NO20120016L - Ikke-trykksatt forbehandling, enzymatisk hydrolyse og fermentering av avfallsfraksjoner - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for fremstilling av fermenteringsprodukter inkludert bioetanol ved ikke-trykksatt forbehandling, enzymatisk hydrolyse og fermentering av avfallsfraksjoner som inneholder mono- og/eller polysakkarider, som har et relativt høyt tørrstoffinnhold. Prosessen i sin helhet, dvs. fra ikke-trykksatt forbehandling over enzymatisk hydrolyse og fermentering til sortering av fermenterbare og ikke-fermenterbare faststoffer kan prosesseres med et relativt høyt tørrstoffinnhold i et enkelt kar eller lignende anordning ved å bruke fritt fall blanding for mekanisk prosessering av avfallsfraksjonen.

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til produksjon av bioetanol eller andre nyttige fermenteringsprodukter ved ikke-trykksatt forbehandling, enzymatisk hydrolyse og fermentering av avfallsfraksjoner som inneholder mono-og/eller polysakkarider, som har et høyt tørrstoffinnhold og eventuelt inneholder store partikler. Hele prosessen fra ikke-trykksatt forbehandling over enzymatisk hydrolyse og fermentering til sortering av fermenteringsmulige og ikke-fermenteringsmulige faststoffer kan prosesseres ved høye tørrstoffinnhold i et enkelt kar uten noen transport av væsken. Blandingen utført i dette enkle karet er basert på et fritt fall blandingsprinsipp.

Husholdnings-, industrielle og landbruksprosesser, kommunale operasjoner og mat og næringsmiddelprosessering danner avfallsfraksjoner og biprodukter som inneholder polymere og/eller monomere sukre, f.eks. i form av glukose, stivelse, cellulose og hemicellulose. For tiden blir hoveddelen av avfallsfraksjoner dannet i husholdninger og industri enten deponert eller forbrent. Deponering av avfallsfraksjoner er koblet sammen med forskjellige miljø-, helse- og logistiske problemer og er derfor i økende grad blitt begrenset i mange land, f.eks. EU-land. Den viktigste alternative behandling er forbrenning av avfallet. I land med utstrakt fordelt distriktsoppvarmingssystemer, f.eks. Danmark, vil avfall-til-energifabrikker som konverterer det brennbare avfallet til f.eks. elektrisitet og oppvarming av distriktet, tilveiebringe en meget god utnyttelse av energiinnholdet i avfallet. For de fleste land uten distriktsoppvarmingssystemer er imidlertid ren kraftdannelse av avfallet tilveiebrakt med meget lav effektivitet.

Videre forårsaker forbrenning av avfall en del nye miljøproblemer, hovedsakelig NOx-, S02- og dioksinutslipp. Betydelig investering i røykkanalgassrensesystemer kan redusere men ikke eliminere slike problemer. Videre er ca. 20 % av avfallet ikke brennbart og blir deponert som slagg og flyveaske. Nå for tiden blir deler av slagget brukt som fundamentmaterialer i konstruksjonsarbeid, men fremtidige restriksjoner innenfor disse områdene må forventes, hovedsakelig på grunn av det faktum at et høyt innhold av tungmetall i slagget kan hindre en slik utnyttelse.

Således blir den stor mengden av avfall dannet i det moderne samfunn et problem uten noen klare løsninger. De lokale tettsteder, industrier så vel som samfunnet generelt har en betydelig interesse i å utvikle prosesser til å konvertere avfallsfraksjoner på en miljøvennlig måte til materialer med høyere verdi. Således som eksempel kunne forskjellige avfallsfraksjoner potensielt bli konvertert til bioetanol eller andre biokjemikalier ved anvendelse av mikroorganismer og/eller hydrolytiske enzymer.

Generelt kan nøkkelprosesstrinnene ved fremstilling av bioetanol eller andre nyttige fermenteringsprodukter fra poly-, di- og monosakkaridholdige avfallsfraksjoner oppdeles i fem hovedtrinn, hvorav hvert trinn prosesseres i ett eller flere atskilte kar:

• Sortering og maling av avfallsfraksjoner

• Forbehandling

• Hydrolyse

• Fermentering

• Produkt, f.eks. etanolgjenvinning

Den foreliggende oppfinnelse gjør det overraskende mulig at trinnene forbehandling og hydrolyse blir utført i ett og samme kar i enten en porsjons-, halvporsjons- eller kontinuerlig prosess, og prosessene i henhold til foreliggende oppfinnelse avhenger ikke i seg selv av noen foregående sortering og maling av avfallsfraksjonene. Videre kan fermenteringen, sortering og produktgjenvinning, f.eks. etanol, også utføres i samme kar.

Sortering og maling av avfallsfraksjoner

I prosessbeskrivelser som involverer fermentering av ikke-homogene avfallsfraksjoner er det første trinn normalt en meget komplisert prosess som består av sorterings- og malingssystemer for avfallet. Hensikten er å oppnå en organisk slurry som er i stand til å bli prosessert i omrørte tanker. Restfraksjonen bør være resirkulerbar i den ytterste konsekvens. Et eksempel på et slikt system er beskrevet i US patent US 4 094 840 A.

Forbehandling

Forbehandling er generelt krevd hvis påfølgende hydrolyse (f.eks. enzymatisk hydrolyse) av polysakkaridene krever nedbrytning av en ellers beskyttende struktur (f.eks. lignin) i plantematerialer. Flere forbehandlingsteknikker er kjent innenfor området bioetanolproduksjon. Forbehandlingsprosesser kan baseres på f.eks. sur hydrolyse, dampeksplosjon, oksidasjon, ekst r aksjon med alkali eller etanol, etc. Et felles trekk for forbehandlingsteknikkene er at kombinert med virkning av mulig tilsatte reaktanter tar de fordel av mykningen og løsningen av plantematerialene som skjer ved temperaturer over 100°C, dvs. en prosess som krever anvendelse av trykk.

Hydrolyse

Etter forbehandling og eventuelt den mekaniske forbehandling er det neste trinn i utnyttelse av mono- og/eller polysakkaridholdige avfallsfraksjoner for produksjon av bioetanol eller andre biokjemikalier hydrolyse av den frigjorte stivelse, cellulose og hemicellulose til fermenterbare sukre. Hvis dette er gjort enzymatisk krever det et stort antall forskjellige enzymer med forskjellige virkningsmåter. Enzymene kan tilsettes eksternt eller de kan tilveiebringes av mikroorganismer som vokser på biomassen.

Cellulose blir hydrolysert til glukose ved karbohydrolytiske cellulaser. Den prevalente forståelse av det cellulolytiske system oppdeler cellulasene i tre klasser; ekso-l,4-p-D-glukanaser eller cellobiohydrolaser (CHB) (EC 3.2.1.91), som avspalter cellobioseenheter fra endene av cellulosekj edene; endo-l,4-P-D-glukanaser (EG) (EC 3.2.1.4), som hydrolyserer interne p-l,4-gIukosdbindinger tilfeldig i cellulosekjeden; 1,4-p-D-glukosidase (EC 3.2.1.12), som hydrolyserer cellobiose til glukose og spalter også av glukoseenheter fra cellooligosakkarider.

