DE102007055503A1 - Preparation of alcohols from biomass using in situ distillation - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Alkohol aus einer Fermentation, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Teilstrom des Fermentationsmediums in situ über eine Destillationskolonne mit vorzugsweise wenigen theoretischen Trennstufen geführt wird, um einen Teil des Alkohols abzutrennen und danach den alkoholarmen Teilstrom zurück in die Fermentation zu leiten. Hierdurch wird die Produktivität der Fermentation signifikant verbessert. Weiterhin werden Verfahren zur Herstellung von Tierfutter und Biogasen offenbart.The present invention relates to a process for the separation of alcohol from a fermentation, which is characterized in that a partial flow of the fermentation medium is conducted in situ via a distillation column with preferably a few theoretical plates to separate a portion of the alcohol and then the low-alcohol partial flow back into to conduct the fermentation. This significantly improves the productivity of the fermentation. Furthermore, methods for the production of animal feed and biogases are disclosed.
Description
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Bioverfahrenstechnik und betrifft die Darstellung von Bioalkoholen, insbesondere Butanol, sowie Biogasen und Tierfutter aus Biomasse mittels Fermentation und gekoppelter in situ Destillation.The The present invention is in the field of bioprocess engineering and relates to the preparation of bioalcohols, in particular butanol, as well as biogases and animal feed from biomass via fermentation and coupled in situ distillation.
Die biotechnologische Darstellung von Bioalkoholen nimmt neben der direkten chemischen Darstellung einen hohen Stellenwert ein. So stellt beispielsweise gegenüber der chemischen Erzeugung von Butanol (über die Hydroformylierung von Propen mit anschließender Hydrierung des entstehenden Reaktionsproduktes) die Butanolfermentation von Zuckern und Stärke mithilfe von Mikroorganismen eine geeignete biotechnologische Alternative dar.The biotechnological representation of bioalcohols takes next to the direct chemical representation a high priority. For example, imagine towards the chemical production of butanol (over the hydroformylation of propene with subsequent hydrogenation the resulting reaction product) the butanol fermentation of Sugar and starch with the help of microorganisms a suitable biotechnological alternative dar.
D.
Jones und D. Woods (
Alternative
Verfahrensschritte zur kontinuierlichen Produktabtrennung (in situ
Abtrennung) oder Extraktion des Bioalkohols werden von Schügerl
(
Daher besteht der Bedarf an einem verbesserten Verfahren zur in situ Abtrennung von durch Fermentation erzeugter Alkohole aus dem Fermentationsmedium, wobei auf den Einsatz von Zusatz-/Extraktionsmitteln sowie aufwändige Apparaturen verzichtet werden kann, die Foulingneigung des Fermentationsmediums berücksichtigt wird und der Energiebedarf des Gesamtprozesses verringert wird.Therefore There is a need for an improved method for in situ separation of fermentation-produced alcohols from the fermentation medium, with the use of additional / extracting agents as well as elaborate Equipment can be dispensed with, the fouling tendency of the fermentation medium considered and the energy requirement of the overall process is reduced.
Die vorliegende Erfindung löst die zuvor definierten Probleme durch eine destillative in situ Abtrennung des Alkohols aus der Fermentation, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Teilstrom des Fermentationsmediums während der Fermentation über eine Destillationskolonne mit vorzugsweise wenigen theoretischen Trennstufen geführt wird, um einen Teil des Alkohols abzutrennen und danach den alkoholarmen Teilstrom zurück in die Fermentation zu leiten. Hierdurch wird, unter anderem, das Zielprodukt während der Fermentation thermisch schonend abgetrennt und somit die Produktivität der Fermentation signifikant verbessert. Weiterhin wird bei gleichem Energiebedarf – verglichen mit einer regulären, der Fermentation nachgeschalteten Destillation – eine deutlich höhere Aufkonzentrierung des Feststoffanteils der Schlempe (dem Rückstand der Destillation) erreicht, was zu einer signifikanten Reduktion des apparativen und energetischen Aufwands bei der weiteren Prozessierung der Schlempe führt. Ferner sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, das auf der destillativen Abtrennung des Alkohols beruht, keinerlei Membranen notwendig, wodurch das Foulingrisiko durch die im Fermentationsmedium enthaltene Biomasse umgangen wird.The present invention solves the previously defined problems by a distillative in situ separation of the alcohol from the fermentation, which is characterized in that a partial stream of the fermentation medium is passed during the fermentation via a distillation column with preferably a few theoretical plates to separate a portion of the alcohol and then to direct the low-alcohol partial stream back into the fermentation. As a result, among other things, the target product is thermally gently separated during the fermentation and thus significantly improves the productivity of the fermentation. Furthermore, a significantly higher concentration of the solids content of the vinasse (the residue of the distillation) is achieved with the same energy requirement - compared with a regular, the fermentation downstream distillation, which leads to a significant reduction in equipment and energy costs in the further processing of the vinasse. Furthermore, in the process according to the invention, which is based on the de no distillative separation of the alcohol is necessary, no membranes necessary, whereby the fouling risk is bypassed by the biomass contained in the fermentation medium.
Es ist dabei darauf zu achten, dass Wertebereiche, die durch Grenzwerte definiert sind, immer einschließlich der genannten Grenzwerte zu verstehen sind.It Care must be taken to ensure that value ranges are determined by limit values are defined, always including the specified limits to be understood.
