Способ предварительной обработки исходного растительного материала для получения биоэтанола и сахара из сахаросодержащих и лигниноцеллюлозных источников

СПОСОБ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ИСХОДНОГО РАСТИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЭТАНОЛА И САХАРА ИЗ САХАРОСОДЕРЖАЩИХ И ЛИГНИНОЦЕЛЛЮЛОЗНЫХ ИСТОЧНИКОВ Изобретение относится к способу предварительной обработки исходного растительного сырьевого материала для получения биоэтанола и/или сахара при использовании единой камеры (12),отличающемуся тем, что во время одного периода растительный материал (MP), поданный в единую камеру для предварительной обработки, представляет собой лигниноцеллюлозный исходный растительный материал, предварительная обработка которого направлена на отделение целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина с получением прошедшего предварительную обработку растительного материала, который может быть гидролизован и ферментирован для получения биоэтанола; во время другого периода растительный материал (MP), поданный в единую камеру для предварительной обработки, представляет собой сахаросодержащий исходный растительный материал, предварительная обработка которого направлена на экстракцию из него диффузией сахарного сиропа для получения сахара и/или биоэтанола.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: КОМПАНИ ЭНДЮСТРИЕЛЬ ДЕ ЛЯ МАТЬЕР ВЕЖЕТАЛЬ - КИМВ (FR) Область техники, к которой относится изобретение Настоящее изобретение относится к использованию биомассы и, в частности, к непищевому использованию сельскохозяйственных продуктов. В частности, настоящее изобретение относится к получению биоэтанола из растительного материала. Использование сельскохозяйственных культур, иное, чем в форме пищевых продуктов, которые могут быть, по существу, непосредственно потреблены людьми или животными, требует больших промышленных инвестиций, в частности, для получения устройства для преобразования исходного растительного материала. Следовательно, для получения сахара из сахаросодержащих источников, таких как сахарная свекла или сахарный тростник, необходимо иметь сахарный завод, фактическое годовое использование которого зависит от используемого исходного растительного сырьевого материала, в пределах от 2400 до 3600 ч/год. Вне этих периодов производства, соответствующих периодам сельскохозяйственного производства исходного растительного сырьевого материала, завод простаивает. Многие способы производства были оптимизированы с целью, в частности, снижения производственных затрат и увеличения объема производства, например в процессе производства сахара и спирта из сахарного тростника или свеклы. Независимо от того, идет ли речь об использовании сахарного тростника или свеклы, целью переработки которых является экстрагирование из них диффузией сахарного сиропа (для получения сахара и биоэтанола), требуется циркуляция горячей воды в противотоке с растительным сырьевым материалом. Таким же образом, во время экстракции сахарного сиропа из сахарного тростника поток горячей воды инжектируют для облегчения экстракции сахарного сиропа. Пример приведен в документе FR-A-2605644, в котором предлагается улучшение экстракции диффузией из ломтиков свеклы, для того чтобы после этой предварительной обработки получить сахарный сироп, подаваемый конвейером на сахарное производство, затем ломтики подвергают второй экстракции диффузией с получением сахарного сиропа, предназначенного для ферментации с последующей его обработкой на дистилляционных установках. Однако такие оптимизированные способы не решают проблему неполного ежегодного использования сахарного завода и дистилляционных установок. Дополнительно, указанные выше способы получения сахарного сиропа из сахарного тростника или свеклы приводят к получению отходов, которые в случае свеклы называются барда или жом, представляющий собой волокнистые отходы, остающиеся после фазы диффузии, которые, как правило, содержат менее чем 10% сухих веществ и сушка которых, в частности, позволяет получить источник корма для крупного рогатого скота, что является главной формой использования этих отходов. В случае получения сахарного сиропа из сахарного тростника отходы, называемые багасса, представляют собой волокнистые отходы, которые в настоящее время используют в качестве топлива самими компаниями, производящими сахар, или на электростанциях, на которых багассу используют в качестве сырья для сжигания (электростанция, работающая на багассе/на угле). Такое использование в качестве сырья на электростанциях с учетом сезонности уборочных кампаний сахарного тростника означает, что должны быть значительные средства для хранения багассы. Однако заявитель создал и разработал способ предварительной обработки лигниноцеллюлозного исходного растительного материала для получения прошедшего предварительную обработку материала,который может быть гидролизован и ферментирован для получения биоэтанола. Этот способ позволяет экономично и эффективно получить в промышленных масштабах биоэтанол из лигниноцеллюлозных источников, состоящих, например, из цельных растений или частей этих растений (стебли, кора и т.