DE60100217T2

DE60100217T2 - Verfahren zur Herstellung von hochkonzentrierten Kohlendioxid

Info

Publication number: DE60100217T2
Application number: DE60100217T
Authority: DE
Inventors: Chris Ka Kee Mississauga Ho; Dan Thornhill Grunwald
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2021-02-10
Also published as: DE60100217D1; US6551805B2; CA2335171C; EP1123896A1; MXPA01001493A; BR0100483A; CN1321059C; ES2192549T3; KR20010082087A; CA2335171A1; BR0100483B1; CN1308018A; EP1123896B1; KR100492432B1; JP2001275645A; AR027940A1; US20020115132A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Herstellung von Kohlendioxid.
STAND DER TECHNIK
Kohlendioxid hat eine große Anzahl von Anwendungen. Beispielsweise wird Kohlendioxid benutzt, um Kohlensäure in Getränke einzubringen, um Meeresfrüchte, Fleisch, Geflügel, Backwaren, Früchte und Gemüse abzukühlen, zu gefrieren und zu verpacken, sowie um die Lagerdauer von Molkereiprodukten zu verlängern. Es ist eine wichtige Umweltkomponente bei der Behandlung von industriellen Abfallstoffen und von Prozesswasser als Ersatz für Schwefelsäure zum Steuern von pH-Werten. Zu weiteren Anwendungen gehören die Trinkwasserbehandlung und die Verwendung als umweltfreundliches Pestizid und als Zusatz für Gewächshausatmosphären zum Verbessern des Wachstums von Gemüse.
Im allgemeinen wird Kohlendioxid durch Reinigen eines Abfallstroms oder eines anderen Stroms hergestellt, der ein Nebenprodukt eines organischen oder anorganischen chemischen Prozesses ist. Der das Kohlendioxid enthaltende Abstrom kann kondensiert und dann in einer Destillationskolonne verarbeitet werden, um Kohlendioxid von Produktgüte herzustellen.
Je höher die Konzentration an Kohlendioxid in dem Abstrom ist, desto leichter und weniger kostspielig ist die Endreinigung zum Erzeugen von kommerziell verwendbarem Kohlendioxid; daher ist es erwünscht, dass der Einsatzstrom für eine Endprodukt-Kohlendioxidanlage eine möglichst hohe Kohlendioxidkonzentration hat. In der Tat wäre es sehr erwünscht, wenn das Nebenprodukt-Kohlendioxid enthaltende Fluid von dem chemischen Prozess eine ausreichend hohe Kohlendioxidkonzentration hätte, so dass keine weitere Reinigung notwendig wäre, um kommerziell verwendbares Kohlendioxid zu produzieren.
Dem entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen von Kohlendioxid aus einem biologischen Prozess bereitzustellen, bei dem die Konzentration des erzeugten Kohlendioxids ausreichend hoch ist, um den Umfang weiterer Verarbeitung des Kohlendioxidprodukts aus dem Prozess für die Herstellung von kommerziell verwendbarem Kohlendioxid zu reduzieren oder eine solche weitere Verarbeitung unnötig zu machen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die obige und weitere Aufgaben, die sich für den Fachmann nach Lesen der vorliegenden Offenbarung verstehen, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, bei der es sich um ein Verfahren zum Erzeugen von Kohlendioxid handelt, bei welchem:

(A) einer Fermentationsbrühe, die eine oder mehrere kohlenstoffhaltige Spezies enthält, ein mit Sauerstoff angereichertes Fluid zugeführt wird;
(B) Sauerstoff aus dem mit Sauerstoff angereicherten Fluid eingesetzt wird, um innerhalb der Fermentationsbrühe mikrobielles Wachstum zu fördern, in der Fermentationsbrühe eine Fermentation durchgeführt, und in der Fermentationsbrühe Kohlendioxid in einem Fermentationsbehälter erzeugt wird;
(C) ein Strom aus Fermentationsbrühe aus dem Fermentationsbehälter heraus, durch einen Wärmetauscher hindurch und dann in einer Umwälzschleife zurück in den Fermentationsbehälter geführt wird;
(D) Kohlendioxid aus der Fermentationsbrühe herausgeperlt wird, um ein Gasgemisch mit einer Kohlendioxidkonzentration von mindestens 97,5 mol% zu bilden; und
(E) das Gasgemisch als Produktkohlendioxid gewonnen wird.