In
einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Abtrennung von Alkoholen aus einer Fermentation, umfassend die
Schritte: a) Abtrennung von zumindest einem Alkohol aus einem Teilstrom
des Fermentationsmediums (
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die erste Destillationskolonne 1–6, vorzugsweise 2–4 theoretische Trennstufen. In einer weiteren Ausführungsform ist die erste Destillationskolonne eine Stripkolonne.In an embodiment of the present invention the first distillation column 1-6, preferably 2-4 theoretical plates. In a further embodiment the first distillation column is a stripping column.
Eine
weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst
zusätzlich die Schritte:
c) Abtrennung von zumindest
einem Alkohol aus dem am Ende der Fermentation vorliegenden Fermentationsmedium
(
c) separation of at least one alcohol from the fermentation medium present at the end of the fermentation (
In
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird zumindest einer der beiden Brüden (
In
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
sind die Wärmetauscher (
In
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird zumindest eine der beiden Destillationskolonnen (
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Fermentation eine Butanolfermentation und der durch die Fermentation erzeugte und abgetrennte Alkohol ist Butanol und/oder Ethanol.In Another preferred embodiment of the present invention Invention, the fermentation is a Butanolfermentation and the Alcohol produced and separated by the fermentation is butanol and / or ethanol.
In
einem zweiten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung von Tierfutter, das zusätzlich zum ersten
Aspekt der Erfindung die Schritte: f) Trennung des flüssigen
Ablaufs (
In
einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung von Biogasen, das zusätzlich zum ersten
Aspekt der Erfindung den weiteren Schritt f) der anaeroben Fermentation
des flüssigen Ablaufs (
In
einem letzten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung
zur Durchführung der oben beschrieben Verfahren. Die vorliegende
Erfindung offenbart daher auch eine Vorrichtung zur Abtrennung von Alkoholen
aus einer Fermentation umfassend: zumindest einen Fermenter (F,
F') und eine erste Destillationskolonne (
In
einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung
eine zweite Destillationskolonne (
In einer anderen Ausführungsform umfasst die erste Destillationskolonne 1–6 oder 2–4 theoretische Trennstufen.In In another embodiment, the first distillation column comprises 1-6 or 2-4 theoretical plates.
In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zumindest
einer der Brüden der Destillationskolonnen (
In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird der alkoholarme
flüssige Sumpfablauf der zweiten Destillationskolonne (
In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der Kondensator
(
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der detaillierten Beschreibung.Further Embodiments of the invention will become apparent from the claims and the detailed description.
Bei der Alkoholfermentation werden das Wachstum der verwendeten Mikroorganismen und damit die Produktbildung häufig durch das Produkt selbst oder durch gebildete Nebenprodukte inhibiert. Der von den Mikroorganismen produzierte Alkohol wird in das Fermentationsmedium (die Maische) abgegeben und führt nach dem Überschreiten einer charakteristischen Alkoholkonzentration zur Lyse der Mikroorganismen durch Zerstörung der Zellmembran. Alkohole, wie Ethanol und Butanol, inhibieren das Wachstum und die Produktbildung durch die Mikroorganismen schon bei äußerst geringen Konzentrationen.at Alcohol fermentation is the growth of the microorganisms used and thus product formation often by the product itself or inhibited by by-products formed. The one of the microorganisms produced alcohol is added to the fermentation medium (the mash) issued and leads after exceeding a characteristic alcohol concentration for lysing the microorganisms by destruction of the cell membrane. Alcohols, such as ethanol and butanol, inhibit growth and product formation the microorganisms already at extremely low Concentrations.
Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird daher während der Fermentation eine destillative in situ Abtrennung des Alkohols aus dem Fermentationsmedium durchgeführt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Teilstrom des Fermentationsmediums über eine Destillationskolonne geführt wird, um einen Teil des Alkohols während der Fermentation thermisch schonend abzutrennen und danach den alkoholarmen, flüssigen Ablauf der Destillationskolonne zurück in die Fermentation zu leiten.at The process of the present invention is therefore described during the fermentation involves a distillative in situ separation of the alcohol from the fermentation medium, characterized is that a partial flow of the fermentation medium over a The distillation column is passed to a portion of the alcohol to separate during the fermentation gently and then the low-alcohol, liquid effluent of the distillation column to lead back into the fermentation.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens mit gekoppelter in situ Destillation sind daher unter anderem 1) die Vermeidung des Foulingrisikos, das bei Einsatz von Membranen zur Abtrennung des Alkohols aus dem Biomasse enthaltenen Fermentationsmedium entstehen würde, 2) die Vermeidung des Einsatzes von Extraktionsmitteln, 3) eine signifikant höhere Aufkonzentrierung des Feststoffanteils der Schlempe, was den energetischen und apparativen Aufwand bei einer nachgeschalteten Verarbeitung der Schlempe (unter anderem bei der Tierfutterproduktion) deutlich reduziert, 4) die signifikante Erhöhung der Produktivität und Erniedrigung des energetischen und apparativen Aufwands des Gesamtprozesses der Fermentation und der Alkoholabtrennung.The Advantages of the method according to the invention coupled in situ distillation are therefore inter alia 1) the Prevention of fouling risk when using membranes for Separation of the alcohol from the biomass contained fermentation medium 2) the avoidance of the use of extractants, 3) a significantly higher concentration of the solids content the vinasse, what the energetic and equipment expenditure with a downstream processing of the vinasse (inter alia in animal feed production) significantly reduced, 4) the significant Increase of productivity and humiliation of energetic and apparative effort of the whole process of fermentation and the alcohol separation.