De forskjellige sukre i hemicellulose blir frigjort av hemicellulaser. Det hemocellolytiske system er mer komplekst enn det cellolytiske system på grunn av den heterologe naturen til hemicellulose. Systemet involverer blant annet endo-1,4-p-D-xylanaser (EC 3.2.1.8), som hydrolyserer indre bindinger i xylankjeden; 1,4-p-D-xylosidaser (EC 3.2.1.37), som angriper xylooligosakkarider fra den ikke-reduserende enden og frigjør xylose; endo-l,4-p-D-mannanaser (EC 3.2.1.78), som avspalter indre bindinger; 1,4-P-D-mannosidaser (EC 3.2.1.25), som avspalter mannooligosakkarider til mannose. Sidegruppene blir fjernet av et antall enzymer; a-D-galatosidaser (EC 3.2.1.22), a-L-arabinofuranosidaser (EC 3.2.1.55), a-D-glukuronidaser (EC 3.2.1.139), cinnamoylesteraser(EC 3.1.1), acetylxylanesteraser (EC 3.1.1.6) og feruloylesteraser.(EC 3.1.1.73).

De viktigste enzymene for anvendelse i hydrolyse av et polysakkarid så som en stivelse er alfa-amylaser (1,4-a-D-glukanglukanohydrolaser (EC 3.2.1.1). Disse er endovirkende hydrolaser som spalter 1,4-cc-D-glukosidbindinger og kan gå forbi men ikke hydrolysere 1,6-alfa-D-glukosidforgreningspunkter. Imidlertid kan også eksovirkende glukoamylaser så som beta-amylase (EC 3.2.1.2) og pullulanase (EC 3.2.1.41) anvendes for stivelseshydrolyse. Resultatet av stivelseshydrolyse er primært glukose, maltose, maltotriose, a-dekstrin og forskjellige mengder av oligosakkarider. Når et stivelsesbasert hydrolysat blir brukt for fermentering kan tilsetting av proteolytiske enzymer være fordelaktig. Slike enzymer kan forhindre flokkulering av mikroorganismen og kan danne aminosyrer tilgjengelig for mikroorganismen.

I kombinasjon med forbehandling og enzymatisk hydrolyse av lignocellulosebiomasse er det blitt funnet at anvendelse av oksidative enzymer kan ha en positiv virkning på den totale hydrolysen så vel som levedyktigheten til de anvendte mikroorganismer for f.eks. påfølgende fermentering. Grunnen til denne effekten er den oksidative tverrbinding av ligniner og andre fenoliske inhibitorer forårsaket av de oksidative enzymer. Typisk er lakase (EC 1.10.3.2) eller peroksidase (EC 1.11.1.7) anvendt enten eksternt eller ved inkorporering av et lakasegen i den anvendte mikroorganismen.

Fermentering

Fermenteringsprosessen brukt i sammenheng med produksjon av bioetanol eller andre nyttige fermenteringsprodukter fra avfallsfraksjoner som inneholder mono-og/eller polysakkarider er i bunn og grunn en biokjemisk reaksjon som bryter ned komplekse organiske molekyler så som mono- og/eller polysakkarider til enklere bestanddeler så som etanol, karbondioksid og vann, gjennom virkning av gjær

(standard, dyrket eller manipulert) og/eller bakterier eller enhver annen mikroorganisme som er i stand til å produsere etanol eller andre spesifikke kjemikalier fra de foreliggende heksoser og pentoser.

Produkt, f. eks. etanol, gjenvinning

Gjenvinning av produktet, f.eks. etanol, fra fermenteirngssatsen er en standard prosess normalt oppdelt i tre hovedprosesser: satsstripping, hvor faststoffene blir atskilt fra etanol/vannløsningen, rektifisering hvor etanolen blir gjenvunnet fra den vandige løsning og dehydrering hvor det siste vann blir fjernet fra etanolen.

Gjenvinningsprosessen vil ikke beskrives videre, idet prosessene er meget like anvendte standard destillasjonssystemer f.eks. i stivelse og sukkerbasert etanolproduksjonsindustri.

Prosesser som viser likhet med foreliggende oppfinnelse

Sett separat har forbehandling og flere av de påfølgende prosesstrinn som fører til produksjon av bioetanol fra organiske avfallsfraksjoner tidligere blitt beskrevet.

US 4 342 830 A beskriver en prosess for termisk forbehandling av organisk materiale så som kommersielt, industrielt, landbruks-, husholdnings- og restaurantavfall i trommeltypeblander, med en indre perforert roterende trommel og en ytre stasjonær trommel. Karet er under trykk og damp blir tilsatt for å mykne det organiske materialet i avfallet. Ved brå trykkfall i den ytre trommelen blir det myk gjorte organiske materialet tvunget gjennom perforeringen i den indre trommelen, og sortering av organisk og uorganisk materiale blir dermed utført. Følgelig blir avfallet kraftig oppmalt før ytterligere hydrolyse. Det organiske materialet kan deretter anvendes til flere ting inkludert etanolproduksjon, ingen av disse prosessene eller hydrolysen er imidlertid beskrevet og finne sted i samme kar som forbehandlingen.

US 4 093 516 A beskriver mekanisk forbehandling, termisk forbehandling, kjemisk hydrolyse og sakkarifisering, fermentering og gjenvinning av etanol, metoden er imidlertid basert på avfallsfraksjoner med et lavt tørrstoffinnhold så som flytende kommunalt avfall eller kloakkvann.

CZ 0 602 835 A3 beskriver en prosess til fremstilling av etanol basert på lignocellulose- og stivelsesholdige materialer. Materialene blir hydrolysert i et termisk trykkar av trommeltype. Enzymatisk hydrolyse av den gjenværende lignocellulosen blir utført i et annet kar og den resulterende mesken blir overført til enda et annet fermenteringskar, følgelig er ikke anvendelse av et enkelt kar for forbehandling og hydrolyse foreslått i dette dokumentet.

US 4 094 740 A beskriver en prosess som omfatter et femten trinns avfallssorteringssystem basert på våtfraksjoneringssystemet til fremstilling av etanol fra kommunalt fast avfall. Det organiske avfallet blir deretter malt og hydrolysert ved trykksatt syrehydrolyse for f.eks. påfølgende etanolproduksjon. US 5 637 502 beskriver en fremgangsmåte til å utnytte kommunalt fast avfall i etanolproduksjon. Prosessen opererer med avfallsmasse med et tørrstoffinnhold under 20 %. Avfallet blir oppvarmet under trykk i en omrørt tank. Hydrolysen blir utført med enzymer og den produserte glukose blir kontinuerlig, gjenvunnet gjennom en fem trinns sorteringsenhet.

