BE1025130B1

BE1025130B1 - Werkwijze voor de productie van gasvormige, vloeibare of opgeloste organische koolstofverbindingen via gasfermentatie

Info

Publication number: BE1025130B1
Application number: BE2017/5250A
Authority: BE
Inventors: Jan Smis
Original assignee: Organic Waste Systems, Verkort O.W.S. Naamloze Vennootschap
Priority date: 2017-04-10
Filing date: 2017-04-10
Publication date: 2018-11-14
Also published as: BE1025130A1

Abstract

De uitvinding betreft een werkwijze voor de productie van gasvormige, vloeibare of opgeloste organische koolstofverbindingen via gasfermentatie door micro-organismen die geïncoleerd op het oppervlak van een dragermateriaal (3) in een Trickling Filter (TF) -reactor waarin ze op de gewenste temperatuur en druk gebracht worden en aan de bovenkant besproeid worden met proceswater (20), zijnde een specifieke nutriëntenoplossing en onderaan geïnjecteerd worden met een gasstroom (7) van om te zetten gas, waarbij het proceswater gehercirculeerd wordt in een externe hercirculatiekringloop en het gas optioneel gehercirculeerd wordt na doorgang door de reactor via een externe hercirculatiekringloop.

Description

(30) Voorrangsgegevens :

(73) Houder(s) :

ORGANIC WASTE SYSTEMS, verkort O.W.S. naamloze vennootschap 9000, GENT

België (72) Uitvinder(s) :

SMIS Jan

9820 MERELBEKE

België (54) WERKWIJZE VOOR DE PRODUCTIE VAN GASVORMIGE, VLOEIBARE OF OPGELOSTE ORGANISCHE KOOLSTOFVERBINDINGEN VIA GASFERMENTATIE (57) De uitvinding betreft een werkwijze voor de productie van gasvormige, vloeibare of opgeloste organische koolstofverbindingen via gasfermentatie door micro-organismen die geïncoleerd op het oppervlak van een dragermateriaal (3) in een Trickling Filter (TF) -reactor waarin ze op de gewenste temperatuur en druk gebracht worden en aan de bovenkant besproeid worden met proceswater (20), zijnde een specifieke nutriëntenoplossing en onderaan geïnjecteerd worden met een gasstroom (7) van om te zetten gas, waarbij het proceswater gehercirculeerd wordt in een externe hercirculatiekringloop en het gas optioneel gehercirculeerd wordt na doorgang door de reactor via een externe hercirculatiekringloop.

BELGISCH UITVINDINGSOCTROOI

FOD Economie, K.M.O., Middenstand & Energie	Publicatienummer: 1025130 Nummer van indiening: BE2017/5250
Dienst voor de Intellectuele Eigendom	Internationale classificatie: C12P 7/06 C12P 7/40 C12M 1/16 C12M 1/00 Datum van verlening: 14/11/2018

De Minister van Economie,

Gelet op het Verdrag van Parijs van 20 maart 1883 tot Bescherming van de industriële Eigendom;

Gelet op de wet van 28 maart 1984 op de uitvindingsoctrooien, artikel 22, voor de voor 22 september 2014 ingediende octrooiaanvragen ;

Gelet op Titel 1 Uitvindingsoctrooien van Boek XI van het Wetboek van economisch recht, artikel XI.24, voor de vanaf 22 september 2014 ingediende octrooiaanvragen ;

Gelet op het koninklijk besluit van 2 december 1986 betreffende het aanvragen, verlenen en in stand houden van uitvindingsoctrooien, artikel 28;

Gelet op de aanvraag voor een uitvindingsoctrooi ontvangen door de Dienst voor de Intellectuele Eigendom op datum van 10/04/2017.

Overwegende dat voor de octrooiaanvragen die binnen het toepassingsgebied van Titel 1, Boek XI, van het Wetboek van economisch recht (hierna WER) vallen, overeenkomstig artikel XI.19, § 4, tweede lid, van het WER, het verleende octrooi beperkt zal zijn tot de octrooiconclusies waarvoor het verslag van nieuwheidsonderzoek werd opgesteld, wanneer de octrooiaanvraag het voorwerp uitmaakt van een verslag van nieuwheidsonderzoek dat een gebrek aan eenheid van uitvinding als bedoeld in paragraaf 1, vermeldt, en wanneer de aanvrager zijn aanvraag niet beperkt en geen afgesplitste aanvraag indient overeenkomstig het verslag van nieuwheidsonderzoek.

Besluit:

Artikel 1. - Er wordt aan

ORGANIC WASTE SYSTEMS, verkort O.W.S. naamloze vennootschap, Dok Noord 5, 9000 GENT België;

vertegenwoordigd door

VAN VARENBERG Patrick, Arenbergstraat 13, 2000, ANTWERPEN;

een Belgisch uitvindingsoctrooi met een looptijd van 20 jaar toegekend, onder voorbehoud van betaling van de jaartaksen zoals bedoeld in artikel XI.48, § 1 van het Wetboek van economisch recht, voor: WERKWIJZE

VOOR DE PRODUCTIE VAN GASVORMIGE, VLOEIBARE OF OPGELOSTE ORGANISCHE

KOOLSTOFVERBINDINGEN VIA GASFERMENTATIE.

