Способ производства этанола из целлюлозосодержащих отходов (варианты) и способ получения глюкозы из целлюлозосодержащих отходов

Способ производства этанола из целлюлозосодержащих отходов (варианты) и способ получения глюкозы из целлюлозосодержащих отходов

Реферат

 

Изобретение относится к переработке отходов. Способ производства этанола предусматривает ферментацию, сортировку отходов, измельчение целлюлозного компонента, проваривание, коррекцию рН сбраживаемой массы перед ферментацией с последующим выделением этанола. По одному из вариантов измельченный целлюлозный компонент (ИЦК) обрабатывают концентрированной серной кислотой в весовом соотношении 1:1. Полученную смесь разбавляют водой при температуре около 80-100°С. Проваривают ее с перемешиванием при температуре 100°С, отфильтровывают твердую фазу. Фильтрат разделяют на раствор, содержащий кислоту, и раствор, содержащий сахар. Сахар концентрируют до 12-14%. Коррекцию рН производят до рН 6. Ферментацию концентрированного раствора сахара осуществляют с использованием дрожжей. По другому варианту ИЦК подвергают кислотному гидролизу. Гидролизат разделяют непрерывной ионно-эксклюзионной хроматографией на раствор, содержащий кислоту, и раствор, содержащий сахар. Производят концентрирование сахара до 12-14% посредством фильтра обратного осмоса. Значение рН корректируют до 6 аммиаком. Ферментацию концентрированного сахарного раствора осуществляют с помощью дрожжей при температуре 25 - 36°С с получением бражки, из которой этанол выделяют дистилляцией. По третьему варианту ИЦК подвергают гидролизу серной кислотой при температуре 40 - 100°С. Отделяют растворимый компонент от нерастворимого. Нерастворимый компонент высушивают и обрабатывают его концентрированной серной кислотой в весовом соотношении примерно 1:1 с получением частично гидролизованной смеси. Последнюю разбавляют водой при температуре 80-100°С, проваривают при перемешивании при температуре 100°С, отделяют твердую фазу с получением фильтрата. Фильтрат разделяют на раствор, содержащий кислоту, и раствор, содержащий сахар. Сахар концентрируют до 12-14%. Значение рН корректируют до 6. Ферментацию раствора сахара осуществляют дрожжами. Способ получения глюкозы предусматривает измельчение сырья, обработку его концентрированной серной кислотой при весовом соотношении 1:1 при нагревании от 30 до 80°С. Полученную смесь разбавляют водой при 80-100°С, проваривают при 100°С с перемешиванием. Затем отделяют нерастворимый компонент и получают глюкозу. Изобретение позволит утилизовать городские твердые отходы. 4 с. и 12 з.п. ф-лы, 1 ил., 10 табл.

Изобретение относится к процессам и оборудованию для автоматизированной переработки городских твердых отходов, шламов сточных вод для извлечения и утилизации любых полезных материалов и для промышленного производства этанола и глюкозы. В частности, изобретение относится к способу производства этанола и глюкозы из целлюлозосодержащих городских твердых отходов.

Обычно твердые отходы и шламы сточных вод уничтожаются путем захоронения и/или сжигания. Требованиям охраны окружающей среды не соответствуют как захоронение, так и сжигание отходов, поэтому необходимо альтернативное решение утилизации твердых отходов. Протесты общественности в связи с загрязнением среды, вызываемым сжиганием отходов, привели к приостановлению многих новых проектов, связанных со сжиганием. Реагируя на проблемы, связанные с захоронением, правительство распорядилось использовать вторичное сырье с целью сохранения природных ресурсов и прекращения захоронения твердых отходов.

Для извлечения из твердых отходов материалов, пригодных к повторному использованию, для производства топлива, а также промышленно пригодных спиртов и газа, был создан ряд технологий.

Патент US 5198074 описывает процесс производства этанола из бамбука, включающий резку, измельчение и промывку бамбука, прессование для удаления воды. Затем волокна подвергаются первичному гидролизу паром для получения растворимых сахаров и ферментации для получения этанола.

Патент US 5184780 описывает установку для обработки твердых отходов, включающую одну или более линий для обработки твердых отходов с целью выделения возобновляемых материалов, таких как рифленый картон, черные металлы, пластмассы, бумага и стекло.