п.) или побочных продуктов промышленной обработки, при которой их получают(пшеничная, рисовая, ячменная солома, багасса тростникового сахара, багасса сахарного сорго и т.п.). Этот способ предварительной обработки описан и представлен во французской патентной заявке 0850458, поданной 25 января 2008 г. В контексте научно-технических исследований заявитель выяснил, что в настоящее время не существует решения, позволяющего снизить суммарные промышленные инвестиции для получения сахара и биоэтанола из двух основных категорий исходного растительного материала, включающего сахаросодержащие и лигниноцеллюлозные источники. Краткое описание изобретения Настоящее изобретение относится к способу предварительной обработки исходного растительного сырьевого материала для получения биоэтанола и сахара при использовании единой камеры для предварительной обработки растительного материала, включающей по меньшей мере одно впускное отверстие ниже по технологической линии для подачи растительного материала для предварительной обработки в единую камеру для предварительной обработки; по меньшей мере одно выпускное отверстие ниже по технологической линии для выгрузки прошедшего предварительную обработку растительного материала из единой камеры для предварительной обработки; средства для циркуляции растительного материала в направлении сверху вниз по технологической линии; средства для контактирования растительного материала с жидкостью для предварительной обработки, которая циркулирует повсюду, в направлении сверху вниз по технологической линии, в противоположном направлении направлению циркуляции растительного материала внутри указанной единой камеры для предварительной обработки; средства для удаления, с одной стороны, твердой фазы и, с другой стороны, жидкой фазы, содержащей, в частности, по меньшей мере часть жидкости для предварительной обработки; отличающемуся тем, что во время одного периода растительный материал для предварительной обработки, поданный в единую камеру для предварительной обработки, представляет собой лигниноцеллюлозный исходный растительный материал (например, солому), указанная предварительная обработка которого направлена на отделение целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, содержащихся в лигниноцеллюлозном исходном растительном материале, с получением прошедшего предварительную обработку растительного материала,который может быть гидролизован и ферментирован для получения биоэтанола; во время другого периода растительный материал для предварительной обработки, поданный в единую камеру для предварительной обработки, представляет собой сахаросодержащий исходный растительный материал (например, сахарный тростник или свеклу), указанная предварительная обработка направлена на экстракцию из него диффузией сахарного сиропа для получения сахара и биоэтанола. Следовательно, при использовании способа по настоящему изобретению возможно использование одной и той же промышленной установки в зависимости от сезонного наличия одной или другой категории исходного растительного материала, т.е. сахаросодержащих источников или лигниноцеллюлозных источников с использованием соответствующей установки в течение всего времени или фактически всего времени, т.е. около 8000 ч/год. Согласно другим признакам изобретения: во время одного периода жидкость для предварительной обработки представляет собой смесь, содержащую муравьиную кислоту и воду при температуре в пределах от 95 до 110 С; во время другого периода жидкость для предварительной обработки представляет собой воду с температурой выше 70 С; указанную стадию предварительной обработки проводят при атмосферном давлении или немного пониженном давлении; во время указанного одного периода растительный материал для предварительной обработки представляет собой часть твердой фазы, удаленной по окончании указанного другого периода. Также настоящее изобретение относится к устройству для осуществления способа по настоящему изобретению, отличающемуся тем, что оно включает по меньшей мере одну указанную единую камеру для предварительной обработки и средства для обработки исходного растительного материала, позволяющие преобразовать его в указанный растительный материал для предварительной обработки, в частности его измельчением. Для предварительной обработки