AT523815A1

AT523815A1 - Verfahren zur Erzeugung von Dibutylether und Dihexylether durch Fermentation von Synthesegas

Info

Publication number: AT523815A1
Application number: ATA94/2020A
Authority: AT
Inventors: Gruber-Schmidt Johann
Original assignee: Gs Gruber Schmidt
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2021-11-15

Abstract

Das Verfahren zur Erzeugung das Gemisch von Dibutylether und Dihexylether (77) aus Synthesegas (8) aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, das in einem Bioreaktor (11) von Mikrobakterien in höherwertige Alkohole fermentiert wird. Die Zellemasse wird über eine Zentrifuge (22) grob abgetrennt. Der nachfolgende Verdampfer (116), mit der Abschlämmung (117) und dem Kondensator (118) dient der Hygienisierung des aus dem Bioreaktor (11) gewonnenen Stoffstrom (25). Die verbleibenden Feststoffe und Kolloide werden über eine Ultrafiltrations- (UF) Membrananlage (31) abgetrennt. Das Gemisch aus Wasser und Alkohol wird über eine Nanofiltrations- (NF) Membrananlage (42) in Wasser und Alkohol Butanol und Hexanol getrennt. Das Gemisch aus Alkohol (51) wird verdampft und einem Dehydrationsreaktor (57), der extern mit Warmwasser (56) gekühlt wird, zugeführt, in dem die Alkohole zu Ether umgewandelt wird. Das Gemisch aus Wasser, Alkoholen und Ether (58) wird kondensiert, in einem Tankbehälter (62) gespeichert und einem Destillationsturm (69) zugeführt, in dem es zu einer Trennung der Ether, der Alkohole und des Wassers (75) kommt. Dabei werden Butanol (77) und Hexanol (79) in einem Tankbehälter (80) gespeichert und in den Tank (48) rückgeführt. Zudem werden die Produkte Dibutylether (87) und Dihexylether (89) in einem Tankbehälter (90) gespeichert. Der Destillationsturm wird extern am Zylindermantel (88) beheizt, und der Sumpf wird einem Wärmetauscher (83) beheizt.

Description

Ein Verfahren zur Erzeugung das Gemisch von Dibutylether und Dihexylether 77 aus Synthesegas 8 aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, das in einem Bioreaktor 11 von Mikrobakterien in höherwertige Alkohole fermentiert wird. Die Zellemasse wird über eine Zentrifuge 22 grob abgetrennt. Der nachfolgende Verdampfer 116, mit der Abschlämmung 117 und dem Kondensator 118 dient der Hygienisierung des aus dem Bioreaktor 11 gewonnenen Stoffstrom 25. Die verbleibenden Feststoffe und Kolloide werden über eine Ultrafiltrations- (UF) Membrananlage 31 abgetrennt. Das Gemisch aus Wasser und Alkohol wird über eine Nanofiltrations- (NF) Membrananlage 42 in Alkohole und Wasser getrennt und das Wasser in einem Tankbehälter 48 gespeichert. Das Gemisch aus den Alkoholen Butanol und Hexanol 51 wird verdampft und einem Dehydrationsreaktor 57, der extern mit Warmwasser 56 gekühlt wird, zugeführt, in dem die Alkohole zu Ether umgewandelt werden. Das Gemisch aus Alkoholen und Ether 58 wird kondensiert, in einem Tankbehälter 62 gespeichert und einem Destillationsturm 69 zugeführt, in dem es zu einer Trennung der Ether 70 und Alkohol und des Wasser 75 kommt. Dabei werden Butanol 77 und Hexanol 79 in einem Tankbehälter 80 gespeichert und von dort in den Tank 48 rückgeführt. Zudem werden die Produkte Dibutylether 87 und Dihexylether 89 in einem Tankbehälter 90 gespeichert. Der Destillationsturm wird extern am Zylindermantel 88 beheizt, und der Sumpf wird einem Wärmetauscher 83 beheizt.

Unter Synthesegas versteht man eine Kombination von Gasen und Dämpfen wie Kohlendioxid, Wasserstoff, Kohlenmonoxid. Die Erzeugung von Synthesegas ist in der Energietechnik ist bekannt und angewendet worden, wie die Kohlevergasung. In der erneuerbaren Energie wird Synthesegas erzeugt durch Biomassevergasung oder durch die Kombination von Kohlendioxid und Wasserstoff, der regenerativ erzeugt worden ist.

Fermentation ist bekannt und bezeichnet die Umwandlung von organischen Stoffen mit Hilfe von Mikroorganismen oder Enzymen in Gase, Säuren oder Alkohole. Heute umfasst dieses Verfahren die aerobe und anaerobe Gärung als biotischer Energiestoffwechsel zur Erzeugung von Gasen, Säuren und Alkoholen. Die Fermentation wird in der Biotechnologie als Umwandlung organischer Materie außerhalb lebendiger Organismen bewusst angewendet. Dies geschieht entweder durch Zugabe von Bakterien-, Pilz- oder sonstigen biologischen Zeilkulturen oder aber durch den Zusatz von Enzymen (Fermenten), die die Fermentation im Rahmen ihres enzymkatalysierten Stoffwechsels ausführen.

Typische Anwendung findet die Fermentation in der Energietechnik bei Biogasanlagen, wo aus biogenen Stoffen als Produkt Methan und Kohlendioxid erzeugt wird. Das geschieht durch die Kombination von zwei Mikroorganismen wie Clostridium Actetogenuum und Clostridium Methanogenum unter Einsatz von Enzymen erfolgt. Enzyme sind organische

1912 hat Chaim Weizmann einen Fermentierungsprozess angemeldet, der unter der Bezeichnung Acteon Butanol Ethanol ( ABE ) Verfahren bekannt geworden ist. Dieses Verfahren hatte zur Zielsetzung Aceton zu erzeugen, das in der Kriegsindustrie sehr begehrt war. Er stellte jedoch fest, dass Butanol für die von ihm in Cambridge verwendeten Mikroorganismen Clostridium Acetobutylicum hoch toxisch waren, und ab einer Konzentration von 5g/L. Butanol der Prozess instabil wurde. Daraus ersieht man, dass nicht jede Kombination von Mikroorganismen zu einem stabilen Zellvermehrungsprozess führt.

Die Aufgabe, die an die Erfindung gestellt wird, besteht darin, dass ein stabiler und hocheffizienter metabolischer Prozess aus mehreren Kulturen an Mikroorganismen zu Anwendung kommt, das Verfahren der Fermentation zur Anwendung kommt, höherwertige Alkohol aus Synthesegas fermentiert wird, die höherwertigen Alkohole zu Ether dehydriert werden, die drucklos in Tankbehälter gelagert werden können. Zudem soll mit den höherwertigen Alkoholen erreicht werden, dass Wasserstoff und Kohlendioxid in hohen Konzentrationen in flüssiger Phase gespeichert werden.

Das in dem Patent US 1315585 A1 dargestellte Verfahren beschreibt die mikrobielle Erzeugung von Aceton, Butanol und Ethanol mit Hilfe von Bakterien Clostridium Acetobutylicum. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, weil es eine Begrenzung in der Butanolproduktion gibt, da ab einer Konzentration von 5g/L Butanol das Zellwachstum und die Fermentation zum Erliegen kommen lässt (toxische Wirkung). Das Ziel dieses Verfahrens ist die Produktion von Aceton und nicht von Butanol und Ethanol.

Das in dem Patent US 1044368 A1 dargestellte Verfahren beschreibt die mikrobielle Erzeugung von Aceton, Butanol und Ethanol mit Hilfe der Bakterien Thyrotrix Tenuis. Der Nachteil des Verfahrens ist die Verwendung einer Bakterienkultur, die die Erzeugung von Aceton ermöglichen soll. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, weil es eine Begrenzung in der Butanolproduktion gibt, da ab einer Konzentration von 5g/L Butanol das Zellwachstum und die Fermentation zum Erliegen kommen lässt (toxische Wirkung). Das Ziel dieses Verfahrens ist die Produktion von Aceton und nicht von Butanol und Ethanol.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die Verwendung eines Bioreaktors 11, in dem zwei Zellkulturen in einer Nährflüssigkeit Synthesegas zu höheren Alkoholen verwertet. Unter Synthesegas 7 versteht man im Rahmen dieser Erfindung ein Gemisch aus den Gasen und Dämpfen, wie Kohlendioxid ( Dampf ) 1, Kohlenmonoxid (CO) ( Gas ) 2 und

Der Bioreaktor 11 wird als Gasliftreaktor ausgelegt, in dem das Gasgemisch 8 über eine Regelarmatur 9 in einen Düsenstock 10 am Boden des Bioreaktors 11 eingedüst wird. Die Blasen steigen entgegen der Schwerkraft im Reaktor in die Höhe, nehmen an Durchmesser Zu, und das Gasgemisch 14 verlässt am Kopf des Bioreaktors 11 den Reaktor und wird dem neuen Synthesegas 7 beigemischt. Der Bioreaktor 11 ist als zylindrische Schale ausgeführt, die am Umfang mit Warmwasser beheizt wird. Die Mantelheizung 13 ist in Segmenten am Umfang der Zylinderschale angebracht und hält so den Reaktor auf eine Temperatur von 32°C bis 37°C.