В патенте US 5135861 описан способ производства этанола из биомассы, которая гидролизуется в присутствии двуокиси углерода, образующейся в результате ферментации, или органических кислот, содержащихся в отходах переработки цитрусовых, выполняющих роль катализатора.

Патент US 5104419 описывает способ производства метанола из твердых отходов, например городских твердых отходов, путем частичного окисления и сжигания твердых отходов, пропускания горючих газов, кислорода и двуокиси углерода через твердые отходы, отделения низколетучих компонентов газа от более летучих и взаимодействия более летучих компонентов с двуокисью углерода с образованием метанола.

В патенте US 5060871 описаны способы разделения частиц металлических сплавов, использующие различия в размере частиц, плотности и/или электропроводности.

Патент US 5036005 описывает способ производства этанола топливного качества из сахара путем непрерывной ферментации, при котором этанол выделяется в экстракционной колонне, содержащей растворитель, нетоксичный для ферментирующих микроорганизмов.

Патент US 5009672 описывает способ выделения и повторного использования компонентов городских твердых отходов путем прессования под высоким давлением, грохочения и магнитной сепарации. Выделенные органические компоненты, поддающиеся гниению, затем подвергаются анаэробной ферментации для получения биогаза, который можно непосредственно использовать для выработки электроэнергии.

В патенте US 4974781 описан способ разделения бумаги и пластика, при котором материалы подвергаются смачиванию и нагреванию для получения вторичной бумажной пульпы. Пульпа отделяется от материалов, не образующих пульпу, и поступает на повторное использование, сжигается или применяется в качестве сырья в химических процессах.

Патент US 4952503 описывает способ непрерывного производства этанола с использованием стадии центрифугирования для удаления дрожжей.

Патент US 4874134 описывает способ переработки твердых отходов с целью извлечения вторичных материалов, таких как рифленый картон, черные и цветные металлы, изделия из пластмассы, бумажная и стеклянная упаковка, а также отходы, из которых путем биодеградации можно получить компост. Объемные полезные материалы, необрабатываемые материалы и восстанавливаемые материалы утилизируются в первую очередь, затем магнитной сепарацией отделяется первая фракция черных металлов, отходы измельчаются, отделяется магнитной сепарацией вторая фракция черных металлов, затем бумажная фракция отделяется пневматически для получения биодеградируемой фракции, которая может после этого перерабатываться в компост.

Патент US 4692167 описывает устройство для переработки отходов с целью производства твердого гранулированного топлива путем измельчения, магнитного извлечения черных металлов, грохочения, сушки, гравитационной сепарации, вихревой сепарации, просеивания и прессования гранул.

Патент US 4650689 описывает процесс получения этанола из целлюлозных материалов путем обработки парами высококонцентрированной газообразной минеральной кислоты, например соляной кислоты, под давлением с последующей обработкой горячей водой для получения сусла, содержащего сахара, которые можно ферментировать.

Патент US 4612286 описывает способ кислотного гидролиза биомассы, содержащей материалы, пригодные для ферментирования, на диффузионном противоточном устройстве. Оптимальная концентрация серной кислоты от 2 до 10% (по объему).

Патент US 4553977 описывает способ разделения компонентов твердых отходов с первичной сортировкой на барабанном грохоте для удаления алюминиевых банок и получения фракции, обогащенной органическими веществами, из которой могут быть выделены утилизируемые волокнистые компоненты. Стальные банки отделяются магнитной сепарацией. Органические вещества отделяются для использования в качестве горючего материала с пульпированием для извлечения бумажной пульпы или без него.

Патент US 4541530 описывает способ отделения металлических частиц от неметаллических при обработке твердых отходов путем гомогенизации и магнитной обработки компонентов отходов для получения металлического концентрата, например алюминиевого концентрата.

Патент US 4384897 описывает способ обработки биомассы путем двухстадийного гидролиза, в котором на первой стадии деполимеризуются более легко гидролизуемые полисахариды, а на второй стадии - более трудно деполимеризуемые. Биомасса становится более реакционноспособной за счет того, что между первой и второй стадиями гидролиза подвергается воздействию молекулярного кислорода. Кислоты нейтрализуются щелочными материалами, например карбонатом или гидроксидом кальция, образуя раствор, пригодный для ферментации до этанола.

Патент US 4341353 описывает метод извлечения горючего материала и утилизируемых продуктов из отбросов, используя дисковые сортировщики и воздушные классификаторы.