UITVINDER(S):

SMIS Jan, Meersstraat 6, 9820, MERELBEKE;

VOORRANG :

AFSPLITSING :

Afgesplitst van basisaanvraag :

Indieningsdatum van de basisaanvraag :

Artikel 2. - Dit octrooi wordt verleend zonder voorafgaand onderzoek naar de octrooieerbaarheid van de uitvinding, zonder garantie van de verdienste van de uitvinding noch van de nauwkeurigheid van de beschrijving ervan en voor risico van de aanvrager(s).

Brussel, 14/11/2018,

Bij bijzondere machtiging:

Werkwijze voor de productie van gasvormige, vloeibare of opgeloste organische koolstofverbindingen via gasfermentatie.

BE2017/5250

Deze uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de productie van organische koolstofverbindingen gevormd uit gassen door middel van een biologisch fermentatieproces,

Meer bepaald heeft de uitvinding betrekking op gasfermentaties of de biologische omzetting van afvalgassen door micro-organismen naar producten met een toegevoegde

waarde. Het metabolisme	gas dient hierbij als substraat van de micro-organismen.	voor	het
Dergelij ke	gasfermentaties zijn	afhankelij k	van	de
overdracht	van het gas van	de gasfase	naar	de
vloeistoffase, maar deze overdracht	wordt bemoeilijkt	door

de beperkte oplosbaarheid van de meeste gassen in water.

Indien de productie van organische koolstofverbindingen uit een gasmengsel wordt nagestreefd, wordt de overdracht van het gas naar de vloeistof fase meestal bekomen door het uitvoeren van een natte fermentatie, in een reactor (Continuously Stirred Tank Reactor).

In een CSTR-type reactor wordt de gasoverdracht verbeterd door het gas in de vorm van fijne gasbelletjes in de vloeistof te injecteren. Tussenschotten en mechanische menging zorgen eveneens voor verspreiding van de gasbelletjes. De fijne gasbelletjes zorgen voor een groot

BE2017/5250 contactoppervlak tussen de gasfase en de vloeistoffase. Het uitvoeren van deze gasfermentaties onder verhoogde druk verbetert eveneens de gasoverdracht. Het proces in een

CSTR-type reactor is erg energie-intensief.

Gasfermentaties kunnen resulteren in een product in de gasfase of een product in de vloeistof fase. In een CSTRtype reactor is de biomassa volledig gemengd met de producten die in oplossing gevormd worden. Een nadeel van deze CSTR-type reactoren is dan ook dat ze een moeilijke scheiding van de biomassa van de procesvloeistof vereisen om de gevormde producten af te zonderen en op te zuiveren.

Een tweede reactortype dat gasoverdracht van de gasfase naar de vloeistoffase toelaat is de TF-reactor of Trickling Filter reactor, ook wel biofilter of trickle bed reactor genoemd. Deze TF-reactoren bevatten een dragermateriaal waarop een biofilm van micro-organismen wordt gevormd. Het type dragermateriaal bepaalt de poriëngrootte in het dragermateriaal-bed. Het dragermateriaal kan synthetisch of biologisch van aard zijn. Het dragermateriaal wordt bevestigd op een structuur waardoor het onderste gedeelte van de reactor vrij is van dragermateriaal.

De bovenkant van het dragermateriaal-bed wordt besproeid met proceswater, een vloeistof die de nodige voedingsstoffen voor de micro-organismen bevat. Het proceswater baant zich door gravitatie een weg naar beneden en druppelt door het dragermateriaal-bed met microorganismen in een biofilm, ook reactorbed genoemd. De biofilm wordt op deze manier vochtig gehouden. Er vormt

BE2017/5250 zich geen ononderbroken waterkolom, waardoor er geen drukopbouw is in de vloeistoffase.

Een gasstroom wordt vanuit de onderkant van de TF-reactor in de inrichting geïnjecteerd. In het reactorbed contacteert het gas het proceswater, de vloeistof die langs het dragermateriaal naar beneden loopt. Omwille van de poriën in het dragermateriaal-bed en het dragermateriaal zelf, is het contactoppervlak tussen de gasfase en de vloeistoffase groot.

De overdracht van het substraat, zijnde het gas, naar de vloeistoffase kan geregeld worden door de poriëngrootte, de snelheid van de gasstroom, de werkdruk en de afmeting van het bed of het bedvolume te variëren. De contacttijd tussen de gasfase en de vloeistoffase, de werkdruk, de temperatuur en de pH van de vloeistof bepalen de efficiëntie van de overdracht. Het gas kan desgewenst gehercirculeerd worden om de contacttijd van het gas te verlengen.

Dit type van TF-reactoren of biofilters wordt tot op heden enkel gebruikt voor de verwijdering van ongewenste of hinderlijke componenten uit een gasstroom, en ook voor de biologische productie van gasvormige producten.

Zo kunnen onder andere vluchtige organische componenten en waterstofsulfide uit een gasstroom verwijderd worden met een TF-reactor en kunnen mengsels van waterstofgas en koolstofdioxide in een TF-reactor omgezet worden naar methaan door methanogene micro-organismen zoals beschreven in de octrooien DE 102013009874A1 en WO 2014187985A1.

BE2017/5250

Deze uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor de productie van gasvormige, vloeibare of opgeloste organische koolstofverbindingen door omzetting van afvalgassen in een biologisch gasfermentatieproces, waarbij de werkwijze 5 gebruik maakt van een TF-reactor met een open dragerstructuur, waarop micro-organismen kunnen groeien in de vorm van een biofilm.

Een voordeel van de open dragerstructuur van de TF-reactor is dat deze toelaat een groot contactoppervlak tussen gas en biofilm te combineren met een biologisch productieproces voor vloeibare of opgeloste organische koolstofverbindingen.