Die Erfindung umfasst auch die Regelung der Gaskonzentration der Gaskomponenten, wie Kohlendioxid (CO2), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) über die Messungen 106,107,108. Das aus dem Bioreaktor abgeführte Gasgemisch 14 wird ebenso in den Konzentrationen für Kohlendioxid (CO), Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H,) über die Messungen 109,110,111 erfasst und so kann je nach Umsetzungsgrad der Zellkulturen die Gaszusammensetzung laufend ausgeregelt werden.

Die Zellkulturen im Bioreaktor 11 werden durch junge Zellkulturen im Rahmen des Impfens zugeführt. Erfindungsgemäß werden zwei Zellkulturen im Bioreaktor verwendet. Die eine Zellkultur ist Clostridium Lijungdahlii, ein grampositives Bakterium, das aus dem Synthesegas Ethanol erzeugt und die Zellkultur Clostridium Kluyveri, ein gram positives Bakterium, die aus Synthesegas und Ethanol die höherwertigen Alkohole Butanol und Hexanol erzeugt. Die Zellkultur Clostridium Lijungdahlii wird über die Impfung 112 eingebracht, die Zellkultur Clostridium Kluyveri wird über die Impfung 113 eingebracht. Die Zellkulturen wachsen im Bioreaktor.

Erfindungsgemäß wird die Zellemasse aus dem Bioreaktor 11 über eine Zentrifuge 23 abgetrennt. Die Abtrennung mit Hilfe einer Zentrifuge ist eine mechanische Abtrennung, die als eine Funktion der Drehzahl eine Zentrifugalkraft erzeugt und somit aus der Flüssigkeit abgetrennt wird. Kleine Zellen, also junge Zellen, werden kaum abgetrennt. Die so von der Zellmasse abgeminderte Flüssigkeit wird dem Bioreaktor 11 wieder zugeführt.

Erfindungsgemäß wird neben dem Synthesegasgemisch 8 auch eine Nährlösung 114 zugeführt, denn die Zellkulturen benötigen auch Kalium, Natrium, Phosphor, um so das Wachstum die Stoffwechselprozesse im Wachstum der Zellkulturen zu ermöglichen. Die Nährlösung, die mit den Alkoholen aus dem Bioreaktor 11 ausgetragen wird, wird mit den Alkoholen im Tankbehälter 48 gespeichert. Die Trennung erfolgt in dem Verdampfer 62, in dem die Alkohole verdampft werden und die Nährlösungsanteile bleiben als Schlamm 105 zurück. Dieser Schlamm 105 wird dann in einer Biogasanlage verwertet.

Fermentierung ist ein bekannter Prozess. Unter Fermentierung versteht man die Vergärung

mit Hilfe von Mikrobakterien als Zellkultur. Die Vergärung in dieser Erfindung erfolgt anaerob, also ohne Anwesenheit von Sauerstoff. Die Zellkultur unterliegt einem Wachstums- und

Massenbilanz:

dX MoXg — MX + UXV = Vo

4 dS

Mo = zugeführte Masse an Zellkultur 1,2, Produkte ( Butanol, Hexanol ), Nährlösung, Synthesegas (kg)

M = aktuelle Masse an Zellkultur 1,2, Produkte ( Butanol, Hexanol ), Nährlösung, Synthesegas (kg)

Xo = zugeführte Konzentration [x]

X = aktuelle Konzentration [x]

V = Volumen des Reaktors [m?]

So = zugeführte Konzentration an Synthesegas, Nährlösung [x]

S = aktuelle Konzentration an Synthesegas, Nährlösung [x]

Wu = Wachstumskoeffizient von Zellmasse 1,2, Produkte (Butanol, Hexanol)

Für den Wachstumskoeffizienten hat sich das einfache Modell als Funktion der Konzentration an Synthesegas und Nährlösung bewährt

S H = Kmax Gz u = Wachstumskoeffizient von Zellmasse 1,2, Produkte (Butanol, Hexanol ) }Umax = Maximaler Wachstumskoeffizient von Zellmasse 1,2, Produkte (Butanol, Hexanol )

S = aktuelle Konzentration an Synthesegas, Nährlösung [x] K = Proportionalitätskonstante

Erfindungsgemäß werden zwei Zellkulturen im Bioreaktor 11 verwendet, die miteinander in Wechselwirkung treten.

Energiebilanz:

m dE Qzu 7 7X = VB = HuX Hu = unterer Heizwert ( kJ/kg ) X = Konzentration an Zeilmasse 1,2, Produkte (Butanol, Hexanol ), Nährlösung [x] V = Volumen des Reaktors [m*] ; Qzu = zugeführte Energie in Form von Wärme und Heizwert der Gase Wasserstoff (H,) und Kohlenmonoxid (CO)

In den Bilanzgleichungen ist die Kombination von Mikrobakterien enthalten, da zwei Zellkulturen miteinander in Wechselwirkung treten. Diese Wechselwirkung ergibt sich aus den unterschiedlichen Typen an Bakterien: Als Beispiel wird hier angeführt:

Clostridium Ljungdahlii: Produktion von Ethanol und Acetat auf der Basis von Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2)

Clostridrium Kluyveri: Produktion von Butyrat, Hexaneat auf der Basis von Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid (CO) und. Kohlendioxid (CO2), Ethanol und Acetat

Eine andere Kombination wird hier bespielhaft angeführt:

Clostridium carboxidivorans: Produktion von Ethanol und Acetat auf der Basis von Kohlenmonoxid (CO), Kohlendioxid (CO) und Wasserstoff (H2)

Clostridrium Kluyvert: Produktion von Butyrat, Hexaneat auf der Basis von Wasserstoff (H>), Kohlenmonoxid (CO), Ethanol und Acetat

In dem Bioreaktor 11 wird durch die Zellkulturen höherwertige Alkohole erzeugt. Es sind dies die Alkohole Butanol und Hexanol. Die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Butanol und Hexanol werden im folgenden Abschnitt dargestellt und erläutert.

Die Eigenschaften von Butanol werden in der Tabelle 1 zusammengefasst dargestellt:

Butanol C4H80 MZ 74,12 g/mol Phase flüssig Dichte 0,81 g/cm? TM -89 °C TB 118 °C Wasserlöslichkeit 77 g/L Bildungsenthalpie -328,4 kJ/mol Verbrennungsenthalpie -2670,77 kJ/mol

Tabelle 1: Physikalische und chemische Eigenschaften von Butanol

Die Eigenschaften von Hexanol werden in der Tabelle 2 zusammengefasst dargestellt:

Hexanol C6H140 MZ 102,18 g/mol Phase flüssig

Dichte 0,82 g/cm®

TM -45 °C

TB 157 °C

Wasserlöslichkeit 5,9 g/L Bildungsenthalpie -337,5 kJ/mol Verbrennungsenthalpie 3984,37 kJ/mol

Tabelle 2: Physikalische und chemische Eigenschaften von Hexanol

Die Alkohole sind in der Flüssigkeit 18 des Bioreaktors 11 enthalten. Die Flüssigkeit 18 wird aus dem Bioreaktor 11 abgesaugt und mit einer Schlauchpumpe 19 und zugehöriger Regelarmatur 20 der Zentrifuge 22 zugeführt. Die Zentrifuge 22 trennt über das Prinzip der Zentrifugalkraft die Zellmasse von der Flüssigkeit ab. Die Zeilmasse 104 fällte als ein Abfallprodukt an. Da die Abtrennung mechanisch erfolgt wird neben den abgestorbenen Zellen auch junge Zellen abgetrennt. Erfindungsgemäß erden daher über die Impfungen 112,113 junge Zellkulturen dem Bioreaktor 11 zugefügt.