Патент US 4288550 описывает способ переработки пищевых отходов путем анаэробной ферментации в присутствии дрожжей, вырабатывающих этанол, за счет непосредственного превращения крахмала в этанол без предварительного гидролиза, и после этого проводится ферментация в анаэробных условиях для трансформации продукта в метан.

В патенте US 4069145 описан метод разделения частиц по их разной электропроводности с помощью электромагнитного сепарирующего устройства с вихревыми токами.

Патент US 4063903 описывает устройство для уничтожения твердых отходов путем выделения неорганических компонентов и превращения органического компонента в топливо или топливные добавки. Измельченный материал обрабатывают кислотой, нагревают, высушивают и перемалывают, получая тонкоизмельченный горючий материал.

Наиболее близким к ферментативному способу производства этанола из целлюлозосодержащих отходов согласно изобретению является способ сбраживания целлюлозосодержащих материалов и отходов, описанный в Авторском свидетельстве СССР N 64024, 1944. Данный способ предусматривает сбраживание предварительно измельченного и проваренного сырья культурами термофильных бактерий в щелочной среде (pH 7,2-7,8) с получением этанола и летучих органических кислот без стадии гидролиза.

Наиболее близким к способу получения глюкозы из целлюлозосодержащих отходов согласно изобретению является способ гидролиза растительного сырья серной кислотой, описанный в Авторском свидетельстве СССР N 105278, 1952. Данный способ включает стадии обработки предварительно подсушенного сырья концентрированной серной кислотой при нагревании от 50 до 80^oC, растирания полученной гидролизат-массы на вальцах, разбавления ее водой и проведения дополнительного гидролиза путем проваривания разбавленной массы при температуре 70-120^oC в течение 90 минут.

Данное изобретение предлагает эффективный автоматизированный способ переработки твердых городских отходов для выделения всех утилизируемых материалов, а также для промышленного производства этанола и глюкозы.

Предметом изобретения также является разработка способа переработки существующих захоронений отходов и, таким образом, устранение их вредного воздействия на окружающую среду в будущем.

Кроме того, задачей изобретения является создание процесса переработки, который сам по себе не наносит вреда окружающей среде.

Поставленная задача решена тем, что в способе производства этанола из целлюлозосодержащих отходов согласно изобретению, в отличие от известного способа по а.с. 64024, проводят кислотный гидролиз сырья для получения раствора сахара и последующей его ферментации с получением этанола, причем ферментацию ведут в нейтральной или слабокислой среде (pH 6) с использованием дрожжей. В одном из вариантов осуществления при гидролизе разбавленной серной кислотой полностью растворяют оставшиеся тяжелые металлы.

Способ производства этанола из целлюлозосодержащих отходов посредством ферментации включает сортировку отходов, измельчение целлюлозного компонента и обработку концентрированной серной кислотой в весовом соотношении 1:1. Полученную частично гидролизованную смесь разбавляют водой при температуре около 80-100^oC, разбавленную смесь проваривают с перемешиванием при температуре 100^oC, затем отделяют твердую фазу фильтрованием, полученный фильтрат разделяют на раствор, содержащий кислоту, и раствор, содержащий сахар, проводят концентрирование сахара в растворе до примерной концентрации 12-14%, корректируют значение pH концентрированного раствора сахара до pH 6, а ферментацию полученного концентрированного раствора сахара осуществляют с использованием дрожжей.

При этом после разбавления частично гидролизованной смеси водой при 80-100^oC получают раствор, содержащий от 4 до 6 частей воды по массе на 1 часть частично гидролизованного материала.

Изобретение также предусматривает способ производства этанола из целлюлозосодержащих отходов посредством ферментации, включающий сортировку отходов, измельчение целлюлозного компонента, коррекцию pH сбраживаемой массы перед ферментацией с последующим выделением этанола. Измельченный целлюлозный компонент подвергают кислотному гидролизу, полученный гидролизат разделяют на нерастворимый и растворимый компонент, затем растворимый компонент разделяют с помощью непрерывной ионно-эксклюзионной хроматографии на раствор, содержащий кислоту, и раствор, содержащий сахар, проводят концентрирование сахара в растворе до концентрации 12-14% посредством фильтра обратного осмоса, корректируют значение pH концентрированного раствора сахара до pH 6 аммиаком, осуществляют ферментацию полученного концентрированного раствора сахара с помощью дрожжей при температуре от 25 до 36^oC с получением бражки, а этанол из бражки выделяют дистилляцией.

