RS62699B1

RS62699B1 - Postupak za obradu lignocelulozne biomase

Info

Publication number: RS62699B1
Application number: RS20211528A
Authority: RS
Inventors: Caroline Aymard; Pierre-Antoine Bouillon; Galinie Meriem Bouras
Original assignee: Ifp Energies Now; Institut National De Recherche Pour Lagriculture Lalimentation Et Lenvironnement; Agro Industrie Recherches Developpement
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2018-12-04
Publication date: 2022-01-31
Also published as: PL3728410T3; JP2021508355A; WO2019120996A1; FR3075201A1; JP7411567B2; CA3084522A1; LT3728410T; AU2018389969B2; SI3728410T1; FR3075201B1; PT3728410T; MX2020005618A; EP3728410B1; DK3728410T3; ES2899680T3; MY200987A; HUE057386T2; EP3728410A1; CN111712531B; ZA202003135B

Description

Opis

Oblast pronalaska

[0001] Pronalazak se odnosi na postupak za obradu lignocelulozne biomase radi proizvodnje slatkih sirupa takozvane druge generacije (2G). Ti slatki sirupi mogu da se koriste za proizvodnju drugih proizvoda biohemijskim putem (npr. alkohola kao što je etanol, butanol, ili drugih molekula, na primer, rastvarača kao što je aceton, itd.). Ovaj postupak generalno ima tri faze, a to je priprema tečnosti, impregnacija biomase i prethodna obrada impregnirane biomase, na primer, kuvanjem, eventualno u kombinaciji sa eksplozijom pare.

Prethodno stanje tehnike

[0002] Lignocelulozna biomasa predstavlja jedan od najobilnijih obnovljivih resursa na zemlji. Razmatrani supstrati su veoma različiti, oni se istovremeno odnose na ligninske supstrate kao što je različito drvo (tvrdo i meko), koproizvode nastale u poljoprivredi (žitna slama, kukuruzni klipovi, itd.) ili u drugim poljoprivredno prehrambenim industrijama, fabrikama papira, itd.

[0003] Postupak biohemijske transformacije lignoceluloze u slatke sirupe 2G konkretno obuhvata fazu prethodne obrade i fazu enzimske hidrolize pomoću enzimskog koktela. Ovi postupci takođe najčešće obuhvataju fazu impregnacije pre prethodne obrade. Slatki sokovi dobijeni hidrolizom se zatim tretiraju, na primer fermentacijom, i postupak takođe sadrži fazu separacije i/ili fazu prečišćavanja finalnog proizvoda.

[0004] Lignocelulozna biomasa se sastoji od tri osnovna polimera: celuloze (35 do 50%), koja je polisaharid sačinjen suštinski od heksoza; hemiceluloze (20 do 30%), koja je polisaharid sačinjen suštinski od pentoza; i lignina (15 do 25%), koji je polimer kompleksne strukture i velike molekulske mase, sastavljen od aromatičnih alkohola povezanih etarskom vezom. Ti različiti molekuli su odgovorni za suštinska svojstva biljnog zida, i organizovani su u kompleksni splet.

[0005] Od tri osnovna polimera koji integrišu lignoceluloznu biomasu, celuloza i hemiceluloza omogućavaju proizvodnju slatkih sirupa 2G.

[0006] Najčešće, hemiceluloza se najvećim delom razlaže u šećer tokom prethodne obrade, a celuloza se prevodi u glukozu putem enzimske hidrolize. Međutim, pristup enzima sirovoj celulozi je otežan, pa postoji potreba za prethodnom obradom. Ova prethodna obrada omogućava da se izmene fizičko-hemijska svojstva lignoceluloze kako bi se poboljšala pristupačnost celuloze enzimima, i njena reaktivnost u enzimskoj hidrolizi.

[0007] Postoje brojne tehnike od interesa za pronalazak kako bi se ostvarila ova prethodna obrada, i one će u nastavku biti grupisane pod pojmom „kuvanje“: kiselo kuvanje, alkalno kuvanje, eksplozija pare, postupci nazvani „organosolv pulping“ prema poznatom engleskom terminu (ili, na srpskom, obrada organskim rastvaračima). Ovaj poslednji postupak se odnosi na prethodnu obradu u prisustvu jednog ili više organskih rastvarača i generalno vode.

Rastvarač može biti alkohol (etanol), kiselina tipa sirćetne kiseline, mravlje kiseline, ili još aceton. Postupci „organosolv pulping“ dovode do barem delimične solubilizacije lignina, delimične solubilizacije hemiceluloze. Tako imamo dva izlazna toka: prethodno tretirani supstrat sa rezidualnom celulozom, hemicelulozom i ligninom, i fazu rastvarača koja sadrži solubilizovani lignin i jedan deo hemiceluloze. Generalno ima jedna faza regeneracije rastvarača koja omogućava ekstrakciju toka lignina. Neke obrade „organosolv pulping“ (konkretno sa etanolom) kombinovane su sa dodavanjem jake kiseline (kao što je H2SO4). Takođe se može predvideti da postoji dovođenje u kontakt biomase sa rastvaračem preko reaktora za impregnaciju pre faze kuvanja, ili da postoji dovođenje u kontakt biomase sa kiselim katalizatorom pre kuvanja „organosolv pulping“.

[0008] Prijavljene su različite konfiguracije, na primer u dokumentu „Production of bioethanol from lignocellulosic materials via the biochemical pathway: A review“, M. Balat, Energy Conversion and Management 52 (2011) 858-875, ili još u dokumentu „Bioethanol production from agricultural wastes: an overview“, N. Sarkar, S. Kumar Ghosh, S. Bannerjee, K. Aikat, Renewable Energy 37 (2012) 19-27.

[0009] Jedna od najefikasnijih prethodnih obrada je eksplozija pare u kiselom stanju, koja omogućava gotovo potpunu hidrolizu hemiceluloze i značajno poboljšanje pristupačnosti celuloze enzimima i njene reaktivnosti. Ovoj prethodnoj obradi mogu prethoditi druge obrade.

[0010] Sve ove prethodne obrade se primenjuju na biomasama koje su inicijalno u čvrstom obliku, i cilj prethodne obrade je njihovo razlaganje.

[0011] Jedan od najefikasnijih postupaka prethodne obrade je eksplozija pare koja omogućava gotovo potpunu hidrolizu hemiceluloze i značajno poboljšanje pristupačnosti celuloze enzimima i njene reaktivnosti. Ovoj prethodnoj obradi mogu prethoditi druge obrade.

[0012] Patenti US-8057639 i US-8512512 predlažu postupak koji obuhvata prvu fazu hidrolize hemiceluloze u šećere C5 pod blagim uslovima, čime se čuvaju od degradacije. Ova faza se izvodi u prvom reaktoru pod pritiskom od najmanje 1,5 bar, putem injektovanja pare, na temperaturi od najmanje 110°C, i eventualno u prisustvu slabe kiseline. Nakon ove faze, primenjeno je ispiranje radi ekstrakcije i rekuperacije slatkog soka šećera C5 pre slanja preostale biomase, obogaćene celulozom i ligninom, u drugu fazu (drugi reaktor) gde se odigrava eksplozija pare. Ovaj drugi reaktor radi na višem pritisku od prvog reaktora, sa injektovanjem pare na povišenom pritisku koja izaziva iznenadnu ekspanziju biomase (eksplozija pare).

[0013] Zahtevi patenta WO-2013/141776 opisuju, u industriji papira, postupak impregnacije u vertikalnom reaktoru (impregnatoru) koji sadrži baznu tečnost za impregnaciju, čime se definiše prva zona u kojoj se vrši impregnacija. Lignocelulozna materija se prihvata u dnu impregnatora, prenosi se do vrha impregnatora pomoću dva transportna vijka. Tokom transfera u drugu zonu impregnatora koja se nalazi iznad nivoa tečnosti, biomasa se cedi, i tečnost se vraća u prvu zonu. U ovoj konfiguraciji, nivo tečnosti se kontroliše dodatkom bazne tečnosti.

[0014] Kada je za obradu potrebna faza pod pritiskom (impregnacija, prethodna obrada kao što je kuvanje ili drugo), treba koristiti sredstva za uvođenje čvrste biomase koja su kompatibilna sa ovim fazama pod pritiskom. To je, na primer, slučaj sa kompresionim vijcima, čije otelotvorenje je opisano u zahtevu patenta CA 277322.

[0015] Pronalazak tako ima za cilj da poboljša obradu lignocelulozne biomase. On konkretno ima za cilj da poboljša uvođenje biomase u reaktoru koji obavlja jednu ili više faza obrade biomase.

[0016] Konkretnije, on ima za cilj da poboljša faze impregnacije i eksplozije pare biomase, kao što je opisano u prethodno opisanim navedenim dokumentima. Pronalazak tako ima za cilj da postupak obrade, konkretno ove dve faze, učini efikasnijim, u pogledu potrošnje energije, i/ili fluida za obradu.

[0017] U celom predmetnom tekstu, skraćenica „SM“ označava sadržaj suve materije koji se određuje prema standardu ASTM E1756 - 08(2015) „Standard Test Method for Détermination of Total Solids in Biomass“.

