destillasjonstårnet 104 (figur 3) eller idet den forlater formenteringsbeholderen 192 (figur 4), føres til sluttbehandling 112 hvor den kan dehydratiseres ved 116 ved benzendestillasjon eller saltdehydratisering, hvor den kan denatureres med metanol 120 eller andre godkjente midler ifølgede rådende bestemmelser, og/eller hvor den kan lagres. Etanolen kan også blandes ved 117 med andre komponenter, generelt representert som 118, for dannelse av et etanolbasert brennstoff, slik som beskrevet i US-PS nr. 087 618 inngitt 23. oktober 1979. The ethanol, whether condensed as it leaves the distillation tower 104 (Figure 3) or as it leaves the fermenter 192 (Figure 4), is taken to final treatment 112 where it can be dehydrated at 116 by benzene distillation or salt dehydration, where it can be denatured with methanol 120 or other approved means according to the current regulations, and/or where it can be stored. The ethanol can also be mixed at 117 with other components, generally represented as 118, to form an ethanol-based fuel, as described in US-PS No. 087,618 filed October 23, 1979.
Den tredje fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen hvorved sukrene fermenteres til alkohol og alkoholen renses, er rettet mot fjerning av etanolen fra oppslemmingen og destillasjon derav til legal vannfri renhet. Som vist på figur 6 blir oppslemmingen pumpet inn i den primære fermenteringsbeholderen 262 hvor den har en oppholdstid på mellom ca. The third method according to the invention, whereby the sugars are fermented to alcohol and the alcohol is purified, is aimed at removing the ethanol from the slurry and distilling it to legal anhydrous purity. As shown in Figure 6, the slurry is pumped into the primary fermentation vessel 262 where it has a residence time of between approx.
3 og 6 timer, men fortrinnsvis ca. 4 timer. Selv om oppholdstiden er meget kort sammenlignet med tidligere kjente metoder- (og de andre metodene ifølge oppfinnelsen), vil mesteparten av sukrene være fullstendig fermentert i løpet av denne tidsperiode fordi det under de nedenfor angitte betingelser er mulig å opprettholde en populasjon på opp til 500 millioner gjærceller pr. ml. Betydningen av dette fremskritt innen teknikken er klar i lys av det faktum at tidligere kjente prosesser typisk bare gir adgang til en populasjon på høyst ca. 70-100 millioner gjærceller pr. ml. 3 and 6 hours, but preferably approx. 4 hours. Although the residence time is very short compared to previously known methods (and the other methods according to the invention), most of the sugars will be completely fermented during this time period because under the conditions stated below it is possible to maintain a population of up to 500 million yeast cells per ml. The importance of this advance in the technique is clear in light of the fact that previously known processes typically only give access to a population of at most approx. 70-100 million yeast cells per ml.
En av grunnene til at en såpass høy populasjon av gjærceller kan opprettholdes er at etanolen som produseres ved fermentering, kontinuerlig fjernes fra fermenteringsbeholderen 262. Det er således ingen etanolinhibering av fermenteringsprosessen. Etanolen fjernes fra fermenteringsbeholderen ved kontinuerlig tilveiebringelse av et vakuum på ca. 50,8-66 cm kvikksølv, fortrinnsvis ca. 63,5 cm. Dessuten spyles karbondioksyd ved 262 gjennom den fermenterende oppslemming som en hjelp for å transportere etanolen vekk fra den fermenterende oppslemming. (Små mengder oksygen spyles også gjennom den fermenterende oppslemming som en hjelp for å opprettholde gjærpopulasjonen). Ved å minimalisere etanolkonsentrasjonen i beholderen 262 er det funnet One of the reasons why such a high population of yeast cells can be maintained is that the ethanol produced by fermentation is continuously removed from the fermentation container 262. There is thus no ethanol inhibition of the fermentation process. The ethanol is removed from the fermentation vessel by continuously providing a vacuum of approx. 50.8-66 cm of mercury, preferably approx. 63.5 cm. Also, carbon dioxide is flushed at 262 through the fermenting slurry to help transport the ethanol away from the fermenting slurry. (Small amounts of oxygen are also flushed through the fermenting slurry to help maintain the yeast population). By minimizing the ethanol concentration in container 262 it has been found
at sukkeroppløsninger selv så høyt som 40 og 50% kan anvendes i fermenteringsprosessen, sammenlignet med tidligere kjente prosesser som generelt er begrenset til sukkeroppløsninger på mindre enn 10-20%. that sugar solutions even as high as 40 and 50% can be used in the fermentation process, compared to previously known processes which are generally limited to sugar solutions of less than 10-20%.