De TF-reactor is bij voorkeur een cilindrische reactor, met een thermisch isolerende en drukvaste buitenwand die toelaat de reactor op een temperatuur te bedrijven die verschilt van de omgevingstemperatuur, en waarbij de procestemperatuur in de reactor geschikt kan zijn voor mesofiele (30-40 °C), thermofiele (50-70 °C) of superthermofiele (80-90°C) micro-organismen. De procesdruk in de reactor kan gelijk zijn aan de atmosferische druk, maar kan ook hoger zijn, tot 11 bar.

Een voordeel van een dergelijke thermisch isolerende TFreactor met instelbare temperatuur en druk is dat de reactieomstandigheden kunnen aangepast worden aan het micro-organisme en het biologisch gasfermentatieproces dat beoogd wordt en waarbij het gas dient als substraat voor het metabolisme van het gekozen micro-organisme.

BE2017/5250

De TF-reactor is voorzien van een dragermateriaal-bed dat synthetisch of biologisch van aard is en een groot specifiek oppervlak heeft. Bij stapeling van het dragermateriaal is er voldoende poriënruimte voor een vrije 5 doorgang van het gas en wordt verstopping door aangroei van biomassa vermeden.

Het dragermateriaal wordt onderaan de reactor door een structuur tegengehouden, waardoor het onderste gedeelte van 10 de TF-reactor vrij is van dragermateriaal.

Indien gewenst is de TF-reactor uitgerust met lichtbronnen waardoor het dragermateriaal en de erop levende biofilm door kunstmatige verlichting met licht van een specifieke 15 golflengte of frequentie beschenen kan worden.

Een voordeel van een dergelijke verlichting is dat het gas foto-katalytisch omgezet kan worden met de hulp van microorganismen .

Een nutriëntenoplossing specifiek samengesteld voor de gekozen fermenterende micro-organismen, ook proceswater genoemd, wordt gelijkmatig bovenop het dragermateriaal-bed gesproeid, al dan niet aangevuld met micro-organismen voor 25 bijkomende inoculatie.

De nutriëntenoplossing kan synthetisch samengesteld worden of ze kan bestaan uit percolatiewater dat op basis van organisch afval wordt gemaakt, of kan afkomstig zijn van 30 afvalstromen zoals afvalwater of andere opgeloste afvalstoffen.

BE2017/5250

De pH van het proceswater wordt aangepast naargelang de optimale pH voor de gebruikte biologische cultuur van micro-organismen. Ook andere parameters zoals de optimale procestemperatuur kunnen via een aangepaste temperatuur van het proceswater bijgestuurd worden.

Het afvalgas dat door de micro-organismen wordt omgezet naar vloeibare of opgeloste organische koolstofverbindingen wordt bij voorkeur, in tegenstroom onderaan in de reactor ingeblazen. De verblijftijd van het gas in het dragermateriaal-bed geïnoculeerd met micro-organismen, ook reactorbed genoemd, bepaalt de contacttijd tussen de gasfase en de vloeistoffase. Samen met de operationele druk bepaalt deze contacttijd de overdrachtsefficiëntie van het gas naar de vloeistof.

Om de verblijftijd van het gas in de reactor te verhogen, kan het gas gehercirculeerd worden door middel van een gashercirculatiekringloop. Ook de procestemperatuur kan via de temperatuur van het gehercirculeerd gas bijgestuurd worden.

Het afvalgas dat als substraat fungeert, kan verschillen in samenstelling, maar bevat minstens CO, COs of CH₄ als koolstofbron voor de micro-organismen die een biofilm vormen op het dragermateriaal. Zonder beperkend karakter kunnen volgende bronnen van dit gas genoemd worden: biogas, gassen ontstaan uit pyrolyse van biomassa of gemengd afval, uitlaatgassen van de staalproductie, de cementproductie of de energieproductie, uitlaatgassen van bio-ethanolproductie of andere fermentâtieprocessen en dergelijke meer.

'7

BE2017/5250

Indien het bijdoseren van waterstofgas nodig blijkt, kan dit door middel van elektrolyse van water worden aangemaakt. Toxische componenten dienen vooraf uit het afvalgas verwijderd te worden, zoals zuurstof in het geval een anaëroob fermentâtieproces plaatsvindt in de reactor.

Deze uitvinding maakt gebruik van een mengcultuur van micro-organismen, die eventueel vooraf aangerijkt kan zijn uit een natuurlijke bron. Deze micro-organismen kunnen het gas als substraat gebruiken en als koolstofbron voor hun groei aanwenden.

De werkwijze voor de biologische productie van vloeibare of opgeloste organische koolstofverbindingen via gasfermentatie volgens de uitvinding omvat volgende stappen :

- het inoculeren van het oppervlak van een dragermateriaal in een TF-reactor met de gewenste micro-organismen vóór aanvang van de reactorwerking;

- het op de gewenste temperatuur en druk brengen van de TFreactor ;

- het op de gewenste temperatuur en pH brengen van het proceswater, zijnde een nutriëntenoplossing specifiek samengesteld voor de gebruikte fermenterende microorganismen ;

het gelijkmatig sproeien van het proceswater bovenop de

BE2017/5250 bovenkant van het geïnoculeerde dragermateriaal-bed ;

- het injecteren in de onderkant van de TF-reactor van een gasstroom afvalgas of een om te zetten gas in de reactor bij de gewenste druk en temperatuur;