Die folgenden Ausführungsformen der Erfindung sind, wenn sich aus dem Gesagten nichts Gegenteiliges ergibt, frei miteinander kombinierbar.The following embodiments of the invention are when from the above results nothing contrary, freely combinable with each other.
Der Begriff „Fermentation" wie hierin verwendet, bezeichnet eine biologische Reaktion, bei der Substrate mit Hilfe von Mikroorganismen, wie Pilzen, Zellkulturen, oder vorzugsweise Bakterien umgesetzt werden. Fermentationen können aerob oder anaerob (Gärung) verlaufen und kontinuierlich oder diskontinuierlich, sowie ein- und mehrstufig betrieben werden. Bei der Alkoholfermentation werden Substrate, bei denen es sich vorzugsweise um Saccharide handelt, durch die Mikroorganismen umgesetzt und letztendlich zu Alkoholen oxidiert. Bevorzugte Saccharide, die für die Alkoholfermentation der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, schließen Monosaccharide, wie Hexosen (z. B. Glucose) oder Pentosen, Disaccharide, wie z. B. Saccharose, Lactose, Maltose, Trehalose und Cellobiose und Oligo- und Polysaccharide, wie Inulin, Xylane, Dextrine, Cellulose und Stärke, sowie Kombinationen der zuvor genannten ein. Bakterienstämme, die für die Alkoholfermentation der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, schließen Clostridium bijerinckii, Clostridium saccharobutylicum, Clostridium saccharoperbutylacetonicum und Clostridium acetobutylicum, alleine oder in Kombination, ein. Hefestämme, die für die Alkoholfermentation der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, schließen Stämme des Genus Saccharomyces, insbesondere Stämme der Art Saccharomyces cerevisiae alleine oder in Kombination ein. Weiterhin einsetzbar für die Herstellung von Ethanol sind Bakterien beispielsweise von der Gattung der Zymomonas. Für den Fachmann ergeben sich weitere einsetzbare Mikroorganismen ohne zutun eigener erfinderischer Tätigkeit aus der einschlägigen Fachliteratur.The term "fermentation" as used herein refers to a biological reaction in which substrates are reacted by means of microorganisms such as fungi, cell cultures, or preferably bacteria. Fermentations can be aerobic or anaerobic (fermentation) and can be operated continuously or discontinuously, as well as in one or more stages. In alcohol fermentation, substrates which are preferably saccharides are reacted by the microorganisms and ultimately oxidized to alcohols. Preferred saccharides which may be used for the alcohol fermentation of the present invention include monosaccharides such as hexoses (e.g., glucose) or pentoses, disaccharides such as e.g. For example, sucrose, lactose, maltose, trehalose and cellobiose, and oligo- and polysaccharides such as inulin, xylans, dextrins, cellulose and starch, as well as combinations of the foregoing. Bacterial strains which can be used for the alcohol fermentation of the present invention include Clostridium bijerinckii, Clostridium saccharobutylicum, Clostridium saccharoperbutylacetonicum and Clostridium acetobutylicum, alone or in combination. Yeast strains that can be used for the alcohol fermentation of the present invention include strains of the genus Saccharomyces, especially strains of the species Saccharomyces cerevisiae alone or in combination. Further usable for the production of ethanol are bacteria, for example of the genus of Zymomonas. Those skilled in the art will find other usable microorganisms without their own inventive step from the relevant literature.
Der Begriff „Fermentationsmedium" oder „Maische" wie hierin verwendet, bezeichnet eine wässrige Lösung umfassend die Fermentationssubstrate und die für die Fermentation verwendeten Mikroorganismen. Als Fermentationssubstrate können neben den oben genannten Sacchariden in ihrer Reinform unter anderem auch pflanzliche Rohstoffe verwendet werden, wobei dann diese Pflanzen oder pflanzlichen Rohstoffe in vorgelagerten Prozessschritten für die Alkoholfermentation vorbereitet werden können (z. B. durch Zerkleinerung, wie Mahlen und Aufreinigung). Für die Verwendung besonders geeignete pflanzliche Rohstoffe schließen alle ackerbaulich genutzten Früchte, vorzugsweise Mais, Getreide und Gras ein. Das Fermentationsmedium kann daher unter anderem auch Fest- und Faserstoffe, sowie Cellulose, Lipide, Proteine und sekundäre Pflanzenstoffe enthalten. Mit Beginn der Fermentation werden die im Fermentationsmedium enthaltenen Substrate durch die Mikroorganismen umgesetzt und Haupt- und Nebenprodukte erzeugt, die sich im Fermentationsmedium anreichern. Daher umfasst das Fermentationsmedium auch die Haupt- und Nebenprodukte der Fermentationsreaktion, also beispielsweise (n-)Butanol, Aceton und Ethanol, aber auch gelöste Gase, wie CO2 und H2, sowie die freigesetzten Zerfallsprodukte abgestorbener und lysierter Mikroorganismen und weitere Zerfallsprodukte, die durch enzymatische, chemische oder physikalische Umwandlungen erzeugt werden. Obwohl im Weiteren von einer Abtrennung von Alkohol aus dem Fermentationsmedium gesprochen wird, ist im Sinne der vorliegenden Erfindung auch das Keton Aceton umfasst.The term "fermentation medium" or "mash" as used herein refers to an aqueous solution comprising the fermentation substrates and the microorganisms used for the fermentation. In addition to the abovementioned saccharides in their pure form, vegetable raw materials may also be used as fermentation substrates, in which case these plants or vegetable raw materials may be prepared in upstream process steps for alcohol fermentation (eg by comminution, such as grinding and purification). Vegetable raw materials which are particularly suitable for use include all agronomically used fruits, preferably corn, cereals and grass. The fermentation medium may therefore also contain solid and fibrous materials, as well as cellulose, lipids, proteins and phytochemicals. When the fermentation begins, the substrates contained in the fermentation medium are converted by the microorganisms and main and by-products are produced, which accumulate in the fermentation medium. Therefore, the fermentation medium also includes the main and by-products of the fermentation reaction, so for example (n-) butanol, acetone and ethanol, but also dissolved gases, such as CO 2 and H 2 , and the released decay products of dead and lysed microorganisms and other decay products, the be generated by enzymatic, chemical or physical transformations. Although it is spoken in the following of a separation of alcohol from the fermentation medium, in the context of the present invention, the ketone comprises acetone.