Forskjeller mellom foreliggende oppfinnelse og kjente teknologier

Det er således et behov for en forenklet prosess som kan behandle avfallsfraksjoner med høyt tørrstoffinnhold og som også tillater effektiv behandling av bare delvis organiske avfallsfraksjoner som inneholder store partikler av ikke-organisk opprinnelse. Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte som er i stand til å behandle usorterte avfallsfraksjoner direkte og unngår derved anvendelse av store, kostbare og miljøproblematiske sorterings- og oppmalingssystemer. For kommunalt fast avfall er kildesortering, eller alternativt én eller annen type av sentral sortering av organiske og uorganiske fraksjoner ment å forbedre ytelsesevnen til prosesser i henhold til foreliggende oppfinnelse. For andre fraksjoner er en grov opprivning av avfallet for å oppnå sekkene og redusere volumet ment å forsterke ytelsesevnen til prosessen i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Forbehandlingen i en prosess i henhold til foreliggende oppfinnelse blir utført ved atmosfæretrykk som reduserer i betydelig grad energikostnadene, utstyrskostnadene og de mekaniske vanskeligheter. Videre er det ikke nødvendig med mer kjemisk tilsetting i forbehandlingen. Derfor er den foreliggende oppfinnelse rettet på avfallsfraksjoner hvor polysakkarider hovedsakelig er sukker, stivelse eller allerede forbehandlet cellulose som papir, papp eller lignende. Herved blir kostnadene for enzymer også holdt nede, idet amylaser generelt er billigere enn cellulaser. Målet for denne prosessen er å foreta en lavpriset ekstraksjon av monosakkarider. Ukonvertert lignocellulose kan eventuelt sorteres ut etter fermenteringen og f.eks. brukes i en fremgangsmåte med høytrykkforbehandling.

Hydrolysen er i foreliggende oppfinnelse utført enzymatisk uten forutgående detoksifisering av mesken. Videre blir hydrolysen utført på en mesk med tørrstoffinnhold over 20 % vekt/vekt.

Fermenteringen i foreliggende oppfinnelse blir også utført uten noen forutgående detoksifisering. Kjemisk tilsetting er bare nødvendig for pH-justering. Eventuelt kunne den flytende avfallsfraksjonen føres til et standard fermenteringskar for ytterligere sakkarifisering og fermentering.

Det neste prosesstrinn i produksjonen av bioetanol eller andre nyttige fermenteringsprodukter inkluderer eventuelt sortering av fermenterte eller fermenterbare avfallsfraksjoner fra ikke-fermenterbare faststoffer. Dette trinnet kan utføres i det samme kar som anvendes for forbehandling, hydrolyse og fermentering. Ved å utnytte det faktum at hydrolysen flytendegjør de fermenterbare delene av avfallet mens de ikke-fermenterbare faststoffene forblir i fast fase, kan sortering f.eks. utføres ved et silsystem inkorporert eller utenfor karet.

Videre er det mulig å utføre produktgjenvinning, f.eks. etanol, i ett og samme kar. Dette kan enten være som en total gjenvinning av f.eks. etanol fra den fermenterte mesken utført ved oppvarming og/eller vakuum, eller det kan være en gjenvinning av f.eks. etanol fra ikke-fermenterte faststoffer som forblir etter sortering.

Innenfor det tekniske området for f.eks. bioetanolproduksjon har det så langt ikke vært mulig å utføre forbehandling og hydrolyse i ett enkelt kar ved å bruke prinsippet for fritt fall blanding, og enda mindre å utføre den totale prosess fra forbehandling til produktgjenvinning i et kar.

Prinsippet med gravitetsblanding kan anvendes for alle typer av avfallsfraksjoner, selv med høy viskositet eller nærvær av store innviklede partikler med lav energitilførsel og tillater lett oppskalering. En annen hensikt med foreliggende oppfinnelse er å redusere energitilførsel ved forbehandling ved å bruke ikke-trykksatt forbehandling. Det er overraskende blitt funnet at behandling av ikke opprevet, delvis organiske avfallsfraksjoner med et tørrstoffinnhold over 20 % i henhold til foreliggende oppfinnelse, resulterer i enzymatisk hydrolyse av mer enn 50 % av cellulosen, hemicellulosen og stivelsen som opprinnelig er tilstede i avfallet til cellobiose, glukose og xylose. Videre er det mulig å oppnå et etanolinnhold over 4 volum% uten å tilsette andre fermenterbare råmaterialer.

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte til ikke-trykksatt forbehandling, flytendegjøring, sakkarifisering, fermentering og sortering av mono-og/eller polysakkaridholdige avfallsfraksjoner. Prosessen er egnet for avfall som har et relativt høyt tørrstoffinnhold, fortrinnsvis over 20 %, og som inkluderer relativt store partikler. Ulik konvensjonelle prosesser tillater prosessen i henhold til foreliggende oppfinnelse effektiv behandling av delvis organiske avfallsfraksjoner som inkluderer store partikler. Behandlingen av nevnte materiale kan utføres uten ytterligere vanntilførsel, detoksifisering eller mekanisk oppriving.

Forbehandlingen kan eventuelt utføres ved damptilførsel uten anvendelse av trykk, dvs. karet er åpent til atmosfæren og forbehandlingstiden er relativt kort, dvs. i området fra 0-120 min.

En ytterligere egenskap ved foreliggende oppfinnelse er det faktum at forbehandlingen og hydrolysen vil utføres i ett enkelt kar. Videre kunne karet eventuelt anvendes til å utføre fermentering og atskillelse av den fermenterbare kraften fra de ikke-fermenterbare faste fraksjoner ved et silkonsept (se fig. 1 og 2). Produktgjenvinning (f.eks. etanol) fra enten den totale fermenteringsmesken eller den faste fraksjonen kunne også utføres i nevnte kar. Samtidig blanding av avfallsfraksjonene blir utført i en blandeanordning som hovedsakelig baserer seg på gravitetsprinsippet for å sikre den nødvendige mekaniske virkning av avfallsfraksjonen. Foretrukne typer av blandeanordninger er fritt fall blandere, så som trommelblandere, sylinderblandere eller lignende anordninger. Videre er prosessen spesielt egnet for bioetanolproduksjon fra mono- og/eller polysakkaridholdige avfallsfraksjoner med høyt innhold av stivelse, raffinert stivelse, cellulose, hemicellulose og monosakkarider.

Den enzymatiske hydrolysen er basert på kombinasjonen av hydrolytiske enzymer som inkluderer karbohydrolytiske enzymer, så vel som oksidative enzymer. Fermenteringen ble utført med gjær eller enhver annen type av etanologene mikrober, dvs. mikroorganismer som er i stand til å utnytte pentoser og/eller heksoser til produksjon av bioetanol eller andre biokjemikalier.