Rezime pronalaska

[0018] Predmet pronalaska je pre svega postupak za obradu lignocelulozne biomase ili lignoceluloznog supstrata koji ima sadržaj suve materije SM najmanje 90% masenih, pri čemu pomenuti postupak obuhvata implementaciju najmanje jednog reaktora za obradu pomenute biomase, gde se biomasa dovodi u jedan ili najmanje jedan od pomenutih reaktora pomoću sredstva za napajanje koje stvara povećanje pritiska između ulaza biomase i izlaza biomase pomenutog sredstva za napajanje, i gde se pomenuto sredstvo za napajanje ispira kruženjem fluida za ispiranje između ulaza za ispiranje i izlaza za ispiranje.

[0019] Prema pronalasku, ponovo se uvodi najmanje deo fluida za ispiranje koji izlazi iz izlaza fluida jednog ili najmanje jednog od sredstava za napajanje u ulaz za ispiranje istog sredstva za napajanje ili nekog drugog od pomenutih sredstava za napajanje.

[0020] Prema pronalasku, pod „lignoceluloznom biomasom koja ima sadržaj suve materije X%“ podrazumeva se bilo biomasa koja prirodno ima sadržaj suve materije X% (takozvana nativna biomasa), ili biomasa koja ima taj sadržaj nakon jedne ili više operacija pre postupka prema pronalasku.

[0021] Zapravo, ispostavilo se da je vrlo povoljno da se „reciklira“ celokupna voda ili deo vode za ispiranje sredstva za napajanje, što, na primer, može biti vijak za napajanje: kada biomasa ne sadrži katalizator, ostvaruje se barem ušteda u potrošnji fluida (vode) za ispiranje.

Takođe može da se ostvari ušteda energije, kada ta voda za ispiranje treba da se greje pre uvođenja u kolo za ispiranje, jer se tako u kolo za ispiranje ponovo injektuje „korišćeni“ fluid koji već ima temperaturu višu od okolne. A kada se radi o ispiranju pomoću sredstva za napajanje biomasom uz dodatak katalizatora (na primer, nakon operacije impregnacije katalitičkom tečnošću koristeći kiseli ili bazni katalizator ili oksidans), ispostavilo se da voda za ispiranje na izlazu sredstva za napajanje može da ima izvesni sadržaj katalizatora (kada se iz biomase uklanja tečnost pri prolasku kroz sredstvo za napajanje), ali da to prisustvo „korišćene“ vode za ispiranje koja pored toga sadrži katalizator na ulazu kola za ispiranje ne predstavlja nikakav problem.

[0022] Imajte u vidu da je otelotvorenje pronalaska jednostavno: prilikom instalacije treba samo predvideti jednu ili više dodatnih cevi koje obezbeđuju direktnu vezu fluida između izlaza za ispiranje i ulaza za ispiranje istog sredstva za napajanje, ili između izlaza za ispiranje jednog sredstva za napajanje i ulaza drugog sredstva.

[0023] Takođe, prema pronalasku može da se sačuva mogućnost da se eventualno pročisti deo vode za ispiranje na izlazu koji se ne reciklira.

[0024] Lignocelulozna biomasa obrađena prema pronalasku ima sadržaj suve materije SM od 5% do 80% masenih. Poželjno, ona sadrži od 75%, konkretno najviše 70 ili 65% masenih, i konkretno najmanje 50% masenih suve materije.

[0025] Biomasa obrađena prema pronalasku dakle ima poželjno određeni sadržaj vlage pre uvođenja u sredstvo za napajanje. Ta voda može biti prirodno prisutna, kao što je slučaj, na primer, sa biomasom u obliku drvene strugotine. Ona takođe prirodno može biti u maloj ili veoma maloj količini, kao što može biti slučaj sa pšeničnom ili kukuruznom slamom. Ako je sadržaj vlage previše mali, biomasa može prethodno da se navlaži da bi se dostigao sadržaj suve materije od najviše 90% ili 80% poželjan u otelotvorenju iz pronalaska. Sredstvo za napajanje prema pronalasku dovodi do kompresije biomase, pri čemu je njegova svrha generalno da uvede biomasu u zonu (reaktor) pod višim pritiskom. Ta kompresija, od tog povišenja pritiska u sredstvu za napajanje, može da dovede do uklanjanja, istiskivanja najmanje dela tečnosti sadržane u biomasi, koja se eventualno meša sa fluidom za ispiranje na izlazu fluida iz sredstva za napajanje. Opciono uklanjanje najmanje dela tečnosti sadržane u biomasi tokom njenog prolaska kroz sredstvo ili jedno od sredstava za napajanje dakle može da se ostvari, što je posledica izbora sredstva za napajanje biomasom.

[0026] Tako, ako je povišen sadržaj suve materije u biomasi, u višem delu prethodno pomenutog opsega (na primer, reda veličine od 70 ili 75% do 90%), neće postojati, ili će biti veoma malo uklanjanje fluida iz te biomase van sredstva za napajanje preko izlaza fluida za ispiranje, i pronalazak posebno omogućava recikliranje fluida za ispiranje injektovanog u sredstvo za napajanje.

[0027] I ako je sadržaj suve materije manji, više u opsegu najnižih vrednosti prethodno pomenutog opsega (na primer, manji od 70%, 65% ili čak manji od 50%), postojaće izvesna ekstrakcija fluida iz biomase, i pronalazak dakle omogućava da je još više smanji dodatak fluida za ispiranje, čak da se isključi, pri čemu ispiranje tako može da se vrši kompletno ili delimično fluidom izvučenim iz biomase.

[0028] Poželjno, sadržaj suve materije SM lignoceluloznog supstrata na izlazu sredstva za napajanje je tako veći ili jednak 20% masenih, i poželjno veći ili jednak 40% masenih.

[0029] Poželjno, povećanje pritiska koje stvara jedno ili najmanje jedno sredstvo za napajanje iznosi najmanje 0,05 MPa, i konkretno iznosi od 0,05 do 4 MPa, na primer, od 0,1 do 2,5 MPa.

[0030] To sredstvo ili ta sredstva za napajanje su, na primer, u obliku vijka za napajanje, konkretno najmanje delimično konusnog oblika, uključujući oblogu sa rešetkom koja omogućava kruženje fluida za ispiranje. Konusni oblik krajnjeg dela generalno, tog tipa vijka će dakle da komprimuje biomasu, stvarajući razliku pritiska. Taj tip sredstva za napajanje predstavlja značajnu prednost: vijak omogućava da se formira hermetički čep biomase koji obezbeđuje zaptivanje i konkretno sprečava podizanje tečnosti iz reaktora u koji se uliva.

[0031] Primer za taj tip vijka je opisan u prethodno pomenutom dokumentu CA 277322.

[0032] Pronalazak dakle može da se primeni na sve obrade biomase u reaktoru koji koristi sredstvo za napajanje biomasom pod pritiskom, i konkretno sve obrade pod pritiskom većim od atmosferskog pritiska ili pritiskom većim od onog na kome se nalazi biomasa pre uvođenja u pomenuti reaktor.

[0033] Prema jednom otelotvorenju, postupak iz pronalaska obuhvata fazu impregnacije biomase pomoću tečnosti za impregnaciju koja sadrži hemijski katalizator. Nakon ove faze može da sledi (direktno ili uz predviđanje jedne ili više međufaza) faza kuvanja, pri čemu se ova faza kuvanja primenjuje putem jednog/više reaktora snabdevenih sredstvom za napajanje.

[0034] Prema jednom otelotvorenju, postupak iz pronalaska obuhvata fazu impregnacije biomase pomoću tečnosti za impregnaciju koja sadrži hemijski katalizator, prolaskom biomase kroz sloj tečnosti ili prskanjem biomase tečnošću na transporteru trakastog tipa ili prolaskom biomase kroz reaktor sa mešanjem.

[0035] Prema drugom otelotvorenju, postupak iz pronalaska obuhvata fazu impregnacije biomase pomoću tečnosti za impregnaciju koja sadrži hemijski katalizator, uvođenjem u reaktor preko pomenutog sredstva za napajanje ili najmanje jednog od pomenutih sredstava za napajanje.

[0036] Prema drugom otelotvorenju, postupak iz pronalaska obuhvata fazu obrade biomase kuvanjem, konkretno u jednom ili više reaktora snabdevenih sredstvom za napajanje.