Die so von der Zellmasse abgeminderte Flüssigkeit wird über die Regelarmatur 17 dem Bioreaktor rückgeführt. Ein Teil der Flüssigkeit wird über die Regelarmatur 26 einer weiteren Reinigungsstufe in Form einer Ultrafiltrations- (UF) Membrananlage 31 zugeführt.

Die Ultrafiltrationsanlage besteht aus Membrane mit einer Porösität von 01um bis 1um.

Durch die Verwendung einer UF Membrane werden alle Kolloide, restliche Zellanteile und Feststoffe von der Flüssigkeit des Bioreaktors 11 getrennt. Die Membrananlage besteht aus

Das aus der Ultrafiltrations- (UF) Membrananlage gewonnene Permeat gespeichert in einem Tankbehälter 36 wird erfindungsgemäß über eine Pumpe 37 mit Regelarmatur 38 der Nanofiltrations- (NF) Membrananlage 42 zugeführt.

Die Nanofiltrations- (NF) Membrananlage 42 besteht aus einer Pumpe 40 mit zugehöriger Regelarmatur 41, sowie einer Regelarmatur 43, die zur Rückführung des Rententates dient und eine Regelarmatur 44 zur Speicherung des Rententates in einem Tankbehälter 48. Die Membrananiage 42 besteht aus Hohlfasermembrane, die zu einem Modul zusammengefasst sind. Auf der Innenseite der Hohlfasern befindet sich die Flüssigkeit die aufgetrennt werden soll. Auf der Außenseite der Membrane befindet sich das Permeat, also jene Flüssigkeit, die durch die Poren der Membrane gepresst wird. Bei dieser Flüssigkeit handelt es sich um ein Gemisch aus Wasser, Alkoholen und Nährlösung. Das Permeat wird über eine Pumpe 45 mit zugehöriger Regelarmatur 46 in einem Tankbehälter 47 gespeichert. Das Permeat ist Reinwasser das aus der Flüssigkeitsgemisch 41 aus Wasser, Alkohol und Nährleistung abgetrennt wird. Die Nanofiltrations- (NF) Membrananlage 42 dient also dazu das Gemisch aus Alkohol und Nährlösung aufzukonzentrieren und im Tankbehälter 48 zu speichern.

Erfindungsgemäß wird nun durch Verdampfen des Alkohol- und Nährlösungsgemisches 51 aus dem Tankbehälter 48 mit einer Pumpe 49 mit Regelarmatur 50 dem Verdampfer 52 zugeführt. Im Verdampfer 52 verbleibt ein Schlamm, der aus der aufkonzentrierten Nährlösungsanteilen besteht. Die dampfförmigen Alkohole zusammen mit Wasserdampf werden über die Regelarmatur 54 und dem Düsenstock 55 dem Dehydrationsreaktor 53 zugeführt. Im Dehydrationsreaktor 53 wird der Katalysator HSMZ5 57 als Schüttgut in Pelletsform verwendet, der dazu dient, die Alkohole zu Ether umzuwandeln. Der Dehydrationsreaktor 53 wird mit einer Mantelkühlung 56 ausgestattet, um so die Temperatur im Reaktor konstant zu halten.

Die Veretherung von Alkoholen erfolgt über das Verfahren der Dehydration. Unter Dehydration versteht man die Bildung von Ether durch Wasserabspaltung und die Bindung zweier Alkohole zu einem linearen symmetrischen Ether:

Butanol 2R-OH=R-0-R+H,0 2C4H100 = C8H180 + H,O Hexanol

2R-OH=R-0-R+H,0 2C6H140 = C12H260 + H2O0

Die Veretherung erfolgt erfindungsgemäß unter Zuhilfenahme eines Katalysators HSZM5,

ein Zeolith der die Abspaltung von Wasser aus Alkoholen ermöglicht. Der Katalysator wird in Pelletsform und als Schüttung 56 im Dehydrationsreaktor 53 verwendet und eingesetzt.

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Dibutylether C8H180

MZ 130,23 g/mol Phase Flüssig 20°C Dichte 0,77 g/cm?

TM -95 °C

TB 141 °C

Wasserlöslichkeit 0,3 g/L Bildungsenthalpie „378,0 kJ/kg Verbrennungsenthalpie -5342,23 kJ/kg

Tabelle 3: Physikalische und chemische Eigenschaften von Dibutylether

Die Eigenschaften von Dihexylether werden in der Tabelle 4 zusammengefasst dargestellt:

Dihexylether C12H260

MZ 186,23 g/mol Phase Flüssig 20°C Dichte 0,80 g/cm®

TM -95 °C

TB 225 °C Bildungsenthalpie -415,50 kJ/kg Verbrennungsenthalpie -7383,83 kJ/kg

Tabelle 4: Physikalische und chemische Eigenschaften von Dihexylether

Das Dampfgemisch 58 aus dem Dehydrationsreaktor 53 wird über eine Regelarmatur 59 einem Kondensator 60 zugeführt. Das flüssige Kondersat wird in einem Tankbehälter 62 gespeichert. Das in dem Tankbehälter 62 gespeicherte flüssige Gemisch aus Alkohol, Wasser und Ether wird über eine Pumpe 63 mit zugehöriger Regelarmatur 65 dem Düsenstock 66 im Destillationsturm 67 zugeführt.

Die Erfindung umfasst einen Destillationsturm 67, der aus Füllkörper 68 besteht, mit einer Mantelheizung 69 ausgestattet ist. Aus dem Destillationsturmm 67 kann je nach Temperaturstufe das Gemisch aus Wasser, Alkohol und Ether aufgetrennt werden. Bei einer Temperatur von 225°C wird der Dihexylether gewonnen, bei einer Temperatur von 157°C wird Hexanol gewonnen, bei einer Temperatur von 141°C wird Dibutylether gewonnen, bei einer Temperatur von 118°C wird Butanol gewonnen und bei einer Temperatur von 99°C wird Wasser gewonnen.

Der Wasserdampf 70 wird im Kondensator 72 verflüssigt und mit einer Pumpe 73 mit zugehöriger Regelarmatur 74 dem Wassertank 47 zugeführt.

Die Alkohole Butanol 76 und Hexanol 78 wird mit den Kondensatoren 77,79 verflüssigt und als Gemisch im Tankbehälter 80 gespeichert. Das Alkoholgemisch wird mit einer Pumpe 61 dem Tankbehälter 48 rückgeführt.

Das gesuchte Produkt Dibutylether 86 und Dihexylether 88 wird mit den Kondensatoren 87,89 verflüssigt und in Tankbehälter 90 gespeichert.

Die Vorteile dieser Erfindung bestehen darin, daß durch die Fermentation von Synthesegas aus Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Kohlendioxid zu Butanol und Hexanol fermentiert wird. Damit ist der aufwendige synthetische Prozess durch einen biogenen einfachen Prozess ersetzt. Die Produktivität ist sehr hoch.

Die Erzeugung von Dibutylether und Dihexylether hat zudem den Vorteil, dass man dieser Ether auch in Dieselmotoren verwenden kann. Die Erzeugung von Dibutylether und Dihexylether ist durch das Verfahren der Fermentierung von Synthesegas einfach und effizient gegenüber der klassischen Synthese.

1 Kohlenmonoxid (CO) Gas

2 Wasserstoff (H2) Gas

3 Kohlendioxid (CO2) Dampf

4 Regelarmatur Kohlenmonoxid (CO) Gas

5 Regelarmatur Wasserstoff (H2) Gas

6 Regelarmatur Kohlendioxid (CO) Gas

7 Gasgemisch aus Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (Hz) und Kohlendioxid (CO)

8 Gasgemisch aus Gasgemisch 7 und Rückführgas 16

9 Regelarmatur Synthesegas ( CO,CO,,H2 )

10 Düsenstock Synthesegas ( CO,‚CO2,H2 )

11 Bioreaktor

12 Warmwassermantel

13 Rückführgas

14 Rückführgas

15 Verdichter Rückführgas

16 Regelarmatur Rückführgas ( Kohlenmonoxid (CO), Wasserstoff (H>), Kohlendioxid (CO) ) aus dem Bioreaktor

17 Regelarmatur Bioreaktor Flüssigkeit — abgereichert an Zellmasse

18 Bioreaktor Flüssigkeit — angereichert mit Alkoholen und Zellmasse

19 Umwälzpumpe

20 Regelarmatur Flüssigkeit

21 Regelarmatur zu Zentrifuge

22 Zentrifuge für Zeilmasse

23 Motor zum Antrieb der Zentrifuge

24 Flüssigkeit - angereichert mit Alkoholen und Zellmasse

25 Flüssigkeit — abgereichert an Zeillmasse

26 Regelarmatur

27 Pumpe

28 Regelarmatur

29 Flüssigkeit — abgereichert an Zellmasse

30 UF Membrane zur Abtrennung von Zeilmasse

31 Regelarmatur

32 Regelarmatur

33 Regelarmatur

34 Pumpe

35 Regelarmatur

36 Tankbehälter

37 Pumpe 38 Regelarmatur 39 Pumpe

40 Regelarmatur

41 Flüssigkeit — angereichert an Alkohol 42 NF Membrane zur Abtrennung von Zellmasse 43 Regelarmatur

44 Regelarmatur

45 Pumpe

46 Regelarmatur

47 Tankbehälter

48 Tankbehälter

49 Pumpe

50 Regelarmatur

Alkoholgemisch aus Butanol und Hexanol Verdampfer

Zeolith HSZM5 im Dehydrationsreaktor 57 Regelarmatur Dampf

Düsenstock für Alkoholdampf

Warmwasser Dehydrationsreaktor Dehydrationsreaktor

Gemisch aus Etherdampf und Alkoholdampf Regelarmatur Etherdampf und Alkoholdampf Kondensator