Beskrivelse av oppfinnelsen

Mekanisk virkning på mono- og/ eller polysakkaridholdig biomasse

Foreliggende oppfinnelse inkluderer tre prosesstrinn, dvs. ikke-trykksatt forbehandling, enzymatisk hydrolyse og fermentering. I tillegg kan trinn for sortering/gjenvinning av avfallsfraksjoner og fermenteringsprodukt inkluderes. Forbehandling og hydrolyse blir utført i ett enkelt kar mens fermentering, sortering og produktgjenvinning eventuelt kan utføres i ett og samme kar som forbehandling og hydrolyse. Innenfor det tekniske området til bioetanolproduksjon er det ikke tidligere blitt vist hvordan slike prosesstrinn kan integreres i et enkelt kar. Tallrike dokumenter fra den kjente teknikk, så som US 4 342 830 A, CZ 9 602 835 A3 og US 4 094 740 A beskriver utgangsmaterialer og prosesstrinn som er like de krevet i foreliggende oppfinnelse. Ingen av dem beskriver imidlertid ikke-trykksatt forbehandling eller integrering av forbehandling og hydrolyse i et enkelt kar, reaktor eller lignende anordning. Karet i henhold til foreliggende oppfinnelse er basert på et fritt fall blandingsprinsipp, dvs. en trommelblander, en blander med en roterende horisontal akse som løfter avfallet eller lignende blandingsanordninger som utnytter et fritt fall prinsipp (se fig. 2 som viser et eksempel på en slik blandingsanordning).

Blandingen utført i alle prosesstrinnene i henhold til foreliggende oppfinnelse tjener minst fire hensikter.

Først sikrer det tett kontakt mellom poly- og/eller monosakkairdholdige avfallsfraksjoner og den anvendte damp, enzymer og mikroorganismer.

For det andre hjelper det mekaniske arbeid utført på materialet under fritt fall blanding til å rive større partikler fra hverandre og hjelper derfor til med å øke overflatearealet til materialet som videre vil øke tilgjengeligheten for de anvendte enzymer til f.eks. cellulose og hemicellulose. For ytterligere å øke det mekaniske arbeidet på materialet kan eventuelt stålkuler eller lignende midler som vil kollidere med materialet eventuelt tilsettes blandeanordningen.

For det tredje forhindrer blanding av materialet lokal akkumulering av høy cellobiosekonsentrasjon som - velkjent for en person med kunnskap på området - kan inhibere f.eks. cellulaseenzymer, særlig cellobiohydrolase.

For det fjerde er en viktig egenskap til cellulaseenzymene innflytelse av cellulosebindende domener (CBD) på enzymyteevnen. CBD'er er funksjonelle deler av cellulosedegraderende enzymer. CBD gjør mulig tilklebing av det vannoppløselige enzym på en uløselig substratoverflate (cellulose). Den tette sammenhengen mellom enzym og cellulose tilveiebrakt ved CBD forsterker den katalytiske hastigheten og stabiliteten til enzymet. For å hydrolysere cellulose må enzymet forandre posisjonen til CBD på cellulosekjeden. Det er ment at mekanisk virkning, f.eks. fritt fall blanding, er viktig for bevegelse av CBD og følgelig for den enzymatiske virkningen av enzymene langs cellulosekjeden.

I tillegg til ovenstående skal det bemerkes at enzymatisk hydrolyse og fermentering er tradisjonelt blitt utført i omrørte tankreaktorer utstyrt med skovlhjul, f.eks. Rushton turbin eller Intermig skovler, montert på en sentralt plassert skovlaksel lik den som blir anvendt i kornfermenteringsindustrien. Ved å bruke dette utstyret kan ikke løsninger med høy viskositet, meget klebrige eller mye tørrmateriale røres effektivt, men vil resultere i soner med meget dårlig eller ingen blanding i det hele tatt. Videre krever omrøring av slike blandinger meget stor energitilførsel som er ødeleggende for prosessens økonomi. Å operere med mono- og/eller polysakkaridholdige avfallsfraksjoner har dette tidligere begrenset den øvre grensen til tørrstoffinnhold til ca. 20 %. Blandeprinsippet basert på fritt fall overvinner dette problem og kan anvendes til poly- og/eller monosakkaridholdige avfallsfraksjoner med tørrstoffinnhold over 20 %.

Skjønt prosessering av ikke-blandbare plantematerialer så som f.eks. mono- og/eller polysakkairdholdig biomasse med relativt høyt tørrstoffinnhold og store gjennomsnittelige fiber og partikkelstørrelser, er kjent fra fast tilstand fermentering eller bioreaktorer, hvor trommeltypeblandere blir brukt for blanding (f.eks. Giovanozzi et al. 2002) har dette blandingsprinsipp ikke tidligere blitt implementert i en kombinert enkeltkarprosess som omfatter ikke-trykksatt forbehandling, enzymatisk hydrolyse og eventuelt fermentering og sortering av mono- og/eller polysakkaridholdige avfallsfraksjoner.

Ikke- trykksatt forbehandling

Ett eksempel på ikke-trykksatt forbehandling av avfallsfraksjonen som krevd i foreliggende oppfinnelse er en ikke-trykksatt dampforbehandling. Dette avviker signifikant fra tidligere beskrevne forbehandlinger av lignende biomasser, f.eks. US 4 342 830 A, US 4 093 516 A, CZ 9 602 835 A3, US 4 094 740 A og US 5 637 502 hvori alle prosessene blir utført under trykk. Den ikke trykksatte forbehandling i henhold til foreliggende oppfinnelse kunne utføres ved å injisere damp direkte i karet og/eller ved å oppvarme karet indirekte. Eventuelt kan pH-justering utføres for å forbedre resultatet til forbehandlingen. Forbehandling av avfallsfraksjonen blir applisert samtidig med fritt fall basert blanding.

Hensikten med forbehandling i henhold til foreliggende oppfinnelse er å minimalisere mengden av uønskede mikroorganismer gjennom biosidaktivitet før den virkelige enzymatiske behandling. Eksempler på slik aktivitet er radioaktiv stråling, UV-stråling og elektroporering. Ved å bruke termisk behandling som et valg vil mykgjøring av prosessert biomasse så som forskjellige papirfraksjoner, bryte ned den indre strukturen til biomassen med høyt vanninnhold og lavt lignininnhold så som grønnsaker, og åpning av stavelsesstrukturer skjer i tillegg til den bioside virkning. Hvis en riktig utførelse av en påfølgende hydrolyse av polysakkarider krever dekomponering av en ellers beskyttende struktur (f.eks. lignin) i det opprinnelige lignocellulosematerialet, kan en trykksatt forbehandling være nødvendig. Imidlertid er hensikten med forbehandling i henhold til foreliggende oppfinnelse ikke å bryte ned beskyttende strukturer av ikke-prosessert biomasse eller liknende, men heller å begrense mikrobiell aktivitet og å mykgjøre den prosesserte avfallsfraksjonen. Den ikke-trykksatte forbehandlingsprosessen er fortrinnsvis basert på damptilførsel, men kan eventuelt bli supplementert med sure eller alkaliske forbindelser.