Unter dem vorliegend verwendeten Begriff „Fermentationsbrühe" wird ein flüssiges Medium verstanden, das Mikroben und eine oder mehrere kohlenstoffhaltige Spezies enthält, die von den Mikroorganismen metabolisiert und/oder fermentiert werden könnten.
Unter dem vorliegend verwendeten Begriff „mit Sauerstoff angereichertes Fluid" wird ein Gas verstanden, das eine Sauerstoffkonzentration von mindestens 40 mol% hat.
Unter dem vorliegend verwendeten Begriff „Fermentation" wird ein biochemischer Prozess verstanden, der durch Mikroorganismen ausgeführt wird, wobei Kohlendioxid erzeugt wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens für mikrobielles Wachstum und Kohlendioxiderzeugung.
2 ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, bei der das mit Sauerstoff angereicherte Fluid der Fermentationsbrühe innerhalb einer Umwälzschleife zugeführt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
Jetzt auf 1 Bezug nehmend, enthält ein Fermentationsbehälter 1 Fermentationsbrühe 20. Eine typische Fermentationsbrühe 20 weist ein wässriges Gemisch aus Kohlenhydraten, beispielsweise Zuckern, und Mikroorganismen, beispielsweise Hefe, zur Fermentation unter Erzeugung von Ethanol auf. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine Ethanolfermentation beschränkt. Jede Fermentation oder jedes mikrobielle Verfahren, bei dem Sauerstoff benutzt wird, um das Wachstum eines Mikroorganismus und/oder mikrobielle oder biochemische Aktivität aufrechtzuerhalten, und bei dem Kohlendioxid als ein Nebenprodukt erzeugt wird, lässt sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchführen.
Mit Sauerstoff angereichertes Fluid 21 wird zu der Fermentationsbrühe über eine Rohrleitung 5 geleitet. Das mit Sauerstoff angereicherte Fluid hat eine Sauerstoffkonzentration von mindestens 40 mol%, vorzugsweise mindestens 80 mol% und besonders bevorzugt mindestens 90 mol%. Das mit Sauerstoff angereicherte Fluid kann, falls erwünscht, kommerziell reiner Sauerstoff mit einer Sauerstoffkonzentration von 99,5 mol% oder mehr sein. Bei der in 1 veranschaulichten Ausführungsform wird das mit Sauerstoff angereicherte Fluid zu der Fermentationsbrühe geleitet, während sich die Fermentationsbrühe in dem Behälter 1 befindet. Das mit Sauerstoff angereicherte Fluid strömt von der Rohrleitung 5 durch einen oder mehrere Feinblasen-Diffusoren 4 und gelangt in Form von kleinen Blasen in die Fermentationsbrühe 20. Aus dem mit Sauerstoff angereicherten Fluid stammender Sauerstoff wird von den Mikroorganismen oder einer anderen Sauerstoff verbrauchenden Anordnung innerhalb der Brühe 20 benutzt, um mikrobielles Wachstum zu erreichen und eine Fermentation von verschiedenen kohlenstoffhaltigen Materialien, z. B. Kohlehydraten, innerhalb der Brühe 20 durchzuführen und auf diese Weise Kohlendioxid und beispielsweise Ethanol zu erzeugen. Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Verteilung des mit Sauerstoff angereicherten Fluids erleichtert, indem die Brühe 20 mittels eines von einem Motor 2 angetriebenen Rührwerks 3 umgerührt oder vermischt wird.
Das Kohlendioxid und andere Gase innerhalb der Brühe 20 perlen aus der Brühe 20 aus und bilden ein Gasgemisch 22 mit einer Kohlendioxidkonzentration von mindestens 97,5 mol%. In Abhängigkeit von den Prozessbedingungen könnte die Kohlendioxidkonzentration des Gasgemischs 22 98,5 mol% und selbst 99,5 mol% übersteigen. Die Kohlendioxidkonzentration des Gasgemisches könnte tatsächlich bis zu etwa 99,9 mol% reichen. Das Gasgemisch 22 wird aus dem Behälter 1 über eine Rohrleitung 6 abgezogen und als Produktkohlendioxid gewonnen, das in der vorliegenden Form kommerziell genutzt werden oder eine oder mehrere weitere Reinigungsstufen durchlaufen kann, wie beispielsweise Niedertemperaturdestillation oder Lösungsmittelabsorption.