Kondensat aus Ether, Alkoholen und Wasser Tankbehälter

Pumpe

Regelarmatur Kondensat aus Ether, Alkoholen und Wasser Gemisch aus Ether, Alkoholen und Wasser Füllkörper im Destillationsturm 69 Düsenstock

Heikwassermantel zum Beheizen des Destillationsturmes Destillationsturm

Wasserdampf

Regelarmatur

Wärmetauscher als Kondensator

Pumpe

Regelarmatur

Wasser

Regelarmatur

Wärmetauscher als Kondensator Regelarmatur

Wärmetauscher als Kondensator Tankbehälter

Pumpe für Alkoholgemisch

Regelarmatur für Alkoholgemisch Wärmetauscher zum Heizen’

‘Pumpe

Regelarmatur

Wärmetauscher als Kondensator Regelarmatur

Wärmetauscher als Kondensator Tankbehälter

Pumpe

Regelarmatur

Gemisch aus Dibutylether und Dihexylether Alkohlgemisch aus Butanol und Hexanol — Rückführung Düsenstock

Regelarmatur

Regelarmatur Kohlenmonoxid Regelarmatur Wasserstoff

Regelarmatur Kohlendioxid

Motor Rührwerk für den Bioreaktor 11 Kupplung Rührwerk für den Bioreaktor 11 Getriebe Rührwerk für den Bioreaktor 11 Propeller Rührwerk für den Bioreaktor 11

10

105 Schlamm aus dem Verdampfer 52

106 Meßsensor Konzentration Kohlendioxid (CO) 107 Meßsensor Konzentration Kohlenmonoxid (CO) 108 Meßsensor Konzentration Wasserstoff (H2)

109 Meß sensor Konzentration Kohlendioxid (CO») 110 Meß sensor Konzentration Kohlenmonoxid (CO) 111 Meßsensor Konzentration Wasserstoff (H2)

112 Zellkultur Clostridium Ljungdahlii

113 Zellkultur Clostridium Kluyveri

114 Nährlösung ( Ph, Na, K)

115 Digitaler Regler

116 Verdampfer

117 Abschlämmung des Verdampfers 116

118 Kondensator des Dampfgemisches aus dem Verdampfer 116

Symbole

DBE Dibutylether DHE Dihexylether Bt-OH Butanol Hex-OH Hexanol

H2O Wasser

CO Kohlendioxid H2 Wasserstoff CO Kohlenmonoxid UF Ultrafiltration NF Nanofiltration ABE Aceton — Butanol — Ethanol Verfahren

11

Abbildungen

Abbildung 1

Die Abbildung 1 zeigt die Fermentierung von Synthesegas 7 das aus drei Gasströmen entsteht, dem Gasstrom für Kohlenmonoxid 1, dem Gasstrom für Kohlendioxid 3, dem Gasstrom Wasserstoff 2, wobei die Konzentration und Zusammensetzung des Synthesegases über die Regelarmaturen 4,5,6 geändert werden kann. Dem Synthesegas 7 wird das Rückführgas 14 aus dem Bioreaktor 11 über den Verdichter 15 und der zugehörigen Regelarmatur 16 zu einem Synthesegas 8 angereichert wird und über eine Regelarmatur 9 dem Düsenstock 10 in dem Bioreaktor 11 als Blasensäulenreaktor eingedüst. Der Bioreaktor 11 wird zudem mit Warmwasser 13 beheizt. Dem Bioreaktor 11 wird über die Regelarmatur 17 eine an Zellmasse abgereicherte Flüssigkeit aus der Zentrifuge 22 rückgeführt. Der Zentrifuge 22 wird über die Regelarmatur 33 die mit Feststoffen angereicherte Flüssigkeit 12 aus der Ultrafiltrationsanlage 31 rückgeführt. Aus dem Bioreaktor 11 wird eine Flüssigkeit angereichert mit Alkoholen, Nährlösung und Zeillmasse 18 über die Pumpe 19 und der Regelarmatur 20 einer Zentrifuge 22 angetrieben mit einem Elektromotor 23 entnommen. Aus der Zentrifuge 22 wird eine an Zellmasse angereicherte Flüssigkeit über die Regelarmatur 21 als Teil der Zentrifuge 22 dem Bioreaktor 11 über die Regelarmatur 17 rückgeführt. Ein Teil der an Zellmasse abgereicherte Flüssigkeit 25 wird dann über die Regelarmatur 26 einem Verdampfer 116 zugeführt. Dieser Verdampfer 116 dient der Hygienisierung der Flüssigkeit 25, der das Dampfgemisch aus Wasser und Alkoholen wird im Kondensator 118 kondensiert. Das Kondensat mit den verbleibenden Feststoffen und Kolloiden wird in der Folge einer Ultrafiltrations- (UF) Membraneinheit 31 zugeführt. Die Ultrafiltrations- (UF) Membraneinheit 31 besteht aus einer Pumpe 28 mit zugehöriger Regelarmatur 29 den Membranen 31 zugeführt. Des Rententat aus der Ultrafiltrations- (UF) Membrananiage 31 wird mit einer Regelarmatur 32 der Membrananlage rückgeführt und ein anderer Teil über die Regelarmatur 33 dem Bioreaktor 11 rückgeführt. Das Permeat aus der Ultrafiltrations- (UF) Membrananlage 31 wird über die Pumpe 34 mit einer Regelarmatur 35 dem Tankbehälter 36 zugeführt. Aus dem Tankbehälter wird das Gemisch aus Wasser und Alkohol einer Nanofiltrations- (NF) Membrananlage 42 zugeführt. Dabei wird das Gemisch aus Wasser und Alkohol 41 über die Pumpe 39 mit Regelarmatur 40 der Nanofiltrations- (NF) Membrananlage 42 zugeführt. Das Rententat wird über die Regelarmatur 43 der Nanofiltrations- (NF) Membrananlage rückgeführt und der andere Teil über die Regelarmatur 44 in einem Tankbehälter 48 gespeichert. Das flüssige Gemisch aus Wasser und Alkohol 51 wird über die Pumpe 49 mit zugehöriger Regelarmatur 50 wird über den Verdampfer 52 als Dampf in den Dehydrationsreaktor 57 über die Regelarmatur 54 und einem Düsenstock 55 eingedüst. In dem Dehydrationsreaktor 57 wird das Gemisch aus Alkoholen über einen Zeolith HSMZ5 zu einem Ethergemisch dehydriert und als Gemisch aus Wasser, Alkohol und Ether im dampfförmigen Zustand 58 aus dem Reaktor 57 der Regelarmatur 59 und dem Kondensator 60 zugeführt, das flüssige Kondensat 61 dem Tankbehälter 62 zugeführt. Aus dem Tankbehälter 62 wird das Gemisch aus Wasser, Alkohol und Ether einem Destillationsturm 69 zugeführt. Dabei wird das Gemisch aus Wasser, Alkohol und Ether 65 aus dem Tankbehälter 62 über eine Pumpe 63 und die Regelarmatur 64 dem Düsenstock 67 zugeführt. Der Destillationsturm 69 wird mit Warmwasser 68 beheizt. Der Sumpf aus dem Destillationsturm 69 wird über den Heizwärmetauscher 78 einer Pumpe 79 mit zugehöriger Regelarmatur 80 dem Destillationsturm 69 rückgeführt. Im Destillationsturm 69 befinden sich Schüttköper 66, die die Oberfläche für die Verdampfung und Gemischtrennung in Alkohole und Ether ermöglichen. Über die Regelarmatur 78 wird Hexanol im Kondensator 79 verflüssigt, über die Regelarmatur 76 wird über den Kondensator 77 Butanol verflüssigt und beide Alkohole im Tank 80 gespeichert und mit der Pumpe 81 und zugehörigen Regelarmatur 82 als flüssiges Gemisch 94 in den Tankbehälter 48 rückgeführt. Über die Regelarmatur 86 mit dem Kondensator 87 wird Dibutylether verflüssigt, über die Regelarmatur 88 mit dem Kondensator 89 wird Dihexylether verflüssigt und in dem Tankbehälter 90 gespeichert und

mit der Pumpe 91 und zugehöriger Regelarmatur 92 als Ethergemisch 93 als Produkt gewonnen.

