DK201400177Y4 - System til co2-capture under anvendelse af pakket reaktor og - Google Patents

Abstract

Den foreliggende frembringelse angår et system til CO2-capture under anvendelse af mikropartikler som omfatter en biokatalysatorer. Systemet til capture af CO2 fra en CO2-holdig gas (12) omfatter: - mikropartikler som omfatter et bæremateriale og en biokatalysator, der bæres af bærematerialet, biokatalysatoren fremmer opløsning og transformation af CO2 til bicarbonat- og hydrogenioner; og biokatalysato er immobiliseret på bærematerialet ved enzym-immobilisering, - en absorptionsenhed (E-1), som er konfigureret til at bringe den CO2-holdige gas i kontakt med en absorptionsblanding (11) og som omfatter en flydende opløsning og mikropartiklerne og frembringe en CO2-depleteret gas og en ion-rig blanding omfattende mikropartiklerne; hvor absorptionsenheden (E-1) er en pakket reaktor, og mikropartiklerne er dimensioneret og tilvejebragt i en koncentration, således at absorptionsblandingen kan strømme gennem den pakkede reaktor, - og en desorptionsreaktor (E-11) til modtagelse af den ion-rige vandige blanding (15) til muliggørelse af transformation af bicarbonat- og hydrogenionerne til CO2 gas og vand. Systemet producerer således en CO2-rig gasstrøm og en ion-depleteret opløsning (17).

Description

SYSTEM TIL C02~CAPTURE UNDER ANVENDELSE AF PAKKET REAKTOR OG ABSORPTIONSBLANDING MED MIKROPARTIKLER OMFATTENDE

BIOKATALYSATOR

FREMBRINGELSENS OMRÅDE

Den foreliggende frembringelse angår C02-capfure under anvendelse af mikropariikier omfattende biokatalysatorer.

BAGGRUND

Stadig mere dystre advarsler fra videnskabelige samfund over bele verden om farerne ved klimaændringer kombineret med større offentlig opmærksomhed og bekymring omkring spørgsmålet har afstedkommet øget momentum i retning af global lovgivning med det formål at reducere menneskeskabte drivhusgas- (GHG) emissioner, især kuldioxid. Ultimativt vil en betydelig nedskæring i nordamerikanske og globale C02. emissioner kræve reduktioner af den elektricitetsproducerende sektor, den største kilde til C02 på verdensplan. Ifølge Det internationale Energiagenturs (IEA) GHG-program var der i 2006 næsten 5.000 kraftværker til fossile brændstoffer på verdensplan, som genererer næsten 11 milliarder tons C02, hvilket udgør næsten 40 % af de samlede globale antroprofene C02-em!ssioner Af disse emissioner fra den kraftgenererende sektor kom 61 % fra kulfyrede anlæg. Om end den langsigtede agenda, som regeringer anbefaler, er erstatning af generering af fossilt brændstof med vedvarende energi, dikterer stigende energiefterspørgsel, kombineret med den enorme afhængighed af fossil-generering på kort til mellemiangt sigt, at denne fossil-basis forbliver operationel. At implementere et effektivt GHG-reduktionssystem vil således kræve, at C02-emissionerne fra denne sektor mindskes, hvor carbon indfangning og lagring (CCS - Carbon Capture and Storage) er en af de bedst kendte løsninger.

CCS-processen fjerner C02fra en C02-holdig røggas og muliggør produktion af en stærkt koncentreret C02-gasstrøm, som komprimeres og transporteres til et sekvestreringssite. Dette site kan være et depleteret oliefelt eller en saltvandsakvifer. Sekvestrering i hav- og mineralcarbonisering er to alternative måder til sekvestrering, som befinder sig i forskningsfasen. Captured C02 kan også anvendes ti! forbedring af olieindvinding.

Gængse teknologier ti! C02-capture er primært baseret på anvendelse af aminopløsninger, der cirkuleres gennem to adskilte hovedenheder: en absorptions-søjle, der er koblet til en desorptions- (eller stopnings-) søjle.

Biokatalysatorer er blevet anvendt til anvendelser i forbindelse med CCVabsorption. For eksempel kan C02-transformation katalyseres af enzymet kulsyreanhydrase som følger:

Under optimale forhold kan den katalyserede omsætningshastighed af denne reaktion nå 1 x 106 molekyler/sekund.

Der findes nogle kendte måder til tilvejebringelse af kulsyreanhydrase i C02- capture-reaktorer. En måde er ved immobilisering af enzymet på et fast pakningsmateriaie i en reaktor med pakket søjle. En anden måde er ved tilvejebringelse af enzymet i opløselig tilstand i en opløsning i eller som strømmer gennem en reaktor. Begge disse metoder giver fordele, men også nogle begrænsninger. Enzym immobiliseret på et fast pakningsmateriale begrænser fordelen af enzymet, da det haren begrænset tilstedeværelse i den tynde reaktive flydende film ved gas-væske-grænsefladen, der har en tykkelse på ca. 10 pm; enzym på pakningen er adskillige millimeter fra gas-væske-grænsefladen. Opløseligt enzym bibringer den optimale enzymvirkning, men det er ikke let at adskille enzymet fra opløsningen, og hvis enzymet ikke er robust over for intense betingelser, såsom dem, der anvendes i desorptionsoperationer, vil det blive denatureret, og processen vi! kræve høje niveauer af kontinuerlig enzymerstatning.

WO 2004/056455 angår en fremgangsmåde og et system, der kan omfatte en spray-absorber-bioreaktor til behandling af en gas til fjernelse af C02 derfra. Sprayabsorberen er konfigureret til at spraye en absorptionsvæske omfattende en biokatalysator, såsom kulsyreanhydrase, der er fri eller immobiliseret i forhold til en bærer. Biokatalysatorerne passerer gennem en forstøver sammen med væskefasen ind i sprav-absorberen.

Der er behov for en teknologi, der overvinder nogle af disse problemer og udfordringer ved de kendte teknikker til tilvejebringelse af biokatalysatorer, såsom kulsyreanhydrase, i C02-capture-reaktorer.

RESUMÉ AF FREMBRINGELSEN

Den foreliggende frembringelse Imødekommer det oven for nævnte behov ved at tilvejebringe et system til C02-capture under anvendelse af mikropartikier omfattende biokatalysatorer.

Nærmere bestemt tilvejebringer den foreliggende frembringelse et system til capture af C02fra en C02-hoidig gas omfattende en pakket reaktor og en absorptionsblanding, der strømmer gennem den pakkede reaktor, hvilket system er konfigureret til at bringe den C02-holdig gas i kontakt med absorptionsblandingen inden i den pakkede reaktor, absorptionsblandingen omfatter en flydende opløsning og mikropartikier, mikro-partiklerne omfatter et bæremateriale og biokatalysatorer, som bæres af bærematerialet, og er dimensioneret og tilvejebragt i en sådan koncentration, at absorptionsblandingen strømmer gennem den pakkede reaktor og, at mikropartikleme transporteres med den flydende opløsning til accelerering af opløsning og transformation af C02 til bicarbonat- og hydrogenioner, hvorved der produceres en C02-depleteret gas og en ion-rig blanding omfattende mikropartikleme.

I et valgfrit aspekt omfatter systemet en separations enhed til fjernelse af mikropartikleme fra den ion-rige blanding til fremstilling afen ion-rig opløsning. I et andet valgfrit aspekt udføres fjernelse af mikropartikleme med filtreringsmekanisme, magnetisk adskillelse, centrifugering, cyklon, sedimentering eller en kombination deraf.

i et andet valgfrit aspekt omfatter systemet enheder, der udfører desorption eller mineraicarbonisering på den ion-rige opløsning til frembringelse afen ion-depleteret opløsning. Den ion-rige blanding kan omfatte præcipitater, og præcipitaterne kan fjernes fra den ion-rige blanding før udførelse af desorption eller mineraicarbonisering.

I et andet valgfrit aspekt omfatter systemet et indløb til tilsætning af en mængde af mikropartikleme til den ion-depleterede opløsning før recirkulation af den ion-depieterede opløsning til yderligere kontakt med den C02-hoidige gas. 1 et andet valgfrit aspekt omfatter systemet et indiøb til indføring af den ion-rige blanding i en desorptionsreaktor, hvor mikropartikleme stabiliseres af bærematerialet og er dimensioneret og tilvejebragt i en sådan koncentration i desorptionsreaktoren, at mikropartikleme transporteres med den ion-rige blanding til accelerering af transformation af bicarbonat- og hydrogenionerne til C02~gas og vand, hvorved der produceres en C02-gasstrøm og den ίοη-depleierede opløsning.