Det vil forstås at det kan være nødvendig å tilføre varme til den primære fermenteringsbeholderen fordi den kon-stante fordampning av etanol fra oppslemmingen ellers hurtig ville få temperaturen til å synke under den foretrukne fermenteringstemperatur. Som antydet blir de fleste av sukrene fermentert mens oppslemmingen er i den primære fermenteringsbeholder 262. Ikke desto mindre er det et konstant overløp inn i den sekundære fermenteringsbeholderen 266 hvor de sluttelige sukkermengdene fermenteres og etanolen fjernes under vakuum. Den sekundære fermenteringsbeholderen tjener også som en resirkuleringsstasjon fordi de døde gjærcellene (som flyter) har tendens til å migrere til toppen av beholderen hvor de til slutt strømmer over inn i sedimenteringstanken 268. De levende gjærcellene blir hvilende med den minkende næringstilførsel og synker til bunnen av beholderen 266 hvor de resirkuleres ved 270 til den primære fermenteringsbeholderen 262. Ved å returnere de ubrukte gjærcellene til den primære fermenteringsbeholderen opprettholdes den høyeste gjærcellekonsentrasjon deri uten kontinuerlig tilsetning av betydelige mengder gjær. De faste stoffene som oppsamles i sedimenteringstanken 268 separeres ved hjelp av en skruepresse 272 og tørkes. Disse faste stoffer utgjør et utmerket supplement til dyrefor fordi de består av prote-iner, tunge sukkere og andre organiske forbindelser. It will be understood that it may be necessary to add heat to the primary fermentation vessel because the constant evaporation of ethanol from the slurry would otherwise quickly cause the temperature to drop below the preferred fermentation temperature. As indicated, most of the sugars are fermented while the slurry is in the primary fermentation vessel 262. Nevertheless, there is a constant overflow into the secondary fermentation vessel 266 where the final amounts of sugar are fermented and the ethanol is removed under vacuum. The secondary fermentation vessel also serves as a recirculation station because the dead yeast cells (floating) tend to migrate to the top of the vessel where they eventually overflow into the sedimentation tank 268. The live yeast cells become dormant with the diminishing nutrient supply and sink to the bottom of the vessel 266 where they are recycled at 270 to the primary fermentation vessel 262. By returning the unused yeast cells to the primary fermentation vessel, the highest yeast cell concentration is maintained therein without the continuous addition of significant amounts of yeast. The solids collected in the sedimentation tank 268 are separated by means of a screw press 272 and dried. These solids make an excellent supplement to animal feed because they consist of proteins, heavy sugars and other organic compounds.
Som vist på figur 6 føres etanoldampen fra fermenteringsbeholderne 262 og 264 direkte inn i destillasjonstårnet 274 i damptilstand. Forsøk har vist at etanolen (som fremdeles befinner seg i fordampet tilstand) er i en minimumkonsentrasjon på ca. 15-20% når den kommer inn i destillasjonstårnet. Dette er av betydning sammenlignet med typiske destillasjonstårn hvor etanolen bare omfatter ca. As shown in Figure 6, the ethanol vapor from the fermentation containers 262 and 264 is fed directly into the distillation tower 274 in a vapor state. Experiments have shown that the ethanol (which is still in a vaporized state) is in a minimum concentration of approx. 15-20% when it enters the distillation tower. This is significant compared to typical distillation towers where the ethanol only comprises approx.