- het hercirculeren van het proceswater dat in het onderste gedeelte van de reactor wordt opgevangen via een externe hercirculâtiekringloop ;

het benutten van de hercirculatiekringloop voor het afscheiden van de gevormde vloeibare of oplosbare organische koolstofverbindingen zoals ethanol, korte- en middellangeketen carbonzuren of nog andere door de microorganismen gevormde koolstofverbindingen door middel van een gepaste scheidingstechniek;

het benutten	van	de	hercirculatiekringloop	voor	het
continu meten	van	de	temperatuur en de pH	van	het
proceswater, en	het	zo	nodig bij sturen ervan	door	het

verwarmen en toevoegen van een zuur of base;

- het toevoegen via de hercirculatiekringloop van meer water en nutriënten aan het proceswater om te compenseren voor verdamping en consumptie;

het toevoegen via de hercirculatiekringloop van meer micro-organismen indien meer inoculatie nodig is;

- het optioneel hercirculeren van het gas na doorgang door de reactor via een externe hercirculatie-kringloop voor

- het optioneel meten van de samenstelling van het te

BE2017/5250 gas;

hercirculeren gas en zo nodig het bijsturen van de samenstelling ervan door een aanpassing van de gastoevoer;

- het nemen van stalen van het dragermateriaal al dan niet voorzien van biofilm, via staalnamepoorten die op regelmatige afstand van elkaar, in de buitenwand van de reactor voorzien zijn, om de dikte en samenstelling van de biofilm op elke hoogte te bepalen;

het desnoods verwijderen van dragermateriaal begroeid met biomassa via een extractiesysteem onderaan de TF-reactor of het bijvoegen van nieuw al dan niet geïnoculeerd dragermateriaal bovenaan de TF-reactor;

- het verder opzuiveren van de door de micro-organismen gevormde verbindingen in het proceswater dat zich verzamelt in het onderste gedeelte van de TF-reactor dat vrij is van materiaal, door een gepaste scheidingstechniek zoals een membraanscheiding, solventextractie, centrifugatie of distillatie of nog een andere gepaste scheidingstechniek.

- optioneel het opzuiveren in een bijkomende zuiveringsstap tot een bruikbaar zuiver eindproduct.

Het is hierbij niet nodig bij aanvang de volledige oppervlakte van het dragermateriaal te inoculeren. Een groter aandeel geïnoculeerd dragermateriaal zal de opstart van de reactor echter wel versnellen.

«1

BE2017/5250

De micro-organismen in de biofilm zetten het aanwezige koolstof in het gas om naar gasvormige producten of organische koolstofverbindingen die vloeibaar of oplosbaar zijn in het proceswater. Deze opgeloste organische koolstofverbindingen zijn bijvoorbeeld ethanol of korte- en middellangeketen carbonzuren, waarbij deze opsomming niet beperkend is.

Het proceswater dat onderaan de reactor wordt opgevangen in het onderste gedeelte van de reactor, is slechts licht vervuild met biomassa uit de biofilm. Dat lage gehalte aan zwevende stof laat toe het proceswater te hercirculeren en maakt dat een moeilijke scheidingsstap tussen biomassa en proceswater in dit stadium vermeden wordt.

Het proceswater wordt buiten de reactor gehercirculeerd via een externe hercirculatiekringloop. In deze hercirculatiekringloop kunnen verschillende processtappen plaatsvinden:

- de scheiding van	het	gevormde	product	uit	het
	proceswater ;
25	het monitoren van proceswater;	de	temperatuur	en pH	van	het
	- het opwarmen van reactortemperatuur ;	het	proceswater	tot de	gewenste
30	het toevoegen van	extra	water en	nutriënten	aan	de

procesvloeistof indien deze door respectievelijk verdamping

BE2017/5250 en consumptie door de micro-organismen in onvoldoende mate aanwezig zijn;

het toevoegen van extra micro-organismen aan de procesvloeistof om additionele inoculatie van het dragermateriaal te bekomen;

- het corrigeren van de pH van het proceswater door middel van bijdosering van een zuur of base;

- het optioneel toevoegen van andere hulpstoffen via de proceswaterstroom.

De afscheiding van het gevormde product kan, afhankelijk van de eigenschappen van het product en zijn concentratie, plaatsvinden door middel van membranen, solventextractie, distillatie, centrifugatie of nog andere scheidingstechnieken.

liet overtollige proceswater wordt opgevangen.

Dat overtollige proceswater, of het afgescheiden product, kan, indien gewenst, dienen als proceswater voor een secundaire reactor. Deze secundaire reactor kan een andere populatie micro-organismen bevatten voor het verder omzetten van het product uit de eerste reactor naar hoogwaardigere andere producten. Het opereren van verschillende reactoren in serie is dus mogelijk, waarbij niet elke reactor van een opzuiveringsmodule moet voorzien zijn.

Zo kan het overtollige proceswater als dusdanig naar een volgende reactor in serie worden gestuurd en pas na een volgende reactor het product worden opgezuiverd.

BE2017/5250

De hoeveelheid overtollig proceswater en daardoor ook de verblijftijd van het proceswater in de reactor, wordt gestuurd door het toevoegen van vers proceswater.

Het doorgestroomde gas kan, indien gewenst, gehercirculeerd worden na doorgang door de reactor via een externe gashercirculatiekringloop. In deze externe gashercirculatiekringloop kunnen volgende processtappen gebeuren :

- het meten van de druk, temperatuur en samenstelling van het gas na doorgang door de reactor;

het zuiveren van gas met voldoende gasvormig reactieproduct en het afscheiden van het reactieproduct;

- het op de gewenste druk, temperatuur en samenstelling brengen van gas met onvoldoende of geen gasvormig reactieproduct voor herinvoer in het reactorvat;

- het herinvoeren van het op samenstelling gebrachte gas in de reactor.