Den ikke-trykksatte forbehandling av mono- og/eller polysakkaridholdige avfallsfraksjoner i henhold til foreliggende oppfinnelse utnytter fortrinnsvis damp for å varme opp avfallet til ca. 100°C. Dette avviker signifikant fra tidligere beskrevne forbehandlinger innenfor det tekniske området, f.eks. prosessen beskrevet i US patent US 4 342 830 A, hvori trykksatt forbehandling av substratet blir benyttet. Benyttelse av biomasse/substrat med et høyt tørrstoffinnhold så som avfallsfraksjoner i henhold til foreliggende oppfinnelse ved produksjon av bioetanol og utnyttelse av fritt fall blanding gjennom alle trinn av prosessen er ikke tidligere blitt beskrevet.

Alle beskrevne fraksjoner kan eventuelt bli utsatt for én eller annen type mekanisk forbehandling så som sortering, oppriving eller massedannelse før det blir utnyttet i de aktuelle prosessene i henhold til foreliggende oppfinnelse. Mekanisk forbehandling som sådan utgjør imidlertid ikke del av oppfinnelsen. I hovedparten av de tidligere beskrevne prosessene for fremstilling av bioetanol, f.eks. CZ 9 602 835 A3, US 4 094 740 A og US 5 637 502 har det vært en absolutt nødvendighet å rive opp, massedanne eller på annen måte redusere partikkelstørrelsen til den anvendte biomasse/substrat for å utføre etanolproduksjonen korrekt. Prosessen i henhold til foreliggende oppfinnelse kan behandle og prosessere mono- og/eller polysakkaridholdige avfallsfraksjoner med tørrstoffinnhold over 20 % og som inneholder store partikler, uten ytterligere vanntilførsel eller mekanisk opprivning som er en klar fordel i relasjon til f.eks. prosessøkonomi.

Hydrolyse

Etter ikke-trykksatt forbehandling er neste trinn for utnyttelse av mono- og/eller polysakkaridholdige avfallsfraksjoner til produksjon av bioetanol eller andre biokjemikalier hydrolyse av den frigjorte stivelse, cellulose og hemicellulose til fermenterbare sukre. Hvis dette er gjort enzymatisk krever det et stort antall forskjellige enzymer med forskjellige aksjonsmåter. Enzymene kan tilsettes eksternt eller de kan tilveiebringes av mikroorganismer som gror i biomassen, dvs. avfallsfraksj onen.

Før tilsetting av enzymer eller enzymproduserende mikroorganismer må temperaturen og pH justeres i henhold til optimale betingelser for de angitte enzymer. Kjøling og oppvarming av mesken kunne eventuelt utføres ved å sirkulere kaldt eller varmt vann (f.eks. varmt vannverksvann) gjennom en kappe rundt karet eller ved å injisere damp eller kaldt vann direkte i karet. Før den enzymatiske hydrolysen kan det være nødvendig å tilsette ytterligere vann for å oppnå et egnet tørrstoffinnhold, skjønt enda utover 20 %, for enzymene. pH kan justeres kontinuerlig ved å injisere fortynnede sure eller alkaliske løsninger i karet. Videre kan pH kontrolleres ved en online pH-målingsenhet.

Hensikten med en enzymatisk hydrolyseprosess er delvis å kickstarte flytendegjøringen ved optimale enzymbetingelser, som ofte avviker fra optimale fermenteringsbetingelser, og delvis å flytendegjøre fraksjoner av avfallet for å redusere viskositet og derved forbehandle fraksjonen for den påfølgende sakkarifisering og fermentering. Varigheten av hydrolysetrinnet kan være fra 0-24 timer avhengig av sammensetningen og konsistensen til avfallsfraksjonen.

Enzymer som er i stand til å utføre en konversjon av stivelse, cellulose og hemicellulose eller deler derav til glukose, xylose og cellobiose blir tilsatt biomassen enten i nativ form eller i form av mikrobielle organismer som gir opphav til akkumulering av slike enzymer. Spesielle blandinger av enzymer vil fremstilles for hver individuell avfallsfraksjon avhengig av f.eks. sammensetningen av fraksjonen. Andre tilsetninger kan likeledes tilsettes for å forsterke enzymaktiviteten.

Fermentering

Fermenteringsprosessen kan utføres i samme kar hvori den ikke-trykksatte forbehandling så vel som den enzymatiske hydrolyse tidligere fant sted. Eventuelt kunne delvis fermentert mesk transporteres til et annet fermenteringskar for avsluttende fermentering.

Fermenteringsprosessen ble utført ved å tilsette gjær (standard, dyrket eller manipulert), termofile bakterier eller enhver annen mikroorganisme som er i stand til å produsere bioetanol eller andre spesifikke biokjemikalier fra heksoser og pentoser tilstede i den delvis hydrolyserte mesken. Tilsetting av ytterligere enzymer til mesken sammen med tilsetting av gjær er foretrukket under visse omstendigheter. Før fermenteringen kan starte og under fermenteringsprosessen i seg selv blir temperatur og pH i mesken eventuelt justert i henhold ril pH- og temperaturoptima for de anvendte mikroorganismer. Fermenteringen kan være anaerob og gjær eller andre etanologene mikroorganismer kan tilsettes utenfra (f.eks. fra kim fermentorer). Alternativt kan mikroorganismer dyrkes i fermenteringsprosessen i seg selv ved å tilsette luft, oksygen eller enhver annen oksygenholdig tilsetting til fermenteringen. For noen fermenteringsfraksjoner kan det være nødvendig å tilsette f.eks. nitrogenkilder, næringsstoffer så vel som vitaminer for å utføre fermenteringsprosessen korrekt.

Alternativt kunne fermenteringsprosessen inkludere kontinuerlig etanolgjenvinning eller gjenvinning av andre biokjemikalier fra karet, avhengig av operasjonstemperaturen.

Sortering av ikke- fermenterbare fraksjoner

Sortering av de fermenterte eller fermenterbare fraksjoner fra ikke-fermenterbare faststoffer kunne utføres i samme kar brukt for ikke-trykksatt forbehandling, enzymatisk hydrolyse og fermentering. Idet hydrolyse flytendegjør eller delvis flytendegjør de fermenterbare deler av avfallsfraksjonen mens mesteparten av ikke-fermenterbare faststoffer forblir i fast fase, kan en sortering utføres ved f.eks. et silsystem inkorporert i karet.

Det inkorporerte silsystem kunne f.eks. være en roterende trommel med indre perforeringer som utfører blandingen og separeringen av ikke-konverterte faststoffer fra de flytendegjorte faststoffer. Alternativt kunne det være en silanordning i en stasjonær trommel som blir holdt ren ved de roterende blandingsanordninger. Hensikten med sorteringstrinnet er å holde tilbake hoveddelen av det endelige produkt, f.eks. bioetanol, i den flytende fasen mens hoveddelen av de ikke-konvertible faststoffene vil forbli i den faste fraksjonen. Produktet etterlatt i den faste fraksjonen i karet kunne gjenvinnes ved oppvarming av fraksjonen til over dets kokepunkt og deretter kondensere dampene før tømming av karet.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Fig. 1 viser et skjematisk diagram av oppfinnelsens prinsipp. I det viste eksemplet blir avfall plassert i et kar hvori ikke-trykksatt forbehandling, hydrolyse, fermentering og atskillelse blir utført ved tilsetting av damp, enzymer og gjær/mikroorganismer. Etanolølet blir deretter fjernet for ytterligere prosessering mens det solide avfallet blir kastet. Fig. 2 viser et eksempel på en gravitetsblander egent for foreliggende oppfinnelse. En perforert indre trommel atskiller de fermenterbare og ikke-fermenterbare avfallsfraksjoner. Prosessen i henhold til foreliggende oppfinnelse kan utføres ved å bruke de følgende foretrukne tekniske parametere.