4-10% av den væskeformige oppløsning som kommer inn i tårnet og hvor etanolen må fordampes fra en væskeformig oppløsning når den først har kommet inn i destillasjonstårnet. På grunn av at etanolkonsentrasjonen er mye større (i foreliggende 4-10% of the liquid solution entering the tower and where the ethanol must be evaporated from a liquid solution once it has entered the distillation tower. Due to the fact that the ethanol concentration is much greater (in the present
oppfinnelse) idet den kommer inn i destillasjonstårnet, vil det være nødvendig med mindre separering for tårnets del. invention) as it enters the distillation tower, less separation will be necessary for the tower part.
Vakuumpumpen 280 tilveiebringer et vakuum i destil-las jonstårnet på ca. 50,8-66 cm kvikksølv, fortrinnsvis ca. 63,5 cm kvikksølv. Dette sterkt reduserte trykk gir adgang for en meget større separering av etanolen. Det reduserte trykk reduserer dessuten etanol- og vann-azeotropmaterialet slik at det resulterende produkt er ca. 99,6% etanol (sammenlignet med å kunne oppnå 95% etanol ved atmosfæretrykk) med bare en gjennomføring gjennom destillasjonstårnet Den resulterende etanol tilfredsstiller således lovens krav på 99,3% for vannfri etanol uten behov for kostbare benzen-destillasjonsmetoder eller lignende. Man har funnet at når etanolen kommer inn i destillasjonstårnet i damptilstand og ved et redusert trykk på ca. 6 3,5 cm kvikksølv, er temperaturen i bunnen av tårnet ca. 4 3,3°C og temperaturen midt-veis opp i destillasjonstårnet ca. 32,2°C. The vacuum pump 280 provides a vacuum in the distillation tower of approx. 50.8-66 cm of mercury, preferably approx. 63.5 cm mercury. This greatly reduced pressure allows for a much greater separation of the ethanol. The reduced pressure also reduces the ethanol and water azeotrope material so that the resulting product is approx. 99.6% ethanol (compared to being able to obtain 95% ethanol at atmospheric pressure) with only one pass through the distillation tower The resulting ethanol thus satisfies the law's requirement of 99.3% for anhydrous ethanol without the need for expensive benzene distillation methods or the like. It has been found that when the ethanol enters the distillation tower in a vapor state and at a reduced pressure of approx. 6 3.5 cm of mercury, the temperature at the bottom of the tower is approx. 4 3.3°C and the temperature halfway up the distillation tower approx. 32.2°C.
Etanolen som kommer ut fra destillasjonstårnet 274 flytendegjøres i kondensatoren 276. Noe av etanolen føres gjennom tilbakeløpstrommelen 284 og resirkuleres deretter tilbake til destillasjonstårnet ved 278 for å øke tårnets effektivitet. Karbondioksydet som separeres fra etanolen ved tilbakeløpsdreneringen inneholder en liten prosentandel etanol. Det er følgelig foretrukket å føre denne damp gjennom vaskeren 282 slik at denne etanol til slutt kan oppsamles . The ethanol exiting the distillation tower 274 is liquefied in the condenser 276. Some of the ethanol is passed through the reflux drum 284 and then recycled back to the distillation tower at 278 to increase the efficiency of the tower. The carbon dioxide that is separated from the ethanol by the reflux drainage contains a small percentage of ethanol. It is therefore preferred to pass this steam through the washer 282 so that this ethanol can finally be collected.
Et betydelig trekk ved foreliggende oppfinnelse er at en enkel vakuumkilde 280 anvendes for å fjerne etanolen fra oppslemmingen i fermenteringstankene 262 og 266 og til å destillere etanolen i tårnet 274. Denne konstruksjon tillater opprettholdelse av en lavere etanolkonsentrasjon i fermenteringsbeholderne mens konsentrasjonen av den fordampede etanol som kommer inn i destillasjonstårnet holdes relativt høy, og man minimaliserer dermed separasjonsom-fanget som må oppnås av destillasjonstårnet. A significant feature of the present invention is that a simple vacuum source 280 is used to remove the ethanol from the slurry in the fermentation tanks 262 and 266 and to distill the ethanol in the tower 274. This design allows maintaining a lower ethanol concentration in the fermentation vessels while the concentration of the evaporated ethanol as enters the distillation tower is kept relatively high, and thus the extent of separation that must be achieved by the distillation tower is minimized.