Abbildung 2

Die Abbildung 2 zeigt die Fermentierung von Synthesegas 7 das aus drei Gasströmen entsteht, dem Gasstrom für Kohlenmenoxid 1, dem Gasstrom für Kohlendioxid 3, dem Gasstrom Wasserstoff 2, wobei die Konzentration und Zusammensetzung des Synthesegases über die Regelarmaturen 4,5,6 geändert werden kann. Dem Synthesegas 7 wird das Rückführgas 14 aus dem Bioreaktor 11 über den Verdichter 15 und der zugehörigen Regelarmatur 16 zu einem Synthesegas 8 angereichert wird und über eine Regelarmatur 9 dem Düsenstock 10 in dem Bioreaktor 11 als Blasensäulenreaktor eingedüst.

Die Abbildung 2 zeigt den am Bioreaktor 11 angeordneten Düsenstock 95 der mit unterschiedlichen Konzentrationen von Synthesegas über die Regelarmatur 96 versorgt werden. Die Zusammensetzung des Synthesegases kann für den Düsenstock 95 eigens über die Regelarmaturen 97,98,99 erstellt werden.

Der Bioreaktor 11 wird zudem mit Warmwasser 13 beheizt. Dem Bioreaktor 11 wird über die Regelarmatur 17 eine an Zellmasse abgereicherte Flüssigkeit aus der Zentrifuge 22 rückgeführt. Der Zentrifuge 22 wird über die Regelarmatur 33 die mit Feststoffen angereicherte Flüssigkeit 12 aus der Ultrafiltrationsanlage 31 rückgeführt. Aus dem Bioreaktor 11 wird eine Flüssigkeit angereichert mit Alkoholen, Nährlösung und Zellmasse 18 über die Pumpe 19 und der Regelarmatur 20 einer Zentrifuge 22 angetrieben mit einem Elektromotor 23 entnommen. Aus der Zentrifuge 22 wird eine an Zeillmasse angereicherte Flüssigkeit über die Regelarmatur 21 als Teil der Zentrifuge 22 dem Bioreaktor 11 über die Regelarmatur 17 rückgeführt. Ein Teil der an Zellmasse abgereicherte Flüssigkeit 25 wird dann über die Regelarmatur 26 einem Verdampfer 116 zugeführt. Dieser Verdampfer 116 dient der Hygienisierung der Flüssigkeit 25, der das Dampfgemisch aus Wasser und Alkoholen wird im Kondensator 118 kondensiert. Das Kondensat mit den verbleibenden Feststoffen und Kolloiden wird in der Folge einer Ultrafiltrations- (UF) Membraneinheit 31 zugeführt. Die Ultrafiltrations- (UF) Membraneinheit 31 besteht aus einer Pumpe 28 mit zugehöriger Regelarmatur 29 den Membranen 31 zugeführt. Des Rententat aus der Ultrafiltrations- (UF) Membrananlage 31 wird mit einer Regelarmatur 32 der Membrananlage rückgeführt und ein anderer Teil über die Regelarmatur 33 dem Bioreaktor 11 rückgeführt. Das Permeat aus der Ultrafiltrations- (UF) Membrananlage 31 wird über die Pumpe 34 mit einer Regelarmatur 35 dem Tankbehälter 36 zugeführt. Aus dem Tankbehälter wird das Gemisch aus Wasser und Alkohol einer Nanofiltrations- (NF) Membrananlage 42 zugeführt. Dabei wird das Gemisch aus Wasser und Alkohol 41 über die Pumpe 39 mit Regelarmatur 40 der Nanofiltrations- (NF) Membrananlage 42 zugeführt. Das Rententat wird über die Regelarmatur 43 der Nanofiltrations- (NF) Membrananlage rückgeführt und der andere Teil über die Regelarmatur 44 in einem Tankbehälter 48 gespeichert. Das flüssige Gemisch aus Wasser und Alkohol 51 wird über die Pumpe 49 mit zugehöriger Regelarmatur 50 wird über den Verdampfer 52 als Dampf in den Dehydrationsreaktor 57 über die Regelarmatur 54 und einem Düsenstock 55 eingedüst. In dem Dehydrationsreaktor 57 wird das Gemisch aus Alkoholen über einen Zeolith HSMZ5 zu einem Ethergemisch dehydriert und als Gemisch aus Wasser, Alkohol und Ether im dampfförmigen Zustand 58 aus dem Reaktor 57 der Regelarmatur 59 und dem Kondensator 60 zugeführt, das flüssige Kondensat 61 dem

Tankbehälter 62 zugeführt. Aus dem Tankbehälter 62 wird das Gemisch aus Wasser, Alkohol und Ether einem Destillationsturm 69 zugeführt. Dabei wird das Gemisch aus Wasser, Alkohol und Ether 65 aus dem Tankbehälter 62 über eine Pumpe 63 und die Regelarmatur 64 dem Düsenstock 67 zugeführt. Der Destillationsturm 69 wird mit Warmwasser 68 beheizt. Der Sumpf aus dem Destillationsturm 69 wird über den Heizwärmetauscher 78 einer Pumpe 79 mit zugehöriger Regelarmatur 80 dem Destillationsturm 69 rückgeführt. Im Destillationsturm 69 befinden sich Schüttköper 66, die die Oberfläche für die Verdampfung und Gemischtrennung in Alkohole und Ether ermöglichen. Über die Regelarmatur 78 wird Hexanol im Kondensator 79 verflüssigt, über die Regelarmatur 76 wird über den Kondensator 77 Butanol verflüssigt und beide Alkohole im Tank 80 gespeichert und mit der Pumpe 81 und zugehörigen Regelarmatur 82 als flüssiges Gemisch 94 in den Tankbehälter 48 rückgeführt. Über die Regelarmatur 86 mit dem Kondensator 87 wird Dibutylether verflüssigt, über die Regelarmatur 88 mit dem Kondensator 89 wird Dihexylether verflüssigt und in dem Tankbehälter 90 gespeichert und mit der Pumpe 91 und zugehöriger Regelarmatur 92 als Ethergemisch 93 als Produkt gewonnen.

Abbildung 3

Die Abbildung 3 zeigt die Fermentierung von Synthesegas 7 das aus drei Gasströmen entsteht, dem Gasstrom für Kohlenmonoxid 1, dem Gasstrom für Kohlendioxid 2, dem Gasstrom Wasserstoff 3, wobei die Konzentration und Zusammensetzung des Synthesegases über die Regelarmaturen 4,5,6 geändert werden kann. Dem Synthesegas 7 wird das Rückführgas 14 aus dem Bioreaktor 11 über den VWVerdichter 15 und der zugehörigen Regelarmatur 16 zu einem Synthesegas 8 angereichert wird und über eine Regelarmatur 9 dem Düsenstock 10 in dem Bioreaktor 11 als Blasensäulenreaktor eingedüst.

Die Abbildung 3 zeigt die Verwendung eines Rührwerkes bestehend aus einem Motor 100, einer Kupplung 101 und einem Getriebe 102 womit eine Rührwerkwelle mit Propeller 103 angetrieben wird, und es so zu einer weiteren Durchmischung der Bioreaktorflüssigkeit kommt.