Изобретение также предлагает способ производства этанола и удаления практически всех тяжелых металлов и хлоридов из целлюлозного компонента городских твердых отходов.

Указанный способ производства этанола из целлюлозосодержащих отходов посредством ферментации включает сортировку отходов, измельчение целлюлозного компонента, гидролиз полученного измельченного целлюлозного компонента разбавленной серной кислотой при температуре от 40 до 100^oC для полного растворения оставшихся тяжелых металлов и разделения на растворимый и нерастворимый компонент. Затем отделяют растворимый компонент от нерастворимого компонента, высушивают нерастворимый компонент и обрабатывают его концентрированной серной кислотой в весовом соотношении примерно 1:1 с получением частично гидролизованной смеси, которую разбавляют водой при температуре 80-100^oC, проваривают при перемешивании при температуре 100^oC, отделяют твердую фазу с получением фильтрата, полученный фильтрат разделяют на раствор, содержащий кислоту, и раствор, содержащий сахар, проводят концентрирование сахара в растворе до концентрации 12-14%, затем корректируют значение pH концентрированного раствора сахара до pH 6, а ферментацию полученного концентрированного раствора сахара осуществляют с использованием дрожжей.

При этом растворимый компонент отделяют от нерастворимого компонента на винтовом прессе; для разбавления частично гидролизованной смеси используют воду, которая представляет собой сточную воду или нечистоты, содержащие органический азот, а после разбавления частично гидролизованной смеси водой при 80-100^oC получают раствор, содержащий от 4 до 6 частей воды по массе на 1 часть частично гидролизованного материала. Разделение проваренной смеси на твердую фазу и фильтрат проводят на фильтр-прессе: разделение фильтрата на раствор, содержащий сахар, и раствор, содержащий кислоту, осуществляют путем непрерывной ионно-эксклюзионной хроматографии или непрерывной противоточной эксклюзионной хроматографии; концентрирование до 12-14% раствора, содержащего сахар, проводят с помощью фильтра обратного осмоса; pH концентрированного раствора сахара корректируют добавлением аммиака; перед выделением этанола дрожжи удаляют из бражки путем фильтрации, а этанол выделяют из бражки путем перегонки.

Кроме того, нерастворимый компонент, полученный после кислотного гидролиза, высушивают и сжигают в качестве топлива для бойлера.

Изобретение относится также к способу получения глюкозы из целлюлозосодержащих отходов, который включает измельчение сырья, обработку концентрированной серной кислотой при нагревании, разбавление водой и проваривание, в котором измельчение сырья проводят перед обработкой кислотой, обработку сырья концентрированной серной кислотой осуществляют при весовом соотношении 1: 1 и нагревании от 30 до 80^oC, а полученную частично гидролизованную смесь разбавляют водой при 80-100^oC, проваривают при 100^oC с перемешиванием, отделяют нерастворимый компонент и получают глюкозу в виде подкисленного раствора растворимого компонента.

В отличие от известного способа по а.с. 105278 в способе получения глюкозы согласно изобретению не требуется предварительно подсушивать сырье, растирать гидролизат-массу на вальцах и проводить нейтрализацию кислых гидролизатов известняком, известью или мелом. Благодаря регулированию значения pH полученного по изобретению раствора сахара в диапазоне около 6 с предпочтительным использованием аммиака значительно снижается образование отходов по сравнению с известным способом.

Кроме того, отделенный нерастворимый компонент подвергают дальнейшей обработке, включающей обработку 1-10%-ным раствором соли для растворения связанных тяжелых металлов, отделение солевого раствора от нерастворимого компонента и обработку полученного солевого раствора известью для осаждения тяжелых металлов.

Неожиданно, вышеупомянутые комплексные процессы позволяют высокоэффективно и недорого производить этанол и глюкозу из городских твердых отходов.