De meting van de samenstelling van het gas na doorgang van de reactor kan via een feedbacklus een aanpassing van de gastoevoer aansturen.

Voor zuivering kan het gas naar een module voor gaszuivering gestuurd worden. Deze zuivering kan onder andere inhouden dat waterdamp uit het gas verwijderd moet worden, of dat een gevormd gasvormig reactieproduct

BE2017/5250 afgescheiden moet worden.

Gas met onvoldoende reactieproduct, of gas waaruit onvoldoende koolstofbron (CO,CO₂,CH4) werd verwijderd kan ook gehercirculeerd worden, waarbij de kwaliteit van dit gehercirculeerde gas gecontroleerd wordt door een module voor kwaliteitscontrole die de samenstelling van het toegevoerde gehercirculeerde gas aanpast op basis van de gemeten samenstelling.

Met het inzicht de kenmerken van de uitvinding beter aan te tonen, is hierna, als voorbeeld zonder enig beperkend karakter, een voorkeursdragende uitvoeringsvorm van een werkwij ze voor het produceren van organische gasvormige, vloeibare of oplosbare koolstofverbindingen uit afvalgassen, door middel van een biologisch gasfermentatieproces in een verwijzing naar de bijgaande tekening, waarin:

figuur 1 schematisch een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze voor gas fermentâtie volgens de uitvinding weergeeft.

In figuur 1 is schematisch een inrichting 1 weergegeven voor de productie van vloeibare of opgeloste organische koolstofverbindingen via biologische gasfermentatie. De inrichting omvat een verticaal opgesteld cilindrisch reactorvat 2, voorzien van een dragermateriaal 3 voor micro-organismen, dat gedragen wordt door een structuur 4 met een extractiesysteem, waardoor het onderste gedeelte 5

BE2017/5250 van het cilindrisch reactorvat 2 vrij is van dragermateriaal 3.

Tussen het dragermateriaal 3 is er voldoende poriënruimte 6 voor een vrije doorgang van het gas Ί dat via een gastoevoer 8 onderaan in het reactorvat 2 wordt aangevoerd, en vervolgens opwaart van dragermateriaal 3 van micro-organismen, afgevoerd via een ga s stroomt doorhe dat voorzien is en bovenaan het safvoer 11.

en een reactorbed 9 van een biofilm 10 reactorvat 2 wordt

De gasafvoer 11 is verbonden met een externe hercirculâtiekringloop voor gas aangedreven door een her circulatiepomp 13 die het gas door een module voor kwaliteitscontrole indien nodig op de gewenste temperatuur en samenstelling brengt voor her invoer in het reactorvat via toevoerleiding en de gasinvoer 8.

Indien het gas dat uit de gasafvoer 11 bovenaan het reactorvat stroomt voldoende rijk is aan gewenste react ieproducten, zal het door de module voor kwaliteitscontrole 14 niet gehercirculeerd worden, maar doorgevoerd worden naar een module voor gaszuivering 16, waarna het gezuiverde gas klaar is voor toepassing 17a. De gascomponenten die niet voor hergebruik geschikt zijn, worden in een parallelle hercirculatielus 17b terug naar de gasinvoer 8 gestuurd.

Via een toevoer 18 en een sproei-installatie 19 bovenaan in het reactorvat 2 wordt het reactorbed 9 van dragermateriaal

BE2017/5250 .L D dat voorzien is van een biofilm 10, besproeid met proceswater 20, zijnde een nutriëntenoplossing specifiek samengesteld voor de gebruikte fermentatieve microorganismen. Het proceswater 20 druppelt doorheen het reactorbed 9 en wordt onderaan in het reactorvat 2 opgevangen waarna het via een afvoer 21 terecht komt in een module voor product zuivering 22, die bij een voldoend hoog gehalte aan gewenste reactieproducten, het deels gezuiverde product zal doorsturen naar een module voor productaanrijking 23 van het gewenste eindproduct, waarna het eindproduct kan toegepast worden.

Indien het gehalte aan gewenste reactieproducten onvoldoende is, zal de module voor productzuivering 22, het proceswater 20 doorvoeren naar de externe hercirculatiekringloop 24 van het proceswater 20, die het proceswater 20 achtereenvolgens door een module voor temperatuurscontrole 25 en een module voor pH-controle 26 voert, vooraleer het proceswater 20 via invoer 18 weer toe te voeren aan de sproei-installatie 19 bovenaan het reactorvat 2.

De module voor temperatuurscontrole 25 is voorzien van een warmtewisselaar 27 waarmee het proceswater 20 op de gewenste temperatuur kan gebracht worden. De module voor pH-controle 26 is voorzien van een toevoer van zuur 28 en een toevoer van base 29 om het proceswater 20 op de gewenste pH te brengen.

Het reactorvat 2 is voorzien van een extractiesysteem 30, waarmee dragermateriaal 3 begroeid met biomassa in de biofilm 10 uit het reactorvat 2 verwijderd kan worden en

BE2017/5250 waarmee nieuw dragermateriaal 3 al dan niet geïnoculeerd met micro-organismen kan ingebracht worden.