Der Begriff „Destillationskolonne" (auch Rektifikationskolonne) wie hierin verwendet, bezeichnet einen verfahrenstechnischen Apparat in Form einer meist schlanken Säule, der zur thermischen Stofftrennung dient. Die Trennung erfolgt hierbei durch eine mehrstufige Destillation, d. h. durch Hintereinanderschaltung mehrerer Destillationsschritte (Rektifikation). Bei der Destillation reichern sich zum Kopf der Destillationskolonne die leichter siedenden Komponentenen, während sich die schwerer siedenden Komponenten im Sumpf anreichern. Die Kapazität von Destillationskolonnen wird unter anderem durch die Anzahl der verbauten Einbauten ((Destillations-)Böden oder theoretische Trennstufen durch andere Einbauten, wie Packungen oder Schüttungen) definiert. „Stripkolonne" und „Maischekolonne" sind spezielle Formen von Destillationskolonnen.Of the Term "distillation column" (also rectification column) as used herein refers to a process engineering apparatus in the form of a mostly slender column, which is used for thermal Material separation is used. The separation takes place here by a multi-level Distillation, d. H. by connecting several distillation steps in series (Rectification). In the distillation accumulate to the head of the Distillation column the lower-boiling components, while Enrich the heavier boiling components in the sump. The Capacity of distillation columns will include by the number of built-in installations ((distillation) floors or theoretical separation stages by other internals, such as packages or beds). "Stripping Column" and "Mash Column" are special forms of distillation columns.
„Maischekolonne" ist ein feststehender Begriff aus der Alkoholherstellung. Teilweise wird diese Kolonne auch „Bierkolonne" oder „Schlempekolonne" genannt. Sie trennt die Fermentationsmaische in einen alkoholfreien, wässrigen, Biomasse enthaltenden Sumpfablauf und ein Destillat aus dem Alkohol/den Alkoholen und einen Rest Wasser."Mash column" is a well-known term from alcohol production. Partially this column is also called "Bierkolonne" or "Schlembekolonne" called. It separates the fermentation mash into a non-alcoholic, aqueous, biomass-containing bottoms effluent and a distillate from the alcohol (s) and a rest of water.
Die „Stripkolonne" bezeichnet die Ausführung einer Rektifikationskolonne, die insbesondere die Aufgabe erfüllt, leichtflüchtige Komponenten aus einer Zulaufmischung zu entfernen, indem ein Gas durch die Kolonne geleitet wird. Ein gegebenenfalls benötigter Verdampfer zur Erzeugung von Gas, kann durch eine gasförmige Direkteinspeisung ersetzt werden, der flüssige Zulauf kann – wenn er am Kopf der Kolonne aufgegeben wird – den Kondensator teilweise oder ganz ersetzen.The "stripping column" denotes the execution of a rectification column, which in particular fulfills the task, volatile Remove components from a feed mixture by adding a gas is passed through the column. An optionally required Evaporator for the production of gas, can by a gaseous Direct supply can be replaced, the liquid feed can - if he is given up at the head of the column - the condenser partially or completely replace.
Das Strippen stellt eine Möglichkeit zur Entfernung der in der Flüssigkeit gelösten Stoffe dar. Hierbei werden aus Flüssigkeiten Inhaltsstoffe dieser Flüssigkeiten durch das Durchleiten von Gasen (Luft, Wasserdampf, Rauchgas etc.) aus der Flüssigkeit entfernt und in das Gas übergeführt, wobei die Flüssigkeit gegen die Fließrichtung des Gases, durch die Strippkolonne (eine röhrenförmige Einrichtung mit Einbauten zur Verwirbelung der Strömung) geleitet wird.The Stripping provides a way to remove the in Become the liquid solutes. Here are from liquids ingredients of these liquids by passing gases (air, water vapor, flue gas etc.) removed from the liquid and transferred to the gas, the liquid is against the flow direction of the gas, through the stripping column (a tubular Device with internals for swirling the flow) is directed.
Der Begriff „Brüden" wie hierin verwendet, umfasst alle Gase oder gasförmigen Gemische, die beim ein- oder mehrstufigen Destillieren von Flüssigkeitsgemischen, Verdampfen, Entgasen oder Trocknen entstehen.The term "vapors" as used herein includes any gaseous or gaseous mixture resulting from single or multi-stage distillation of liquid mixtures, evaporation, degassing or drying hen.