For alle avfallsfraksjoner er ikke partikkelstørrelsen en begrensning for prosessering av avfallet. Bare dimensjonen til utstyret kunne begrense den maksimale partikkelstørrelsen til avfallet. Det er derfor mulig å behandle og utnytte usortert, uopprevet avfall med f.eks. partikler på 1000 mm gjennom hele prosessen.

Sammensetning av mono- og/ eller polysakkaridholdig avfallsfraksjon

Mono- og/eller polysakkaridholdig avfallsfraksjoner i henhold til foreliggende oppfinnelse inkluderer ethvert materiale som inneholder polymere og/eller monomere sukre f.eks. i form av stivelse, så vel som raffinert stivelse, cellulose, hemicellulose og/eller di- og/eller monosakkarider. Behandling av det nedenfor karakteriserte materialet kan utføres uten ytterligere tilsetting av vann eller mekanisk oppriving.

Relevante typer av mono- og/eller polysakkaridholdig avfall kan inkludere:

Avfallsfraksjoner avledet fra husholdninger så som f.eks.:

• Usortert kommunalt fast avfall (MSW)

• MSW prosessert i én eller annen sorterings-, opprivnings- eller massedannende anordning så som f.eks. Dewaster<®>eller reCulture<*>• Fast avfall sortert fra husholdninger, inkludert både organiske fraksjoner og papirrike fraksjoner

• RDF (avfallsavledet drivstoff) fraksjoner.

Avfallsfraksjoner avledet fra industrien så som f.eks.:

• Generelt industrielle avfallsfraksjoner som inneholder papir eller andre organiske fraksjoner som nå blir behandlet som husholdningsavfall Avfallsfraksjon fra papirindustri, f.eks. fra resirkuleringsfasiliteter Avfallsfraksjoner fra næringsmiddel- og fSrindustri

Avfallsfraksjoner fra medisinsk industri.

Avfallsfraksjoner avledet fra sektorer som er relatert til landbruk og dyrking så som f.eks.: • Avfallsfraksjoner fra prosesser som inkluderer sukker- eller stivelsesrike produkter så som poteter og forbete • Kontaminerte eller på annen måte ødelagte landbruksprodukter så som korn, poteter og fdrbete som ikke er brukbare for mat- eller fårproduksjon

• Hageavfall

• Gjødsel eller gjødselavledede produkter.

Avfallsfraksjoner avledet fra kommunal, delstats- eller statsregulerte eller regulerte aktiviteter så som f.eks.:

• Slam fra avfallsvannbehandlingsanlegg

• Fiber eller slamfraksjoner fra biogassprosessering

• Generelle avfallsfraksjoner fra offentlig sektor som inneholder papir eller

andre organiske fraksjoner.

• Tørrstoffinnholdet i den mono- og/eller polysakkaridholdige avfallsfraksjon i den enzymatiske hydrolyse- og fermenteringsprosess er over 20 %, fortrinnsvis 20-80 %, mer fortrinnsvis 20-50 %, enda mer fortrinnsvis 20-45 % og mest fortrinnsvis 20-40 %.

Fritt fall blandeanordning

Hvis et kar basert på fritt fall blandingskonseptet i form av en trommelblander blir benyttet er følgende tekniske data foretrukket: • Rotasjonshastighet: 0-30 rpm, fortrinnsvis 0-20 rpm, mer fortrinnsvis 0-15 rpm, enda mer fortrinnsvis 0-10 rpm og mest fortrinnsvis 0-5 rpm

■ Rotasjon med periodisk alternerende rotasjonsretning

• Rotasjon i forutbestemte intervaller.

Som det vil være klart vil den optimale rotasjonshastigheten avhengig av karvolumet, den foretrukne rotasjonshastighet kan således være relativt høy når prosessen blir utført i et relativt lite kar, mens den kan være relativt lav når prosessen blir utført i et relativt stort kar.

Ikke- trykksatt forbehandling av avfallsfraksjoner

Hvis en termisk forbehandling er valgt er følgende tekniske data foretrukket:

• Forbehandlingstemperatur: 60-110°C, fortrinnsvis 65-105°C, mer fortrinnsvis 70-105°C, enda mer fortrinnsvis 75-105°C og mest fortrinnsvis 80-100°C • Forbehandlingstid: 0-120 min., fortrinnsvis 5-100 min., mer fortrinnsvis 10-90 min., enda mer fortrinnsvis 20-80 min. og mest fortrinnsvis 30-60 min. • Forbehandlingsdamptilførsel: 0-2 kg/kg tørrstoff, fortrinnsvis 0,01-1,5 kg/kg tørrstoff, mer fortrinnsvis 0,02-1,0 kg/kg tørrstoff, enda mer fortrinnsvis 0,03-0,8 kg/kg tørrstoff og mest fortrinnsvis 0,05-0,5 kg/kg tørrstoff.

Enzymatisk hydrolyse av avfallsfraksjoner

• Enzymer for hydrolyse av forskjellige avfallsfraksjoner:

- Cellulaser

- Cellobiaser

- Hemicellulaser

- Alfaamylaser

- Glykoamylaser (AMG)

- Oksidative enzymer

- Eventuelt proteolytiske enzymer og lipaser

• Behandlingstid for enzymatisk hydrolyse: 0-96 timer, fortrinnsvis 0-72 timer, mer fortrinnsvis 0-48 timer, enda mer fortrinnsvis 0-24 timer og mest fortrinnsvis 5-15 timer • Temperatur for enzymatisk hydrolyse (justert med referanse til optimale temperaturer for de anvendte enzymer): 20-105°C, fortrinnsvis 20-100°C, mer fortrinnsvis 20-90°C, mer fortrinnsvis 20-80°C, enda mer fortrinnsvis 25-70°C og mest fortrinnsvis 30-70°C

• pH i avfallsmesken (justert med referanse til optimal pH for de anvendte enzymer): 3-12, fortrinnsvis 4-11, så som 5-10, mer fortrinnsvis 4-9, så som 6-9, enda mer fortrinnsvis 4-8, så som 7-8 og mest fortrinnsvis 4-5.