I et andet valgfrit aspekt kan mikropartiklerne være dimensioneret ti! at lette adskillelse af mikropartiklerne fra den ion-rige blanding, For eksempel kan mikropartiklerne være dimensioneret til at have en diameter på over ca. 1 pm eller over ca, 5 μηι, I et andet valgfrit aspekt kan mikropartiklerne være dimensioneret til at have et katalytisk overfladeareal omfattende biokatalysatorerne med en sådan aktivitetsdensitet, at der tilvejebringes et aktivitetsniveau svarende til et tilsvarende aktivitetsniveau af opløselige biokatalysatorer over ca, 0,05 g biokatalysator/L, eventuelt mellem ca, 0,05 g biokatalysator/L og ca. 2 g biokatalysator/L, og fortrinsvis mellem ca. 0,05 g biokatalysator/L og ca, 0,5 g biokatalysator/L, når det drejer sig om biokatalysatorer med en minimumaktivitet på ca. 260 WA units/mg.

I et andet valgfrit aspekt danner absorptionsblandingen og C02 en reaktiv flydende film med en tykkelse, og mikropartiklerne er dimensioneret til at ligge inden for en størrelsesorden af tykkelsen af den reaktive flydende film. I et andet valgfrit aspekt danner absorptionsblandingen og C02 en reaktiv flydende film med en tykkelse, og mikropartiklerne er dimensioneret til at være mindre end tykkelsen af den reaktive flydende film. Tykkelsen af den reaktive flydende film kan være ca. 10 pm.

I et andet valgfrit aspekt er mikropartiklerne dimensioneret til mellem ca. 1 pm og ca. 100 pm.

I et andet valgfrit aspekt kan der dannes præcipitater i den ion-rige blanding, og mikropartiklerne kan være dimensioneret til at være større eller tungere end præcipitaterne.

I et andet valgfrit aspekt har mikropartiklerne en aktivitetsdensitet på mindst ca. 0,06 WA/mm', eventuelt på ca. 0,5 WA/mm1 2 eller derover.

I et andet valgfrit aspekt tilvejebringes mikropartiklerne i absorptionsblandingen i en maksimal partikelkoncentration på ca. 40 % v/v. I nogle valgfrie aspekter kan den maksimale mikropartikelkoncentration være 35 % v/v, 30 % v/v, 25 % v/v, 20 % v/v, 15 % v/v, 10 % v/v eller 5 % v/v.

et andet valgfrit aspekt består bærematerialet mindst delvist af nylon, cellulose, silica, silicagei, chitosan, polystyren, polymeihyimetacryiat, magnetisk materiale eller en 2 kombination deraf. Bæreren kan fortrinsvis bestå af nylon.

I et andet valgfrit aspekt kan bærematerialets densitet være mellem ca. 0,6 g/ml og ca. 3 g/ml.

I et andet valgfrit aspekt omfatter absorptionsblandingen vand og en absorptionsforbindelse. Absorptionsforbindeisen kan omfatte primære, sekundære og/eiler tertiære aminer; primære, sekundære og/eller tertiære alkanolaminer; primære, sekundære og/eiler tertiære aminosyrer; og/elier carbonater. Nærmere bestemt kan absorptionsforbindelsen omfatter piperidin, piperazin, derivater af piperidin eller piperazin, som er substitueret med mindst én aikanolgruppe, monoethanolamin (MBA), 2-amino-2-methyl-1 -propanol (AMP), 2-(2-aminoethylamino)ethanol (AEE), 2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propandiol (Tris), N-methyldietbanolamin (MDEA), dimethylmonoethanolamin (DMMEA), diethylmonoetbanolamin (DEMEA), triisopropanolamin (TiPA), triethanolamin, dialkylether af polyalkylenglycoler, dialkylether eller dimethylether af polyethylenglycol, aminosyrer omfattende glycin, prolin, arginin, histidin, iysin, asparaginsyre, glutaminsyre, methionin, serin, tbreonin, glutamin, cystein, asparagin, valin, leucin, isoieucin, aianin, tyrosin, tryptophan, phenyiaianin og derivater såsom taurin, N,cyclobexy!-1,3-propandiamin, N-sekundær-butyigiycin, N-methyi, N-sekundær-butylgiycin, diethyigiycln, dimethylglycin, sarcosin, methyitaurin, methyl-a-aminopropionsyre, N-(β-ethoxy)taurin, N-(3-aminoethyl)taurin, N-methyl-alanin, 6-aminohexansyre og kalium- eller natriumsalte af aminosyrer; kaliumcarbonat, natriumcarbonat, ammoniumcarbonat, accelererede kaliumcarbonat-opiøsninger og accelererede natriumcarbonatopløsninger eller accelererede ammoniumcarbonater; eller blandinger deraf.

I et andet valgfrit aspekt er biokatalysatorerne enzymer. Enzymerne er fortrinsvis kulsyreanhydrase. Kuisyreanhydrasen kan være immobiliseret på en overflade af mikropartiklernes bæremateriale, indesluttet i mikropartiklernes bæremateriale eller en kombination deraf. I et andet valgfrit aspekt kan kuisyreanhydrasen også tilvejebringes som tværbundne enzymaggregater (CLEAs), og bærematerialet omfatter en de! af kuisyreanhydrasen og tværbinderen. I endnu et andet valgfrit aspekt tilvejebringes kulsyreanhydrase som tværbundne enzymkrystalier (CLECs), og bærematerialet omfatter en del af kuisyreanhydrasen. 1 et andet valgfrit aspekt har mikropartiklerne en størrelse ifølge en størrelsesprotokol, som omfatter valg af et ønsket biokatalytisk aktivitetsniveau; bestemmelse af en maksimalt tilladt partikelkoncentration for den pakkede reaktor; bestemmelse af et til opnåelse af det biokatalytiske aktivitetsniveau nødvendigt totalt overfladeareal; bestemmelse af et til opnåelse af maksimalt totalt mikropartikelvolumen; og bestemmelse af en maksimal størrelse for mikropartlklerne til opnåelse af det biokatalytiske aktivitetsniveau med den maksimalt tilladte partikelkoncentration.

Mikropartlklerne til indføring i den flydende opløsning kan have valgfrie træk og anvendelser som beskrevet for de valgfri aspekter af processen heri.

Den foreliggende frembringelse tilvejebringer også et system til capture af C02 fra en C02-holdig gas. Systemet omfatter en absorptionsenhed omfattende et gasindiøb for den C02-hoidig gas, et væskeindløb til tilvejebringelse af en absorptionsblanding omfattende en flydende opløsning, og mikropartikier omfattende et bæremateriale og biokatalysatorer understøttet deraf. Systemet omfatter et reaktionskammer, der gør det muligt, at mikropartlklerne kan transporteres med den flydende opløsning til muliggørelse af opløsning og transformation af C02 til bicarbonat- og hydrogenioner, hvorved der produceres en C02-dep!eteret gas og en ion-rig blanding indeholdende mikropartlklerne. Systemet omfatter et gasudløb til uddrivning af den C02-depleterede gas og et væskeudløb til uddrivning af den ion-rige blanding indeholdende mikropartlklerne fra den ion-depleterede blanding. Eventuelt kan systemet omfatte en fjernelsesenhed til fjernelse af mikropartlklerne fra den ion-depleterede blanding og fremstilling af en ion-rig opløsning; en regenereringsenhed til modtagelse af den ion-rige opløsning og muliggørelse af desorption eller mineralcarbonisering ved frigørelse af bicarbonat-ionerne fra den ion-rige opløsning ti! frembringelse af en ion-depieteret opløsning; og en tiisætnlngsenhed til tilsætning af mikropartlklerne til den ion-depleterede opløsning før denne recirkuleres til absorptionsenhedens væskeindiøb. Systemet kan have valgfrie træk som beskrevet for de valgfri aspekter af den her omhandlede proces.

Styring og koordinering af mikropartiklernes størrelse, koncentration og biokatalytisk aktivitet muliggør fordelagtig drift i C02~capture~processer.

KORT BESKRIVELSE AF TEGNINGERNE

Figur 1 er et procesdiagram af en udførelsesform af den foreliggende frembringelse, hvor biokataiytiske mikropartikier strømmer i absorptionsopiøsningen.

Figur 2 er et procesdiagram af en anden udførelsesform af den foreliggende frembringelse, hvor en absorptionsenhed er koblet til en desorptionsenhed, og biokataiytiske mikropartikier strømmer i absorptionsopiøsningen.

Figur 3 er en skematisk repræsentation af gas-væske-grænsefiaden i absorptionen.

Figur 4 er en graf, der viser udviklingen af residualaktivitet af enzym- mikropartikier, der udsættes for MDEA 2M ved 40 °C til illustration af stabilitetsvirkning.

BESKRIVELSE AF FORETRUKNE UDFØRELSESFORMER

Fig. 1 og 2 viser henholdsvis to forskellige udførelsesformer af systemet ifølge den foreliggende frembringelse og illustrerer en proces, som kan udøves i systemet. Det skal også forstås, at udføreisesformer af mikropartikierne ifølge den foreliggende frembringelse kan anvendes sammen med processen og systemet.