Der Begriff „Bioalkohol" wie hierin verwendet, umfasst alle durch Mikroorganismen mittels Fermentation hergestellten Alkohole. Nicht abschließende Beispiele für Bioalkohole sind Butanol, z. B. 1-Butanol, oder Ethanol. Gleichsam bezeichnet der Begriff „Biogas", als durch Mikroorganismen mittels vorzugsweise anaerober Fermentation hergestellte Gase oder Gasgemische. Ein beispielhaftes, typisches Biogas ist eine Mischung aus Methan, CO2 und kleineren Verunreinigungen (z. B. geringe Mengen an Wasserdampf, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Wasserstoff, N2 und Spuren von niederen Fettsäuren und Alkoholen), die sich aus der Zusammensetzung des Zulaufs ergeben.The term "bioalcohol" as used herein includes all alcohols produced by microorganisms by fermentation Non-limiting examples of bioalcohols are butanol, eg, 1-butanol, or ethanol Similarly, the term "biogas" means preferably by means of microorganisms anaerobic fermentation produced gases or gas mixtures. An exemplary, typical biogas is a mixture of methane, CO 2 and minor impurities (eg small amounts of water vapor, hydrogen sulfide, ammonia, hydrogen, N 2 and traces of lower fatty acids and alcohols) resulting from the composition of the feed result.
Der Begriff „Schlempe" wie hierin verwendet, bezeichnet den im Sumpf der Destillationskolonne (z. B. im Sumpf der Maischekolonne) anfallenden flüssigen Ablauf des/der alkoholarmen Fermentatiosmediums/Maische. Die Schlempe enthält unter anderem Wasser sowie Biomasse, d. h. unter anderem Mikroorganismen, Proteine, Lipide, Kohlenhydrate und Fasern.Of the The term "vinasse" as used herein refers to the in the bottom of the distillation column (eg in the bottom of the mash column) accumulating liquid effluent of / the low-alcohol Fermentatiosmediums / mash. The vinasse contains water as well as biomass, d. H. including microorganisms, proteins, lipids, carbohydrates and fibers.
Der Begriff „Fouling" wie hier verwendet, bezeichnet die Verschmutzung von Anlagenteilen durch die im Fermentationsmedium enthaltene Biomasse, die zu Einbußen in der Funktionsfähigkeit der Anlageteile führen kann. Als nichtabschließendes Beispiel sei das Zusetzen/Verstopfen der bei der Butanolabtrennung mittels Pervaporation verwendeten Membranen durch die im Fermentationsmedium enthaltene Biomasse (u. a. Mikroorganismen, Proteine, Lipide, Kohlenhydrate und Fasern) genannt.Of the The term "fouling" as used herein refers to pollution of plant parts by the biomass contained in the fermentation medium, the loss of functionality of the Can lead to plant parts. As non-conclusive Example is the clogging / clogging of butanol separation membranes used by pervaporation through the in the fermentation medium contained biomass (including microorganisms, proteins, lipids, carbohydrates and fibers).
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abtrennung von Alkoholen aus einer Fermentation beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass eine destillative in situ Abtrennung des Alkohols aus einem Teilstrom des Fermentationsmediums mit anschließender Rückführung (Recyclierung) des alkoholarmen Teilstroms in die Fermentation, die Produktivität der Fermentation und damit der Alkoholgewinnung signifikant verbessert.The inventive method for the separation of Alcohols from a fermentation is based on the surprising Recognizing that a distillative in situ separation of the alcohol from a partial flow of the fermentation medium with subsequent Recycling (recycling) of the low-alcohol partial stream in the fermentation, the productivity of the fermentation and thus the alcohol production significantly improved.
In
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst
das Verfahren zur Abtrennung von Alkoholen aus einer Fermentation
die Schritte: a) Abtrennung von zumindest einem Alkohol aus einem
Teilstrom (
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Fermentation in einem thermostatisierten Fermenter bei einer Temperatur von zwischen 30°C und 75°C, vorzugsweise zwischen 28°C und 40°C, insbesondere bei 30°C, 34°C oder 37°C, betrieben. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Fermenter mit einem Druck von 1 bar oder einem leichtem Überdruck von 1,1–1,3 bar betrieben.In A preferred embodiment of the invention is the Fermentation in a thermostated fermenter at a temperature from between 30 ° C and 75 ° C, preferably between 28 ° C and 40 ° C, especially at 30 ° C, 34 ° C or 37 ° C, operated. In a further preferred Embodiment, the fermenter with a pressure of 1 bar or a slight overpressure of 1.1-1.3 operated bar.