Способ производства этанола из целлюлозосодержащих отходов согласно изобретению изображен на прилагаемом чертеже, представляющем часть данного описания, для которого фиг. 1 является схемой всего процесса обработки материалов городских твердых отходов: 1A/1B - Накопительный бункер для исходного сырья; 2 - Мерная емкость; 3 - Камера предварительной обработки; 4 - Накопительная емкость для разбавленной серной кислоты; 5A - Первичный шнековый пресс; 5B - Вторичный шнековый пресс; 6 - Сушилка; 7 - Накопительная емкость для обработанного сырья; 8 - Емкость для нейтрализации разбавленной серной кислоты; 9 - Емкость для извести; 10 - Ременный пресс для гипса; 11 - Накопительная емкость для нейтрализованной воды; 12 - Установка гидролиза; 13 - Емкости для прогревания; 14 - Промежуточная емкость N 1; 15 - Фильтр-пресс; 16 - Накопительная емкость для регенерированной кислоты; 17 - Устройство для регенерации кислоты; 18 - Испаритель; 19 - Промежуточная емкость N 2; 20 - Фильтр обратного осмоса; 21 - Устройство дозирования аммиака и регулировки pH; 22 - Устройство для высева дрожжей; 23 - Промежуточная емкость N 3; 24 - Емкость для ферментации; 25 - Фильтр для дрожжей и емкость для перегонки; 26 - Разделительная колонна; 27 - Змеевик для охлаждения; 28 - Накопительная емкость для этанола; 29 - Накопительная емкость для воды; 30 - Накопительная емкость для концентрированной серной кислоты; 31 - Емкость для сточных вод (факультативная); 32 - Нагреватель воды; A - Емкость для лигнина; B - Емкость запаса топлива для бойлера; C - Бойлер.

Лучшие варианты осуществления изобретения При осуществлении изобретения можно использовать твердые отходы как непосредственно собранные в городе, так и ранее захороненные и впоследствии извлеченные. Твердые отходы поступают на обработку через полностью автоматизированное приемное устройство. Затем твердые отходы сваливают на транспортер. Далее отделяют возвратные материалы, такие как пригодные к переработке крупные предметы, черные металлы, цветные металлы, такие как алюминий, стекло, пластмассы и резина. Способы извлечения таких материалов хорошо известны и описаны, например, в патентах США 5184780, 5104419, 5060871, 5009672, 4974781, 4874134, 4692167, 4553977, 4541530, 4341353, 4069145 и 4063903, содержание каждого из которых полностью включено в данное описание путем отсылки.

Старые колесные покрышки преимущественно поступают на отдельный транспортер, ведущий к установке по переработке использованных шин и регенерации резины, где колесные покрышки измельчают и извлекают резину, сталь и волокна.

Для отбора крупных металлических предметов с транспортера с твердыми отходами используют магнитный кран с дистанционным управлением. Крупные предметы затем проходят через измельчитель, который измельчает их до размеров, приемлемых для последующей переработки. Затем материалы поступают в бункер возвратных материалов для последующего пакетирования.

Отходы, остающиеся после удаления крупных предметов, затем сортируются с использованием барабанного грохота или других сортировочных механизмов, которые разрывают любые мешки и создают два отдельных технологических потока. После предпринятой сортировки один поток содержит в основном частицы целлюлозы и металла требуемого размера, а другой - резину, стекло и большую часть органических материалов.

Твердые отходы проходят через несколько магнитных сепараторов для полного извлечения черных металлов. Затем отходы проходят через сепаратор на вихревых токах для извлечения всех цветных металлов. Как черные, так и цветные металлы передаются в бункеры для последующего пакетирования. Отходы затем измельчаются и обрабатываются в установке по производству этанола, которая принимает и перерабатывает отходы с получением этанола, пригодного для реализации. Часть побочных продуктов от производства этанола можно продавать и/или использовать для выработки дополнительной электроэнергии для этого же процесса.

Например, нерастворимые материалы, полученные после гидролиза целлюлозного компонента ГТО в основном состоят из лигнина, природного ароматического органического полимера, присутствующего во всех сосудистых растениях. Неожиданно было обнаружено, что использование лигнина в качестве топлива для нагревания воды приводит к существенному снижению энергозатрат на проведение изложенного здесь процесса. Экономия электроэнергии от вышеупомянутого привела к неожиданному результату, заключающемуся в том, что себестоимость этанола уменьшается примерно на 15-25% по сравнению с себестоимостью этанола, получаемого от переработки зерна. Более того, номинальное тепловыделение 14000-18000 кДж/кг можно повысить сочетанием сухого лигнина с несодержащими хлор и чисто сгорающими пластмассами, выделяемыми из ГТО. Технологический способ отделения пластмасс, не содержащих хлор, от хлорсодержащих пластмасс (например, поливинилхлорида), известный как Vinyl Cycle^TM, промышленно освоен в National Recovery Technologies, Nashville, Tennessee. Технология Vinyl Cycle^TM описана в Патенте US 5260576, содержание которого полностью включено в данное описание путем отсылки. Смесь лигнина с пластмассами также может использоваться в качестве топлива для бойлерных, что снижает затраты на энергообеспечение представляемого способа производства этанола.