Generelt drager processen fordel af biokatalysatorer til gas-scrubbing, især til C02-fjernelse fra et C02-holdigt vand fra en reaktor. I én udførelsesform muliggør processen anvendelse af immohiliserede biokatalysatorer, såsom kuisyreanhydrase, til C02-fjernelse i en pakket søjle. Kulsyreanhydrasen kan bæres af mikropartikierne i formuleringen ved at være direkte bundet til partiklebæremateriaiets overflade, indesluttet i eller fastgjort til en porøs bærematerialematrix, indesluttet i eller fastgjort til et porøst coatingmateriale, der er tilvejebragt omkring en bærepartikei, som selv er porøs eller ikke-porøs, eller til stede som tværbundne enzymaggregater (CLEA) eller tværbundne enzymkrystaller (CLEC), hvor det indre "bæremateriale" selv omfatter et aggregat af enzymer og andre midler, som kan anvendes til dannelse af CLEAs eller CLECs, såsom en tværbinder. Enzymet kan tilvejebringes I CLEA- eller CLEC-form, som kan tilvejebringes på eller omkring et andet bæremateriale, der kan være magnetisk eller ej. Det skal forstås, at en kombination af de ovennævnte immobiliseringsteknikker kan anvendes til at gøre det muligt for de biokatalytiske mikropartikier at strømme i absorptionsopløsningen gennem reaktoren på, gennem og/eller omkring en pakket søjles pakningsmateriale.

Den foreliggende frembringelse tilvejebringer et system som muliggør en proces til capture af C02 fra en C02-hoidig gas. i én udførelsesform af en sådan proces omfatter det første trin etablering af kontakt mellem den C02-holdige gas og en absorptionsblanding omfattende en flydende opløsning og mikropartikier. Mikropartikierne omfatter et bæremateriaie og biokatalysatorer, der bæres deraf. Mikropartikierne tilvejebringes således, at absorptionsblandingen er pumpbar. Fortrinsvis udføres trinnet med etablering af kontakt mellem gas- og væskefaserne således, at mikropartikierne strømmer med den flydende opløsning, bevæger sig i den flydende opløsning og bevæger sig ind og ud af bulk-fiowei for at forbedre hurtig konvektiv masseoverførsel af C02-reakfanfen og hydrogen- og bicarbonationprodukterne.

Dette absorptionstrin kan udføres i en række reaktorer. Fortrinsvis udføres absorptionstrinnet i en reaktor med pakket søjle. Det kan også foregå i en spray-søjle eller en anden type reaktor. I tilfælde af en pakket søjle strømmer mikropartikieme nedad ved at strømme med den flydende opløsning, mens de kolliderer mod og rikochetterer fra pakningen. Mens bulk-flowet af mikropartikieme følger den flydende opløsnings gennem reaktoren, får kollisionerne nogle af mikropartikler fil af ændre retning og hastighed, således at de ikke bevæger sig med den flydende opløsnings lokale flow. Denne bevægelse i den flydende opløsning kan have lineære komponenter og/elier spinningskomponenter, og muliggør hurtig konvektiv masseoverførsel af C02 til adgang til biokatalysatorerne på mikropartikieme. Desuden er mikropartikieme fortrinsvis dimensioneret (sammen med densitet og form) således, at de kan transporteres med den flydende opløsnings bulk-flow og til at være til stede I den tynde reaktive film mellem gas- og væskefaser. Det skal forstås, at sådanne mikropartikler helt eller delvist kan bryde fri af bulk-flowet. Sådanne mikropartikler, der er brudt ud, kan have en særlig tynd flydende filmbelægning, der muliggør hurtig C02-penetrering. Disse mikropartikler tillader bicarbonat- og hydrogenionerne dannet i den tynde flydende film hurtigt at fordele sig ud i den flydende bulk-opløsning.

Størrelsen af de sammensatte mikropartikler kan afhænge af reaktortypen, procesbetingelserne, bærematerialets densitet og form. Densiteten kan vælges baseret på den ønskede katalytiske aktivitet eller adskillelse af mikropartikieme fra opløsningen, eller begge. Densiteten kan være ca, 0,6 ti! ca. 3 g/mi. For eksempel kan nylonbærere have en densitet på ca. 1,1, ceilulosebærere kan have en densitet på ca. 1,6, og magnetiske bærere kan have en densitet på ca. 2,5. Mikropartikiernes densitet kan også vælges afhængigt af den type separations teknik, der anvendes til at fjerne mikropartikieme efter absorptionstrinnet, som tilfældet måtte være. Hvis mikro-partikierne for eksempel er tungere end vand, kan visse separationsmetoder være fordelagtige. Mikropartikiernes densitet kan også vælges til accelerering af selve absorptionsprocessen afhængigt af driftsforholdene og den type reaktor, der anvendes. Hvis det for eksempel ønskes at undgå synkning, kan mikropartikieme have en densitet svarende til absorptionsblandingens eller den ion-rige blandings, som ønsket. Virkningen af densitet vil også blive illustreret af nogle af eksemplerne nedenfor. Mikropartikiernes form kan også vælges baseret på rheologiske virkninger og mikropartikiernes tilgængelige overfladeareal, hvilket også vil blive illustreret af nogle af de neden for anførte eksempler.

I el valgfrit aspekt af den foreliggende frembringelse styres partikelkoncentrationen og partikelstørrelsen sammen med enzymaktiviteten i en given opløsning. Den partikelkoncentration, der er nødvendig til opnåelse af et givet niveau af enzymaktivitet i en opløsning, er en parameter, der påvirker partikelstørreisen, Hvis partikelkoncentrationen er for bøj, kan det resultere i en absorptionsblanding, som er vanskelig eller umulig at pumpe gennem et pakket leje eller spray-reaktor-system. i denne forbindelse har det vist sig at for at opnå samme enzymaktivitet som 1 g/L opløselig kulsyreanhydase (CA) med 350 pm polymere mikropartikler med CA fiksere! til deres overflade, som har en aktivitetsdensitet på 0,51 Wiibur-Anderson.unit/mm2 (WA/mm 2), er den tilsvarende partikelkoncentration ca. 80 % (v/v), hvilket er for højt til at kunne pumpes. For at reducere partikelkoncentrationen til under et foretrukket niveau på 30 % (v/v), der svarer til 300 g/L for partikler med densitet nær 1, skal 350 pm mikropartiklerne enten modificeres således, at de giver en højere aktivitetsdensitet eller reduceres i størrelse. For eksempel, givet samme aktivitetsdensitet på 0,51 unit WA/mm2 og samme aktivitet svarende til 1 g/L, ville opløselig CA under anvendelse af mikropartikler med en diameter på 50 pm resultere i en partikelkoncentration på 90 g/L (eller 9 % v/v), en pumpbar absorptionsblanding. Mere om partikelstørrelse og koncentration vil blive diskuteret i det følgende med hensyn til en beregningsmetode og indvirkningen af forskellige parametre.

I et andet valgfrit aspekt af den foreliggende frembringelse vælges mikropartikiernes partikelstørreise i henhold til tykkelsen af den reaktive film i den givne opløsning. Tykkelsen af den reaktive film afhænger af visse faktorer, herunder typen af absorptionsopiøsning og den gas, der absorberes, i et aspekt, når det drejer sig om de mest almindeligt anvendte C02-absorptionsopiøsninger, har den reaktive film en tykkelse på ca. 10 pm, figur 3 er der vist en skematisk repræsentation af gas-væske-grænsefladen i en absorptionsenhed, i denne absorptionsenhed strømmer gasfasen opad, og væskefase nedad. Masseoverførsel mellem de to faser finder sted i gasfilmen (tykkelse 5g) og den flydende film (tykkelse 5I), Ved C02-absorption eksisterer modstand over for masseoverførsel i væskefasen. I konventionelle absorptionsopløsninger er tykkelsen af den flydende film ved pakningens overflade flere millimeter, imidlertid er tykkelsen af den reaktive flydende film, hvor masseoverførsel og reaktioner mellem C02 og opløsningen finder sted (δί), omkring 10 pm. For at få den største fordel af enzymet, er det derfor fortrinsvis til stede i denne reaktive flydende film. Mulige måder til at nå frem til dette er ved anvendelse af opløseligt enzym eller ved anvendelse af enzymmikropartikler med små diametre. Til sammenligning, så er enzym, der er immobiliseret til en stor fast pakning og som befinder sig på pakningsmaterialets overflade, adskillige millimeter fra gas-væske-grænsefiaden og den reaktive flydende film, og dennes indvirkning er således relativt mindre.

For at drage fordel af de virkninger, der er forbundet med tykkelserne af disse reaktive film, kan mikropartikierne være dimensioneret sådan, at diameteren ligger inden for omkring en størrelsesorden af filmtykkelsen, fortrinsvis mindre end filmtykkelsen. I et tilfælde, hvor den reaktive film har en tykkelse på omkring 10 pm, kan mikropartikierne være dimensioneret mellem ca. 1 pm og ca. 100 pm. fortrinsvis mellem ca. 1 pm og ca. 10 pm, mere foretrukket under omkring 10 pm, fortrinsvis under omkring 5 pm. i en anden udførelsesform vælges den nedre grænse for mikropartikeistørrelsen baseret på den ønskede metode til mikropartikeladskilleisen, såsom filtrering. Mikroparfikier af en vis størrelse kan lettere adskilles fra den ion-rige blanding under anvendelse af nogle separationsmetoder, mens de forbliver små nok fil at opnå den ønskede katalytiske aktivitet.