Die
erste Destillationskolonne ist vorzugsweise so ausgelegt, dass die
Verweilzeit der flüssigen Phase des Fermentationsmediums
in der Destillationskolonne minimiert wird, was den technischen
Effekt der Schonung der im Fermentationsmedium enthaltenen Mikroorganismen
nach sich zieht. Eine solche Minimierung kann über die
Anzahl der theoretischen Trennstufen der Destillationskolonne erreicht
werden. Die erste Destillationskolonne (
In
einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße
Verfahren weiterhin die Schritte: c) Abtrennung von zumindest einem
Alkohol aus dem am Ende der Fermentation vorliegenden Fermentationsmedium
(
Die
zweite Destillationskolonne (
In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird zumindest
einer der Brüden (
Nach
der Kondensation der alkoholhaltigen Brüden im Wärmetauscher
(
Die
mittels Wärmetauscher den Brüden entzogene thermische
Energie kann zur Verbesserung des Energiebedarfs des erfindungsgemäßen
Verfahrens an den Prozess zurückgeführt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird zumindest ein Wärmetauscher, vorzugsweise ein Verdampfer,
thermisch an zumindest eine der beiden Destillationskolonnen gekoppelt,
wodurch diese beheizt wird. Vorzugsweise wird der Wärmetauscher
thermisch an beide Destillationskolonnen gekoppelt und noch bevorzugter werden
auch der Fermenter und/oder eine Vorrichtung zur Vorwärmung
des Zulaufstroms des Fermenters (
Die Fermentation der vorliegenden Erfindung kann kontinuierlich oder diskontinuierlich, sowie ein- oder mehrstufig, durchgeführt werden. Bei der kontinuierlichen Fermentation wird ein Fließgleichgewicht der Fermentationsreaktion angestrebt, bei dem sämtliche Konzentrationen im Fermenter über eine möglichst große Zeitspanne konstant gehalten werden. Dem Fermenter wird ständig frisches Kulturmedium (im Wesentlichen eine wässrige Lösung von Fermentationssubstrat) zugeführt und ein gleich großer Volumenstrom an Fermentationsmedium aus dem Fermenter abgeführt. Das Arbeitsvolumen des Fermenters bleibt daher konstant. Bei einer diskontinuierlichen Fermentation (batch) erfolgen während der Fermentation kein weiterer Zustrom von Kulturmedium und keine Abführung von Fermentationsmedium. In diesem Fall nimmt daher im Fall einer Standardfermentation ohne die gekoppelte in situ Destillation des erfindungsgemäßen Verfahrens über die Zeit zu. Die Konzentration des/der Fermentationssubstrat(e) im Fermenter erniedrigt sich über die Zeit.The Fermentation of the present invention may be continuous or discontinuous, and one or more stages, carried out become. In continuous fermentation becomes a steady state aimed at the fermentation reaction, in which all Concentrations in the fermenter over one possible large period of time to be kept constant. The fermenter is constantly fresh culture medium (essentially a aqueous solution of fermentation substrate) and an equal volume flow of fermentation medium removed from the fermenter. The working volume of the fermenter therefore remains constant. In a batch fermentation (batch) take place during the fermentation no further Influx of culture medium and no removal of fermentation medium. In this case, therefore, in the case of a standard fermentation without the coupled in situ distillation of the invention Procedure over time too. The concentration of the Fermentation substrate (s) in the fermenter is lowered over the time.
Bei der einstufigen Fermentation läuft die Fermentationsreaktion in einem einzelnen Fermenter ab, was die Vorteile der einfachen, überschaubaren Verfahrensgestaltung und des geringen Investitions- und Betriebskostenaufwandes mit sich bringt. Bei der mehrstufigen Fermentation werden mindestens zwei Fermenter eingesetzt, was eine hohe Prozessstabilität und Beeinflussbarkeit der Fermentation und günstige Variationsmöglichkeiten für die Einstellung der Prozessparameter ermöglicht.at the one-stage fermentation runs the fermentation reaction in a single fermenter, giving the benefits of simple, manageable Process design and the low investment and operating costs brings with it. In multi-stage fermentation, at least two fermenters used, giving high process stability and Influencing the fermentation and favorable variations for setting the process parameters.
In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Fermentation
kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt. In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird die Fermentation
einstufig oder mehrstufig durchgeführt. In einer bevorzugten
Ausführungsform wird die Fermentation einstufig durchgeführt und
der Sumpfablauf (
Die
nach der Fermentation und der Alkoholabtrennung gemäß der
vorliegenden Erfindung verbleibende Biomasse kann in einem weiteren
Schritt zu Tierfutter weiterverarbeitet werden. Dabei wirkt sich
insbesondere das Merkmal der vorliegenden Erfindung insofern vorteilhaft
aus, als dass die im Sumpf der zweiten Destillationskolonne (
In
einer Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung auf
ein Verfahren zur Herstellung von Tierfutter gerichtet, das zusätzlich
die Schritte f) Trennung des flüssigen Ablaufs (
Hierbei
wird nach der destillativen Entfernung des Alkohols in der zweiten
Destillationskolonne (
In einer weiteren Ausführungsform werden die aufkonzentrierte feststoffarme und feststoffreiche Fraktion zunächst vereinigt und danach einem Trocknungsschritt zur Erzeugung eines Tierfutters unterzogen. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die aufkonzentrierte feststoffarme und feststoffreiche Fraktion getrennt einem Trocknungsschritt unterzogen, wodurch ein proteinreiches Tierfutter bzw. ein faserreiches Tierfutter erzeugt werden.In another embodiment, the concentrated low solids and high solids fractions tion first and then subjected to a drying step to produce an animal feed. In a preferred embodiment, the concentrated low-solids and high-solids fraction are separately subjected to a drying step, thereby producing a protein-rich animal feed or a fiber-rich animal feed, respectively.