Любые неорганические материалы, остающиеся после изложенного выше процесса сортировки, могут быть гранулированы и их можно использовать в промышленных масштабах в качестве добавок в строительные материалы.

Предлагаемый способ полностью автоматизирован и нуждается только в обычном надзоре в результате каждого переключения операции. Полностью автоматизированные технологии грохочения исключают потребность в антисанитарной ручной сортировке.

Данное изобретение представляет полностью безотходное оборудование. Все здания могут быть полностью изолированы. Все, что загрязняет воздух и воду, может быть собрано и полностью переработано. Все материалы, поступающие на обработку, могут быть обработаны и превращены в промышленно перерабатываемые материалы.

Эти и другие области применения изобретения и его преимущества станут очевидными из последующего описания и чертежа.

В таблице 1 представлен состав городских твердых отходов (ГТО) по данным Организации по защите окружающей среды.

Данное изобретение создавалось для переработки как твердых отходов, представленных в табл. 1, так и городских твердых отходов, извлекаемых из захоронений (которые могут иметь несколько иной состав). Скорость, с которой эти отходы могут быть обработаны, в большой степени зависит от величины населенного пункта, который будет обслуживаться при внедрении данного изобретения. Установка может перерабатывать от 25 до 125 тонн или более в час. Размер оборудования может быть соответственно подобран.

Материалы, не поддающиеся переработке и являющиеся опасными отходами, - это взрывчатые вещества и инфекционные отходы. Установка способна перерабатывать холодильники, мойки, сушки, кухонные плиты, корпуса автомобилей, крупные предметы, мелкие промышленные отходы и обычные городские твердые отходы. Установка предназначена для регенерации из твердых отходов пластмасс, цветных и черных металлов.

Грузовики сгружают городские твердые отходы на транспортер, например, производства E&H Systems, который проходит через весь цех первичного измельчения материала. Для извлечения любых крупных металлических предметов затем используется дистанционно управляемый магнитный кран. Извлеченные предметы поступают в автоматическое устройство для предварительного измельчения. При достижении приемлемых размеров отходы возвращаются в цикл, в приемный бункер для пакетирования в стандартные пакеты.

Затем промышленный барабанный грохот, например производства MacLanahan Corporation, автоматически открывает мешки, забирает мелкий мусор и дробит любые стеклянные материалы.

Сырьевой поток для производства этанола последовательно проходит через пять магнитных сепараторов, которые извлекают практически все черные металлы. То есть поток отходов, который первоначально состоял из металлического и целлюлозного компонентов, выходит из барабанного грохота по ряду наклонных конвейеров, каждый из которых имеет хорошо известное магнитное сортирующее устройство, например барабанное или ременное. Выходной конец каждого конвейера удерживается выше входного отверстия каждого последующего конвейера таким образом, что материал, проходящий через магнитный экран, подвергается гравитационному перемешиванию от одного конвейера к другому, тем самым способствуя магнитному отделению оставшихся черных металлов на последующем магнитном сепараторе. Конструкция конвейера позволяет полностью автоматизированно извлекать черные металлы в центральной зоне. За счет перемешивания материалов гарантированно извлекается 98% всех черных металлов. Выделенные черные металлы падают в вертикальный желоб и выходят из процесса, поступая в накопительный бункер для переработки.

Оставшийся материал затем поступает на транспортере на сепаратор вихревых токов, например, типа Eriez Ferrous Metal Separator. Сепаратор вихревых токов используют для автоматического удаления материалов из цветных металлов, в том числе батареек.

Сепаратор вихревых токов размещают после магнитных сепараторов, чтобы гарантировать, что черные металлы не выведут из строя сепаратор вихревых токов. Присутствие материалов из черных металлов внутри или на сепараторе вихревых токов приводит к серьезным и дорогостоящим поломкам. Оставшиеся твердые отходы подаются транспортером на молотковую дробилку, которая уменьшает материалы до размера от -75 мм до -100 мм. Измельчение материала требуется для процесса производства этанола.