[0037] Jedan primer otelotvorenja postupka je sledeći: uključuje obradu lignocelulozne biomase, pri čemu pomenuti postupak obuhvata sledeće faze:

a. Priprema tečnosti za impregnaciju namenjene impregnaciji biomase koja sadrži hemijski katalizator, odabran od kiselog katalizatora, baznog katalizatora i oksidacionog katalizatora, i poželjno kiselog katalizatora, u zoni za pripremu.

b. Uvođenje smrvljene biomase preko ulaza u reaktor za impregnaciju pomoću prvog sredstva za napajanje, pri čemu se pomenuto prvo sredstvo za napajanje ispira kruženjem prvog fluida za ispiranje između ulaza i izlaza pomenutog sredstva.

c. Uvođenje tečnosti u reaktor za impregnaciju putem prvog ulaza tečnosti iz reaktora. d. Prenos impregnirane i oceđene biomase od izlaza reaktora za impregnaciju ka ulazu reaktora za prethodnu obradu kuvanjem, pri čemu se uvođenje u pomenuti reaktor za prethodnu obradu vrši pomoću drugog sredstva za napajanje, pri čemu se drugo sredstvo za napajanje ispira kruženjem drugog fluida za ispiranje između ulaza i izlaza pomenutog sredstva za napajanje.

e. Prethodna obrada pomenute biomase kuvanjem u pomenutom reaktoru.

[0038] Postupak takođe obuhvata sledeću fazu (ili faze):

f. Ponovno uvođenje barem jednog dela prvog i/ili drugog fluida za ispiranje koji izlazi iz izlaza fluida pomenutog prvog ili pomenutog drugog sredstva za napajanje u ulaz za ispiranje pomenutog prvog sredstva za napajanje i/ili drugog sredstva za napajanje.

[0039] Poželjno, impregnacija i prethodna obrada kuvanjem na paru se vrši kontinualno. Međutim, pronalazak se takođe primenjuje na postupak gde su ove dve faze diskontinualne, putem „šarže“. Poželjno, nakon kuvanja sledi eksplozija pare, ali ova faza eksplozije je opciona.

[0040] Poželjno, impregnacija u ovom otelotvorenju može da se vrši u reaktoru čiji ulaz biomase se nalazi u prvoj zoni impregnacije pomenutog reaktora za impregnaciju koji obuhvata dve preklopljene zone, pomenutu prvu zonu impregnacije i drugu, takozvanu zonu ceđenja, koja je iznad zone impregnacije i koja ima izlaz za impregniranu i oceđenu biomasu. Još poželjnije, u ovoj konfiguraciji reaktora, uvođenje tečnosti u pomenuti reaktor se vrši preko prvog ulaza reaktorske tečnosti koji se nalazi u pomenutoj prvoj zoni impregnacije reaktora.

[0041] Pronalazak dakle u ovom primeru predlaže da se reciklira, da se ponovo koristi, kompletno ili delimično, fluid za ispiranje dva vijka za napajanje. Posebno je povoljno što se pokazalo da delotvorno može da se reciklira jedan i/ili drugi fluid za ispiranje, ili oba, a da to ni na koji način ne utiče na kvalitet impregnacije ili kuvanja.

[0042] Ta reciklaža može da se vrši na različite načine, veoma fleksibilno, i to za svaki od fluida za ispiranje:

Tako, fluid za ispiranje sredstva za napajanje reaktora za impregnaciju generalno je na bazi vode, i na izlazu sredstva za napajanje on uglavnom prikuplja takozvanu „korišćenu“ vodu. Recikliranje pomenute korišćene vode i njeno ponovno uvođenje na ulaz jednog ili drugog sredstva za napajanje sa vijkom omogućava značajno smanjenje potrošnje procesne vode. Sa druge strane, kada se ta voda greje, takođe se primećuje energetski dobitak, jer je vodu za ispiranje globalno potrebno manje grejati. Kruženje fluida za ispiranje u zatvorenoj petlji je zato veoma pogodno.

[0043] Što se tiče fluida za ispiranje sredstva za napajanje reaktora za prethodnu obradu kuvanjem, situacija je malo drugačija, jer fluid za ispiranje, generalno takođe voda, ima tendenciju da se puni katalizatorom ispirajući sredstvo za napajanje koje transportuje biomasu već impregniranu katalitičkom tečnošću: u ovom vijku se vrši izbacivanje dela tečnosti impregnirane biomase koja sadrži katalizator, i ta tečnost se na izlazu iz vijka meša sa njegovom vodom za ispiranje. Na izlazu iz ovog sredstva za napajanje obično govorimo o presatu. Ovaj presat takođe može da se reciklira, bio da bi se vratio na ulaz za ispiranje sredstva za napajanje reaktora za prethodnu obradu, bilo da bi otišao na ulaz za ispiranje prvog sredstva za napajanje. Čak i kada je tečnost za impregnaciju vrlo kisela, pa je takav, u manjoj meri, i presat, to ne predstavlja nikakav problem za opremu, pošto je sredstvo za napajanje biomasom reaktora za impregnaciju generalno konstruisano da bez oštećenja izdrži kontakt sa katalitičkom tečnošću (kako bi se sprečilo eventualno podizanje tečnosti u sredstvu za snabdevanje biomasom).

[0044] U oba slučaja, i dalje je moguće da jedan deo korišćene vode i/ili presata takođe ide na pročišćavanje. Ta dva slučaja su alternativna ili kumulativna.

[0045] Prema poželjnom otelotvorenju, postupak iz pronalaska takođe obuhvata ponovno uvođenje dela prvog i/ili drugog fluida za ispiranje koji izlazi iz izlaza fluida prvog ili drugog sredstva za napajanje u zonu za pripremu tečnosti za impregnaciju radi pripreme a.) pomenute tečnosti.

[0046] Po potrebi u toku postupka može da se podešava i menja udeo fluida za ispiranje na izlazu koji će biti ponovo uveden u sredstvo za napajanje u odnosu na udeo koji se koristi za pripremu katalitičke tečnosti ili u odnosu na udeo koji ide na pročišćavanje.

[0047] U slučaju kada se deo presata ponovo uvodi u zonu za pripremu tečnosti, prednost je dvostruka, jer se smanjuje potrošnja vode za pripremu tečnosti, ali i potrošnja katalizatora, pošto ga presat sadrži. Faza pripreme tečnosti se izvodi generalno sa različitim sredstvima za regulaciju u pogledu određenih fizičko-hemijskih parametara, kao što je temperatura, sadržaj katalizatora u tečnosti (putem podešavanja pH, na primer kada se radi o kiseloj ili baznoj

1

katalizi), taj dodatak dodatnog katalizatora može tako da se uzme u obzir preko tih sredstava za regulaciju da bi se održale željene karakteristike tečnosti.

[0048] Ispiranje prvog i/ili drugog sredstva za napajanje može da se vrši kontinualno ili diskontinualno, dakle sa trajnim ispiranjem ili, na primer, prema zadatim vremenskim intervalima. Protok cirkulacije pri ispiranju takođe može da varira, konkretno u funkciji protoka mase biomase uvedene u jedan i drugi reaktor.

[0049] Ponovno uvođenje jednog dela prvog i/ili drugog fluida za ispiranje koji izlazi iz izlaza fluida pomenutog prvog ili pomenutog drugog sredstva za napajanje u ulaz za ispiranje prvog sredstva za napajanje i/ili drugog sredstva za napajanje takođe može da se vrši kontinualno ili diskontinualno.

[0050] Prema jednom otelotvorenju, deo prvog fluida za ispiranje na izlazu ispiranja prvog sredstva za napajanje ponovo se uvodi u ulaz za ispiranje prvog ili drugog sredstva za napajanje, i drugi deo pomenutog fluida za ispiranje ponovo se uvodi u zonu za pripremu tečnosti u cilju njene pripreme.

[0051] Simetrično, prema drugom otelotvorenju koje je kompatibilno sa prethodnim, deo drugog fluida za ispiranje na izlazu ispiranja drugog sredstva za napajanje ponovo se uvodi u ulaz za ispiranje prvog ili drugog sredstva za napajanje, i drugi deo pomenutog fluida za ispiranje ponovo se uvodi u zonu za pripremu tečnosti u cilju njene pripreme.

[0052] Prema jednom otelotvorenju, ispiranje sredstva za napajanje se vrši u prisustvu biomase sa dodatim katalizatorom, konkretno kiselim ili baznim ili oksidacionim katalizatorom, fluid za ispiranje koji izlazi iz izlaza fluida pomenutog sredstva za napajanje ima izvesni sadržaj pomenutog katalizatora kada je biomasa podvrgnuta uklanjanju tečnosti pri prolasku kroz pomenuto sredstvo za napajanje, i pomenuti fluid za ispiranje koji sadrži taj katalizator ponovo se uvodi najmanje delimično na ulaz za ispiranje istog sredstva za napajanje ili drugog od pomenutih sredstava za napajanje, konkretno koje prenosi biomasu bez katalizatora. Termin „katalizator“ ovde je uzet u širem smislu, kao svaki aktivni reagens koji može da interaguje sa biomasom, konkretno radi izmene jednog od njenih fizičkohemijskih ili reoloških svojstava. U pronalasku, otkrili smo da može da se reciklira voda za ispiranje, čak i sa dodatkom takvog katalizatora, kako bi se uvela bilo u isto ili drugo sredstvo za napajanje, koje transportuje samo biomasu: pokazalo se da činjenica da ponovo uvedena voda za ispiranje nije čista voda nego ima dodat katalizator nema štetan uticaj na postupak u celini, što je neočekivano.