Het reactorvat 2 is ook voorzien van staalnamepoorten 31 en/of meetpunten die in de buitenwand van het reactorvat 2 zijn aangebracht op regelmatige afstand van elkaar, die toelaten de dikte en samenstelling van de biofilm 10 op het dragermateriaal 3 op meerdere hoogten van het reactorvat 2 te bepalen.

Verder is de structuur 4 voorzien van lichtbronnen 32, voor kunstmatige verlichting van het dragermateriaal 3 met biofilm 10 met een specifieke lichtgolflengte voor fotokatalytische omzetting van het gas 7.

De werking van de inrichting 1 voor de productie van organische koolstofverbindingen door gasfermentatie kan als volgt worden toegelicht.

Voor het produceren van gasfermentatieproducten volgens de uitvinding wordt afvalgas 7 onderaan het reactorvat 2 via toevoer 8 geïnjecteerd. Het gas stijgt op in het reactorvat 2, doorheen het reactorbed 9 van dragermateriaal 3 dat voorzien is van een biofilm 10.

Indien het afvalgas te veel toxische componenten bevat worden deze voorafgaand aan de introductie in de reactor verwijderd uit het gas. De gasdruk in het reactorvat 2 kan indien gewenst op een druk hoger dan de atmosferische druk gebracht worden.

BE2017/5250

Het reactorbed 9 wordt onderaan tegengehouden door een structuur 4 in het reactorvat 2, en wordt bovenaan uniform bevochtigd met proceswater 20 dat via de sproei-installatie 19 bovenop het reactorbed wordt gesproeid.

De structuur 4 bevat onderaan een extractiesysteem waardoor het gedragen dragermateriaal uit de reactor 2 kan geëxtraheerd worden en bevat bovenaan een verdeelsysteem om nieuw dragermateriaal 3 in te voeren.

Op het dragermateriaal 3 bevindt zich een biofilm 10 die bestaat uit een mengcultuur van micro-organismen die het opstijgende afvalgas 7 als substraat en koolstofbron gebruiken en het neerdruppelende proceswater 20 gebruiken 15 als bron van nutriënten voor de biologische productie van koolstofhoudende vloeibare of oplosbare producten en biomassa door gasfermentatie.

De dikte van de biomassa wordt gemeten door het 20 dragermateriaal te bemonsteren via staalnamepoorten 31 op meerdere hoogten van het reactorvat 2. Onderaan het reactorbed 9 kan via een extractiesysteem 30 dragermateriaal 3 begroeid met biomassa verwijderd worden, terwijl bovenaan het reactorbed kan bijgevuld worden met 25 nieuw draagmateriaal 3, al dan niet geïnoculeerd met microorganismen .

Het gas 7 dat door het reactorbed 9 is gestroomd, kan opgezuiverd worden in een module voor gaszuivering 16. Deze 30 zuivering kan onder andere inhouden dat waterdamp uit het gas verwijderd moet worden, of dat een gevormd gasvormig

BE2017/5250 reactieproduct afgescheiden moet worden.

Gas met onvoldoende beoogd reactieproduct of gas waarvan het substraat (CO2, CO, CHk) onvoldoende verbruikt is, kan ook gehercirculeerd worden waarbij de kwaliteit van dit gehercirculeerde gas gecontroleerd wordt door een module voor kwaliteitscontrole 14 die de samenstelling van het toegevoerde her-gecirculeerde gas aanpast op basis van de gemeten samenstelling.

De gevormde vloeibare of oplosbare koolstofhoudende producten komen in het proceswater 20 terecht. Het proceswater 20 bevat een lage hoeveelheid zwevende stof en biomassa omdat de biomassa efficiënt op het dragermateriaal wordt vastgehouden in de vorm van een biofilm 10.

Het proceswater 20 wordt via de afvoer 21 naar de module voor product zuivering 22 gevoerd, die bij een voldoend hoog gehalte aan gewenste reactieproducten, het proceswater 20' zal doorsturen naar een module voor aanrij king 23 van het gewenste eindproduct, waarna het eindproduct voor toepassing beschikbaar is.

De module voor aanrij king 23 van het eindproduct maakt gebruik van een geschikte afscheidingstechniek, zoals bijvoorbeeld membraanscheiding, solventextractie of destillatie, en resulteert in een product, dat indien nodig nog verder opgezuiverd kan worden tot de gewenste kwaliteit. Deze additionele zuiveringsstap kan ook een verdere biologische omzetting in een tweede bioreactor behelzen.

BE2017/5250

Alternatief kan het proceswater 20 zonder voorafgaande aanrij king van het eindproduct rechtstreeks naar een in serie geplaatste bioreactor gestuurd worden waarin dan een biologische omzetting van het proceswater 20 tot een gewenst eindproduct gebeurt.

De module voor productzuivering 22 zal eindproduct verwijderen uit het proceswater 20 tot de minimumconcentratie die met de gekozen opzuiveringstechniek kan bekomen worden, bereikt is, waarna het proceswater 20 doorgestuurd wordt naar de externe hercirculatiekringloop 24 die het proceswater 20 achtereenvolgens door een module voor temperatuurs-controle 25 en een module voor pH-controle 26 voert.

In de module voor temperatuurscontrole wordt de temperatuur van het proceswater 20 met behulp van een warmtewisselaar 27 op de gewenste procestemperatuur gebracht. In de module voor pH-controle wordt het proceswater op de gewenste pH voor toevoer aan het reactorvat 2 gebracht, door het toevoegen van een zuur 28 of een base 29. Tevens worden eventueel nutriënten voor de micro-organismen toegevoegd, of wordt vers water bijgevoegd, indien er teveel water door verdamping verloren werd. Het proceswater 20 kan nu opnieuw ingevoerd worden via de invoer 18 naar de sproeiinstallatie 19 voor hercirculatie.