Der Bioreaktor 11 wird zudem mit Warmwasser 13 beheizt. Dem Bioreaktor 11 wird über die Regelarmatur 17 eine an Zellmasse abgereicherte Flüssigkeit aus der Zentrifuge 22 rückgeführt. Der Zentrifuge 22 wird über die Regelarmatur 33 die mit Feststoffen angereicherte. Flüssigkeit 12 aus der Ultrafiltrationsanlage 31 rückgeführt. Aus dem Bioreaktor 11 wird eine Flüssigkeit angereichert mit Alkoholen, Nährlösung und Zeilmasse 18 über die Pumpe 19 und der Regelarmatur 20 einer Zentrifuge 22 angetrieben mit einem Elektromotor 23 entnommen. Aus der Zentrifuge 22 wird eine an Zeillmasse angereicherte Flüssigkeit über die Regelarmatur 21 als Teil der Zentrifuge 22 dem Bioreaktor 11 über die Regelarmatur 17 rückgeführt. Ein Teil der an Zellmasse abgereicherte Flüssigkeit 25 wird dann über die Regelarmatur 26 einem Verdampfer 116 zugeführt. Dieser Verdampfer 116 dient der Hygienisierung der Flüssigkeit 25, der das Dampfgemisch aus Wasser und Alkoholen wird im Kondensator 118 kondensiert. Das Kondensat mit den verbleibenden Feststoffen und Kolloiden wird in der Folge einer Ultrafiltrations- (UF) Membraneinheit 31 zugeführt. Die Ultrafiltrations- (UF) Membraneinheit 31 besteht aus einer Pumpe 28 mit zugehöriger Regelarmatur 29 den Membranen 31 zugeführt. Des Rententat aus der Ultrafiltrations- (UF) Membrananlage 31 wird mit einer Regelarmatur 32 der Membrananlage rückgeführt und ein anderer Teil über die Regelarmatur 33 dem Bioreaktor 11 rückgeführt. Das Permeat aus der Ultrafiltrations- (UF) Membrananlage 31 wird über die Pumpe 34 mit einer Regelarmatur 35 dem Tankbehälter 36 zugeführt. Aus dem Tankbehälter wird das Gemisch aus Wasser und Alkohol einer Nanofiltrations- (NF) Membrananlage 42 zugeführt. Dabei wird das Gemisch aus Wasser und Alkohol 41 über die Pumpe 39 mit Regelarmatur 40 der Nanofiltrations- (NF) Membrananlage 42 zugeführt. Das Rententat wird über die Regelarmatur 43 der Nanofiltrations- (NF) Membrananlage rückgeführt und der andere Teil

über die Regelarmatur 44 in einem Tankbehälter 48 gespeichert. Das flüssige Gemisch aus Wasser und Alkohol 51 wird über die Pumpe 49 mit zugehöriger Regelarmatur 50 wird über den Verdampfer 52 als Dampf in den Dehydrationsreaktor 57 über die Regelarmatur 54 und einem Düsenstock 55 eingedüst. In dem Dehydrationsreaktor 57 wird das Gemisch aus Alkoholen über einen Zeolith HSMZ5 zu einem Ethergemisch dehydriert und als Gemisch aus Wasser, Alkohol und Ether im dampfförmigen Zustand 58 aus dem Reaktor 57 der Regelarmatur 59 und dem Kondensator 60 zugeführt, das flüssige Kondensat 61 dem Tankbehälter 62 zugeführt. Aus dem Tankbehälter 62 wird das Gemisch aus Wasser, Alkohol und Ether einem Destillationsturm 69 zugeführt. Dabei wird das Gemisch aus Wasser, Alkohol und Ether 65 aus dem Tankbehälter 62 über eine Pumpe 63 und die Regelarmatur 64 dem Düsenstock 67 zugeführt. Der Destillationsturm 69 wird mit Warmwasser 68 beheizt. Der Sumpf aus dem Destillationsturm 69 wird über den Heizwärmetauscher 78 einer Pumpe 79 mit zugehöriger Regelarmatur 80 dem Destillationsturm 69 rückgeführt. Im Destillationsturm 69 befinden sich Schüttköper 66, die die Oberfläche für die Verdampfung und Gemischtrennung in Alkohole und Ether ermöglichen. Über die Regelarmatur 78 wird Hexanol im Kondensator 79 verflüssigt, über die Regelarmatur 76 wird über den Kondensator 77 Butanol verflüssigt und beide Alkohole im Tank 80 gespeichert und mit der Pumpe 81 und zugehörigen Regelarmatur 82 als flüssiges Gemisch 94 in den Tankbehälter 48 rückgeführt. Über die Regelarmatur 86 mit dem Kondensator 87 wird Dibutylether verflüssigt, über die Regelarmatur 88 mit dem Kondensator 89 wird Dihexylether verflüssigt und in dem Tankbehälter 90 gespeichert und mit der Pumpe 91 und zugehöriger Regelarmatur 92 als Ethergemisch 93 als Produkt gewonnen.

Abbildung 4

Die Abbildung 4 zeigt die Fermentierung von Synthesegas 7 das aus drei Gasströmen entsteht, dem Gasstrom für Kohlenmonoxid 1, dem Gasstrom für Kohlendioxid 3, dem Gasstrom Wasserstoff 2, wobei die Konzentration und Zusammensetzung des Synthesegases über die Regelarmaturen 4,5,6 geändert werden kann. Dem Synthesegas 7 wird das Rückführgas 14 aus dem Bioreaktor 11 über den Verdichter 15 und der zugehörigen Regelarmatur 16 zu einem Synthesegas 8 angereichert wird und über eine Regelarmatur 9 dem Düsenstock 10 in dem Bioreaktor 11 als Blasensäulenreaktor eingedüst. Der Bioreaktor 11 wird zudem mit Warmwasser 13 beheizt. Dem Bioreaktor 11 wird über die Regelarmatur 17 eine an Zellmasse abgereicherte Flüssigkeit aus der Zentrifuge 22 rückgeführt. Der Zentrifuge 22 wird über die Regelarmatur 33 die mit Feststoffen angereicherte Flüssigkeit 12 aus der Ultrafiltrationsanlage 31 rückgeführt. Aus dem Bioreaktor 11 wird eine Flüssigkeit angereichert mit Alkoholen, Nährlösung und Zellmasse 18 über die Pumpe 19 und der Regelarmatur 20 einer Zentrifuge 22 angetrieben mit einem Elektramotor 23 entnommen. Aus der Zentrifuge 22 wird eine an Zellmasse angereicherte Flüssigkeit über die Regelarmatur 21 als Teil der Zentrifuge 22 dem Bioreaktor 11 über die Regelarmatur 17 rückgeführt. Ein Teil der an Zellmasse abgereicherte Flüssigkeit 25 wird dann über die Regelarmatur 26 einem Verdampfer 116 zugeführt. Dieser Verdampfer 116 dient der Hygienisierung der Flüssigkeit 25, der das Dampfgemisch aus Wasser und Alkoholen wird im Kondensator 118 kondensiert. Das Kondensat mit den verbleibenden Feststoffen und Kolloiden wird in der Folge einer Ultrafiltrations- (UF) Membraneinheit 31 zugeführt. Die Ultrafiltrations- (UF) Membraneinheit 31 besteht aus einer Pumpe 28 mit zugehöriger Regelarmatur 29 den Membranen 31 zugeführt. Des Rententat aus der Ultrafiltrations- (UF) Membrananlage 31 wird mit einer Regelarmatur 32 der Membrananlage rückgeführt und ein anderer Teil über die Regelarmatur 33 dem Bioreaktor 11 rückgeführt. Das Permeat aus der Ultrafiltrations- (UF) Membrananlage 31 wird über die Pumpe 34 mit einer Regelarmatur 35 dem Tankbehälter 36 zugeführt. Aus dem Tankbehälter wird das Gemisch aus Wasser und Alkohol einer Nanofiltrations- (NF) Membrananlage 42 zugeführt. Dabei wird das Gemisch aus Wasser und Alkohol 41 über die Pumpe 39 mit