Det vil fremgå at kondensatoren 276 er anbragt i vakuumledningen mellom destillasjonstårnet 274 og vakuumpumpen 280. Med denne plassering er det meget lettere å opprettholde det nødvendige vakuum fordi ettersom etanolen kondenserer ved 276 øker det vakuum-pådraget på destillasjonstårnet. Dersom det ikke var for det faktum at vakuumet ble brukt til å fjerne etanolen fra fermenteringstankene, ville det være nødvendig å føre en gass inn i destillasjonstårnet for å hindre tårnet i å falle sammen. På grunn av det koordinerte arrangement av vakuumsystemet (inkludert vakuumpumpen og kondensatoren) med både destillasjonstårnet og fermenteringstankene, blir imidlertid kraftbehovene sterkt redusert. It will be seen that the condenser 276 is placed in the vacuum line between the distillation tower 274 and the vacuum pump 280. With this location it is much easier to maintain the necessary vacuum because as the ethanol condenses at 276, the vacuum load on the distillation tower increases. If it weren't for the fact that the vacuum was used to remove the ethanol from the fermentation tanks, it would be necessary to introduce a gas into the distillation tower to prevent the tower from collapsing. However, due to the coordinated arrangement of the vacuum system (including the vacuum pump and condenser) with both the distillation tower and the fermentation tanks, power requirements are greatly reduced.
Et av de viktige trekk ved foreliggende oppfinnelse er allsidigheten når det gjelder å benytte en rekke forskjellige utgangsmaterialer. Ettersom de tilgjengelige utgangsmaterialene varierer over et tidsrom eller ettersom flere forskjellige typer utgangsmaterialer blir tilgjengelige, behøver det følgelig ikke foretas noen betydelig modifikasjon av foreliggende fremgangsmåte. Hvis f.eks. en kilde av kokt cellulose var tilgjengelig ved et gitt tids-punkt, kunne den ganske enkelt tilsettes til prosessen før trinnet med kadoksen eller konsentrert syre i delignifiseringsprosessen, slik som gjennom ventiler 140 som vist på figur 2. Dersom en kilde av stivelsesmaterialer var tilgjengelig, kunne materialene tilsettes like før syre-hydrolysen, slik som gjennom ventilen 142. Dersom utgangsmaterialer inneholdende enkle sukkere var rilgjengelige, kunne de tilsettes til den kontinuerlige prosessen ved et punkt like før fermenteringsprosessen, slik som gjennom ventilen 144, som ville utsette materialene for en temperatur som var høy nok til å sterilisere dem. One of the important features of the present invention is its versatility when it comes to using a number of different starting materials. Accordingly, as the available starting materials vary over time or as several different types of starting materials become available, no significant modification of the present method needs to be made. If e.g. a source of cooked cellulose was available at a given time, it could simply be added to the process prior to the cadox or concentrated acid step of the delignification process, such as through valves 140 as shown in Figure 2. If a source of starch materials were available, the materials could be added just before the acid hydrolysis, such as through valve 142. If starting materials containing simple sugars were readily available, they could be added to the continuous process at a point just before the fermentation process, such as through valve 144, which would expose the materials to a temperature which was high enough to sterilize them.