Indien de module voor productzuivering 22 een overschot aan proceswater detecteert, wordt het teveel als afvalwater afgevoerd.

De poriëngrootte in het reactorbed 9 kan afnemen door de

BE2017/5250 proliferatie van de biofilm 10, waardoor een deel van de het dragermateriaal 3 met biomassa via een extractiesysteem 30 verwijderd dient te worden. Deze verwijdering kan ook nodig zijn om de verblijftijd van de biomassa in het reactorvat 2 te sturen of om de biomassa te oogsten.

Hierna wordt nieuw, al dan niet vooraf geïnoculeerd, dragermateriaal bovenop het reactorbed 9 toegevoegd.

De aanwezige lichtbronnen 32 in het reactorvat 2 belichten de biofilm 10 op het dragermateriaal 3 met een specifieke golflengte of frequentie, in het geval dat het afvalgas 7 middels biologische, foto-katalytische omzettingen omgevormd moet worden.

Het afvalgas 7, dat door de micro-organismen wordt omgezet naar organische koolstofverbindingen wordt bij voorkeur in tegenstroom onderaan in de reactor geblazen. De verblijftijd van het gas in het reactorbed 9 bepaalt de contacttijd tussen de gasfase en de vloeistoffase. Samen met de operationele druk bepaalt dit de overdrachtsefficiëntie van het gas. Indien gewenst kan, om de verblijftijd van het gas in de reactor te verhogen, het gas gehercirculeerd worden via de externe hercirculatiekringloop 12.

Het afvalgas	7	of procesgas kan	verschillen	in
samenstelling,	maar	bevat minstens CO,	C0₂	of	CH4	als
koolstofbron voor de	micro-organismen. Bronnen	van	dit	gas
kunnen, onder	andere,	, zonder andere bronnen	uit	te	sluiten,

zijn: biogas, gassen bekomen door het pyrolyseren van biomassa, gassen bekomen door het pyrolyseren van gemengd

BE2017/5250 afval, uitlaatgassen van de staalproductie, uitlaatgassen van energieproductiefaciliteiten, uitlaatgassen van bioethanolproductie of andere fermentâtieprocessen, uitlaatgassen van de cementindustrie.

Indien het doseren van waterstofgas nodig blijkt, kan dit door middel van elektrolyse van water worden aangemaakt.

Toxische componenten dienen tot beneden de toxiciteitsgrens voor de aangerijkte micro-organismen vooraf uit het 10 afvalgas verwijderd te worden. Indien een anaëroob proces plaatsvindt in de reactor is zuurstof een toxische component.

Deze uitvinding maakt gebruik van een mengcultuur van 15 micro-organismen, die eventueel vooraf aangerijkt kan zijn uit een natuurlijke bron. Deze micro-organismen kunnen afvalgas gebruiken als koolstofbron voor hun groei. De optimale procestemperatuur voor de micro-organismen is mesofiel, thermofiel of superthermofiel, afhankelijk van de 20 aanrij king. De pH van het proces wordt gestuurd om optimaal te zijn voor de gekozen micro-organismen en het geselecteerde proces.

Het spreekt vanzelf dat variaties in de gebruikte 25 inrichting voor biologische gasfermentatie mogelijk zijn.

Zo kan het reactorbed bestaan uit meerdere cilindrische reactorbedden, en kunnen deze reactorbedden roteren rond bijvoorbeeld hun verticale as.

Zo kan ook de sturing van de hercirculatie-kringloop van proceswater en van de hercirculatiekringloop van het

BE2017/5250 afvalgas geautomatiseerd worden en door een elektronische stuureenheid worden bestuurd, waarbij rekening wordt gehouden met meerdere meetgegevens in het proces, zoals de pH, de temperatuur, de operationele druk, de samenstelling 5 van gas, proceswater, en gevormde gasvormige, vloeibare of oplosbare koolstofverbindingen.

De huidige uitvinding is voorbeeld beschreven en uitvoeringsvorm, doch een geenszins beperkt in de figuren tot de als weergegeven dergelijke werkwijze voor de productie van gasvormige, vloeibare of opgeloste organische koolstofverbindingen en een inrichting voor het toepassen van deze werkwijze kunnen volgens verschillende varianten worden verwezenlijkt zonder buiten het kader van de uitvinding te treden, zoals die in de volgende conclusies is beschreven.

BE2017/5250

Claims

Conclusies .

1.- Werkwijze voor de productie van gasvormige, vloeibare

5 of opgeloste organische koolstofverbindingen via gasfermentatie door micro-organismen daardoor gekenmerkt dat ze volgende stappen omvat:

- het inoculeren van het oppervlak van een dragermateriaal

10 (3) in een TF-reactor (2) met de gewenste micro-organismen vóór aanvang van de reactorwerking;

- het op de gewenste temperatuur en druk brengen van de TFreactor ( 2 ) ;

- het op de gewenste temperatuur en pH brengen van het proceswater (20), zijnde een nutriëntenoplossing specifiek samengesteld voor de gebruikte fermenterende microorganismen;

- het gelijkmatig sproeien van het proceswater (20)bovenop de bovenkant van het geïnoculeerde dragermateriaal-bed (9);