En udførelsesform af systemet er visf i figur 1 og vil blive beskrevet nærmere i det følgende. Først blandes de biokatalytiske mikropartikier i den magre absorptionsopløsning i et blandekammer (E-4). Den magre absorptionsopløsning refererer til absorptionsopløsningen, der er karakteriseret ved en lav koncentration af de arter, der skal absorberes. Denne opløsning er enten en frisk opløsning eller kommer fra den mineralske carboniseringsproces eller C02-desorpiionsprocessen (10). Absorptionsopløsningen med biokatalytiske partikler (11), også benævnt absorptionsblandingen, føres derefter til toppen afen pakket søjle (E-1) med en pumpe (E-7). Pakningsmateriaet (9) kan være fremstillet af konventionelt materiale såsom polymerer, metal og keramik. Geometrien af pakningen kan vælges fra det, der er kommercielt tilgængeligt. Det er også muligt at vælge eller arrangere pakningen til accelerering af visse deflektioner og kollisioner med mikropartikier eller til at undgå akkumulering af mikropartikierne i reaktoren. For eksempel har emballagen fortrinsvis begrænsede opad vendende konkaviteter for at undgå akkumulering af mikropartikier deri. Også foretrukket er pakningsbærerne meget større end mikropartikierne. Også foretrukket vælges mikropartikierne og pakningen således, at mikropartikierne kan strømme gennem reaktoren uden tilstopning. En C02-hoidig gasfase (12) tilføres i modstrøm til den pakkede søjle (E-1) og strømmer videre gennem og/eller omkring pakningen (9) fra bunden til toppen af søjlen. Absorptionsopiøsningen og de biokataiytiske mikropartikier strømme videre gennem og/eller omkring pakningsmaterialet (9) fra toppen af søjlen til bunden. Efterhånden som absorptionsopløsningen og de bsokatalytsske mikropartikler passerer frem gennem absorberen, bliver absorptionsopløsningen rigere på den forbindelse, der absorberes. Biokataiytiske mikropartikler, der er til stede nær gas-væske-grænsefladen, forbedrer C02-absorption ved straks at katalysere C02-bydratiseringsreaktionen til dannelse af bicarbonat-ioner og protoner, og dermed maksimering af C02~ koncentrationsgradienten på tværs af grænsefladen. Ved søjlens udgang pumpes (E-5) den righoldige absorptionsopløsning og de biokatalytiske mikropartikler (13) til en partikeladskilleisesenhed (E-3). Righoldig absorptionsopløsning refererer til absorptionsopløsninger, som er karakteriseret ved en koncentration af absorberet forbindelse, som er højere end den magre opløsnings. Ådskillelsesenheden E-3 kan omfatte en filtreringsenbed (såsom en tangential filtreringsenhed), en centrifuge, en cyklon, en sedimentationstank eller en magnetisk separator og andre enheder eller udstyr, der er kendt til partikel- eller faststofadskiilelse. Adskillelsesenheden muliggør også, at en vis mængde opløsning kan tilbageholdes med mikropartiklerne, således at partiklerne ikke udtørrer, hvilket kan denaturere biokatalysatorerne. I et valgfrit aspekt gør mængden af tilbageholdt opløsning det muligt, at mikropartiklerne kan pumpes til en lagringsenhed eller direkte tilbage til et biandekammer (E-4) med en pumpe (E-6) for tilsætning til absorptionsenheden. I et andet valgfrit aspekt kan mikropartiklerne med tilbageholdt opløsning under anvendelse af tyngdekraften indføres i blandekammeret (E-4), hvilket f.eks. gøres muligt ved at udføre adskillelse oven over blandeenheden. Adskillelsen kan udføres i kontinuerlig drift eller I batch-drift, og kan styres således, at det tiisikres, at den rette mængde opløsning tilbageholdes tii sikring af enzymaktivitet. Det kan også foretrækkes, at mikropartiklerne tilvejebringes således, at de let kan adskilles fra eventuelle faste udfældninger (f.eks. bicarbonat-udfæidninger), som kan være opfanget i den ion-rige opløsning, om nødvendigt. Absorptionsopløsningen uden mikropartikler (15) pumpes derefter (E-9) tii en anden enhed, som kan være en C02-desorptionsenhed eller en mineralsk carboniseringsenhed (10), Biokatalytiske mikropartikler (16) blandes med den magre C02-absorptionsopiøsning. Denne suspension indføres derefter igen i absorptionssøjlen (E-1).

I en anden udførelsesform er absorptionsenheden koblet til en desorptionsenhed, som vist mere detaljeret i figur 2. i denne udførelsesform pumpes den C02-rige absorptionsopiøsning af pumpen (E.9) uden biokatalytiske mikropartikler (15) gennem en varmeveksler (E-10), hvor den opvarmes, og derefter ti! desorptionssøjlen (E-11). I desorptionsenheden opvarmes opløsningen yderligere, således at C02 frigives fra opløsningen i gasformig tilstand. På grund af den relativt høje temperatur, der anvendes under desorption, fordamper vandet også. En del af absorptionsopløsningen (18) dirigeres hen mod en reboiier (E-12), hvor den opvarmes til en temperatur, der muliggør C02-desorption. Gasformigt C02 sammen med vanddamp indføres i en kondensator (E-13), hvor den gasformige blanding afkøles, vand kondenserer og føres tilbage tii desorptionsenheden (19). Tørgasformig C02 (20) ledes derpå til en komprimerings- og transportproces til videre processering. Væskefasen, som indeholder mindre C02, og som benævnes den magre absorptionsopløsning (17), pumpes derefter (E-14) til varmeveksleren (E-10) til nedkøling og indføring i blandekammeret (E-4). Temperaturen af den magre absorptionsopløsning (17) bør være lav nok fil ikke at denaturere enzymet, hvis det er tii stede.

Biokatalysatorerne kan placeres på bærematerialet på en af de måder, der er beskrevet ovenfor, og sådanne mikropartikler blandes i absorptionsopløsningen og strømmer videre nedad gennem og/elier omkring den pakkede søjles pakning. Den C02-holdige gas strømmer i modstrøm videre gennem og/eiler omkring pakningen og kommer i kontakt med absorptionsopiøsningen med de biokataiyfiske mikropartikler.

En fordel ved at have mikropartikler med biokatalysatorer i absorptionsopløsningen er at enzymet bringes i tæt kontakt med gasfasen, hvorved C02-koncentrationsgradienten på tværs af gas- og væskefasen maksimeres og dermed C02-absorptionshastlgheden. En fordel ved denne proces er, at virkningen af immobiliserede biokatalysatorer kan være større, fordi de er tættere på gas-væske-grænsefladen. Performance forbedres i forhold tii en pakket søjle uden enzym og med biokatalysatorer immobiiiseret på selve pakningen.

En fordel ved tilvejebringelse af mikropartikler er at mængden og aktiviteten af enzymet kan designes og styres for en given proces, reaktor, krav til pumpning eller et sæt af betingelser.

En anden fordel er at immobilisering af biokatalysatorerne som en de! af mikropartikierne kan bibringe forøget stabilitet til enzymet. Mere vedrørende stabilitet vil blive beskrevet nedenfor. Mikropartikierne med immobiliserede biokatalysatorer kan have en længere holdbarhed ved lagring, forsendelse, recirkulation og genbrug i processen, da biokatalysatorerne er stabiliseret på bæremaferialet. I nogle udføreisesformer kan de immobiliserede biokatalysatorer være stabile overfor driftsbetingelser i andre procesenheder end absorptionsenheden, såsom desorptionsenheden, og dermed kan mikropartikierne anvendes i absorptions- og desorptionsenheder uden behov for at fjerne mikropartikierne før desorptionsenheden.

I en sådan proceskonfiguration kan de enzymatiske mikropartikler have en indvirkning i absorptionsenheden ved at forøge CCVabsorptionshastigbeden. men også i desorptionsenheden, da kulsyreanhydrase også vides at forøge omsætningshastigheden af bicarbonation til C02 (som er en af de reaktioner, der ville finde sted i desorptionsenheden), i denne konfiguration ville fjerneisesenheden (E-3) skulle fjerne deaktiverede mikropartikier, og enhed (E~4) skulle tilsætte nye enzymatiske mikropartikier. Det kan dog være fordelagtigt at have en adskillelsesenhed, såsom et filter, mellem (E-11) og (E-12)forat undgå strømning af de enzymatiske mikropartikier gennem reboiieren og deres kontakt med meget høje temperaturer (afhængigt af varmeresistensen af mikropartiklernes biokatalysatorer).

Det er en fordel, at mikropartiklerne let kan udskiftes eller renoveres. Biandekammeret (E-4) omfatter fortrinsvis et indløb til modtagelse af recirkuierede mikropartikier fra adsklllelsesenheden (E-3) og også et indløb/udløb til både at fjerne en fraktion af brugte mikropartikier og erstatte dem med nye mikropartikier, hvorved den samlede batch af mikropartikier renoveres i systemet.