Die Fermentation der kohlenstoffhaltigen Materialien ist exotherm. Der exotherme Charakter der Fermentation kann zu einem solchen Wärmeaufbau innerhalb der Fermentationsbrühe führen, dass die mikrobielle Wachstumsrate und Fermentationsrate innerhalb der Fermentationsbrühe abnehmen können. Um eine solche Verringerung der Produktion zu vermeiden, wird eine die Fermentationsbrühe kühlende Umwälzschleife verwendet. Zurück auf 1 kommend, wird Fermentationsbrühe aus dem Behälter 1 in einem Strom 23 abgezogen, durch ein Ventil 24 geleitet und als Strom 25 einer Umwälzpumpe 7 zugeführt. Der erhaltene gepumpte Strom 26 wird durch einen Wärmetauscher 8 hindurchgeleitet, wo er durch indirekten Wärmeaustausch mit Kühlfluid 30, beispielsweise Wasser, gekühlt wird. Resultierende gekühlte Fermentationsbrühe 9 wird als Hauptumwälzstrom 27 und/oder als Umgehungsumwälzstrom 28 und über ein Umgehungsventil 29 zurück in den Fermentationsbehälter 1 geleitet.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei das mit Sauerstoff angereicherte Fluid der Fermentationsbrühe zugeleitet wird, während diese die Umwälzschleife durchläuft. Die in 2 verwendeten Bezugszeichen sind für die gemeinsamen Elemente die gleichen, und diese gemeinsamen Elemente werden nicht erneut im einzelnen erläutert.
Jetzt auf 2 Bezug nehmend, wird der gekühlte Umwälzstrom 27 in einen Behälter 31 geleitet, der eine Vorrichtung 10 zum Erzeugen von feinen Blasen enthält. Die Vorrichtung 10 kann beispielsweise eine Perl-Diffusor-Anordnung aus gesintertem Metall zum Erzeugen von feinen Blasen, ein keramischer Diffusor zum Erzeugen von feinen Blasen, ein Membran-Blasendiffusor, eine Schalldüse, eine Gas/Flüssigkeits-Mischdüse, eine Venturi-Gas/Flüssigkeits-Mischdüse, eine mit einer oder mehreren Öffnungen versehene Platte oder eine Gas/Flüssigkeits-Stromdrosselvorrichtung sein. Mit Sauerstoff angereichertes Fluid wird in einem Strom 32 in die Vorrichtung 10 eingebracht und perlt innerhalb des Behälters 31 in die Fermentationsbrühe. Die resultierende sauerstoffhaltige Fermentationsbrühe wird in einem Strom 33 aus dem Behälter 31 abgezogen. Falls erwünscht kann ein Teil des Stroms 33 oder der ganze Strom 33 eine Gas/Flüssigkeits-Kontaktschleife 11 durchlaufen, deren Aufgabe es ist, die Gas/Flüssigkeits-Kontaktdauer zu verlängern und so das Lösen des mit Sauerstoff angereicherten Fluids in der Fermentationsbrühe zu verbessern. Der gegebenenfalls vorhandene Rest des Stroms 33 wird über ein Ventil 34 geleitet und dann mit dem gegebenenfalls vorhandenen Fluid aus der Schleife 11 gemischt, um einen Strom 35 zu bilden, der einem Diffusor 12 zugeht und aus dem Diffusor 12 in die Fermentationsbrühe in dem Behälter 1 gelangt, wo der Hauptteil des mikrobiellen Wachstums und der Fermentation in der zuvor beschriebenen Weise stattfindet. Bei dem Diffusor 12 kann es sich um eine beliebige effektive Gas/Flüssigkeits-Dispergierdüse handeln, beispielsweise einen Flüssigkeitszirkulationseduktor.
Die hohe Sauerstoffkonzentration innerhalb des mit Sauerstoff angereicherten Fluids bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung hat den Zweck, die Menge von inerten Stoffen und Restsauerstoff zu verringern, die in den Fermentationsbehälter eingeleitet wird und die schließlich ihren Weg in das Kohlendioxidgasgemischprodukt findet, wodurch die Kohlendioxidkonzentration auf einen günstigen hohen Wert gebracht und dort gehalten wird. Diese hohe Sauerstoffkonzentration dient ferner dazu, die Energie herabzusetzen, die zum Betrieb der Fermentationsanlage notwendig ist; außerdem werden dadurch Geruchsemissionen von gewissen Arten von Fermentationspflanzen reduziert.
Obwohl die Erfindung im einzelnen mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, versteht es sich für den Fachmann, dass im Sinne und Rahmen der Ansprüche weitere Ausführungsformen der Erfindung liegen.