Fermentering av hydrolysert avfallsfraksjon

• Mikroorganismer for fermentering av forskjellige avfallsfraksjoner

- Standard bakegjær (tørr, fersk eller i enhver annen form)

- Enhver type genetisk eller på annen måte modifisert gjær

- Enhver type av termofile bakterier

- Enhver type av sopp som er i stand til å produsere det ønskede produkt • Behandlingstid for fermentering: 1-150 timer, fortrinnsvis 10-90 timer, mer fortrinnsvis 20-80 timer, enda mer fortrinnsvis 30-75 timer og mest fortrinnsvis 40-70 timer • Temperatur for fermentering (justert med referanse til optimale temperaturer for de anvendte mikroorganismer): 20-I05°C, fortrinnsvis 20-100°C, mer fortrinnsvis 20-90°C, mer fortrinnsvis 20-80°C, enda mer fortrinnsvis 25-70°C og mest fortrinnsvis 30-70°C • pH i avfallsmesken. Justert med referanse til den optimale pH for de anvendte mikroorganismer: 3-12, fortrinnsvis 4-11, så som 5-10, mer fortrinnsvis 4-9, så som 6-9, enda mer fortrinnsvis så som 7-8 og mest fortrinnsvis 4-5.

Eksempel 1: Eksperimenter med høy cellulaseopplasting utført i en sementblander

I) Etanolproduksjon fra ubehandlet offentlig fast avfall

12,2 kg av usortert og ubehandlet offentlig avfall fra Odense Kraftvarmeværks avfallsgrav, tilsvarende en estimert mengde på 8,5 kg tørrstoff, ble opplastet i en konvensjonell rotasjonssementblander ved en horisontal akse skrådd ca. 10°. Blanderen bestod av to indre ribber langs den lange aksen for å sikre skikkelig blanding av materialet. Et lokk ble montert på åpningen for å holde avfallsfraksjonen på innsiden av trommelen og å redusere fordampning fra blanderen. Blandetrommelen roterte langs den horisontale akse med en hastighet på 29 rpm.

En dampgenerator ble koblet til rotasjonstrommelen. Ca. 4,5 kg mettet damp på 3 barg ble tilsatt over en periode på 35 min., av hvilke 20 min. ble brukt til å varme opp avfallsfraksjonen og de gjenværende 15 min. var retensjonstid ved 90-96°C.

Sementblanderen ble avkjølt til 40°C ved å fjerne dampkoblingen og en viftevarmer ble montert for å holde en konstant temperatur i området 40-45°C. To liter vann ble tilsatt og resulterte i et tørrstoffinnhold i mesken på 45 %.

1275 ml av Celluclast<®>1,5 FG L, 255 ml Novozym<®>188 og 8.5 ml AMG ble tilsalt avfallsmesken. Celluclast<®>1,5 FG L og Novozym<®>188 enzymtilsetting tilsvarte ca. 15FPU/gDM.

Sementblanderen ble oppvarmet til 40-45°C ved bruk av en viftevarmer. Blandingen/hydrolysen av materialet ble utført over 9 timer og ble avbrutt hver time for å måle pH-nivået og justere det til 4-5. pH i mesken ble justert ved å tilsette sitronsyregranulater til trommelen. Prosessen resulterte i en mer eller mindre sølete mesk som inneholdt store ikke-konverterte partikler, så som plastbeholdere, kanner og stykker av glass. Prøver ble tatt.

For å bestemme sukkerinnholdet i de resulterende prøvene ble de sentrifugert i 15 min. ved 2500 rpm hvoretter supernatanten ble filtrert gjennom et 0,45 um filter analysert for sukker på HPLC. Etter 9 timers enzymatisk hydrolyse ved en enzymbelastning på 15 FPU/g DM inneholdt supernatanten 51 g/kg glykose og 10 g/kg xylose.

Etter 9 timers hydrolyse ved 40-45°C ble sakkarifisering og fermenteringsprosesser utført samtidig ved tilsetting av gjær til sementblanderen. Temperaturen ble tillatt å avkjøles under 35°C etter hvilke 170 g av komprimert gjær (Bakes gjær, De Danske Sprifabrikker) ble tilsatt. Sakkarifisering og fermenteringsprosesser ble fortsatt i 37 timer ved 30-35°C, bare avbrutt én gang for pH-justering etter 16 timer.

Den samtidige sakkarifisering og fermentering resulterte i 32 g/kg av etanol ekvivalent i 4,5 vol% etanol.

Den fermenterte mesken ble silt og den faste fraksjon tørket. Den tørre faste fraksjonen utgjorde 4,6 kg. Tørrstoffet i den flytende fraksjonen ble ikke ytterligere analysert. 2) Etanolproduksjon fra kildesortert organisk fast husholdningsavfall 25,7 kg kildesortert offentlig fast avfall fra deponeringsområdet-Klintholm I/S tilsvarende en estimert mengde på 10,3 kg tørrstoff ble behandlet på samme måte som beskrevet ovenfor. Damptilførsel resulterte i et tørrstoffinnhold i mesken på ca. 30 %.

1545 ml av Celluclast<®>1,5 FG L, 309 ml Novozym<®>188, 10 ml Spirizyme<®>pluss FG (glykoamylase) og 10 ml Liquozyme<®>sc ds (alfa-amylase) ble tilsatt avfallsmesken. Celluclast<®>1,5 FG L og Novozym<®>188 enzymtilsetting tilsvarte ca.

15 FPU/g DM.

Sementblanderen ble oppvarmet til 40-45°C ved anvendelse av en vifteovn. Blanding/hydrolyse av materialet ble utført i 6 timer og ble avbrutt hver time for å måle og justere pH til 4-5. pH i mesken ble justert ved tilsetting av sitronsyregranulater til trommelen. Prosessen resulterte i halvflytende slam som inneholdt mindre mengder av ikke-konverterte partikler så som stykker av plast, bokser og glass.

Prøvene ble sentrifugert i 15 min. ved 2500 rpm. Supernatanten ble filtrert gjennom et 0,45 um filter og analysert for sukre på HPLC. Etter 6 timers hydrolyse og en enzymopplasting på 15 FPU/g DM, inneholdt supernatanten 53 g/kg glukose og 12 g/kg xylose.

Etter 6 timers hydrolyse ved 40-45°C ble sakkarifisering og fermenteringsprosesser utført samtidig ved tilsetting av gjær til sementblanderen. Temperaturen ble tillatt å avkjøles under 35°C og 200 g komprimert gjær (Bakers gjær, De Danske Spritfabrikker) ble tilsatt. Sakkarifisering og fermenteringsprosesser ble fortsatt i 39 timer ved 30-35°C, bare avbrutt én gang etter 13 timer for pH-justering.

Den samtidige sakkarifisering og fermentering resulterte i 37 g/kg etanol, ekvivalent til 5,2 volum% etanol.

Etter siling av den fermenterte mesken utgjorde den våte faste fraksjonen 6,0 kg. Tørrstoffet i den flytende fraksjonen ble ikke ytterligere analysert.