Det er en fordel ved processen og systemet, at mikropartiklerne kan fjernes fra den ionrige blanding langt lettere end konventionelle frie enzymer. Som eksempel er human kulsyreanhydrase type Π et ellipsoid med dimensionerne 39 Å x 42 Å x 55 Å, og er vanskeligt at adskille fra opløsning. Mikropartiklerne kan således være dimensioneret til at muliggøre både høj absorptionshastighed og nem fjernelse til recirkulation. På den måde kan enzymerne undgå at være til stede i desorptionsenheden, som kan involvere høje temperaturer og andre betingelser, der kan denaturere nogle typer af enzymer og enzym-varianter. I nogle udførelsesformer filtreres, centrifugeres, cyklonbehandles, sedimenteres eller adskilles de biokataiytiske mikropartikier magnetisk i en første adskillelsesenhed, og andre små partikler, såsom præcipitater, kan adskilles i en forudgående eller efterfølgende adskilieisesenhed.

Systemet kan omfatte en separationsenhed ti! fjernelse af mikropartiklerne. Disse mikropartikier pumpes derefter fortrinsvis tilbage til absorptionsvæskens indløb i den pakkede søjle. Valg af separationsenheden afhænger af størrelsen af mikropartiklerne, densitet, omkostninger og af deres beskaffenhed (f.eks. magnetiske eller ikke magnetiske partikler). Processen kan også omfatte en desorptionsenhed til regenerering af den ion-rige opløsning, I én udførelsesform anvendes mikropartiklerne sammen med en absorptions-forbindelse i opløsningen. Åbsorptionsforbindeisen kan være primære, sekundære og/elier tertiære aminer (herunder alkanolaminer); primære, sekundære og/elier tertiære aminosyrer; og/eiler carbonater. Absorptionsforbindelsen kan især omfatte aminer (f.eks. piperidin, piperazin og derivater deraf, som er substitueret med mindst én alkanoigruppe), alkanoiaminer (f.eks. monoethanolamin (MBA), 2-amino-2-methyl-1-propanol (AMP), 2-(2-aminoethylamino)ethanol (ABE), 2-amino-2-hydroxymethyl-1,3-propandiol (Tris), N-methyldiethanolamin (MDEA), dimethylmonoethanolamin (DMMEA), diethylmonoethanolamin (DEMEA), triisopropanolamin (TIPÅ) og triethanolamin), diaikyietber af polyalkylengiycoler (f.eks. diaikyiether eiier dimethylether af polyethyiengiycoi); aminosyrer, som kan indbefatte kalium- eller natriumsalte af aminosyrer, glycin, prolin, arginin, histidin, iysin, asparaginsyre, glutaminsyre, metbionin, serin, threonin, glutamin, cystein, asparagin, valin, leucin, isoleucin, alanin, valin, tyrosin, tryptophan, phenylalanin og derivater såsom taurin, N.cyclohexyM ,3-propandiamin, N-sekundær-butylglycin, N-metbyl-N-sekundær-butylgiycin, dietbyigiycin, dimethylglycin, sarcosin, methyitaurin, methyl-a-aminopropionsyre, N~(3~ethoxy)taurin, N-(3-aminoethyl)taurin, N-methylalanin, 6-aminohexansyre; og som kan indbefatte kaliumcarbonat, natriumcarbonat, ammoniumcarbonat, accelererede kaliumcarbonatopløsninger og accelererede natriumcarbonatopløsninger eller accelererede ammoniumcarbonater; eller blandinger deraf. Absorpfionforblndelser tilsættes til opløsningen for at hjælpe til C02-absorptionen og til kombination med de katalytiske virkninger af kuisyreanhydrasen. På grund af visse absorptionsforbindelsers struktur eller høje koncentration kan kulsyreanhydrasens aktivitet eller levetid være truet. For eksempel kan frie enzymer være mere sårbare over for denaturering forårsaget af en absorptionsforbindelse med høj ionstyrke, såsom carbonater. Immobilisering af kuisyreanhydrasen kan formindske de negative virkninger af sådanne absorptionsforbindelser. Ved tilførsel af kuisyreanhydrasen, immobiliseret eller på anden måde båret af mikropartikler, kan processen give høje C02-transferhastlgheder i nærvær af absorptionsforbindelser og samtidig reducere de negative indvirkninger, som sådanne forbindelser ellers kunne have på frie enzymer,

EKSEMPLER

Eksempel 1

Mikropartikelbærematerialet kan være fremstillet af nylon, silica, silicagel, chitosan, polystyren, polymeihylmetacryiat, cellulose, magnetiske partikler og andre materialer, som vides anvendt til biokatalysatorimmobilisering. Mikropartiklerne kan også være sammensat afen kombination af forskellige materialer. Foreksempel kan bæreren have en kerne bestående af et materiale med anden densitet eller andre egenskaber i forhold til et andet overflademateriale, som tilvejebringes til immobilisering eller indkapsling af enzymerne. For eksempel kan bærerens kerne bestå af et magnetisk materiale for at muliggøre magnetisk adskillelse, og overfladematerialet kan være polymert, såsom nylon, til understøttelse af enzymet. Som nævnt oven for kan bærematerialet i en udførelsesform være et aggregat af enzymer til dannelse af CLEA eller CLEC. Mikropartiklerne kan hver definerer et integreret fast volumen (f.eks. en perlelignende form) eller kan omfatte én eller flere åbninger, der traverserer partiklens hovedvolumen (f.eks. rør- eller doughnut-form). Som eksempel kan mikropartiklerne være ovale, sfæriske, cylindriske, etc.

Mikropartiklerne kan dimensioneres alt efter kravene til givne procesbetingelser. For større størrelser skal forbindelserne, materialerne og procesudstyret vælges således, at der opnås nødvendig strømning og pumpbarhed af absorptionsblandingen. Mere om dimensionering vil blive diskuteret i det følgende.

Eksempel 2

Et eksperiment blev udført i en pakket absorptionssøjle. Absorptionsopløsningen var en vandig opløsning af methyldiethanolamin (MDEA) 4M. Denne absorptionsopløsning bringes i kontakt i modstrøm med en gasfase med en C02-koncenfration på 130.000 ppm. Væskestrømningshastigheden var 0,65 g/min, og gasstrømningshastigheden var 65 g/min, svarende til L/G 10 (g/g). Gas- og absorptionsopløsningen havde stuetemperatur. Absorberens driftstryk blev indstillet til 1,4 psig (9,652 103 Pa). Søjlen havde en diameter på 7,5 cm og en højde på 50 cm. Pakningsmateriaiet var polymere Raschig-ringe 0,25 inch (6,35 mm). Der blev udført tre forsøg: det første uden aktivator, det andet med kulsyreanhydrase immobiiiseret til pakningsbærer, og det tredje under anvendelse af kulsyreanhydrase fri i opløsning ved en koncentration på 0,5 g pr. liter opløsning.

De opnåede resultater viste, at C02-transferhastigheden eller C02-fjernelses-hastigheden steg fra 6 til 14 mmol C02/min med kulsyreanhydrase immobiiiseret på overfladen af Raschig-ringe. I nærvær af frit enzym, dvs. kulsyreanhydrase frit i opløsningen, steg transferhastigheden til 29 mmoi/min. Disse resultater viser den positive indvirkning af tilsætning af enzymet i en pakket søjle og, at mikropartikler omfattende enzymer kan muliggøre forbedringer.

Lignende forsøg blev også udført med opløsninger af kaliumcarbonat (20 % v/v -1,45 M)) og natriumcarbonai 0,5 M. Indvirkningerne af frit og immobiiiseret enzym følger samme tendens som for MDEA 4 M.

Eksempel 3

For yderligere at bestemme indvirkningen af enzymatiske mikroparfikier på C02~ absorptionshastigheden blev der udført tests i en hydratiseringscelle. Denne hydratiseringscellereaktor blev designet og drevet ved fastsatte betingelser til at styre grænsefladeområdet mellem en gasfase, C02 og en væskefase i en absorptionsproces. Denne enhed blev anvendt til at vurdere indvirkningerne af enzymatiske mikropartikler på C02-absorptionshastigheden i en given absorptionsopløsning. Der blev udført forsøg som følger: en kendt mængde af den ubelastede absorptionsopløsning indførtes i reaktoren; derefter tilsattes en kendt mikropartikelmasse til absorptionsopløsningen (mikropartikler kan eller kan ikke indehoide enzym); en C02-strøm strømmer gennem reaktorens hovedrum, og omrøringen begyndes; opløsningens pH måles som en funktion af tid; pH-værdier konverteres så til kulstof-rig C/L under anvendelse af en kulstof-koncentration-pH-korreiation, som forinden er bestemt for absorptionsopiøsningen; absorptionsbastigheder bestemmes ud fra et plot af C-koncentrationen som en funktion af tid. Indvirkningen af enzymet ved en relativ absorptionshastighed rapporteres: forholdet mellem absorptionshastigheden i nærvær af enzymmikropartikierne og absorptionshastigheden i nærvær af mikropartikler uden enzym. Det skal bemærkes, at resultater opnået i hydratiseringscellereaktor ikke kan sammenlignes direkte med dem, der opnås i en pakket søjle, fordi hydrodynamiske betingelser og massetransferskoefficienter er forskellige.