Et annet av trekkene ifølge oppfinnelsen er å benytte alle biproduktene. Metanol 120 for denaturering og hovedkomponentene i et blandet etanolbasert brennstoff, benzen 122 og acetylen 124, kan følgelig fremstilles syntetisk i karbondioksyd-omdannelsesenheten 126 fra det over-skudd karbondioksyd som produseres som biprodukt i fermenteringsprosessen. Ytterligere mengder etanol kan dessuten syntetisk produseres fra karbondioksydoverskuddet. Fremgangsmåten for fremstilling av denne syntetiske etanol 130 utnytter det hittil kasserte karbondioksyd-biprodukt fra fermenteringsprosessen til en dramatisk økning i utbytte av etanol. Uten å øke mengden av celluloseholdige utgangsmaterialer eller størrelsen eller antallet av prosessbe-holderne eller destillasjonstårnene, er det faktisk mulig nesten å doble etanolproduksjonen. Another feature of the invention is to use all the by-products. Methanol 120 for denaturation and the main components of a blended ethanol-based fuel, benzene 122 and acetylene 124, can therefore be synthetically produced in the carbon dioxide conversion unit 126 from the excess carbon dioxide produced as a by-product in the fermentation process. Further amounts of ethanol can also be synthetically produced from the excess carbon dioxide. The process for producing this synthetic ethanol 130 utilizes the hitherto discarded carbon dioxide by-product from the fermentation process for a dramatic increase in the yield of ethanol. Without increasing the amount of cellulosic starting materials or the size or number of the process vessels or distillation towers, it is actually possible to almost double ethanol production.
De følgende prosesser, som enkeltvis er tidligere kjente, demonstrerer de anvendelser som karbondioksydet kan få. Mens mange prosesser for omdannelse av karbondioksyd til basiskjemikalier er kjente, er foreliggende oppfinnelse unik med hensyn til dens bruk av karbondioksyd som basis-råmateriale for fremstilling av vesentlige petrokjemikalier. Det vil forstås at de resulterende produkter som er omtalt i det nedenstående samt andre som kunne bli produsert ifølge rådende teknologi, er hovedmaterialer og tilførselsmateri-aler for eksisterende petrokjemisk industri. Foreliggende oppfinnelse utnytter det eksisterende innbyrdes slektskap mellom mange av hoved-råmaterialene i den petrokjemiske The following processes, which are individually previously known, demonstrate the uses to which carbon dioxide can be put. While many processes for converting carbon dioxide into base chemicals are known, the present invention is unique in its use of carbon dioxide as a base feedstock for the manufacture of essential petrochemicals. It will be understood that the resulting products which are mentioned below as well as others which could be produced according to prevailing technology, are main materials and feed materials for the existing petrochemical industry. The present invention utilizes the existing interrelatedness between many of the main raw materials in the petrochemical
industri.industry.
Karbondioksyd fra fermenteringsbeholderne kan f.eks. omsettes med karbon ved forhøyede temperaturer (slik som ca. 600-1000°C) for fremstilling av karbonmono-oksyd: Carbon dioxide from the fermentation tanks can e.g. is reacted with carbon at elevated temperatures (such as approx. 600-1000°C) to produce carbon monoxide:
En slik prosess anvendes i dag i stålindustrien. Such a process is used today in the steel industry.
Karbonmonoksyd kan omsettes med vann ved temperaturer på ca. 200-500°C for dannelse av hydrogen og karbondioksyd : Carbon monoxide can react with water at temperatures of approx. 200-500°C for the formation of hydrogen and carbon dioxide:
Denne prosess anvendes ofte i forbindelse med kull- og koks-forgassing. Med komponentene tilført fra disse to hovedreaksjoner (karbondioksyd, karbonmonoksyd og hydrogen), kan mange viktige petrokjemikalier fremstilles. This process is often used in connection with coal and coke gasification. With the components supplied from these two main reactions (carbon dioxide, carbon monoxide and hydrogen), many important petrochemicals can be produced.
Karbonmonoksyd og hydrogen i nærvær av en rekke velkjente blandede metalloksydkatalysatorer kan f.eks. kombineres ved temperaturer på ca. 300-600°C og trykk på ca. 100-200 atmosfærer for dannelse av både metanol og benzen: Carbon monoxide and hydrogen in the presence of a number of well-known mixed metal oxide catalysts can e.g. combined at temperatures of approx. 300-600°C and press at approx. 100-200 atmospheres for the formation of both methanol and benzene:
Metanol kan også produseres ved hjelp av den velkjente Fisher-Tropsch-prosessen. Methanol can also be produced using the well-known Fisher-Tropsch process.