Die
nach der Fermentation und der Alkoholabtrennung gemäß der
vorliegenden Erfindung verbleibende Biomasse kann in einem weiteren
Schritt auch zur Erzeugung von Biogasen verwendet werden. Dabei
wirkt sich erneut insbesondere das Merkmal der vorliegenden Erfindung
insofern vorteilhaft aus, als dass die im Sumpf der zweiten Destillationskolonne
(
In
einer Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung auf
ein Verfahren zur Herstellung von Biogasen gerichtet, das weiterhin
den Schritt:
f) Anaerobe Fermentation des flüssigen
Ablauf (
f) Anaerobic fermentation of the liquid effluent (
Die anaerobe Fermentation der aufkonzentrierten Schlempe erfolgt in mehreren Teilschritten. Zunächst wird die in der Schlempe enthaltene Biomasse (unter anderem Proteine, Fette, Saccharide) von zumeist fakultativ anaeroben Mikroorganismen in Aminosäuren, langkettige Fettsäuren und Zucker umgesetzt, die weiterhin durch fermentative Bakterien (Säurebildner) zu organischen Säuren, Alkohol und Ammonium sulfid umgewandelt werden. Essigsäurebildende Bakterien setzen diese Produkte dann zu Essigsäure und H2 und CO2 um. In einem letzten Schritt werden diese Produkte dann von methanbildenden Bakterien zu Methan und CO2 umgewandelt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die verwendeten Mikroorganismen beispielsweise bestehend aus Bakterien und/oder Archea oder Kombinationen davon. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Biogas Methan.The anaerobic fermentation of concentrated vinasse takes place in several steps. First, the biomass contained in the vinasse (including proteins, fats, saccharides) of mostly facultative anaerobic microorganisms in amino acids, long-chain fatty acids and sugar is converted, which are further converted by fermentative bacteria (acid generator) to organic acids, alcohol and ammonium sulfide. Acetic acid forming bacteria then convert these products to acetic acid and H 2 and CO 2 . In a final step, these products are then converted by methanogenic bacteria to methane and CO 2 . In a preferred embodiment, the microorganisms used are, for example, consisting of bacteria and / or archea or combinations thereof. In a further preferred embodiment, the biogas contains methane.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Biogas in zusätzlichen Verfahrensschritten gereinigt und aufbereitet. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Reinigung und Aufarbeitung des Biogases zumindest einen der Schritte: 1) Entschwefelung und gegebenenfalls Reduzierung des Ammoniakanteils, vorzugsweise durch Entschwefelungsfilter bestehend aus eisenhaltigem Filtermaterial oder durch Reinigung des Biogases im Gasraum durch Zugabe von Sauerstoff; 2) Verdichtung zur Einspeisung in das Erdgasnetz oder für die Nutzung als Treibstoff. Vorzugsweise wird die Verdichtung in einem mehrstufigen Verfahren und/oder eine Komprimierung auf über 200 bar durchgeführt; 3) Trocknung, vorzugsweise durch Kühlung des Gases; und 4) CO2-Abtrennung zur Methananreicherung, vorzugsweise durch Gaswäschen wie unter anderem die Druckwasserwäsche (Absorptionsverfahren mit Wasser oder speziellen Waschmitteln) und die Druckwechsel-Adsorption (Adsorptionsverfahren an Aktivkohle), kryogene Gastrennung, oder Gastrennung durch eine Membran.In a further embodiment, the biogas is purified and processed in additional process steps. In a preferred embodiment, the purification and workup of the biogas comprises at least one of the steps: 1) desulfurization and optionally reduction of the ammonia fraction, preferably by desulfurization filter consisting of iron-containing filter material or by purification of the biogas in the gas space by addition of oxygen; 2) Compression for feeding into the natural gas network or for use as fuel. Preferably, the compression is carried out in a multi-stage process and / or a compression to over 200 bar; 3) drying, preferably by cooling the gas; and 4) CO 2 separation for methane enrichment, preferably by gas scrubbing such as pressurized water washing (absorption process with water or special detergents) and pressure swing adsorption (adsorption process on activated carbon), cryogenic gas separation, or gas separation through a membrane.
Die
vorliegende Erfindung offenbart ebenfalls eine Vorrichtung zur Durchführung
der erfindungsgemäßen Verfahren, die durch eine
an die Fermentation gekoppelte in situ Destillation charakterisiert
ist und bei der ein Teilstrom des Fermentationsmedium nach der Alkoholabtrennung
in der Destillationskolonne als alkoholarmer flüssiger
Sumpfablauf der Destillationskolonne zurück in den Fermenter
geführt wird. Dem Fachmann werden sich die einzelnen Elemente
und der genaue Aufbau der Vorrichtung aus den obigen Ausführungen
zu den erfindungsgemäßen Verfahren, sowie insbesondere
aus
BeispieleExamples
Beispiel 1: Abtrennung von Alkoholen aus einer FermentationExample 1: Separation of alcohols a fermentation
Das
erfindungsgemäße Verfahren wurde zur Abtrennung
von Alkohol aus einer Butanolfermentation mit gekoppelter in situ
Destillation verwendet und die Fermentationsund Energiebilanz gemäß
Bei
der Fermentation wurde Glucose mit Hilfe eines Bakterienstamms umgesetzt.
Hierbei entsteht als Hauptprodukt Butanol, sowie Aceton, Ethanol,
CO2 und H2 als Nebenprodukte.