Eksempel 4

Der blev udført tests med enzymet human kulsyreanhydrase type II (HCAII) immobiliseret på overfladen af nyionmikropartikler. Det ska! bemærkes, at disse tests anvendte en ikke optimeret immobiliseringsprotokol, og dermed kunne enzymernes aktivitet forøges ved at justere immobiliseringsprotokollen. Nylonmikropartikeistørreisen var i området fra 50 til 160 μιη. Absorptionsopløsningerne, der blev testet, var 1,45 MK2CO3 og 0,5 M Na2C03. Testtemperaturen var 20 °C. Metoden var som beskrevet i eksempel 3. Resultaterne viser, at C02-absorptionshastigheden blev forøget med 20-30 % for begge opløsninger i forhold til mikropartikler uden enzymer.

Eksempel 5

Der blev udført tests med HCAII immobiliseret på overfladen af nyionmikropartikler (under anvendelse af en ikke optimeret immobiliseringsprotokol). Nylonmikropartikeistørreisen lå i området fra 50 til 160 pm. Absorptionsopiøsningen var 2M MDEA. Testtemperaturen var 20 “C. Enzymkoncentrationerne lå i området fra 0,1 til 0,5 g/L. Metoden var som beskrevet i eksempel 3. Resultaterne viser, at enzym på nyionmikropartikler forøger C02-absorpiionshasiigheden for alle testede betingelser (se Tabel 1). Absorptionshastigheden steg mellem 40 og 120 %.

Tabel 1: Relative C02-overførseishastigheder i nærvær af enzym immobiliseret på nylon mikropartikler I 2M IViDEA-øpløsning

Eksempel 6

Der blev udført tests med HCAil immobiliseret på overfladen af celiuiosemikropartikler (under anvendelse af en ikke optimeret immobiiiseringsprotokoi). Celiulosemikropartikelstørrelsen var 50 μηι. Absorptionsopløsningen var2M MDEA. Testtemperaturen var 20 °C. Enzymkoncentrationerne i opløsningen lå i området fra 0,1 til 0,5 g/L. Metoden var som beskrevet i eksempel 3. Resultaterne viser, at enzym på cellulose-mikropartikler forøger C02-absorptionshastigheden for enzymkoncentration højere end 0,1 g/L (se Tabel 2) under testede betingelser.

Tabel 2: Relative C02”Overførselshast!gheder s nærvær af enzym immobiliseret på celiuiosemikropartikler i en 2IWI IVIDEA-opløsning

Eksempel 7

Der blev udført tests med HCAII immobiliseret på overfladen af nyionmikropartikler (under anvendelse af en ikke optimeret immobiliseringsprotokol).

Nyionpartikelstørreisen lå i området mellem 50 og 160 pm. Absorptionsopløsningerne var 0,5 M af kaliumsaltet af følgende aminosyrer: giycin, methionin, taurin og N,N~ dimethylglycin. Testtemperaturen var 20 °C. Enzymkoncentrationen er 0,5 g/L.

Metoden er som beskrevet i eksempel 3. Resultaterne viser, at enzym på nyionmikropartikler forøger CCVabsorptiønshastigheden for alle testede aminosyresalte (se Tabel 3). indvirkningen af enzymet var dog mindre vigtig for N,N-dimethyigiycin, en tertiær aminosyre.

Tabet 3: Relative C02”Overførselshastigheder s nærvær af enzym Immobifiseret på nyionmikropartikler i 0,5 IV! kalsumsali af aminosyrer ved en enzymkoncentration på 0,5 g/L

Eksempel 8

Der blev udført forsøg med tværkoblede enzymaggregater (CLEA) af kulsyreanhydrase (under anvendelse af en ikke optimeret protokol). Det anvendte enzym er en varmestabil variant af enzym hCAll, benævnt 5X. CLEA indeholder 26 % (v/v) af 5X-enzymet. Partikelstørrelsen svinger mellem 4-9 pm. Absorptionsopløsningen var 1,45 MK2CO3. Testtemperaturen var 20 °C. Enzymkoncentrationen var 0,5 g/L. Metoden er som beskrevet i eksempel 3. Der blev udført forsøg med CLEAs og derefter med deaktiverede CLEAs som reference for at muliggøre bestemmelse af enzymets indvirkning. Resultaterne viser, at CLEAs forøger C02-absorptionshastigheden med en faktor på 3,2.

Eksempel 9

Der blev udført tests med tværkoblede enzymaggregater (CLEA) af kulsyreanhydrase (under anvendelse af en ikke optimeret protokol). Det anvendte enzym er en varmestabil variant af enzym HCAll, benævnt 5X. CLEA indeholder 26 % (v/v) af 5X-enzymet. Partikelstørrelsen svinger mellem 4-9 pm. Absorptionsopløsningen var 1M MDEA. Testtemperaturen var 25 °C. Enzymkoncentrationen var 0,5 g/L. C02-absorptionstests blev udført i en omrørt celle, en enkel anordning, der kan anvendes til at vurdere C02-absorptionshastigheder underforskellige betingelser. Den omrørte celle indeholder absorptionsopløsningen (og enzymet, om nødvendigt). Et kendt tryk for rent C02 påføres opløsningen. I disse tests er det indledende CG2-tryk 1 000 mbar.

Derefter monitoreres trykfaldet og anvendes til at beregne C02-overførselshastighed i absorptionen. Der blev udført tests med partikler med CLEAs og uden CLEAs for at muliggøre bestemmelse af enzymindvirkningen. Resultaterne udtrykkes som et forhold mellem C02-overførselshastlgheden med CLEAs og C02-overførselshastigheden uden CLEÅs. Resultaterne viser, at CLEAs forøger C02-absorptlonsbastigheden med en faktor på 1,3 til 1,7 i MDEA.

Eksempel 9

Der blev udført fests med HCAII immobiliseret på overfladen af magnetiske silicacoatede jernoxidmikropartikler (under anvendelse af en ikke optimeret immobiliseringsprotocol). Partikelstørreisen var 5 pm. Absorptionsopløsningen var 1,45 M K2C03. Testtemperaturen var 20 °C. Enzymkoncentrationen er 0,2 g/L. Metoden er som beskrevet i eksempel 3. Resultaterne viser, at enzym på magnetiske mikropartikier forøger C02~absorptionshastigheden med en faktor 1,6.

Eksempel 10

Dette eksempel giver beregninger for minimumaktivitetsdensiteten for en given mikropartikelstørrelse for en udførelsesform af processen.

Data:

Aktivitetsniveau, der skal nås i absorptionsopiøsningen: 5x10° enheder/L (svarende til 1 g/L opløselig kuisyreanhydrase).

Materiaiedensitet: 1,1 g/ml for nylonpartikier (~ 1 100 g/L).

Maksimalt tilladt partikelkoncentration: 300 g/L.

Partikeldiameter: 10 pm.

Beregninger: 1. Overflade af en 10 pm partikel

Ap = 4π (radius)2 = 4π (5)2 = 314 pm2 2. Volumen afen 10 pm partikel

Vp = 4/3 π (radius)3 = 4/3 π (5)3 = 524 pm3 3. Totalvolumen af partikler pr. liter for at nå den maksimalt tilladte partikeikoncentration:

Vt = 300 g / (1.100 g/L) = 0,272 L (svarende til 2,72 x 1014 pm3) 4. Antal partikler (np) i 1 L opløsning:

η ρ = 2,72 χ 1Q14 pm3 / 524 pm3 = 5,21 χ 1011 5. Totalt mikropartikeloverfladeareal (Ατ) ÅT = nP*Ap = 5,21 χ 1011 *314 = 1,64 x 1014 pm2 (1,64 χ 108 mm2 ) 6. Minimum aktivitetsdensitet

Aktivitetsdensitet = aktivitetsniveau/AT = 5x106/1,64 χ 108 = 0,03 unit WA/mm2

For 10 pm mikropartikler er minimumaktivitetsdensiteten for at nå et aktivitetsniveau på 5 x 10b units WA/L således 0,03 units WA/mm2.

Hvis aktivitetsdensiteten er højere end 0,03 enhed WA/mm2, ville en partikelkoncentration på mindre end 300 g/L således være nødvendig. Yderligere eksempler er vist i Tabel 4 nedenfor.

Eksempel 11

Dette eksempel giver beregninger for den maksimale partikelstørrelse for en given partikeikoncentration for en udføreisesform af processen.

Data:

Aktivitetsniveau, der skal nås i absorptionsopløsningen: 5 x 106 enheder/ (svarende til 1 g/L opløselig kuisyreanhydrase).

Aktivitetsdensitet på partikler: 0,51 enhed/mm2.

Materialedensitet: 1,1 g/ml for nylonpartikier (~ 1 100 g/L).