Videre kan karbonmonoksyd kombineres med metan (som kan fremstilles fra karbonmonoksyd og hydrogen, anaerob behandling, eller naturgass) og vann ved temperaturer på ca. 300-600°C over jernkatalysatorer for dannelse av etanol og jernoksyd: Furthermore, carbon monoxide can be combined with methane (which can be produced from carbon monoxide and hydrogen, anaerobic treatment, or natural gas) and water at temperatures of approx. 300-600°C over iron catalysts for the formation of ethanol and iron oxide:
Det er gjennom denne type syntetisk produksjon av etanol som gir adgang for større produksjonsmengder av etanol uten økning av mengden av celluloseholdige utgangsmaterialer. Acetylen kan også fremstilles fra metan med en lav elektrisk utladning, og etylen, som er et hovedkjemikalium i den petrokjemiske industri, kan produseres. It is through this type of synthetic production of ethanol that gives access to larger production quantities of ethanol without increasing the quantity of cellulosic starting materials. Acetylene can also be produced from methane with a low electrical discharge, and ethylene, which is a key chemical in the petrochemical industry, can be produced.
Det vil fremgå fra det foregående at for full ut-nyttelse av karbondioksyd-biproduktet vil dette ikke bare tilveiebringe de kjemikalier som er nødvendig for fremstilling av et etanolbasert brennstoff, men også andre kjemikalier som kan anvendes direkte eller som mellompro-dukter i den petrokjemiske industri. It will be clear from the foregoing that for full utilization of the carbon dioxide by-product, this will not only provide the chemicals necessary for the production of an ethanol-based fuel, but also other chemicals that can be used directly or as intermediate products in the petrochemical industry .
Det vil forstås at den beskrevne kontinuerlige etanol-fremstillingsprosess gir adgang for maksimering av effektiviteten til hvert trinn i den totale prosess. F.eks., i de tidligere kjente satsvise metoder var det nødvendig å utføre flere operasjoner i samme kokebeholder; i foreliggende oppfinnelse derimot kan hvert prosesstrinn utføres i en beholder som er spesielt konstruert for hver operasjon og ved de temperatur- og trykkbetingelser som er mest egnet for den operasjonen. Ved å utføre hver operasjon ved optimale betingelser kan etanolutbyttet. sterkt forbedres. It will be understood that the described continuous ethanol production process allows for maximizing the efficiency of each step in the overall process. For example, in the previously known batch methods it was necessary to carry out several operations in the same cooking vessel; in the present invention, on the other hand, each process step can be carried out in a container that is specially designed for each operation and at the temperature and pressure conditions that are most suitable for that operation. By performing each operation under optimal conditions, the ethanol yield can. greatly improved.
Det er dessuten ifølge foreliggende oppfinnelse ikke nødvendig å benytte store kokebeholdere (ca. 37854-49210,2 liter) og fermenteringsbeholdere (ca. 1 892 700 liter) som i den tidligere kjente teknikk og som opptar betydelig gulvrom. Det vil forstås at slike store beholdere ikke er energieffektive i oppvarmings- eller trykktrinnene og bidrar ikke til å oppnå og opprettholde ensartede blande-og temperaturbetingelser, idet slike ensartede betingelser er spesielt kritiske under fermenteringsprosessen. Slike store beholdere resulterer også i lange tidsforsinkelser med henblikk på oppvarming og avkjøling av de store opp-løsningsmengdene. Furthermore, according to the present invention, it is not necessary to use large cooking containers (approx. 37,854-49,210.2 liters) and fermentation containers (approx. 1,892,700 liters) as in the prior art and which take up considerable floor space. It will be understood that such large containers are not energy efficient in the heating or pressure steps and do not contribute to achieving and maintaining uniform mixing and temperature conditions, such uniform conditions being particularly critical during the fermentation process. Such large containers also result in long time delays with a view to heating and cooling the large amounts of solution.