[0053] Pronalazak takođe ima za cilj postrojenje koja primenjuje goreopisani postupak, konkretno postrojenje koje sadrži najmanje reaktor za obradu lignocelulozne biomase koja ima sadržaj suve materije od najviše 90% masenih sa napajanjem biomasom jednog ili najmanje jednog od pomenutih reaktora pomoću sredstva za napajanje koje stvara povećanje pritiska između ulaza biomase i izlaza biomase pomenutog sredstva za napajanje. Ispiranje pomenutog sredstva za napajanje se vrši cirkulacijom fluida za ispiranje između ulaza za ispiranje i izlaza za ispiranje, i sredstva za ponovno uvođenje najmanje jednog dela fluida za ispiranje koji izlazi iz izlaza fluida jednog ili najmanje jednog od sredstava za napajanje na ulazu za ispiranje istog sredstva za napajanje ili drugog od pomenutih sredstava za napajanje.

[0054] Pronalazak takođe ima za cilj otelotvorenje postrojenja za obradu lignocelulozne biomase, koja obuhvata:

• Zonu za pripremu tečnosti za impregnaciju koja sadrži hemijski katalizator za impregnaciju biomase, odabran od kiselog katalizatora, baznog katalizatora ili oksidacionog katalizatora, i poželjno kiselog katalizatora, i opremljenu izlazom tečnosti

• Reaktor za impregnaciju, koji sadrži konkretno prvu zonu za impregnaciju snabdevenu ulazom biomase i drugu zonu koja se preklapa sa prvom, takozvanu zonu ceđenja, pri čemu je pomenuti reaktor opremljen ulazom i izlazom biomase

• Prvo sredstvo za napajanje smrvljenom biomasom reaktora za impregnaciju putem ulaza biomase reaktora za impregnaciju, koji se konkretno nalazi u prvoj zoni za impregnaciju

• Sredstvo za napajanje tečnošću za impregnaciju reaktora koje povezuje izlaz tečnosti iz zone za pripremu tečnosti sa prvim ulazom tečnosti u reaktor za impregnaciju, konkretno u njegovoj prvoj zoni za impregnaciju

• Reaktor za prethodnu obradu impregnirane biomase eksplozijom pare čiji jedan ulaz biomase je povezan sa izlazom biomase reaktora za impregnaciju

• Drugo sredstvo za napajanje impregniranom biomasom reaktora za prethodnu obradu putem ulaza biomase navedenog reaktora za prethodnu obradu

• Kruženje fluida za ispiranje između ulaza i izlaza prvog sredstva za napajanje smrvljenom biomasom reaktora za impregnaciju

• Kruženje fluida za ispiranje između ulaza i izlaza drugog sredstva za napajanje impregniranom biomasom reaktora za prethodnu obradu

• Postrojenje takođe obuhvata

• Sredstvo za ponovno uvođenje barem jednog dela prvog i/ili drugog fluida za ispiranje koji izlazi iz izlaza fluida pomenutog prvog ili pomenutog drugog sredstva za napajanje u ulaz za ispiranje pomenutog prvog sredstva za napajanje i/ili drugog sredstva za napajanje.

[0055] Poželjno, postrojenje takođe obuhvata sredstvo za ponovno uvođenje dela prvog i/ili drugog fluida za ispiranje koji izlazi iz izlaza fluida prvog ili drugog sredstva za napajanje u zonu za pripremu tečnosti za impregnaciju.

[0056] Poželjno, instalacija može da predvidi sredstvo za ponovno uvođenje dela prvog fluida za ispiranje na izlazu ispiranja prvog sredstva za napajanje u ulaz za ispiranje prvog ili drugog sredstva za napajanje, i sredstvo za ponovno uvođenje drugog dela pomenutog fluida u zonu za pripremu tečnosti.

[0057] Postrojenje takođe može da predvidi sredstvo za ponovno uvođenje dela drugog fluida za ispiranje na izlazu ispiranja drugog sredstva za napajanje u ulaz za ispiranje prvog ili drugog sredstva za napajanje, i sredstvo za ponovno uvođenje drugog dela pomenutog fluida u zonu za pripremu tečnosti.

[0058] Ta sredstva za ponovno uvođenje su pogodno cevi ili sklop cevi koji omogućavaju željenu hidrauličku konekciju, čije ostvarenje je poznato u struci.

[0059] Pronalazak takođe ima za cilj upotrebu prethodno opisanog postupka ili postrojenja za obradu kompletne lignocelulozne biomase, kao što je drvo, slama, poljoprivredni ostaci, i svi namenski energetski usevi, koji mogu biti godišnje ili višegodišnje biljke, kao što je kineski šaš (lat. Miscanthus), u cilju proizvodnje šećera, biogoriva ili molekula iz bioloških izvora.

Detaljan opis

1

[0060] Pronalazak će u nastavku biti detaljno opisan pomoću neograničavajućih primera iz postupka prema pronalasku, ilustrovanog sledećim slikama:

• Slika 1: sinoptički prikaz, tipa blok dijagrama, opšteg principa postupka obrade biomase prema pronalasku,

• Slika 2: sinoptički prikaz, tipa blok dijagrama, prvog otelotvorenja postupka obrade biomase prema pronalasku,

• Slika 3: sinoptički prikaz, tipa blok dijagrama, drugog otelotvorenja postupka obrade biomase prema pronalasku,

• Slika 4: sinoptički prikaz, tipa blok dijagrama, trećeg otelotvorenja postupka obrade biomase prema pronalasku,

[0061] Slika 1 je dakle prikaz principa postupka, a Slika 2 je koncentrisana na dve faze obrade biomase: impregnaciju katalizatorom, a zatim kuvanje. Slike 3 i 4 opisuju kompletan postupak obrade biomase do njene enzimske hidrolize, nakon impregnacije i kuvanja.

[0062] Pronalazak se posebno odnosi na prve dve faze, a to je impregnacija smrvljene biomase i obrada kuvanjem biomase nakon impregnacije.

Opis slika polazeći od sledećih referenci

[0063] Iste reference koje odgovaraju istim komponentama / tečnostima / proizvodima na svim slikama:

1: Ulaz vode u rezervoar za pripremu tečnosti

2: Ulaz kiseline u rezervoar za pripremu tečnosti

3: Oprema (rezervoar) za pripremu tečnosti

4: Kisela tečnost ka opremi (reaktoru) za impregnaciju

5: Smrvljena biomasa

6: Vijak ili pužni dozator opreme za impregnaciju

7: Voda za ispiranje pužnog dozatora opreme za impregnaciju

8: Izlaz tečnosti za ispiranje iz pužnog dozatora opreme za impregnaciju

9, 9': Oprema (reaktor) za impregnaciju

9a: Zona impregnacije rezervoara za impregnaciju 9

9b: Zona ceđenja rezervoara za impregnaciju 9

10: Impregnirana i oceđena biomasa

11: Vijak ili pužni dozator opreme za prethodnu obradu

12: Voda za ispiranje pužnog dozatora opreme za prethodnu obradu

13: Presat pužnog dozatora opreme za prethodnu obradu

13.a: Presat prema pročišćavanju

13.b: Reciklaža presata za ispiranje pužnog dozatora opreme za prethodnu obradu 13.c: Reciklaža presata u rezervoaru za pripremu kisele tečnosti 3

13.d: Reciklaža presata za ispiranje pužnog dozatora opreme za impregnaciju

14: Oprema za prethodnu obradu kuvanjem (reaktor za eksploziju)

15: Injektovanje pare za prethodnu obradu

16: Prethodno obrađena biomasa i para

17: Oprema (ciklon) za razdvajanje pare i prethodno obrađene biomase

18: Para ka kondenzaciji

19: Prethodno obrađena biomasa

20: Enzimska hidroliza

21: Šira od enzimske hidrolize koja sadrži šećere

22: Alkoholna (etanolna) fermentacija

23: Fermentaciono vino koje sadrži etanol (alkohol)

24: Destilacija

25: Koncentrovani alkohol

26: Sirova komina

[0064] Slika 1 na šematski način prikazuje princip pronalaska u najjednostavnijem otelotvorenju (postupak čiji detaljni podaci i različite faze su opisane u nastavku pomoću slika 2 do 4): biomasa 5,10 (impregnirana katalitičkom tečnošću ili ne) uvodi se u reaktor 9,14 radi obrade, pomoću sredstva za napajanje pod pritiskom 6,11 koje je vijak, i na engleskom se zove „Plug Screw Feeder“, čiji krajnji deo je konusan, koji ima oblogu sa rešetkom za ceđenje, ulaz vode za ispiranje 7,12 i izlaz vode za ispiranje 8,13. Hermetički čep od biomase se stvara u donjem delu vijka, koji stvara pritisak na biomasu što dovodi do razlike pritisaka između ulaza biomase i izlaza biomase iz vijka od najmanje 0,05 MPa, na primer, oko 0,5 MPa. Pritisak koji se primenjuje na biomasu može dovesti do istiskivanja dela tečnosti sadržane u biomasi, konkretno kada je SM biomase manja od 80% pre njenog ulaza u sredstvo za napajanje pod pritiskom 6,11. Tako izvučena tečnost se meša sa vodom za ispiranje i istiskuje se sa korišćenom vodom za ispiranje 8,13.