Eksempel 2: Eksperiment med høy cellulaselasting utført i pilotskalareaktor

(fig. 2)

Etanolproduksjon ( inkludert vakuumstripping) fra kildesortert organisk fast husholdningsavfall og papir

49.6 kg kildesortert offentlig fast avfall fra deponeringsområdet Klintholm I/S og 16.7 kg papir (aviser og annonsebilag) som tilsvarte en estimert mengde på ca. 33,3 kg tørrstoff ble opplastet i pilotreaktoren. Pilotreaktoren bestod av en stasjonær trommel med en perforert indre trommel som kan ses på fig. 2, hvor den perforerte indre trommel kan rotere langs den horisontale akse (i alternerende retninger med en hastighet på 0-18 rpm). Reaktoren ble utstyrt med en kjøle/varmekappe for temperaturkontroll, som er koblet til et elektrisk varmeelement og til kjølevann. Reaktoren kan også kobles til en vakuumstripper for etanolgjenvinning.

Ca. 21 kg mettet damp ved 4 barg ble tilsatt over en periode på 60 min. under blanding - 30 min. oppvarming og 30 min. forbehandling ved 90°C. For ytterligere å senke tørrstoffinnholdet i avfallsmesken ble 15 1 vann tilsatt, som resulterte i et tønstoffinnhold på 30-32 %.

Etter forbehandlingen ble reaktoren og innholdet avkjølt til ca. 40°C med avkjølingsvann i avkjølingskappen til reaktoren og tilsetting av små mengder av trykkluft til trommelen.

Før tilsetting av enzymer ble pH i avfallsfraksjonen justert til ca. 5. Etter dette ble 5 1 Celluclast<®>1,5 FG, 1 1 Novozym<®>188, 33 ml Spirizyme<®>pluss FG og 33 ml Liquozyme<®>sc ds tilsatt. Mengden av Celluclast<®>1,5 FG og Novozym<®>188 tilsvarer en enzymdose på ca. 15 FPU pr. g tørrstoff.

Under enzymatisk hydrolyse ble pH i avfallsmesken kontinuerlig justert ved tilsetting av fast sitronsyre til trommelen. Hydrolyse forandret konsistensen til avfallsmesken fra et faststoff til en halvflytende slam som inneholdt mindre mengder av ikke-konverterte partikler så som stykker av plast, nøtteskall og små stikker.

Etter 6 timers hydrolyse ved 40-45°C ble avfallsmesken avkjølt til 36°C med kjølevann i kjølekappen og små mengder av trykkluft i trommelen. Etter avkjøling ble 666 g komprimert Bakers gjær (De Danske Spritfabrikker) tilsatt trommelen. Den samtidige sakkarifisering og fermentering (SSF) prosessen ble fortsatt i 39 timer ved 30-35°C.

Hydrolysen og den påfølgende SSF-prosessen, dvs. etter 45 timer totalt, resulterte i 28,8 g/kg etanol ekvivalent til 4,0 volum% etanol. Etter SSF ble noe av etanolen i reaktoren gjenvunnet ved å koble til en vakuumpumpe og en kjølekondensator til reaktoren.

Eksempel 3: Eksperiment med lav celluloseopplasting utført i pilotskalareaktor

(fig. 2)

Etanolproduksjon fra usortert offentlig fast avfall og papir

32,1 kg MSW fra to familier i én uke ble tilsatt i lukkede avfallsposer og 8,1 kg ytterligere papir (aviser og annonsebilag) som tilsvarte en estimert mengde på ca. 30 kg tørrstoff ble lastet inn i pilotreaktoren. For å senke tørrstoffinnholdet i avfallet ble 12,5 1 vann tilsatt. For detaljert beskrivelse se eksempel 2.

Etter opplasting ble avfallet oppvarmet til 90°C med varmekappen og ytterligere damp (4 barg) til reaktorkammeret. Når 90°C (også kontrollert manuelt ved et håndholdt termometer inne i trommelen) ble nådd ble temperaturen holdt her i 30 min. under blandingen. Deretter ble blandingen avkjølt til ca. 50°C med kjølekappen mens pH ble justert til ca. 5 ved tilsetting av fast sitronsyre.

Ved korrekt temperatur og pH ble enzymene tilsatt i form av: 1,15 1 Celluclast<®>1,5 FG, 0,25 I Novozym® 188, 30 g amylase (NS50033 fra Novozymes), 15 g Resinase<®>A 2X og 15 g Alcalase<®>2,5 1. Mengden av Celluclast<®>1,5 FG og Novozym<®>188 tilsvarer en enzymdose på ca. 7 FPU pr. g tørrvekt.

Under den enzymatiske hydrolyse ble pH i avfallsmesken kontinuerlig justert ved tilsetting av fast sitronsyre til trommelen.

Ca. 24 timer etter tilsetting av enzymer ble det nå viskøse avfallet ytterligere avkjølt-til 33°C og gjær ble tilsatt. Kort etter tilsetting av gjær kunne karbondioksiddannelse observeres som bobler i gjærlåsen. Under SSF ble pH i mesken justert ved tilsetting av fast natriumkarbonat. Prosessen fortsatte i 1 uke.

Etter 24 timer med prehydrolyse etterfulgt av 7 dager med SSF var resultatet 22,8 g/kg etanol, ekvivalent med 3,2 vol% etanol.

Eksempel 4: Utbytte (avfall til etanol) for forskjellige typer avfall

Flere eksperimenter er blitt utført med forskjellige typer avfall. Utbyttene er vist nedenfor (volum etanol produsert pr. tonn tørrstoff).

Resultatene viser at betydelige mengder etanol kan fremstilles fra MSW selv ved lave enzymoppladninger i denne prosessen. Med det i tankene at sortering etter fermentering er styrken i denne prosessen illustrerer resultatene også at kildesortering vil øke utbytte pr.lonn tørrstoff. Eksperimenter med hageavfall illustrerer viktigheten av høy temperatur forbehandling for avfallsfraksjoner som hovedsakelig består av lignocellulose og understreker at denne prosessen som retter seg på å konvertere lett tilgjengelige monosakkarider til etanol eller andre fermenteringsprodukter. Dog er det mulig å nå en etanolkonsentrasjon på ca. 4 vol% i fermenteringskraften, som er nødvendig for å opprettholde økonomien ved destillasjonen. Dette er mulig på grunn av det høye tørrstoffinnholdet som denne prosessen kan operere med.

Sitert litteratur

Qlavannoad-Sarmanni, B.,<p>Annlbals, A„ Peranl, C, Poni, A., Falesisdi, Q. (2002). Solid-stats bioraactors for the sustainability. internat adress

rsCul{ura<a>. EP 0921858, EP 97935928.2

Dewaster<9>: http://www.ewoc.dk/

US 4,342,820 A

US 4,093,516 A

CZ 9,602,835 A3

US 4,094,740 A

US 5,637,502

Claims (1)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av fermenteringsprodukter fra mono- og/eller polysakkaridholdige avfallsfraksjoner som har et tørrstoffinnhold over 20 %, som involverer å utsette nevnte avfallsfraksjoner for:

• ikke-trykksatt forbehandling

• enzymatisk hydrolyse

• fermentering

karakterisert ved at enzymatisk hydrolyse tilstrekkelig til å flytendegjøre fermenterbare deler av avfallet etterfølges av sortering av fermenterbare avfallsfraksjoner fra ikke-fermenterbare faststoffer.