En av de viktigste fordelene med foreliggende oppfinnelse er at fermenteringstiden dramatisk reduseres fra ca. 72 timer til et totale på omkring 3-6 timer. Denne reduksjon er mulig på grunn av den høye gjærpopulasjonen og minimaliseringen av etanolinhibering. Fordi det ikke foreligger en konstant strøm av oppslemming inn i fermenteringsbeholderen og etanol ut av beholderen, får man en kontinuerlig formering av gjær under fermenteringsprosessen, hvilket opprettholder en optimal populasjon. One of the most important advantages of the present invention is that the fermentation time is dramatically reduced from approx. 72 hours for a total of around 3-6 hours. This reduction is possible due to the high yeast population and the minimization of ethanol inhibition. Because there is not a constant flow of slurry into the fermentation vessel and ethanol out of the vessel, you get a continuous multiplication of yeast during the fermentation process, which maintains an optimal population.
I betraktning av det foregående vil det forstås at foreliggende oppfinnelse kan utføres i mange spesifikke former og i spesifikke utførelser som ikke er eksemplifi-serte ovenfor, uten at man forlater oppfinnelsens ramme eller vesentlige egenskaper. Den beskrevne utførelse skal i alle henseender bare anses som illustrerende og ikke be-grensende og oppfinnelsens ramme er derfor angitt i de med-følgende krav snarere enn i den foregående beskrivelse.. Alle variasjoner som vil omfattes av betydningen av og ekvivalensområdet for kravene skal omfattes av disses ramme. In consideration of the foregoing, it will be understood that the present invention can be carried out in many specific forms and in specific embodiments that are not exemplified above, without leaving the framework or essential characteristics of the invention. The described embodiment shall in all respects only be regarded as illustrative and not restrictive and the framework of the invention is therefore indicated in the accompanying claims rather than in the preceding description. All variations that will be covered by the meaning of and the equivalence area for the claims shall be covered of their frame.
Claims (27)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US8819679A | 1979-10-23 | 1979-10-23 | |
| US06/195,326 US4425433A (en) | 1979-10-23 | 1980-10-20 | Alcohol manufacturing process |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| NO812106L true NO812106L (en) | 1981-06-19 |
Family
ID=26778400
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| NO812106A NO812106L (en) | 1979-10-23 | 1981-06-19 | ALCOHOL PREPARATION PROCESS. |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP0038359A4 (en) |
| JP (1) | JPS56501311A (en) |
| CA (1) | CA1168998A (en) |
| DK (1) | DK274481A (en) |
| MC (1) | MC1503A1 (en) |
| NO (1) | NO812106L (en) |
| WO (1) | WO1981001154A1 (en) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0105937B1 (en) * | 1982-10-04 | 1987-11-19 | Baron Howard Steven Strouth | Method of manufacturing alcohol from ligno-cellulose material |
| YU25697A (en) * | 1997-06-18 | 1999-07-28 | Dušan Ćirić | Process of obtaining ethyl aclohol from cellulose |
| ES2259260B1 (en) * | 2004-07-14 | 2007-06-16 | Angel Garcia Moreno | PROCEDURE FOR THE EVAPORATION OF WASTEWATER AND / OR APPLICABLE TAIL PRODUCTS IN DISTILLATION PROCESSES USING THE HEAT ENERGY LOST IN THE OUTLET OF REFRIGERATION AND INSTALLATION FLUID. |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2053769A (en) * | 1933-08-15 | 1936-09-08 | Dreyfus Henry | Removal of volatile compounds from a fermenting medium |
| US2451156A (en) * | 1944-06-19 | 1948-10-12 | Mattos Annibal Ramos De | Process and apparatus for producing alcohol by fermentation |
| US2862819A (en) * | 1954-08-05 | 1958-12-02 | Miller Brewing | Apparatus for and method of removing impurities from highly volatile gas |
| US3234026A (en) * | 1956-08-17 | 1966-02-08 | Coutts Morton William | Process for the manufacture of beer, ale and the like |