[0065] Prema pronalasku, najmanje jedan deo vode za ispiranje na izlazu vijka 8,13 se ponovo injektuje na ulaz vode za ispiranje 7,12 vijka. Napominjemo da je i dalje moguće da

1

jedan deo vode za ispiranje na izlazu bude jednostavno pročišćen, i da jedan deo vode za ispiranje na ulazu dolazi iz priliva vode kao u prethodnom stanju tehnike, da bi se dopunila količina reciklirane vode na ulazu vijka, precizno ili sistematski.

[0066] U ovom prikazu, reciklaža vode za ispiranje se primenjuje na istom vijku, ali, kao što će detaljnije biti opisano pomoću drugih slika, pronalazak se takođe odnosi na totalnu ili delimičnu reciklažu vode za ispiranje na izlazu vijka ka ulazu drugog sredstva za napajanje, kada postupak predviđa više vijaka za napajanje za više reaktora.

[0067] Sadržaj suve materije u biomasi na ulazu vijka za napajanje ovde je 50%. Moguće je da jedan deo tečnosti biomase bude izvučen tokom njenog transporta u vijku, pri čemu se izvučena voda meša sa korišćenom vodom za ispiranje na izlazu ispiranja vijka. Što je sadržaj suve materije u biomasi manji, biće veće izvlačenje fluida iz biomase u vijku za napajanje, i taj fluid će dopuniti, ili eventualno ukupno zameniti fluid za ispiranje na ulazu vijka.

[0068] Slika 2 predstavlja fazu impregnacije biomase pomoću kisele tečnosti, a zatim fazu kuvanja koja je deo obrade biomase:

Postupak se odvija na sledeći način: Voda i kiselina se uvode preko cevi 1, odnosno 2 u rezervoar za pripremu kisele tečnosti 3. Kisela tečnost iz cevi 4 se zatim injektuje u uređaj za impregnaciju 9' kako bi se pomešala sa smrvljenom biomasom. Uređaj za impregnaciju je ovde transporter, tipa transportne trake koja je u translacionom kretanju pogonjena rotacijom nosećih valjaka trake, i na tu traku je stavljena biomasa prema zadatoj debljini. Tokom transporta, biomasa je podvrgnuta prskanju kiselom tečnošću uzetom iz rezervoara 3, preko mlaznica postavljenih iznad trake. Višak tečnosti može da se prikupi ispod trake u zoni sakupljanja, kako bi se eventualno kompletno ili delimično reciklirao.

[0069] Impregnirana biomasa 10, eventualno prethodno oceđena, uvodi se u jedinicu za obradu 14 pomoću drugog vijka za napajanje tipa „Plug Screw Feeder“ 11, koji komprimuje biomasu i formira čep od biomase. Ovaj hermetički čep biomase obezbeđuje zaptivanje i sprečava gubitak pare kada se reakcija kuvanja u ovom reaktoru 14 biomase izvodi eksplozijom pare. Tokom ove kompresije u vijku 11, vrši se separacija u čvrstoj/tečnoj fazi, i korišćena kisela tečnost se uklanja preko rešetke obloge vijka. Taj vijak se ispira vodom iz cevi 12 koja se tako meša sa korišćenom kiselom tečnošću, smeša vode za ispiranje i

1

korišćene kisele tečnosti (nazvana presat) odvodi se u cev 13. Presat pored toga može da sadrži čvrstu supstancu nastalu ispiranjem vijka 11.

[0070] Opciono, faza separacije u čvrstoj/tečnoj fazi se vrši na ovom toku 13, na primer, pomoću uređaja koji koristi rešetku zakrivljenog oblika.

[0071] Tok 13 zatim može biti usmeren ka:

• pročišćavanju preko cevi 13a,

• reciklaži preko cevi 13b, da zameni svu vodu za ispiranje 12 vijka 11 ili njen deo, • reciklaži u rezervoaru za pripremu kisele tečnosti 3 preko cevi 13c.

[0072] Ovde postoje različite mogućnosti:

• prema jednom otelotvorenju, ceo tok 13 se šalje u cev 13b da zameni svu vodu za ispiranje 12 ili njen deo,

• prema drugom otelotvorenju, samo deo toka 13 se šalje u cev 13b da zameni svu vodu za ispiranje 12 ili njen deo, a ostatak se šalje putem cevi 13c da doprinese proizvodnji tečnosti (na primer, u zapreminskom udelu između dve varijante od 20/80 do 80/20).

[0073] Biomasa se obrađuje u opremi za obradu 14 kuvanjem i eksplozijom pare, na način opisan na sledećim slikama.

[0074] Slika 3 predstavlja varijantu u odnosu na sliku 2 prema načinu impregnacije biomase, i takođe predstavlja krajnje faze kuvanja/eksplozije pare biomase.

[0075] Ovde su opisane samo razlike u odnosu na postupak prema slici 2, inače su dva postupka izvedena identično.

[0076] Voda i kiselina se uvode preko cevi 1, odnosno 2 u rezervoar za pripremu kisele tečnosti 3. Kisela tečnost iz cevi 4 se zatim injektuje u uređaj za impregnaciju 9 kako bi se pomešala sa smrvljenom biomasom. Ovde se radi o reaktoru, koji je ovde suštinski vertikalno raspoređen,

[0077] Prethodno smrvljena biomasa se uvodi u postupak putem cevi 5 u vijak za napajanje 6, sličan vijku 11 koji je već opisan na prethodnoj slici, takođe sa kolom za ispiranje vodom.

1

Ovaj vijak omogućava nastajanje hermetičkog čepa biomase koji obezbeđuje zaptivanje i sprečava odlazak kisele tečnosti. Ovaj levak se ispira vodom koja ulazi putem cevi 7 i ponovo izlazi putem cevi 8. Na izlazu iz vijka, ekspanzija čepa se vrši u donjoj zoni reaktora za impregnaciju 9. Biomasa se impregnira kiselom tečnošću u zoni za impregnaciju 9a pre ceđenja u zoni za ceđenje 9b. Ona se transportuje u reaktor 9 preko jednog ili dva vijka za transport.

[0078] Tok 13 zatim, kao prethodno, može biti usmeren ka:

• pročišćavanju preko cevi 13a

• reciklaži preko cevi 13b, da zameni svu vodu za ispiranje 12 vijka 11 ili njen deo • reciklaži u rezervoaru za pripremu kisele tečnosti 3 preko cevi 13c,

• ali postoji i druga mogućnost, jer ovde tok 13 takođe može da se reciklira putem cevi 13d da zameni svu vodu za ispiranje 7 vijka 6 ili njen deo.

[0079] Pređimo na detaljniji opis reaktora 14 koji je zajednički za slike 2 do 4, i na faze nakon obrade u ovom reaktoru 14:

Para neophodna za zagrevanje reaktora 14 uvodi se putem cevi 15. Na izlazu reaktora, smeša biomasa/para se opušta i vodi kroz liniju 16 do opreme za separaciju 17. Oprema za separaciju 17 može biti tipa ciklona, ona omogućava razdvajanje pare 18 od prethodno obrađene biomase 19.

[0080] Prethodno obrađena biomasa se zatim transformiše u opremi za transformaciju 20 u širu 21 koja sadrži šećere koristeći enzimski koktel. Šećeri se prevode u alkohol (npr.: etanol, butanol) fermentacijom u fazi 22 fermentacije. Fermentaciono vino 23 se šalje u fazu separacije i prečišćavanja 24. Faza 24, ostvarena, na primer, destilacijom, omogućava separaciju toka 25 koji sadrži koncentrovani alkohol od sirove komine (korišćena voda, preostali lignin) 26.

[0081] Ovde nećemo detaljno opisivati radne uslove faze eksplozije pare, prevođenja u širu i fermentacije, jer se smatra da su poznati stručnjaku.

[0082] Slika 4 predstavlja varijantu u odnosu na sliku 3.

[0083] Dodatne reference u odnosu na sliku 3 su sledeće:

1

8: Izlaz korišćene tečnosti za ispiranje iz vijka 6 opreme za impregnaciju

8.a: Korišćena tečnost za ispiranje prema pročišćavanju

8.b: Reciklirana tečnost za ispiranje, za ispiranje vijka opreme za impregnaciju

8.c: Reciklirana tečnost za ispiranje u rezervoaru za pripremu kisele tečnosti 3

8.d: Reciklirana tečnost za ispiranje, za ispiranje vijka 11 opreme za prethodnu obradu 14

[0084] Ovde su opisane samo razlike u odnosu na postupak prema slici 3, inače su dva postupka izvedena identično:

Ovde se takođe reciklira voda za ispiranje 8 vijka za napajanje 6 prema različitim alternativnim ili kumulativnim mogućnostima. Tečnost za ispiranje 8 vijka za transport 6 može biti:

• pročišćena iz sistema preko cevi 8a

• reciklirana preko cevi 8b da zameni vodu za ispiranje 7 vijka za napajanje 6 reaktora za impregnaciju 9

• reciklirana preko cevi 8c u rezervoar za kiselu tečnost 3

• reciklirana preko cevi 8d da zameni vodu za ispiranje 12 vijka za napajanje 11 opreme / reaktora za eksploziju 14.