лигниноцеллюлозного исходного растительного материала используют жидкость для предварительной обработки, содержащую кислоту и воду, настоящее изобретение относится к устройству, отличающемуся тем, что единая камера для предварительной обработки представляет собой герметичную камеру, в которой циркулирует растительный материал для предварительной обработки. Краткое описание фигуры Другие признаки и преимущества настоящего изобретения будут видны из детального описания,приведенного ниже, со ссылкой на приложенную фигуру для облегчения понимания, на которой схематически представлен приведенный в качестве не ограничивающего примера вариант воплощения устройства для предварительной обработки по настоящему изобретению. Детальное описание фигуры В следующем описании все идентичные, подобные или аналогичные элементы и компоненты приведены под теми же ссылками. Используемые здесь термины "продольный", "вертикальный" и "поперечный" указаны на чертеже фигуры как три координатные оси L, V, Т. Расположение выше по технологическому потоку - ниже по технологическому потоку также используют для продольной циркуляции растительного материала внутри единой камеры, справа налево на фигуре вдоль оси L. Приведенное на чертеже фигуры устройство 10 содержит камеру для предварительной обработки 12, которая имеет обычную форму прямоугольного параллелепипеда, расположенного в продольном направлении и, по существу, горизонтально, например, с небольшим наклоном ниже по технологической линии или выше по технологической линии, как приведено на чертеже фигуры. Камера для предварительной обработки 12 герметична для предотвращения какого-либо рассеяния паров кислоты в атмосферу при использовании кислоты в способе по настоящему изобретению. Камера включает выше по технологической линии впускное отверстие 14 для подачи исходного материала и ниже по технологической линии выпускное отверстие 16 для удаления или выгрузки из камеры 12 прошедшего предварительную обработку материала. Давление внутри камеры для предварительной обработки - атмосферное. Внутри камеры 12 расположен конвейер с мотором 18, лента 20 которого в верхней части движется от входа к выходу по технологической линии справа налево и принимает в области ее входного патрубка растительный исходный материал MP для предварительной обработки, поступающий в камеру для предварительной обработки 12 через впускное отверстие 14. Лента 20 конвейера 18, таким образом, позволяет циркулировать исходному материалу сверху вниз по технологической линии внутри камеры 12 с постоянной скоростью или со скоростью, контролируемой средствами подачи и средствами контроля скорости, с которой движется исходный материал MP, не представленными здесь. Лента 20 имеет заданную поперечную ширину и сделана, например, из гофрированного листа, полученного из материалов, устойчивых к смеси кислот. Исходный материал MP предпочтительно распределен максимально равномерно по всей ширине ленты 20 конвейера 18 при использовании не представленных здесь средств. Лента 20 расположена в камере для предварительной обработки 12 таким образом, что жидкость,которая достигает верхней поверхности верхней ленты 20, может стекать, например, латерально по обе стороны продольных краев ленты и/или в качестве альтернативы через ленту 20, которую перфорируют для этих целей. Устройство 10 включает питатель 24 для подачи в камеру для предварительной обработки 12 исходного материала MP. Питатель 24 в данном случае соединен с входным отверстием 14 посредством шнека 26 для продвижения исходного материала в трубопровод 28, соединенный с входным отверстием 14. Как показано на чертеже фигуры, питатель 24 может быть соединен через трубопровод 30 с резервуаром 32, содержащим смесь органических кислот, в зависимости от категории обрабатываемого исходного растительного материала, для выхода в питатель 24 для одной предварительной обработки исходного материала MP предварительной пропиткой. Скорость потока для подачи питателем 24 смеси кислот для предварительной пропитки может контролироваться через соленоидный клапан 34. Когда исходный материал MP покидает верхнюю ленту 20 конвейера 18, он поступает самотеком в выходное отверстие 16 для удаления через питающий трубопровод 36, это часть, которая извлечена по окончании предварительной обработки, составляющая твердую фазу в контексте настоящего изобретения. Дополнительно к камере предварительной обработки 12 и средствам подачи сырьевого материалаMP в указанную камеру устройство 10 включает последовательно сверху вниз по технологической линии серию n станций предварительной обработки PTi с i между 1 и n. В примере, приведенном на чертеже, число станций предварительной обработки равно семи. Следовательно, первая