Der Fermenter wurde mit einer Temperatur von 34°C und bei
einem Druck von 1 bar betrieben. Die erste Destillationskolonne
((
Die
in
Da
bei der Aufarbeitung in den weiteren Kolonnen zur Auftrennung von
Ethanol, Aceton und Butanol durch den Einsatz unterschiedlicher
Druckniveaus ein sehr hoher Grad an thermischer Kopplung möglich
ist, ist die weitere Aufarbeitung fast energieneutral. Die Trocknung
des azeotropen Alkohols wird mittels thermisch integrierter Druckwechseladsorption
an Zeolithbetten durchgeführt, die Trennung des Wasser-Butanol
Azeotrops erfolgt mit zwei Kolonnen und einer Trennflasche mittels
der dem Fachmann bekannten Heteroazeotrop-Rektifikation. Somit ist
der Energiebedarf der Maischekolonne die entscheidende Größe.
Die für die Energiebilanz ermittelten Werte sind folgender
Tabelle 1 zu entnehmen. Tabelle 1
Der Unterschied zwischen der im Kondensator und im Verdampfer benötigten Energie resultiert aus der Wärmeverschaltung der Kondensation mit der Zulaufvorwärmung zur Maischekolonne. Im Vergleich zu der Alkoholabtrennung gemäß der vorliegenden Erfindung ergeben sich für ein Standardverfahren ohne in situ Destillation die folgend aufgeführten Werte. Der Fermenter wurde bei einer Temperatur von 34°C und einem Druck von 1 bar betrieben. Die Destillationskolonne (Maischekolonne) wurde am Kopf mit einer Temperatur von 66,9°C und einem Druck von 0,3 bar und am Sumpf mit einer Temperatur von 75,1°C und einem Druck von 0,385 bar betrieben. Die Anzahl der theoretischen Trennstufen der Maischekolonne betrug 17. Das Verhältnis vom aus der Kondensation in die Kolonne zurückgeführten Massenstrom zu jenem, der insgesamt der Kolonne flüssig zugeführt wurde, betrug in der Destillationskolonne 16,8.Of the Difference between that needed in the condenser and in the evaporator Energy results from the heat connection of the condensation with the feed preheating to the mashing column. Compared to the alcohol separation according to the present Invention result for a standard method without situ distillation the following values. The fermenter was at a temperature of 34 ° C and a pressure of 1 bar operated. The distillation column (mash column) was at the head with a temperature of 66,9 ° C and a pressure of 0.3 bar and at the bottom at a temperature of 75.1 ° C and operated at a pressure of 0.385 bar. The number of theoretical Separators of the mash column was 17. The ratio from recycled from the condensation in the column Mass flow to that, the total of the column liquid was fed, was in the distillation column 16.8.
Die
in der Mengenbilanz der
Es
ist unter anderem zu erkennen, dass sich der in
Die
für die Energiebilanz ermittelten Werte für das
Standardverfahren sind folgender Tabelle 2 zu entnehmen: Tabelle 2
Bei Vergleich der mit in Tabelle 1 aufgestellten Werte ergibt sich eine deutlich gesteigerte Effizienz des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.at A comparison of the values set out in Table 1 results significantly increased efficiency of the process of the present invention.
Beispiel 2: Herstellung von TierfutterExample 2: Production of animal feed
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Abtrennung von Alkohol aus einer Butanolfermentation mit gekoppelter in situ Destillation und zur weiteren Verarbeitung der resultierenden Schlempe zu Tierfutter verwendet werden.The inventive method can be used for separation of alcohol from butanol fermentation with coupled in situ Distillation and further processing of the resulting vinasse used for animal feed.
Hierzu
wird das in Beispiel 1 beschriebene erfindungsgemäße
Verfahren unter Verwendung von Fermentationssubstraten wiederholt,
die pflanzliche Rohstoffe, wie Mais, Getreide und/oder Gras umfassen
und die in einem oder mehreren vorgelagerten Prozessschritten durch
Zerkleinerung und Aufreinigung für die Fermentation vorbereitet
wurden. Die als flüssiger Ablauf des Verdampfers (
Beispiel 3: Herstellung von BiogasExample 3: Production of biogas
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Abtrennung von Alkohol aus einer Butanolfermentation mit gekoppelter in situ Destillation und zur weiteren anaeroben Fermentierung der resultierenden Schlempe zu Biogas verwendet werden.The inventive method can be used for separation of alcohol from butanol fermentation with coupled in situ Distillation and further anaerobic fermentation of the resulting Mullet used to biogas.
Hierzu
wird das in Beispiel 1 beschriebene erfindungsgemäße
Verfahren unter Verwendung von Fermentationssubstraten wiederholt,
die pflanzliche Rohstoffe, wie Mais, Getreide und/oder Gras umfassen
und die in einem oder mehreren vorgelagerten Prozessschritten durch
Zerkleinerung und Aufreinigung für die Fermentation vorbereitet
wurden. Die als flüssiger Ablauf des Verdampfers (
Das Biogas kann dann weiter gereinigt und aufbereitet werden durch: Entschwefelung, Verdichtung (z. B. für die Einspeisung in das Erdgasnetz oder für die Nutzung als Treibstoff), Trocknung durch die Kühlung und CO2-Abtrennung durch Gaswäschen oder kryogene Gastrennung.The biogas can then be further purified and treated by: desulfurization, compression (eg for feeding into the natural gas network or for use as fuel), drying by cooling and CO 2 separation by gas scrubbing or cryogenic gas separation.
LiteraturlisteBibliography
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CL2008003317A1 (en) | 2009-11-27 |
| AR069307A1 (en) | 2010-01-13 |
| WO2009065504A1 (en) | 2009-05-28 |
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