[0085] Prema drugom otelotvorenju pronalaska, ceo tok 8 se šalje u cev 8b ili u cev 8d da zameni svu vodu za ispiranje 12 ili 7 ili njen deo. Prema drugom otelotvorenju, jedan deo se šalje u cev 8b ili 8b, i ostatak se šalje preko cevi 8c da doprinese pripremi tečnosti za impregnaciju. Zapreminski odnos dva dela može biti od 80/20 do 20/80.

[0086] U svim slučajevima sa slike, bilo da se odnose na reciklažu korišćene vode vijka 6 ili presata vijka 11, deo takođe može biti uklonjen da ide na pročišćavanje (cevi 13a, 8a).

[0087] Naravno, podjednako je u okviru pronalaska da se kombinuje reciklaža korišćene vode za ispiranje vijka 6 sa onom od presata vijka 11, ili da se reciklira samo jedna ili druga.

[0088] U nastavku su neki detalji ili radne varijante za prethodno opisane prve dve faze obrade biomase:

Faza impregnacije se izvodi na temperaturi od 10 do 95°C, a vreme boravka biomase u pomenutoj fazi impregnacije je od 20 sekundi do 12 sati. Poželjno, vreme boravka biomase je od 30 sekundi do 60 minuta.

1

[0089] Faza impregnacije može da se izvodi šaržno ili kontinualno. Poželjno, ova faza se izvodi kontinualno. Faza impregnacije se poželjno vrši na atmosferskom pritisku. Poželjno, faza impregnacije se izvodi u jednoj jedinoj fazi.

[0090] U fazi impregnacije se ostvaruje dovođenje u kontakt biomase i kisele tečnosti. Ona može da se vrši, na primer, putem namakanja ili prskanja.

[0091] Faza impregnacije se vrši u opremi poznatoj stručnjaku, na primer, u reaktoru sa mešanjem, horizontalnim ili vertikalnim prolaskom biomase kroz sloj tečnosti, prskanjem na traci koja transportuje biomasu (kao što se vidi na slici 2) ili u vijku za transport.

[0092] Reaktor za impregnaciju ili impregnator generalno ima jedan ili više alata koji prenose lignocelulozni supstrat od ulaza do otvora za izlaz. Ti alati, na primer, mogu biti vijak ili traka. Impregnator pored toga ima jednu ili više cevi za dovođenje kisele tečnosti kao i, po potrebi, jednu ili više cevi za izvlačenje kisele tečnosti. Pomenute ulazne i izlazne cevi kisele tečnosti su generalno montirane tako da funkcionišu sa istosmernom ili protivstrujnom reciklažom.

Faza prethodne obrade (kuvanje):

[0093] Lignocelulozni supstrat se podvrgava ovoj fazi prethodne obrade, koja posebno ima za cilj da modifikuje fizička i fizičko-hemijska svojstva celulozne frakcije, kao što je njen stepen polimerizacije i kristalno stanje.

[0094] Faza prethodne obrade uključuje zonu kuvanja. To kuvanje se vrši na temperaturi od 100°C do 250°C, poželjnije od 130°C do 230°C, pod pritiskom od 0,1 do 4 MPa. Vreme boravka u zoni kuvanja je od 10 sekundi do 4 sata, poželjnije od 3 minuta do 1 sata.

[0095] Kuvanje može da se izvodi šaržno ili kontinualno. Ono može da se vrši u svakoj opremi poznatoj stručnjaku, na primer, u reaktoru sa mešanjem, horizontalnom cevnom reaktoru sa vijčanim transporterom, šaržnom reaktoru bez mešanja, itd. Toplotna energija potrebna za kuvanje može se dovesti putem toplotne razmene sa rashladnim sredstvom (indirektno), pomoću električnog grejanja, ili direktnim injektovanjem tople tečnosti, na primer, vode pod pritiskom ili pare.

2

[0096] Izlaz čvrste supstance na kraju kuvanja može da se izvede brzom dekompresijom, sporom dekompresijom, nakon pada temperature izazvanog putem direktne ili indirektne toplotne razmene, itd.

[0097] U jednom (poželjnom) otelotvorenju, zona kuvanja se zagreva parom putem direktnog injektovanja, a zatim sledi nagla dekompresija okoline, i taj postupak je poznat pod imenom eksplozija pare („SteamEx“ ili „Steam Explosion“ prema anglosaksonskoj terminologiji). To je postupak u kome se lignocelulozni supstrat brzo dovodi na visoku temperaturu injektovanjem pare pod pritiskom. Prestanak obrade se vrši naglom dekompresijom.

[0098] Radni uslovi postupka eksplozije pare su sledeći:

• para se injektuje direktno u reaktor;

• temperatura reaktora je generalno od 150 do 250°C, poželjno od 160°C do 220°C, • pritisak je od 0,5 do 2,5 MPa, poželjnije od 0,8 do 2,0 MPa.

• Vreme zadržavanja pre faze opuštanja varira od 10 sekundi do 25 minuta, poželjnije od 3 minuta do 15 minuta.

[0099] Eksplozija pare može da se izvodi šaržno ili kontinualno, a faza dekompresije koja omogućava uništavanje strukture biomase može da se odvija u jednoj ili više faza.

[0100] U nastavku ćemo opisati primere otelotvorenja ove ili ovih reciklaža, koristeći postupak prema slici 4:

Uporedni primer 1

[0101] Ovo je primer samo sa reciklažom korišćene vode od ispiranja za dopunu vode u rezervoaru za pripremu tečnosti. Biomasa koja se obrađuje je drvo sa sledećim karakteristikama:

Šarža: Drvo topole, protok 7,47 tona/sat, sadržaj suve materije (SM): 50%, prosečni sastav (osnovna SM):

[0102] Skraćenica „SM“ označava sadržaj suve materije koji se određuje prema standardu ASTM E1756 - 08(2015) „Standard Test Method for Détermination of Total Solids in Biomass“.

[0103] Drvo se koristi u obliku strugotine karakteristične dimenzije 50 mm. Temperatura strugotine na ulazu u uređaj je temperatura okoline. Strugotine 5 se transportuju ka reaktoru za impregnaciju 9 pomoću konusnog vijka 6. Taj vijak se ispira vodom za ispiranje 7,8 pri protoku od 1 tone/h. Tokom kompresije koju vrši vijak 6, tečnost se izvlači iz strugotina topolovine brzinom od 0,679 tona/h, i ukupni protok korišćene vode za ispiranje vijka 6 reaktora za impregnaciju 9 tako iznosi 1,679 tona/h.

[0104] U reaktor za impregnaciju 9 se uvode:

• komprimovane drvene strugotine, preko konusnog vijka 6

• 2,9 tona/sat kisele tečnosti 4 pripremljene sa vodom 1 i sumpornom kiselinom 2 u masenoj koncentraciji od 1,57% masenih (mas.), na temperaturi od 90°C

[0105] Impregnirane strugotine izlaze iz reaktora za impregnaciju 9 i prenose se do reaktora za eksploziju pare 14. Ulaz u reaktor za prethodnu obradu se vrši putem transporta drugim konusnim vijkom 11. Taj vijak se ispira vodom za ispiranje pri protoku od 0,6 tona/h. Tokom kompresije koju vrši vijak 11, tečnost se izvlači iz impregniranih strugotina topolovine brzinom od 2,95 tona/h, i ukupni protok korišćene vode za ispiranje vijka 6 reaktora za impregnaciju 9 tako iznosi 3,55 tona/h. Taj tok sadrži 0,5% mas. H2SO4.

[0106] Prethodna obrada eksplozijom pare se vrši na 200°C u kontinualnoj konfiguraciji koristeći kratko vreme zadržavanja. Medijum se naglo spušta na pritisak od 1,3 atm.

[0107] Rezervoar 3 za pripremu kisele tečnosti koji se nalazi ushodno od impregnacije isporučuje protok od 2,9 tona/h kisele tečnosti. Ova tečnost se priprema od vode i 96% sumporne kiseline, a odgovarajući protok je 2,8526 tona/h vode i 0,0474 tone/h koncentrovane 96% sumporne kiseline. Ukupna potrošnja vode u ovoj konfiguraciji je 4,5526 tona/h, a ukupna potrošnja kiseline je 0,0474 tone/h koncentrovane 96% sumporne kiseline.

[0108] Korišćena voda za ispiranje vijka 6 i 11 šalje se na pročišćavanje preko cevi 8a i 13a.

Uporedni primer 2

[0109] On koristi uporedni primer 1, sa tom razlikom što se ovde deo 13c toka od ispiranja vijka 11 reaktora za eksploziju pare 14 šalje u rezervoar 3 za pripremu kisele tečnosti: ovaj protok je jednak potrebnoj tečnosti, uzimajući u obzir dodatak kiseline potreban da se dobije ciljna kiselost. Tako, protok reciklirane tečnosti je 2,8675 tona/h i protok dodate kiseline je 0,0325 tona/h 96% mas. sumporne kiseline. U ovoj drugoj konfiguraciji, ukupna potrošnja vode je 1,6 tona/h (za ispiranje vijka 11) a potrošnja kiseline je 0,0325 tona/h 96% mas. sumporne kiseline. Treba obraditi tok od 2,362 tone/h korišćene vode.