Regelarmatur 40 der Nanofiltrations- (NF) Membrananlage 42 zugeführt. Das Rententat wird über die Regelarmatur 43 der Nanofiltrations- (NF) Membrananlage rückgeführt und der andere Teil über die Regelarmatur 44 in einem Tankbehälter 48 gespeichert. Das flüssige Gemisch aus Wasser und Alkohol 51 wird über die Pumpe 49 mit zugehöriger Regelarmatur 50 wird über den Verdampfer 52 als Dampf in den Dehydrationsreaktor 57 über die Regelarmatur 54 und einem Düsenstock 55 eingedüst. In dem Dehydrationsreaktor 57 wird das Gemisch aus Alkoholen über einen Zeolith HSMZ5 zu einem Ethergemisch dehydriert und als Gemisch aus Wasser, Alkohol und Ether im dampfförmigen Zustand 58 aus dem Reaktor 57 der Regelarmatur 59 und dem Kondensator 60 zugeführt, das flüssige Kondensat 61 dem Tankbehälter 62 zugeführt. Aus dem Tankbehälter 62 wird das Gemisch aus Wasser, Alkohol und Ether einem Destillationsturm 69 zugeführt. Dabei wird das Gemisch aus Wasser, Alkohol und Ether 65 aus dem Tankbehälter 62 über eine Pumpe 63 und die Regelarmatur 64 dem Düsenstock 67 zugeführt. Der Destillationsturmm 69 wird mit Warmwasser 68 beheizt. Der Sumpf aus dem Destillationsturmm 69 wird über den Heizwärmetauscher 78 einer Pumpe 79 mit zugehöriger Regelarmatur 80 dem Destillationsturm 69 rückgeführt. Im Destillationsturm 69 befinden sich Schüttköper 66, die die Oberfläche für die Verdampfung und Gemischtrennung in Alkohole und Ether ermöglichen. Über die Regelarmatur 78 wird Hexanol im Kondensator 79 verflüssigt, über die Regelarmatur 76 wird über den Kondensator 77 Butanol verflüssigt und beide Alkohole im Tank 80 gespeichert und mit der Pumpe 81 und zugehörigen Regelarmatur 82 als flüssiges Gemisch 94 in den Tankbehälter 48 rückgeführt. Über die Regelarmatur 86 mit dem Kondensator 87 wird Dibutylether verflüssigt, über die Regelarmatur 88 mit dem Kondensator 89 wird Dihexylether verflüssigt und in dem Tankbehälter 90 gespeichert und mit der Pumpe 91 und zugehöriger Regelarmatur 92 als Ethergemisch 93 als Produkt gewonnen,

Die Abbildung 4 zeigt zudem die Messerfassung an Konzentration der Gas- und Dampfanteile 109,110,111 im zugeführten Synthesegas und die Messerfassung der Konzentration der Gas- und Dampfanteile 106,107,108 im rückgeführten Synthesegas aus dem Bioreaktor 11. Die Messdaten werden ausgewertet und geregelt im digitalen Regler 112.

Claims

Ansprüche

1. Das Verfahren zur Erzeugung von Dibutylether, Dihexylether, umfassend einen Bioreaktor (11), eine Zentrifuge (22), einen Sterilisations-Verdampfer (116), eine Ultrafiltrations- (UF) Membrantrennungsanlage (31), eine Nanofiltrations- (NF) Membrantrennungsanlage (42), einen Verdampfer (52), einen Dehydrationsreaktor (57), einen Destillationsturm (69),

Gekennzeichnet, dass

- Der Bioreaktor (11) ein zylindrisches Volumen von minimal 1m*®, maximal 50m? hat,

- Der Bioreaktor (11) mit einem Druck minimal 1,05 bar, maximal 1,2 bar betrieben wird

- Der Bioreaktor (11) mit einer Temperatur minimal 30°C, maximal 40°C hat

- Der Bioreaktor (11) mit Warmwasser (13) am Zylindermantel beheizt wird, das eine minimale Temperatur 35°C, maximale Temperatur 45°C hat,

- Im Bioreaktor (11) Wasser mit Zeillkulturen (112,113), Clostridium Ljungdalii (112), Clostridium Kluyveri (113) und Nährflüssigkeit (114) von dem Synthesegasgemisch (8) in Form von Blasen mit einem minimalen Volumenstrom von 0,001m*/h, mit einem maximalen Volumenstrom von 100m5/h durchströmt wird,

- Im Bioreaktor (11) zwei Zellkulturen (112,113), Clostridium Ljungdalii (112), Clostridium Kluyveri (113) in einem Verhältnis minimal 1:0.5, maximal 1:2 verwendet werden,

- Im Bioreaktor (11) die Zellkulturen (112,113), Clostridium Ljungdalii (112), Clostridium Kluyveri (113) einen Massenanteil pro Liter von minimal 1g/L, maximal 20g/L haben,

- Das Synthesegas (8) aus Wasserstoff (2), Kohlendioxid (3) und Kohlenmonoxid(1)} mit einer minimalen Konzentration an Kohlenmonoxid 10%, einer maximalen Konzentration an Kohlenmonoxid 40%, einer minimalen Konzentration an Wasserstoff an 10%, einer maximalen Konzentration von 40% und dem restlichen Anteil an Kohlendioxid besteht,

- Das Synthesegas (8) in Form von Blasen über den Düsenstock (10) den Bioreaktor (11) durchströmen, wobei die Blasen einen minimalen Durchmesser von 0,1um, maximal 1mm haben,

- Das unverbrauchte Synthesegas (14) dem neuen Synthesegas (7) so ergänzt wird, sodass das Synthesegas (8) aus Wasserstoff (2), Kohlendioxid (3) und Kohlenmonoxid(1) mit einer minimalen Konzentration an Kohlenmonoxid 10%, einer maximalen Konzentration an Kohlenmonoxid 40%, einer minimalen Konzentration an Wasserstoff an 10%, einer maximalen Konzentration von 40% und dem restlichen Anteil an Kohlendioxid besteht,

- Das Synthesegas (8) eine minimale Temperatur von 30°C, maximal 40°C hat,

- Das Synthesegas (8) einen minimalen Druck von 1,05 bar, maximal von 1,2 bar hat,

- Die Zellkultur (112), Clostridium Ljungdalit (112) im Bioreaktor (11) aus dem Synthesegas (8) Ethanol und Acetat erzeugt und einen minimalen Massenanteil an Ethanol und Acetat pro Liter 19/L, einen maximalen Massenanteil 100g/L hat,

- Die Zellkultur (113), Clostridium Kluyveri (113), im Bioreaktor (11) aus dem Synthesegas (8) , dem Ethanol und Acetat der Zellkultur (112) Butyrat (Butanol) und Hexenal (Hexanol) erzeugt und einen minimalen Massenanteil an Butyrat und Hexenal pro Liter 1g/L, einen maximalen Massenanteil 100g/L hat,

- Die Zentrifuge (22) eine minimale Drehzahl von 1000 1/min, eine maximale Drehzahl 6000 1/min hat,

Über die Zentrifuge (22) ein minimaler Anteil an Zellmasse von 1%, ein maximaler Anteil von 10% der Zellmasse im Bioreaktor (11) abgetrennt wird

Die Zentrifuge (22) elektrisch angetrieben eine minimale elektrische Leistung 5kW, eine maximale elektrische Leistung von 30 kW hat,

Die Zentrifuge (22) einen minimalen Volumenstrom von 1 m%h, einen maximalen Volumenstrom 10 m}h hat,

Der Verdampfer (116) eine minimale Temperatur von 160°C, eine maximale Temperatur von 175°C hat,

Der Verdampfer (116) zur Hygienisierung verwendet wird,

Der Dampf aus dem Verdampfer im Wärmetauscher (118) als Kondensat aus einem Gemisch an Wasser und den Alkoholen Butanol und Hexanol besteht, mit einer minimalen Konzentration an Butanol von 0,1%, maximal 20%, mit einer Konzentration an Hexanol von 0,1%, maximal 10%,

Der Dampf Kolloide und Feststoffanteile mit einer Konzentration von 0,001%, maximal von 1% aufweist,

Die Hohlfasermembranen der Ultrafiltrations- (UF) Membrananlage (31) mit minimalen Porendurchmesser d=0,001um, mit maximalen Porendurchmesser d=0,1um hat,

Die Ultrafiltrations- (UF) Membrananlage (31) einen minimalen Volumenstrom von 1m*h, mit einem maximalen Volumenstrom von 10 m3/h hat,

Die Ultrafiltrations- (UF) Membrananlage (31) als Permeat ein Gemisch aus Wasser, Butanol und Hexano! hat, mit einer Konzentration an Butanol von minimal 0,1%, maximal 20%, mit einer Konzentration an Hexanol von minimal 0,1%, maximal 10%, die Feedflüssigkeit der Ultrafiltrations- (UF) Membrananlage (31) einen minimalen Druck von 5 bar, einen maximalen Druck von 60 bar hat,

Die Feedflüssigkeit der Ultrafiltrations- (UF) Membrananlage (31) eine minimale Temperatur von 25°C, eine maximale Temperatur von 40°C hat,

Das Permeat der Ultrafiltrations- (UF) Membrananlage (31) au seinem Gemisch aus Wasser, Butanol und Hexanol besteht, das einen Feststoffanteil an minimal 0,0019g/L, maximal 0,1g/L hat