станция предварительной обработки выше по технологической линии представляет собой станцию РТ 1, при этом последняя станция ниже по технологической линии представляет собой РТ 7. Все компоненты станции PTi приведены под одним и тем же индексом "i". Функцией каждой станции предварительной обработки PTi является временное размещение вместе или контактирование исходного материала MP и жидкости для предварительной обработки. На фигуре различные последовательные станции предварительной обработки отмечены комбинированными линиями. Каждая станция предварительной обработки PTi включает указанные вертикальными стрелками выше верхней ленты 20, транспортирующей исходный материал MP, средства для распыления жидкости для предварительной обработки на исходный материал под силой тяжести. В качестве не ограничивающего примера средства для распыления исходного материала MP на каждой станции представляют собой ковш Gi, который на фигуре приведен в положении покоя и положении заполнения и который способен опрокидываться на нижней горизонтальной оси таким образом, что его содержимое опрокидывается вертикально и, по существу, по всей поперечной ширине ленты 20 на исходный материал MP, расположенный на верхней ленте 20, по существу, перпендикулярно ковшу Gi. В качестве альтернативы, которая здесь не представлена, средства для распыления на исходный материал на каждой станции могут состоять из одной или более наклонной плоскости для распыления на исходный материал самотеком жидкости для предварительной обработки, всегда гарантируя, таким образом,максимально гомогенное ее распределение. Также каждая станция PTi включает средства для удаления жидкости для предварительной обработки после ее прохождения через исходный материал MP, которая затем стекает латерально с обеих сторон конвейерной ленты 20 и/или проходит через ленту, если последняя перфорирована, или имеет для этой цели сетчатую конструкцию с перфорацией достаточно малого размера для того, чтобы удалить только жидкость, проходящую насквозь. Эта часть, которую удаляют по окончании предварительной обработки, составляет жидкую фазу в рамках настоящего изобретения. Средства для сбора жидкой фазыAi после ее прохождения через исходный материал MP расположены на каждой станции, расположены поперечно по всей ширине камеры предварительной обработки 12 и продольно, по существу, по всей длине станции предварительной обработки PTi. Более полное и более детальное конструктивное описание устройства и рабочие параметры приведены в патентной заявке FR-А-2885371 того же заявителя, которая относится к устройству для осуществления способа получения целлюлозы, лигнина и сахаров. Приведенное выше описание устройства для предварительной обработки является только одним из примеров различных возможных конструкций в контексте настоящего изобретения. В соответствии с настоящим изобретением во время одного периода PL, или кампании, исходный растительный материал для предварительной обработки, подаваемый в камеру для предварительной обработки 12, представляет собой лигниноцеллюлозный растительный исходный материал, при этом во время другого периода PS исходный растительный материал для предварительной обработки, подаваемый в камеру для предварительной обработки 12, представляет собой сахаросодержащий растительный исходный материал. Следовательно, камера для предварительной обработки 12 представляет собой камеру "единую" для двух типов обработки, связанной с двумя категориями указанного выше растительного исходного материала. Аналогично, в зависимости от каждого из подвергаемого предварительной обработке исходного растительного материала также может быть сделано полностью единое устройство, если исходные растительные материалы позволяют это, т.е. сделать средства для подачи и удаления единого исходного материала. При проведении стадии предварительной обработки в единой камере 12 при обработке лигниноцеллюлозного исходного растительного материала жидкость для обработки представляет собой смесь, содержащую одну или более кислоту, по меньшей мере, частично содержащуюся в единой камере 12, которая для этого воздействия представляет собой герметичную камеру для предотвращения любой утечки кислоты наружу. В случае, когда исходный растительный сырьевой материал представляет собой сахаросодержащие источники, в норме кислоты не используют, и жидкость для предварительной обработки представляет собой нагретую воду, например нагретую до температуры около 70 С или выше. В случае, когда жидкость для предварительной обработки представляет собой смесь, содержащую кислоту, в частности муравьиную кислоту, и воду, указанную жидкость используют при температуре от 95 до 110 С. Операции предварительной обработки предпочтительно