Maksimalt tilladte partikeikoncentration: 300 g/L.

Beregninger: 1, Det totale overfladeareal, der er nødvendigt for at nå aktivitetsniveauet:

AT = 5 x 1Q6 enheder/L/(0,51 enhed/mm2) = 9 803 922 mm2 2, Totalt partikelvolumen pr, liter for at nå den maksimalt tilladte oartikeikoncentration:

VT = 300 g/(1 100 g/L) = 0,272 L (svarende til 272 727 mm3)

Et 272 727 mm3 partikelvolumen ville således være til stede pr. liter blanding.

3, Maksimal radius afen partikel:

For sfæriske partikler: * Ap = 4 π (radius)2 » Vp = 4/3 π (radius)3 Således:

og:

Den maksimale partikelstørrelse ville således have en diameter på ca. 166 pm. Så hvis mikropartiklerne haren mindre diameter, vil den resulterende blanding eller absorptionsopløsning være pumpbar.

Denne metode kan anvendes til at evaluere den maksimalt tilladte partikelstørrelse for mange betingelser med hensyn til aktivitetsniveau, aktivitetsdensitet, partikeidensitet og maksimalt tilladt patikelkoncentration. Tabel 5 neden for viser forskellige scenarier og tilsvarende partikelstørrelser.

Beregningerne i de ovenstående eksempler er for sfæriske mikropartikler, men tilsvarende beregninger eller estimater kan udføres for andre rnikropartikel geometrier.

Eksempel 12

Der blev udført et eksperiment i en pakket absorptionssøjle. Absorptionsopløsningen er en vandig opløsning af kaliumcarbonat (K2C03) 1,45 M. Denne absorptionsopløsning bragtes i kontakt i modstrøm med en gasfase med en C02-koncentration på 130 000 ppm. Væskestrømningshastigbeden var 0,60 g/min, og gasstrømningsbastigheden var 60 g/min, svarende til L/G 10 (g/g). Gas- og absorptionsopløsningen havde stuetemperatur. Absorberens driftstryk blev indstillet til 1,4 psig (9,652 10J Pa). Søjlen havde en diameter på 7,5 cm og en højde på 50 cm. Pakningsmaierialet var polymere Raschig-ringe 0,25 inch (6,35 mm). Der blev udført to forsøg: det første uden aktivator, det andet med GLEÅs indeholdende 26 % (v/v) af SX-enzymet. Partikeistørrelsen lå i området fra 4 til 9 pm. Enzymkoncentrationen i absorptionsopløsningen var 0,1 g/L.

De opnåede resultater viste, at C02-transferhasiigheden blev forøget med en faktor 2,7, når C02-fjernelseshastigheden gik fra 11 tii 30 mmol/min med CLEAs.

Eksempel 13

Dette eksempel giver data til påvisning af, at enzymimmobilisering forøger enzymsiahiiitet. Data er vist for enzym immobiiiseret på nyionmikropartikler. For at evaluere indvirkningen af immobilisering på enzymstabilitet blev stabiliteten af immobiliserede enzymer evalueret og sammenlignet med stabiliteten af det samme enzym i en opløselig form. Mikropartiklerne blev fremstillet under anvendelse af følgende ikke-optimerede trin: ® Overfladebehandling af nyionmikropartikler med glutaraldehyd ® Tilsætning af polyethylenimin * Tilsætning af glutaraldehyd ® Enzymefiksering (human kulsyreanhydrase type i!) ® Aldehydgruppeblokering med polyethylenimin

Efter immobilisering blev enzymmikropartiklerne og opløseligt enzym udsat for MDEA 2M ved 40 °C. Ved specifikke eksponeringstider blev prøver udtaget, og aktiviteten blev målt. Resultaterne er udtrykt som residualaktivitet, som er forholdet mellem enzymets aktivitet ved en given eksponeringstid i og enzymaktiviteten ved tid 0. Figur 4 illustrerer resultaterne.

Resultaterne viser, at frit enzym mister al aktivitet på 10 dage, mens mikropartikier stadig bevarer 40 % residualaktivitet efter 56 dage. Ud fra dette resultat er det tydeligt, at immobilisering forøger enzymstabiiitet under disse betingelser.

Resultaterne viser potentialet ved immobilisering til at forøge stabiliteten af kulsyreanhydrase ved de højere temperaturbetingelser, der findes i en C02-capture-proces, I valgfrie aspekter af den foreliggende frembringelse muliggør mikropartiklerne forøget stabilitet på omkring eller over den i eksemplerne illustrerede siabilitetsforøgelse.

Det skal også bemærkes, at de absorptions- og desorptionsenheder, der kan anvendes med udføreisesformer af den foreliggende frembringelse, kan være forskellige typer afhængigt af forskellige parametre og driftsbetingelser. Enhederne kan for eksempel være i form af en pakket reaktor, spray-reaktor, reaktor med fiuidlseret leje, etc., kan have forskellige konfigurationer, såsom lodret, vandret, etc., og det samlede system kan anvende flere enheder parallelt eller i serie, som tilfældet måtte være.

Det skal forstås, at de oven for beskrevne og illustrerede udførelsesformer ikke begrænser det, der faktisk er frembragt.

Claims (70)

1. System til capture af CG2fra en C02-hoidig gas (12) omfattende: - mikropartikler omfattende et bæremateriale og biokatalysatorer, der bæres af bæ-remateriaiet, hvilke biokatalysatorer fremmer opløsning og transformation af C02 til bicarbonat- og hydrogenioner; hvor i biokatalysatorerne er immobiiiserede i forhold til bærematerialet ved enzym-immobilisering, - en absorptionsenhed (E-1), som er konfigureret til at bringe den C02-hoidige gas i kontakt med en absorptionsblanding (11) omfattende en flydende opløsning og mikropartiklerne, og frembringer en C02-depleteret gas og en ion-rig blanding omfattende mikropartikierne; hvor absorptionsenheden (E-1) er en pakket reaktor, og mikropartiklerne er dimensioneret og tilvejebragt i en koncentration, således at absorptionsblandingen kan strømme gennem den pakkede reaktor, - og en desorptionsreaktor (E-11) til modtagelse af den ion-rige vandige blanding (15) til muliggørelse af transformation af bicarbonat- og hydrogenionerne til C02 gas og vand, hvorved der produceres en C02-gasstrøm og en ion-depleteret opløsning (17).

2. System ifølge krav 1, hvor mikropartikierne er dimensioneret til at ligge inden for en størrelsesorden eller mindre end en tykkelse af en reaktiv flydende film dannet mellem absorptionsblandingen (11) og C02i absorptionsenheden (E-1).

3. System ifølge krav 1 eller 2, hvor mikropartiklerne er dimensioneret mellem ca. 1 pm og ca. 100 pm.

4. System ifølge et af kravene 1 til 3, hvor mikropartiklerne er tilvejebragt i absorptionsblandingen (11) i en maksimal partikelkoncentration på ca. 40 % v/v eller i en maksimal partikelkoncentration på ca. 30 % v/v.

5. System ifølge et af kravene 1 til 4, hvor bæreren består i det mindste delvist af nylon, cellulose, silica, silicagei, chitosan, polystyren, polymethylmetacrylat, magnetisk materiale eller en kombination deraf,

6. System ifølge et af kravene 1 til 5, hvor densiteten af bæremateriaiet er mellem ca. 0,6 g/m! og ca. 3 g/ml.

7. System ifølge et af kravene 1 til 6, hvor biokatalysatorerne er kulsyreanhydrase.

8. System ifølge krav 1, hvor kulsyreanhydrasen er immobiliserei på en overflade af mikropartiklernes bæremateriale, indesluttet i mikropartiklernes bæremateriale eller en kombination deraf.

9. System ifølge et af kravene 1 til 8, hvor biokatalysatorerne er indesluttet i eller fastgjort til et porøst coating-materiale, der er tilvejebragt omkring en bærepartikel.

10. System ifølge et af kravene 1 til 9, yderligere omfattende en tilsætningsenhed (E-4) til tilsætning af en mængde af mikropartiklerne til den ion-depleterede opløsning (17) før recirkulation af den ion-depleterede opløsning til yderligere kontakt med den C02-holdige gas i absorptionsenheden (E-1).

11. System ifølge et af kravene 1 til 10, hvor absorptionsblandingen (11) omfatter vand og en absorptionsforbindelse.

12. System ifølge krav 11, hvor absorptionsforbindelsen omfatter en af de følgende forbindelser eller blandinger deraf: piperidin, piperazin, derivater af piperidin eller piperazin, som er substitueret med mindst én alkanolgruppe, monoethanolamin (MBA), 2-amino-2-methyl-1 -propano! (AMR), 2-(2-aminoethyiamino)ethano! (AEE), 2~amino-2-hydroxymethy!-1,3-propandioi (Tris), N-methy!dietbanolamin (MDEA), dimethylmonoethanolamin (DMMEA), diethylmonoethanolamin (DEMEA), triisopro-panoiamin (TIPA), triethanolamin, dialkylether af polyaikyienglycoier, dialkylether eller dimethyiether af polyethylengiycol, aminosyrer omfattende glycin, proiin, ar-ginin, histidin, lysin, asparaginsyre, glutaminsyre, methionin, serin, threonin, gluta-min, cystein, asparagin, leucin, isoieucin, alanin, vaiin, tyrosin, tryptophan, phenyiai-anin og derivater såsom taurin, N,cyclohexyl-1,3-propandiamin, N-sekundær-butyigiycin, N-methyl, N-sekundær-butyiglycin, diethylglycin, dimethyigiycin, sarco-sin, methyltaurin, methyl-a-aminopropionsyre, N-(3-ethoxy)taurin, Ν-(β-aminoethyl)taurin, N-methyl-alanin, 6-aminohexansyre og kalium- eller natriumsalte af aminosyrerne; kaliumcarbonat, natriumcarbonat, ammoniumcarbonat.