Claims

Verfahren zum Erzeugen von Kohlendioxid, bei welchem: (A) einer Fermentationsbrühe, die eine oder mehrere kohlenstoffhaltige Spezies enthält, ein mit Sauerstoff angereichertes Fluid zugeführt wird; (B) Sauerstoff aus dem sauerstoffhaltigen Fluid eingesetzt wird, um innerhalb der Fermentationsbrühe das Wachstum von Mikroorganismen zu fördern, innerhalb der Fermentationsbrühe eine Fermentation durchgeführt wird, und innerhalb der Fermentationsbrühe Kohlendioxid in einem Fermentationsbehälter erzeugt wird; (C) ein Strom der Fermentationsbrühe aus dem Fermentationsbehälter heraus, durch einen Wärmetauscher, und dann in einer Umwälzschleife zurück in den Fermentationsbehälter geführt wird; (D) Kohlendioxid aus der Fermentationsbrühe herausgeperlt wird, um ein Gasgemisch mit einer Kohlendioxidkonzentration von mindestens 97,5 Mol.% zu bilden; und (E) das Gasgemisch als Produktkohlendioxid gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das mit Sauerstoff angereicherte Fluid der Fermentationsbrühe zugeführt wird, während sich die Brühe in dem Fermentationsbehälter befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das mit Sauerstoff angereicherte Fluid der Fermentationsbrühe zugeführt wird, während sich die Brühe in der Umwälzschleife befindet.
Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem das mit Sauerstoff angereicherte Fluid der Fermentationsbrühe stromab des Wärmetauschers zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die Fermentationsbrühe einem Aufnahmebehälter zugeführt wird, und das mit Sauerstoff angereicherte Fluid dem Aufnahmebehälter zugeführt und innerhalb des Aufnahmebehälters in die Fermentationsbrühe diffundiert wird.
Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem mindestens ein Teil der Sauerstoff enthaltenden Fermentationsbrühe durch eine Kontaktschleife geführt wird, bevor sie zurück in den Fermentationsbehälter geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Fermentation die Fermentation von einem oder mehreren Kohlenhydraten mittels Mikroorganismen zur Erzeugung von Ethanol umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Produktkohlendioxid mindestens einem weiteren Reinigungsschritt unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem der mindestens eine weitere Reinigungsschritt eine Destillation umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem der mindestens eine weitere Reinigungsschritt eine Lösungsmittelabsorption umfasst.