Primer 3 prema pronalasku

[0110] U ovom primeru, prikazan je postupak impregnacije prema pronalasku i prethodna obrada drveta, uz obradu iste šarže kao u prethodnim uporednim primerima 1 i 2. Drvo se koristi u obliku strugotine karakteristične dimenzije 50 mm. Temperatura strugotine na ulazu u uređaj je temperatura okoline.

[0111] Strugotine se transportuju ka reaktoru za impregnaciju 9 pomoću konusnog vijka 6. Taj vijak se ispira vodom za ispiranje 7,8, 13d pri protoku od 1,0 tone/h, pri čemu ta voda dolazi iz smeše vode 7 i tečnosti za ispiranje 13d vijka 11 reaktora za prethodnu obradu 14. Tokom kompresije koju vrši vijak 6, tečnost se izvlači iz strugotina topolovine brzinom od 0,679 tona/h, i ukupni protok korišćene vode za ispiranje vijka 6 reaktora za impregnaciju 9 tako iznosi 1,679 tona/h.

[0112] U reaktor za impregnaciju 9 se uvode:

• komprimovane drvene strugotine, preko konusnog vijka 6

• 2,9 tona/sat kisele tečnosti 4 pripremljene sa vodom 1 i sumpornom kiselinom 2 u masenoj koncentraciji od 1,57% mas., na temperaturi od 90°C

[0113] Impregnirane strugotine izlaze iz reaktora za impregnaciju 9 i prenose se do reaktora za eksploziju pare 14. Ulaz u reaktor za prethodnu obradu 14 se vrši putem transporta drugim konusnim vijkom 11. Taj vijak 11 se ispira vodom za ispiranje 12,13 pri protoku od 0,6 tona/h. Tokom kompresije koju vrši vijak 11, tečnost se izvlači iz impregniranih strugotina

2

topolovine brzinom od 2,95 tona/h, i ukupni protok korišćene vode za ispiranje vijka 11 reaktora 14 tako iznosi 3,55 tona/h. Taj tok sadrži 0,5% mas. H2SO4. Prethodna obrada eksplozijom pare se vrši na 200°C u kontinualnoj konfiguraciji koristeći kratko vreme zadržavanja. Medijum se naglo spušta na pritisak od 1,3 atm.

[0114] Rezervoar 3 za pripremu kisele tečnosti koji se nalazi ushodno od impregnacije isporučuje protok od 2,9 tona/h kisele tečnosti. Poželjno, on je opremljen senzorima za merenje pH i protoka vode, kiseline, korišćene tečnosti i pripremljene tečnosti.

[0115] Deo toka od ispiranja vijka 11 reaktora za eksploziju pare 14 šalje se u rezervoar 3 za pripremu kisele tečnosti: ovaj protok je jednak potrebnom dodatku tečnosti, uzimajući u obzir dodatak kiseline koji treba izvršiti da bi se dobila ciljna kiselost. Tako, kao u prethodnim primerima, protok reciklirane tečnosti je 2,8675 tona/h i protok dodate kiseline je 0,0325 tona/h 96% mas. sumporne kiseline. Deo 13d toka korišćene tečnosti za ispiranje 13 vijka 11 reaktora za prethodnu obradu 14 koji nije poslat kao dodatak tečnosti rezervoara 3 za tečnost šalje se za ispiranje vijka 6 reaktora za impregnaciju 9, pri protoku od 0,683 tone/h, pored 0,317 tona/h vode. Ukupna potrošnja vode je dakle 0,917 tona/h. Treba obraditi tok od 1,679 tone/h korišćene vode.

[0116] Tako, postupak prema pronalasku, u odnosu na uporednu konfiguraciju iz primera 2, omogućava:

• smanjenje masene potrošnje vode veće od 42%

• smanjenje od 29% mase vode korišćene za obradu

Primer 4 prema pronalasku

[0117] U ovom primeru, prikazan je postupak impregnacije prema pronalasku i prethodne obrade drveta, uz obradu iste šarže kao u uporednom primeru 1.

[0118] Drvo se koristi u obliku strugotine karakteristične dimenzije 50 mm. Temperatura strugotine na ulazu u uređaj je temperatura okoline.

[0119] Strugotine se transportuju ka reaktoru za impregnaciju 9 pomoću konusnog vijka 6. Taj vijak se ispira vodom za ispiranje 7 pri protoku od 1,0 tone/h. Tokom kompresije koju vrši vijak, tečnost se izvlači iz strugotina topolovine brzinom od 0,679 tona/h, i ukupni protok korišćene vode za ispiranje vijka 6 reaktora za impregnaciju 9 tako iznosi 1,679 tona/h.

[0120] U reaktor za impregnaciju 9 se uvode:

• komprimovane drvene strugotine, preko konusnog vijka 2

[0121] Impregnirane strugotine izlaze iz reaktora za impregnaciju 9 i prenose se do reaktora za eksploziju pare 14. Ulaz u reaktor za prethodnu obradu 14 se vrši putem transporta drugim konusnim vijkom 11. Tokom kompresije koju vrši vijak, tečnost 13 se izvlači iz impregnirane javorove strugotine brzinom od 2,95 tona/h. Deo 13b tog toka, 1,5 tone/h, koristi se za ispiranje konusnog vijka 11, prema pronalasku. Ukupni protok vode za ispiranje vijka 6 reaktora za impregnaciju 9 tako iznosi 4,45 tone/h, od čega je 1,5 tona/h reciklirano za ispiranje 13b. Taj tok sadrži 0,602% mas. H2SO4. Ovaj tok je sa koncentrovanijom kiselinom od toka izvučenog u primeru 1, jer korišćena kisela tečnost izvučena tokom kompresije nije razblažena vodom za ispiranje vijka. Prethodna obrada eksplozijom pare se vrši na 200°C u kontinualnoj konfiguraciji koristeći kratko vreme zadržavanja. Medijum se naglo spušta na pritisak od 1,3 atm.

[0122] Rezervoar 3 za pripremu kisele tečnosti koji se nalazi ushodno od impregnacije isporučuje protok od 2,9 tona/h kisele tečnosti.

[0123] Tok 13 od ispiranja vijka 11 reaktora za prethodnu obradu 14 koji nije korišćen za ispiranje 13b vijka poslat je u rezervoar 3 za pripremu kisele tečnosti pri protoku od 2,87 tona/h, ostatak 13a (0,08 tona/h) se pročišćava. Protok dodate kiseline je 0,0294 tone/h 96% mas. sumporne kiseline.

[0124] U postupku prema ovom primeru, ukupna potrošnja vode je 1,0 tona/h (za ispiranje vijka 6 za impregnaciju) a potrošnja kiseline je 0,0294 tone/h 96% mas. sumporne kiseline. Treba obraditi tok od 1,759 tone/h korišćene vode.

[0125] Tako, postupak prema ovom primeru u odnosu na uporednu konfiguracija iz primera 2 omogućava:

2

• smanjenje masene potrošnje vode od 37%

• smanjenje od 9,4% masene potrošnje koncentrovane sumporne kiseline

• smanjenje od 25% mase vode korišćene za obradu

[0126] Kao zaključak, ovi primeri pokazuju da pronalazak omogućava veoma značajnu uštedu energije/sirovina, uz veoma fleksibilnu primenu. Pored toga, izmena napravljena na postrojenju je mala i lako ostvariva, uz dodatak cevi koje po potrebi imaju sredstvo za variranje protoka, merenje pH ili temperature, i te dodatne cevi su po koncepciji u domašaju stručnjaka. Pronalazak je koristan i ako se različite operacije obrade biomase (na primer, operacija impregnacije i kuvanja i/ili eksplozije pare) ne vrše kontinualno, u tom slučaju, favorizuje se reciklaža vode za ispiranje na istom vijku za napajanje (petlja 8b za ispiranje vijka 6, petlja 13b za ispiranje vijka 11).

2

Claims

Patentni zahtevi

1. Postupak za obradu lignocelulozne biomase koja ima sadržaj suve materije od najviše 90% masenih, pri čemu pomenuti postupak obuhvata implementaciju najmanje jednog reaktora za obradu pomenute biomase (9,14), gde se biomasa dovodi u jedan ili najmanje jedan od pomenutih reaktora pomoću sredstva za napajanje (6,11) koje stvara povećanje pritiska između ulaza biomase i izlaza biomase pomenutog sredstva za napajanje, i gde se pomenuto sredstvo za napajanje ispira kruženjem fluida za ispiranje između ulaza za ispiranje (7,12) i izlaza za ispiranje (8,13), naznačen time, što se ponovo uvodi najmanje deo fluida za ispiranje koji izlazi iz izlaza fluida jednog ili najmanje jednog od sredstava za napajanje (6,11) u ulaz za ispiranje istog sredstva za napajanje ili nekog drugog od pomenutih sredstava za napajanje.