13. System ifølge krav 11, hvor absorptionsforbindeisen omfatter piperidin.

14. System ifølge krav 11 eller 13, hvor absorptionsforbindelsen omfatter piperazin.

15. System ifølge krav 11,13 eller 14, hvor absorptionsforbindelsen omfatter derivater af piperidin eller piperazin, som er substitueret med mindst én alkanolgruppe.

16. System ifølge krav 11 eller 13 fil 15, hvor absorptionsforbindelsen omfatter mo-noethanoiamin (MBA).

17. System ifølge krav 11 eller 13 til 16, hvor absorptionsforbindeisen omfatter 2-amino-2-methyi-1 -propanol (AMR).

18. System ifølge krav 11 eller 13-17, hvor absorptionsforbindeisen omfatter 2-(2-arninoethylamino)ethanoi (AEE).

19. System ifølge krav 11 eller 13 til 18, hvor absorptionsforbindelsen omfatter 2-amino-2-hydroxymeihyM ,3-propandioi (Tris).

20. System ifølge krav 11 eller 13 til 19, hvor absorptionsforbindelsen omfatter N-methyldiethanolamin (MDEA).

21. System ifølge krav 11 eller 13 fil 20, hvor absorptionsforbindelsen omfatter dimetbylmonoeihanolamin (DMMEA).

22. System ifølge krav 11 eller 13 til 21, hvor absorptionsforbindeisen omfatter diethylmonoethanolamin (DEMEA).

23. System ifølge krav 11 eller 13 til 22, hvor absorptionsforbindeisen omfatter triisopropanolamin (TIPA).

24. System ifølge krav 11 eller 13 til 23, hvor absorptionsforbindeisen omfatter tri-ethanolamin.

25. System ifølge krav 11 eller 13 til 24, hvor absorptionsforbindeisen omfatter diai-kyiether af polyalkylenglycoler.

26. System ifølge krav 11 eller 13 til 24, hvor absorptionsforbindelsen omfatter dial-kyiether eller dimethylether af poiyethyienglycoi.

27. System ifølge krav 11 eller 13 til 26, hvor absorptionsforbindelsen omfatter aminosyrer eiier kalium- eller natriumsalte af deraf,

28. System ifølge krav 27, hvor aminosyrerne omfatter glycin eller kalium- eller natrium salte deraf.

29. System ifølge krav 27 eller 28, hvor aminosyrerne omfatter prolin eller kaliumeller natrium salte deraf.

30. System ifølge krav 27 til 29, hvor aminosyrerne omfatter arginin eller kalium-eller natrium salte deraf.

31. System ifølge krav 27 til 30, hvor aminosyrerne omfatter histidin eller kalium-eller natrium salte deraf.

32. System ifølge krav 27 til 31, hvor aminosyrerne omfatter asparaginsyre eller kalium- eller natrium salte deraf.

33. System ifølge krav 27 til 32, hvor aminosyrerne omfatter glutaminsyre eller kalium- eller natrium salte deraf.

34. System ifølge krav 27 til 33, hvor aminosyrerne omfatter methionin eller kalium-eller natrium salte deraf.

35. System ifølge krav 27 til 34, hvor aminosyrerne omfatter serin eller kalium- eller natrium salte deraf.

36. System ifølge krav 27 til 35, hvor aminosyrerne omfatter threonin eller kalium-eller natrium salte deraf.

37. System ifølge krav 27 til 36, hvor aminosyrerne omfatter glutamin eller kaliumeller natrium salte deraf.

38. System ifølge krav 27 til 37, hvor aminosyrerne omfatter cystein eiler kalium-eller natrium salte deraf.

39. System ifølge krav 27 til 38, hvor aminosyrerne omfatter asparagin eller kalium-eller natrium salte deraf.

40. System ifølge krav 27 til 39, hvor aminosyrerne omfatter ieucin eiler kalium- eiler natrium salte deraf.

41. System ifølge krav 27 til 40, hvor aminosyrerne omfatter isoleucin eller kalium-eller natrium salte deraf.

42. System ifølge krav 27 ti! 41, hvor aminosyrerne omfatter aianin eller kalium- eiler natrium salte deraf.

43. System ifølge krav 27 til 42, hvor aminosyrerne omfatter valin eller kalium- eller natrium salte deraf.

44. System Ifølge krav 27 til 43, hvor aminosyrerne omfatter tyrosin eiler kalium-eller natrium salte deraf.

45. System ifølge krav 27 til 44, hvor aminosyrerne omfatter tryptophan eiler kaliumeller natrium salte deraf.

46. System ifølge krav 27 til 45, hvor aminosyrerne omfatter phenylalanin eiler kalium- eller natrium salte deraf.

47. System ifølge krav 11 eller 13 ti! 46, hvor absorptionsforbindelsen omfatter aminosyre derivater eller kalium- eller natrium salte deraf.

48. System ifølge krav 47, hvor aminosyre derivaterne omfatter taurin eiler kaliumeller natrium salte deraf.

49. System ifølge krav 47 eller 48, hvor aminosyre derivaterne omfatter N,cyclohexy!-1,3-propandiamin eller kalium- eller natrium salte deraf.

50. System ifølge krav 47 eller 49, hvor aminosyre derivaterne omfatter N~ sekundær-butyiglycin eller kalium- eller natrium salte deraf.

51. System ifølge krav 47 eller 50, hvor aminosyre derivaterne omfatter N-methyl, N~ sekundær-butyiglycin eller kalium- eller natrium salte deraf.

52. System ifølge krav 47 eller 51, hvor aminosyre derivaterne omfatter diethylglycin eller kalium- eller natrium salte deraf.

53. System ifølge krav 47 eller 52, hvor aminosyre derivaterne omfatter dimethyl-giycin eller kalium- eller natrium salte deraf.

54. System ifølge krav 47 eller 53, hvor aminosyre derivaterne omfatter sarcosin eller kalium- eller natrium salte deraf.

55. System ifølge krav 47 eller 54, hvor aminosyre derivaterne omfatter methyltaurin eller kalium- eller natrium salte deraf.

56. System ifølge krav 47 eller 55, hvor aminosyre derivaterne omfatter methyl-a-arninopropionsyre eller kalium- eller natrium salte deraf.

57. System ifølge krav 47 eller 56, hvor aminosyre derivaterne omfatter Ν-(β-ethoxy)taurin, N-(3-aminoethy!)taurin eller kalium- eller natrium salte deraf.

58. System ifølge krav 47 eller 57, hvor aminosyre derivaterne omfatter N-methyl-alanin eller kalium- eller natrium salte deraf.

59. System ifølge krav 47 eller 58, hvor aminosyre derivaterne omfatter 6-aminohexansyre eller kalium- eller natrium salte deraf.

60. System ifølge ethvert af kravene 11 eller 30 til 59, hvor absorptionsforbindelsen omfatter kaiiumcarbonat.

61. System ifølge ethvert af kravene 11 eller 30 til 60, hvor absorptionsforbindeisen omfatter natriumcarbonat.

62. System ifølge ethvert af kravene 11 eller 30 til 60, hvor absorptionsforbindeisen omf a tte r a m m o η I u m ca rbo n af.

63. System ifølge krav 11, hvor absorptionsforbindeisen omfatter primære aminer.

64. System ifølge krav 11, hvor absorptionsforbindelsen omfatter sekundære aminer.

65. System ifølge krav 11, hvor absorptionsforbindelsen omfatter tertiære aminer.

66. System ifølge krav 11, hvor absorpfionsforbindelsen omfatter primære aika-nolaminer.

67. System ifølge krav 11, hvor absorptionsforbindelsen omfatter sekundære aika-nolaminer.

68. System ifølge krav 11, hvor absorpfionsforbindelsen omfatter tertiære alkanoia-miner.

69. System ifølge ethvert af kravene 63-68, hvor absorptionsførblndelsen omfatter carbonater.

70. System ifølge et af kravene 1 til 69, yderligere omfattende en pumpe (E-9) til modtagelse og pumpning af den ion-rige blanding (13) til desorptionsenheden (E-11), og hvor mikropartiklerne desuden er dimensioneret og tilvejebragt i en koncentration, således at den ion-rige bianding (13), som omfatter mikropartiklerne, kan pumpes.