Die Hohlfasermembranen der Nanofiltrations- (NF) Membrananlage (42) mit minimalen Porendurchmesser d=1 nm, mit maximalen Porendurchmesser d=3 nm hat,

Die Nanofiltrations- (NF) Membrananlage (42) einen minimalen Volumenstrom von 1m*/h, mit einem maximalen Volumenstrom von 10 m3/h hat,

Die Nanofiltrations- (NF) Membrananlage (42) als Permeat ein Gemisch aus Wasser, Butanol und Hexanol hat, mit einer Konzentration an Butanol von minimal 0,1%, maximal 20%, mit einer Konzentration an Hexanol von minimal 0,1%, maximal 10%, die Feedflüssigkeit der Ultrafiltrations- (UF) Membrananlage (31) einen minimalen Druck von 5 bar, einen maximalen Druck von 60 bar hat,

Die Feedflüssigkeit der Nanofiltrations- (NF) Membrananlage (42) eine minimale Temperatur von 25°C, eine maximale Temperatur von 40°C hat,

Das Rententat der Nanofiltrations- (NF) Membrananlage (42) ein Gemisch aus Butanol und Hexanol hat, mit einer Konzentration an Butanol von minimal 60%, maximal 80%, mit einer Konzentration an Hexanol von minimal 20%, maximal 40%, Das Permeat der Nanofiltrations- (NF) Membrananlage (42) aus Reinwasser besteht, das eine elektrische Leitfähigkeit von minimal 1uS/cm, maximal 10 uS/cm hat.

Der Verdampfer (52) eine minimale Temperatur von 160°C, eine maximale Temperatur von 195°C hat,

Der Verdampfer (52) einen minimalen Druck von 1,1bar, einen maximalen Druck von 50 bar hat,

Der Dampf aus dem Verdampfer (52) aus Butanol und Hexanol besteht, und der Wasseranteil eine Konzentration von minimal 9,1%, maximal 1% hat,

Der Dampf Kolloide und Feststoffanteile mit einer Konzentration von 0,001%, maximal von 0,1% aufweist,

Der Dehydrationsreaktor (57) ein zylindrisches Volumen von minimal 1m*®, maximal 50m® hat,

Der Dehydrationsreaktor (57) einen Druck von minimal 1,1 bar, maximal 50 bar hat, Der Dehydrationsreaktor (57) eine Temperatur von minimal 30°C, maximal 250°C hat,

Der Dehydrationsreaktor (57) mit Warmwasser (13) am Zylindermantel gekühlt wird, das am Eintritt eine minimale Temperatur 25°C, maximale Temperatur 45°C hat,

Der Dehydrationsreaktor (57) mit Warmwasser (13) am Zylindermantel gekühlt wird, das am Austritt eine minimale Temperatur 65°C, maximale Temperatur 95°C hat,

Im Dehydrationsreaktor (57) mit dem Dampfgemisch (54) mit einem minimalen Volumenstrom von 0,001m%h, mit einem maximalen Volumenstrom von 100m5/h durchströrmt wird,

Im Dehydrationsreaktor (57) als Katalysator der Nanozeolith HSZM5 (53) verwendet wird, der in Form von Pellets als Schüttgut mit einem minimalen Durchmesser von d=3mm, maximal von d=10mm hat,

Im Dehydrationsreaktor (57) das Gemisch aus dampfförmigem Butanol und Hexanol zu Dibutylether und Dihexylether und Wasserdampf umgewandelt wird,

Der Destillationsturm (69) ein zylindrisches Volumen von minimal 1m®, maximal 50m® hat,

Der Destillationsturm (69) einen Druck von minimal 1,1 bar, maximal 50 bar hat,

Der Destillationsturm (69) eine Temperatur von minimal 30°C, maximal 250°C hat, Der Destillationsturm (69) mit Warmwasser (13) am Zylindermante! gekühlt wird, das am Eintritt eine minimale Temperatur 25°C, maximale Temperatur 45°C hat,

Der Destillationsturm (69) mit Warmwasser (13) am Zylindermantel gekühlt wird, das am Austritt eine minimale Temperatur 65°C, maximale Temperatur 95°C hat,

Im Destillationsturm (69) mit dem Dampfgemisch (54) mit einem minimalen Volumenstrom von 0,001m%h, mit einem maximalen Volumenstrom von 100m5%/h durchströmt wird,

Im Destillationsturm (69) als Füllkörper zylindrische Halbringe verwendet werden, die in Form von Schüttgut mit einem minimalen Durchmesser von d=25mm, maximal von d=50mm hat,

Im Destillationsturm (69) bei einer Temperatur von minimal 140°C, maximal 150°C dampfförmiger Dibuytlether abgetrennt wird,

Im Destillationsturm (69) bei einer Temperatur von minimal 95°C, maximal 10°C dampfförmiger Wasserdampf abgetrennt wird,

Im Destillationsturm (69) bei einer Temperatur von minimal 150°C, maximal 160°C dampfförmiges Hexanol abgetrennt wird,

Im Destillationsturm (69) bei einer Temperatur von minimal 110°C, maximal 120°C dampfförmiges Butanol abgetrennt wird,

im Destillationsturm (69) bei einer Temperatur von minimal 190°C, maximal 200°C dampfförmiger Dihexanolether abgetrennt wird,

Dampfförmiges Butanol und Hexanol verflüssigt wird und dem Dehydrationsreaktor (57) rückgeführt wird,

Dampfförmiger Dibutylether und Dihexylether verflüssigt als Produkt (93) gewonnen wird mit einem minimalen Massenstrom von 1kg/h, maximal 500kg/h,

Wasserdampf verflüssigt dem Wasser (Permeat) aus der Nanofiltrations-(NF) Anlage (42) im Tank (47) zugeführt wird.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, umfassend, ein Regelventil (96), ein Düsenstock (95), Regelventile (97,98,99)

gekennzeichnet, dass

- Dem Bioreaktor (11) wird über die Regelarmatur (96) mit Düsenstock (95) ein Synthesegasgemisch in Form von Blasen mit einem minimalen Volumenstrom von 0,001m*/h, mit einem maximalen Volumenstrom von 100m5/h durchströmt wird,

- Das Synthesegas über das Regeiventil (96) mit Düsenstock (95) aus Wasserstoff (2), Kohlendioxid (3) und Kohlenmonoxid(1) über die Regelventile (97,98,99) mit einer minimalen Konzentration an Kohlenmonoxid 10%, einer maximalen Konzentration an Kohlenmonoxid 40%, einer minimalen Konzentration an Wasserstoff an 10%, einer maximalen Konzentration von 40% und dem restlichen Anteil an Kohlendioxid besteht,

- Das Synthesegas über das Regelventil (96) mit Düsenstock (95) in Form von Blasen über den Düsenstock (10) den Bioreaktor (11) durchströmen, wobei die Blasen einen minimalen Durchmesser von 0, 1um, maximal 1mm haben,

- Im Bioreaktor (11) durch den zweiten Düsenstock (95) die Durchmischung und die Diffusion einen höheren Wert um minimal 5%, maximal 30% hat.

3. Das Verfahren nach Anspruch 1, umfassend ein Rührwerk (100,101,102,103) Gekennzeichnet, dass

- Im Bioreaktor (11) durch das Rührwerk (100,101,102,103) die die Durchmischung und die Diffusion einen höheren Wert um minimal 5%, maximal 50% hat,

- Die Drehzahl des Rührwerkes (100,101,102,103) minimal einen Wert 1 1/min, maximal 10 1/min hat.

4. Das Verfahren nach Anspruch 1, umfassend Messgeber (106,107,108), Messgeber (109,110,111) und einen Regler (115)

Gekennzeichnet, dass

- Die Zusammensetzung des rückgeführten Synthesegases (14) mit den Messgebern für Wasserstoff (106), für Kohlenmonoxid (107), für Kohlendioxid (108) in einem Konzentrationsbereich minimal 1%, maximal 100% gemessen wird,

- Die Zusammensetzung des zugeführten Synthesegases (7) mit den Messgebern für Wasserstoff (109), für Kohlenmonoxid (110), für Kohlendioxid (111) In einem Konzentrationsbereich minimal 1%, maximal 100% gemessen wird,

- Durch die Messdaten aus den Messgebern (106,107,108,109,110,111) mit Hilfe eines digitalen Reglers (115) die Konzentration des Synthesegases (8) der Umsatz durch die Zellkulturen im Bioreaktor (11) einen minimalen Wert von 30%, maximal von 85% hat.