Молотковая дробилка имеет взрывозащищенный кожух, чтобы избежать возможных взрывов образующейся пыли.

Поток обрабатываемого материала может быть разделен на две части: одна поступает на производство этанола, а вторая на выработку гумуса. Распределение отходов между двумя потоками зависит от объема отходов, поступающих на обработку.

Процесс согласно настоящему изобретению далее описывается детально со ссылкой на чертеж.

Описание схемы процесса Содержание тяжелых металлов в целлюлозном компоненте ГТО может существенно колебаться в зависимости от происхождения отходов. Например, гидролизат, полученный из целлюлозного компонента некоторых образцов ГТО городов или высокоиндустриальных зон, загрязнен тяжелыми металлами до такой степени, что ингибируется последующий процесс дрожжевой ферментации. Поэтому партии ГТО такого типа следует обрабатывать для удаления тяжелых металлов до стадии гидролиза, чтобы избежать загрязнения ферментируемой жидкости. С другой стороны, было показано, что удаление тяжелых металлов из менее загрязненных образцов может быть выполнено более результативно путем эффективного ионообменного процесса после стадии гидролиза целлюлозного сырья.

Далее описаны два процесса, которые можно применять для уменьшения содержания тяжелых металлов в целлюлозном компоненте ГТО. В одном процессе тяжелые металлы удаляются до гидролиза, в другом - после гидролиза. Обоснованием для выбора процесса является содержание тяжелых металлов в ГТО.

A. Процесс автоматизированной обработки ГТО Стадия 1: Предварительная обработка Ссылочные обозначения 1A/1B - 11 Назначение Предварительная обработка предназначена для отделения тяжелых металлов, которые могут ингибировать ферментацию гидролизированного целлюлозного компонента ГТО, поступающего измельченного целлюлозного компонента путем смешения с разбавленной серной кислотой. Затем твердые материалы прессуются, а жидкие обрабатываются известью, что приводит к образованию побочного продукта - гипса. Гипс затем удаляют, а оставшуюся твердую фазу готовят для трансформации в сахара в установке гидролиза.

На основании данных из многих источников, суммированных в работе "The Chemistry and Biology of Yeasts", A.H.Cook, ed., Academic Press, NY, pp. 296-303 (1958), небольшое количество тяжелых металлов необходимо для ферментации, но в высоких концентрациях они могут ингибировать ферментацию глюкозы и ксилозы дрожжами. Примеры воздействия представлены в табл. 2.

Как уже говорилось, некоторые ГТО содержат кадмий и железо, которые умеренно ингибируют ферментацию, а также свинец, цинк и медь, которые существенно ингибируют дрожжевую ферментацию. Поэтому снижение содержания тяжелых металлов в ГТО имеет принципиальное значение для достижения эффективной ферментации сахаров, полученных из ГТО. Образец, прошедший обработку согласно стадии предварительной обработки, и который практически не содержит следов тяжелых металлов, это образец, из которого было удалено по меньшей мере 70% этих металлов.

Описание В бункеры исходного сырья (1A и 1B) поступает сырье, состоящее на 85-90% из органических материалов с размером частиц, полученных после стадии предварительной обработки, -51 мм (16 мм х 51 мм). Каждый бункер вмещает около 25 тонн материала, чего по грубым подсчетам хватает на 2,5 суток переработки. Материалы, в которых не обнаружены тяжелые металлы, не нуждаются в предварительной обработке, поэтому они накапливаются отдельно в бункере 1B.

Из бункера 1A материалы по конвейеру подаются в мерную емкость (2). Из мерной емкости необработанные материалы передаются в камеру предварительной обработки (3), где разбавленная серная кислота (примерно от 1 до 10 вес.%) смешивается с сырьем при температуре примерно от 40 до 100^oC. Это приводит к растворению тяжелых металлов и хлоридов (хлоридов металлов и, возможно, хлорорганики) в сырье. Затем материал передается с помощью шнекового транспортера на винтовой пресс (5A и 5B), осуществляя удаление примерно 60-80% жидкости, тем самым разделяя растворимые и нерастворимые компоненты. Для удаления следов кислоты нужна вторичная промывка (5B). Твердая фаза из винтового пресса поступает затем в ленточную сушилку (6) со скоростью подачи приблизительно 3,25 тонн/час. Ленточная сушилка уменьшает влажность сырья до примерно 5-10%. Сухой нерастворимый компонент, имеющий легкую рыхлую консистенцию, пневматически передается в накопительную емкость для обработки сырья (7).