2. Postupak prema prethodnom zahtevu, naznačen time, što se tečnost iz biomase izvlači tokom njenog prolaska u jednom ili najmanje jednom sredstvu za napajanje (6,11).

3. Postupak prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što povećanje pritiska nastalo u jednom ili najmanje jednom sredstvu za napajanje (6,11) iznosi najmanje 0,05 MPa, posebno od 0,05 do 4 MPa.

4. Postupak prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što obuhvata fazu impregnacije biomase pomoću tečnosti za impregnaciju koja sadrži hemijski katalizator, koja se sprovodi uvođenjem biomase u jedan reaktor/jedan od reaktora (9,1) opremljen sredstvom za napajanje (6,11).

5. Postupak prema jednom od zahteva 1 do 4, naznačen time, što obuhvata fazu impregnacije biomase pomoću tečnosti za impregnaciju koja sadrži hemijski katalizator, prolaskom biomase kroz sloj tečnosti ili prskanjem biomase tečnošću na trakastom transporteru (9') ili prolaskom biomase kroz reaktor sa mešanjem.

6. Postupak prema jednom od zahteva 1 do 4, naznačen time, što obuhvata fazu impregnacije biomase pomoću tečnosti za impregnaciju koja sadrži hemijski katalizator, uvođenjem u reaktor (9) preko pomenutog jednog ili najmanje jednog od pomenutih sredstava za napajanje (6).

2

7. Postupak prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što obuhvata fazu obrade biomase kuvanjem, konkretno u jednom ili više reaktora (14) snabdevenih sredstvom za napajanje (11).

8. Postupak prema jednom od prethodnih zahteva, pri čemu pomenuti postupak obuhvata sledeće faze:

a. Priprema tečnosti za impregnaciju (4) koja sadrži hemijski katalizator (2) namenjene impregnaciji biomase (5), odabran od kiselog katalizatora, baznog katalizatora i oksidacionog katalizatora, i poželjno kiselog katalizatora, u zoni za pripremu (3)

b. Uvođenje smrvljene biomase (5) preko ulaza reaktora za impregnaciju (9) pomoću prvog sredstva za napajanje (6), pri čemu se pomenuto prvo sredstvo za napajanje ispira kruženjem prvog fluida za ispiranje (7,8) između ulaza i izlaza pomenutog sredstva (6)

c. Uvođenje tečnosti u reaktor za impregnaciju (9) putem prvog ulaza tečnosti (4) iz reaktora d. Prenos impregnirane i oceđene biomase (10) od izlaza reaktora za impregnaciju ka ulazu za reaktor (14) za prethodnu obradu kuvanjem, pri čemu se uvođenje u pomenuti reaktor za prethodnu obradu vrši pomoću drugog sredstva za napajanje (11), pri čemu se drugo sredstvo za napajanje ispira kruženjem drugog fluida za ispiranje (12,13) između ulaza i izlaza pomenutog sredstva za napajanje

e. Prethodna obrada pomenute biomase (10) eksplozijom pare (14) u pomenutom reaktoru f. Ponovno uvođenje barem jednog dela prvog i/ili drugog fluida za ispiranje koji izlazi iz izlaza fluida pomenutog prvog ili pomenutog drugog sredstva za napajanje (6,11) u ulaz za ispiranje prvog sredstva za napajanje (6) i/ili drugog sredstva za napajanje (11).

9. Postupak prema prethodnom zahtevu, naznačen time, što takođe obuhvata:

g. Ponovno uvođenje dela prvog i/ili drugog fluida za ispiranje koji izlazi iz izlaza fluida prvog ili drugog sredstva za napajanje (6,11) u zonu za pripremu (3) tečnosti za impregnaciju radi pripreme a.) pomenute tečnosti

10. Postupak prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što je jedno ili najmanje jedno od sredstava za napajanje vijak za napajanje (6,11), posebno najmanje delimično konusnog oblika, koji sadrži oblogu sa rešetkom koja omogućava kruženje fluida za ispiranje i eventualno izdvajanje fluida iz biomase.

11. Postupak prema zahtevu 7 ili 8, naznačen time, što se deo prvog fluida za ispiranje (8) na izlazu ispiranja prvog sredstva za napajanje (6) ponovo uvodi u ulaz za ispiranje (8b,8d) prvog ili drugog sredstva za napajanje, i time, što se drugi deo pomenutog fluida za ispiranje ponovo uvodi (8c) u zonu za pripremu (3) tečnosti u cilju njene pripreme.

12. Postupak prema zahtevu 7 ili 8, naznačen time, što se deo drugog fluida za ispiranje (13) na izlazu ispiranja drugog sredstva za napajanje (11) ponovo uvodi (13b,13d) u ulaz za ispiranje prvog ili drugog sredstva za napajanje (6,11), i time, što se drugi deo (13c) pomenutog fluida za ispiranje ponovo uvodi u zonu za pripremu (3) tečnosti u cilju njene pripreme.

13. Postupak prema jednom od prethodnih zahteva, naznačen time, što se ispiranje sredstva za napajanje (11) vrši u prisustvu biomase uz dodatak katalizatora, konkretno kiselog ili baznog ili oksidacionog katalizatora, time, što fluid za ispiranje koji izlazi iz izlaza fluida pomenutog sredstva za napajanje (6,11) ima izvesni sadržaj pomenutog katalizatora kada je biomasa podvrgnuta uklanjanju tečnosti pri prolasku kroz pomenuto sredstvo za napajanje, i time, što se pomenuti fluid za ispiranje koji sadrži taj katalizator ponovo uvodi najmanje delom na ulaz za ispiranje istog sredstva za napajanje ili drugog od pomenutih sredstava za napajanje, konkretno koje prenosi biomasu bez katalizatora.

14. Postrojenje za implementaciju postupka prema jednom od prethodnih zahteva, naznačeno time, što obuhvata najmanje jedan reaktor za obradu pomenute lignocelulozne biomase koja ima sadržaj suve materije od najviše 90% masenih sa napajanjem biomasom jednog ili najmanje jednog od pomenutih reaktora pomoću sredstva za napajanje koje stvara povećanje pritiska između ulaza biomase i izlaza biomase pomenutog sredstva za napajanje, sa ispiranjem pomenutog sredstva za napajanje kruženjem fluida za ispiranje između ulaza za ispiranje i izlaza za ispiranje, i sredstvo za ponovno uvođenje najmanje jednog dela fluida za ispiranje (8,13) koji izlazi iz izlaza fluida jednog ili najmanje jednog od sredstava za napajanje (6,11) u ulaz za ispiranje istog sredstva za napajanje ili nekog drugog od pomenutih sredstava za napajanje.

15. Postrojenje za obradu lignocelulozne biomase, koje obuhvata:

2

- Zonu za pripremu (3) tečnosti za impregnaciju (4) koja sadrži hemijski katalizator za impregnaciju biomase (5), odabran od kiselog, baznog ili oksidacionog katalizatora, i poželjno kiselog katalizatora, i opremljenu izlazom tečnosti

- Reaktor za impregnaciju (9), pri čemu pomenuti reaktor ima ulaz i izlaz biomase

- Prvo sredstvo za napajanje smrvljenom biomasom (6) reaktora za impregnaciju (9) putem ulaza biomase reaktora za impregnaciju,

- Sredstvo za napajanje tečnošću za impregnaciju (4a) reaktora (5) koje povezuje izlaz tečnosti iz zone za pripremu (3) tečnosti (4) sa prvim ulazom tečnosti u reaktor za impregnaciju,

- Reaktor za prethodnu obradu (14) impregnirane biomase (10) kuvanjem čiji jedan ulaz biomase je povezan sa izlazom biomase reaktora za impregnaciju (9)

- Drugo sredstvo za napajanje (11) impregniranom biomasom (10) reaktora za prethodnu obradu putem ulaza biomase navedenog reaktora za prethodnu obradu (14)

- Kruženje fluida za ispiranje (7,8) između ulaza i izlaza prvog sredstva za napajanje (6) smrvljenom biomasom (5) reaktora za impregnaciju (9)

- Kruženje fluida za ispiranje (12,13) između ulaza i izlaza drugog sredstva za napajanje (11) impregniranom biomasom (10) reaktora za prethodnu obradu (14)

naznačen time, što postrojenje takođe obuhvata

- Sredstvo za ponovno uvođenje barem jednog dela prvog i/ili drugog fluida za ispiranje koji izlazi iz izlaza fluida pomenutog prvog ili pomenutog drugog sredstva za napajanje (6,11) u ulaz za ispiranje pomenutog prvog sredstva za napajanje i/ili drugog sredstva za napajanje.

16. Primena postupka ili postrojenja prema jednom od prethodnih zahteva za obradu lignocelulozne biomase (5), kao što je drvo, slama, poljoprivredni ostaci, i svi namenski energetski usevi, koji mogu biti godišnje ili višegodišnje biljke, kao što je kineski šaš (lat. Miscanthus), u cilju proizvodnje šećera, biogoriva ili molekula iz bioloških izvora.