| US3212933A (en) * | 1963-04-12 | 1965-10-19 | Georgia Pacific Corp | Hydrolysis of lignocellulose materials with solvent extraction of the hydrolysate |
| US3314797A (en) * | 1963-04-12 | 1967-04-18 | Georgia Pacific Corp | Converting lignocellulose materials into yeast containing stock feed |
| US3212932A (en) * | 1963-04-12 | 1965-10-19 | Georgia Pacific Corp | Selective hydrolysis of lignocellulose materials |
| US3799845A (en) * | 1971-07-06 | 1974-03-26 | Badger Co | Beer distillation |
| US3930042A (en) * | 1973-12-14 | 1975-12-30 | Distillers Co Yeast Ltd | Production of vodka |
| US4094740A (en) * | 1974-09-27 | 1978-06-13 | Lang John L | Preparation of liquid fuel and nutrients from solid municipal waste |
| US4009075A (en) * | 1975-08-22 | 1977-02-22 | Bio-Industries, Inc. | Process for making alcohol from cellulosic material using plural ferments |
| ZA79913B (en) * | 1978-03-08 | 1980-02-27 | Purdue Research Foundation | Process for recovering and utilizing cellulose using sulfuric acid |
-
1980
- 1980-10-20 JP JP50005680A patent/JPS56501311A/ja active Pending
- 1980-10-20 MC MC801390D patent/MC1503A1/en unknown
- 1980-10-20 WO PCT/US1980/001390 patent/WO1981001154A1/en not_active Ceased
- 1980-10-23 CA CA000363088A patent/CA1168998A/en not_active Expired
-
1981
- 1981-05-04 EP EP19800902322 patent/EP0038359A4/en not_active Ceased
- 1981-06-19 NO NO812106A patent/NO812106L/en unknown
- 1981-06-22 DK DK274481A patent/DK274481A/en not_active Application Discontinuation
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0038359A1 (en) | 1981-10-28 |
| WO1981001154A1 (en) | 1981-04-30 |
| JPS56501311A (en) | 1981-09-17 |
| CA1168998A (en) | 1984-06-12 |
| DK274481A (en) | 1981-06-22 |
| MC1503A1 (en) | 1983-11-17 |
| EP0038359A4 (en) | 1982-02-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4425433A (en) | Alcohol manufacturing process | |
| US4564595A (en) | Alcohol manufacturing process | |
| Maiorella et al. | Alcohol production and recovery | |
| US9062333B2 (en) | Method and apparatus for transforming waste into fuel ethanol | |
| US4424275A (en) | Continuous process for producing N-butanol employing anaerobic fermentation | |
| US4321328A (en) | Process for making ethanol and fuel product | |
| EP2198035B1 (en) | Method and equipment for production of glucose, ethanol, furfural, furane and lignin from renewable raw materials | |
| US4578353A (en) | Fermentation of glucose with recycle of non-fermented components | |
| US4497896A (en) | Fermentation of glucose with recycle of non-fermented components | |
| US20100304455A1 (en) | Ethanol producing process and apparatus | |
| US9102965B2 (en) | Saccharide-solution producing apparatus, fermentation system, saccharide-solution producing method, and fermentation method | |
| Kosaric et al. | Ethanol production by fermentation: an alternative liquid fuel | |
| JP2004208667A (en) | Method for producing ethanol by utilizing biomass resource | |
| US4357214A (en) | Use of geothermal heat to recover alcohol and other valuable products | |
| NO812106L (en) | ALCOHOL PREPARATION PROCESS. | |
| Tasić et al. | Simulation of fuel ethanol production from potato tubers | |
| Patil | Bioethanol: Technologies, Trends, and Prospects | |
| US National Alcohol Fuels Commission | Fuel alcohol: an energy alternative for the 1980s: appendix | |
| AU540923B2 (en) | Alcohol manufacturing process | |
| Olivério et al. | The DSM-Dedini Sustainable Mill: a new concept in designing complete sugarcane mills. | |
| CA1179282A (en) | Alcohol manufacturing process | |
| NZ201370A (en) | A process for disrupting the internal structure of cellulose;production of alcohol from disrupted cellulose | |
| NZ207196A (en) | Production of alcohol from fermentable material | |
| Lonsane et al. | Yeasts and energy. The production of fuel-grade ethanol | |
| CN101020621A (en) | Prepn process of high purity ethanol in biomass and electrically catalyzed hydrated proton reactor |