Жидкость из винтового пресса перекачивается назад в накопительную емкость для разведенной серной кислоты (4) для повторного использования. Кроме того, разбавленная кислота из системы регенерации кислоты (17) перекачивается в накопительную емкость для разведенной серной кислоты. Тяжелые металлы и осадок из накопительной емкости передаются в емкость нейтрализации (8). В емкости нейтрализации жидкость смешивают с известью и перекачивают насосом на ременный пресс (10), где отделяется гипс. Оставшаяся нейтрализованная жидкость, состоящая из воды и частиц, пропускается затем через фильтр и возвращается в емкость для воды (11) для повторного использования в процессе.

Как описывается ниже, альтернативный ионообменный процесс удаления тяжелых металлов включает проведение стадии гидролиза, представленной далее, и получение водонерастворимого лигнина. Было установлено, что практически все тяжелые металлы связываются лигнином.

Стадия 2: Гидролиз Ссылочные обозначения 12-16, 31, A, B, C Назначение Целью процесса гидролиза является разрыв молекулярных связей в сырье, что приводит к образованию сахаров, путем смешивания материала с концентрированной серной кислотой (примерная концентрация 65-93%, предпочтительнее около 70%). Раствор, содержащий сахар/кислоту/воду, прогревают определенное время, после чего твердую фазу отделяют. Раствор направляют для разделения в установку регенерации кислоты.

Описание Предварительно обработанное сырье дозировано поступает из накопительной емкости (7 или ссылка 1B) в установку гидролиза (12), в которую автоматически поступает серная кислота с концентрацией около 70%, в соотношении 1:1. Пока не указано иное, все отношения и проценты, приведенные в описании, являются весовыми. Соотношение, указанное как 1:1, включает составы с весовыми соотношениями от 60: 40 до 40:60. Преимущественно соотношение концентрированной серной кислоты и предварительно обработанного сырья составляет примерно от 45:55 до 55:45 по весу.

Материал перемешивают примерно от 2 до 15 минут, преимущественно около 10 минут, и загружают в емкости для прогревания (13) вместе с водой, нагретой до температуры около 88^oC. Этот раствор находится в пропорции 2:1 (примерно 2 части воды на 1 часть гидролизованного материала, по весу). Этот материал медленно перемешивают, при этом достигается и поддерживается в течение 1-4 часов температура около 96^oC. В таких условиях целлюлоза и гемицеллюлоза превращаются в глюкозу и ксилозу соответственно. По завершении этого срока содержимое емкостей для прогревания передается в накопительную емкость (14), чтобы можно было подготовить емкость для прогревания для повторной загрузки. Накопительная емкость поддерживает температуру материала и регулирует его поступление на фильтр-пресс (15).

Затем материал из накопительной емкости фильтруют, например, путем подачи его насосом на фильтр-пресс (15), который удаляет суспендированные твердую фазу и дает фильтрат. Твердую фазу можно измельчить, отмыть и возвратить на сушку (6) для использования в качестве бойлерного топлива. После этого фильтрат подается насосом с фильтр-пресса в емкость регенерации кислоты (16).

Примечание: городские сточные воды из емкости для сточных вод (31) могут использоваться в качестве замены чистой воды в установке гидролиза (12). Все патогенные организмы, находящиеся в сточных водах, подавляются в установке гидролиза. Высокое содержание азота в сточных водах сохраняется, что фактически устраняет необходимость внесения азотсодержащих веществ, таких как аммиак (питательный компонент дрожжей, используемый в процессе ферментации).

Стадия 3. Регенерация кислоты Ссылки 16-19 Назначение Целью процесса регенерации кислоты является регенерация серной кислоты из раствора, содержащего сахар/кислоту/воду, с получением раствора, содержащего кислоту, и раствора, содержащего сахар. Концентрированная серная кислота и вода затем используются повторно в процессе. Когда сахара и вода удалены из раствора, его перекачивают в емкости для ферментации до этанола.

Существует ряд хорошо известных спо