проводят при атмосферном давлении или немного пониженном давлении. Факт использования единой камеры для обработки означает, что можно очень легко переключить при очень коротком перерыве в работе устройство (например, порядка одного или двух дней) с одного периода обработки на другие периоды обработки, в зависимости от сезонов и/или доступности лигниноцеллюлозных или сахаросодержащих исходных растительных материалов. В случае, когда прошедший предварительную обработку исходный растительный материал относится к сахаросодержащему типу, твердую фазу удаляют по окончании предварительной обработки для получения сиропа из сахарного тростника полностью или частично, и, в частности, в зависимости от используемого устройства он может быть использован повторно в качестве исходного лигниноцеллюлозного растительного материала внутри единой камеры 12, таким образом, при проведении стадии предварительной обработки получают прошедший предварительную обработку растительный материал, который может быть гидролизован и ферментирован для получения биоэтанола. Следовательно, при использовании того же самого устройства и, например, в случае использования сахарного тростника, багассу - вместо того, чтобы ее хранить для использования в качестве топлива используют повторно в качестве лигниноцеллюлозного исходного растительного материала. Такое дополнительное использование твердой фазы, полученной при предварительной обработке сахаросодержащего исходного материала, возможно вне зависимости от используемого устройства, и его выход зависит от содержания лигниноцеллюлозы в полученной твердой фазе. Конечно, например, в случае сахарного тростника часть багассы может быть использована известным способом непосредственно в устройства, в частности в качестве топлива для нагревания жидкостей. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ предварительной обработки исходного растительного сырьевого материала для получения биоэтанола и сахара, отличающийся тем, что способ включает стадии, на которых:a) используют единую камеру (12) для предварительной обработки растительного материала, причм указанная единая камера содержит по меньшей мере одно впускное отверстие (14) выше по технологической линии для подачи растительного материала (MP) для предварительной обработки в единую камеру для предварительной обработки; по меньшей мере одно выпускное отверстие (16) ниже по технологической линии для выгрузки прошедшего предварительную обработку растительного материала из единой камеры для предварительной обработки (12); средства (20) для циркуляции растительного материала в направлении сверху вниз по технологической линии; средства (Gi) для контактирования растительного материала с жидкостью для предварительной обработки, которая циркулирует повсюду, в направлении снизу вверх по технологической линии, в противоположном направлении направлению циркуляции растительного материала внутри указанной единой камеры для предварительной обработки; средства для удаления, с одной стороны, твердой фазы и, с другой стороны, жидкой фазы, содержащей, в частности, по меньшей мере часть жидкости для предварительной обработки;b) во время одного периода (PL) подают лигноцеллюлозный растительный материал (MP) в единую камеру для предварительной обработки (12) и проводят предварительную обработку для отделения целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, содержащихся в указанном лигниноцеллюлозном исходном растительном материале, с получением прошедшего предварительную обработку растительного материала,который может быть гидролизован и ферментирован для получения биоэтанола;c) во время другого периода (PS) подают сахаросодержащий исходный растительный материал(MP) в единую камеру для предварительной обработки (12) и проводят предварительную обработку для экстракции из него диффузией сахарного сиропа для получения сахара и биоэтанола. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что во время указанного одного периода (PL) жидкость для предварительной обработки представляет собой смесь, содержащую муравьиную кислоту и воду при температуре от 95 до 110 С. 3. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что во время другого указанного периода (PS) жидкость для предварительной обработки представляет собой воду с температурой выше 70 С. 4. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что указанную стадию предварительной обработки проводят при атмосферном давлении или немного пониженном давлении. 5. Способ по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что во время указанного одного периода (PL) растительный материал для предварительной обработки представляет собой часть твердой фазы, удаленной по окончании указанного другого периода.