- het injecteren in de onderkant van de TF-reactor(2) van

25 een gasstroom afvalgas (7) of om te zetten gas in de reactor bij de gewenste druk en temperatuur;

- het hercirculeren van het proceswater (20) dat in het onderste gedeelte (5) van de reactor wordt opgevangen via

30 een externe hercirculatiekringloop (24);

BE2017/5250

- het benutten van de hercirculatiekringloop (24) voor het afscheiden van de gevormde vloeibare organische koolstofverbindingen zoals ethanol, korte- en middellangeketen carbonzuren of nog andere door de micro-organismen gevormde koolstofverbindingen door middel van een gepaste scheidingstechniek;

- het benutten van de hercirculatiekringloop (24) voor het continu meten van de temperatuur (25) en de pH (26) van het proceswater, en het zo nodig bij sturen ervan door verwarmen en toevoegen van zuur (28) of base (29);

- het toevoegen via de hercirculatiekringloop (24) van meer water en nutriënten aan het proceswater om te compenseren voor verdamping en consumptie;

- het toevoegen via de hercirculatiekringloop (24) van meer micro-organismen indien meer inoculatie nodig is;

- het optioneel hercirculeren van het gas (7) na doorgang door de reactor (2) via een externe hercirculatiekringloop voor gas (15);

- het optioneel meten (14) van de samenstelling van het te hercirculeren gas en zo nodig het bijsturen van de samenstelling ervan door een aanpassing van de gastoevoer;

~ het nemen van stalen van het dragermateriaal al dan niet voorzien van biofilm (10), via staalnamepoorten (31) die op regelmatige afstand van elkaar, in de buitenwand van de reactor (2) voorzien zijn, om de dikte en samenstelling van

BE2017/5250 de biofilm (10) op elke hoogte te bepalen;

- het desnoods verwijderen van dragermateriaal (3) begroeid met biomassa via een extractiesysteem (30) onderaan de TFreactor en toevoegen van nieuw dragermateriaal (3) al dan niet geïnoculeerd met micro-organismen.

- het verder opzuiveren van de door de micro-organismen gevormde verbindingen in het proceswater (20) dat zich verzamelt in het onderste gedeelte (5) van de TF-reactor (2) dat vrij is van materiaal, door een gepaste scheidingstechniek (22) zoals een membraanscheiding, solventextractie, centrifugatie of distillatie of een andere gepaste scheidingstechniek.

- optioneel het opzuiveren in een bijkomende zuiveringsstap (23) tot een bruikbaar opgeconcentreerd eindproduct.
2.- Werkwijze volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat in de hercirculatiekringloop (24) van het proceswater (20) volgende processtappen plaatsvinden:

- de scheiding van het product uit het proceswater (20);

- het monitoren van de temperatuur (25) en pH (26) van het proceswater ;

het opwarmen van het proceswater tot de gewenste reactortemperatuur;

het toevoegen van extra water en nutriënten aan de

BE2017/5250 procesvloeistof (20) indien deze door respectievelijk verdamping en consumptie door de micro-organismen in onvoldoende mate aanwezig zijn;

het toevoegen van extra micro-organismen aan de procesvloeistof (20) om additionele inoculatie van het dragermateriaal te bekomen;

- het corrigeren van de pH van het proceswater door middel van bij-dosering van zuur (28) of base (29);

het optioneel toevoegen van hulpstoffen via de proceswaterstroom.
3.- Werkwijze volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat in de externe gashercirculatiekringloop (15) volgende processtappen kunnen gebeuren :

- het meten van de druk, temperatuur en samenstelling van het gas (14) na doorgang door de reactor;

het zuiveren van gas (16) met voldoende gasvormig reactieproduct en het afscheiden van het reactieproduct;

- het op de gewenste druk, temperatuur en samenstelling brengen (14) van gas met onvoldoende of geen gasvormig reactieproduct voor herinvoer in het reactorvat (2);

- het herinvoeren (8) van het op samenstelling gebrachte gas in de reactor.

BE2017/5250

4 . Werkwij ze volgens conclusie 1, daardoor gekenmerkt dat het afvalgas (7) of om te zetten gas minstens CO, CO2 of CH/i bevat als koolstofbron voor de micro-organismen.
5 5.“ Inrichting (1) voor de productie van vloeibare of opgeloste organische koolstofverbindingen via biologische gasfermentatie die de werkwijze, volgens één van de voorgaande conclusies toepast, daardoor gekenmerkt dat de inrichting ten minste een verticaal opgesteld cilindrisch

10 reactorvat (2) omvat, dat voorzien is van ten minste één reactorbed (9) van dragermateriaal (3) met een biofilm (10) van micro-organismen, en van een sproei-installatie (19) bovenaan in het reactorvat (2) voor het besproeien van het reactorbed (9) met proceswater (20), en voorzien is van een 15 afvoer voor proceswater (21) onderaan in het reactorvat (2) voor het afvoeren van doorgelopen proceswater (20), en bovendien voorzien is van een gastoevoer (8) onderaan in het reactorvat (2) voor het invoeren van afvalgas (7) of om te zetten gas, en van een gasafvoer (11) van het door het 20 reactorbed gevoerde gas bovenaan in het reactorvat (2).
6.- Inrichting volgens conclusie 5, daardoor gekenmerkt dat de gasafvoer (11) verbonden is met een externe hercirculatiekringloop (12) voor gas aangedreven door een 25 hercirculat iepomp (13) die het gas door een module voor kwaliteitscontrole (14) voert die het gas indien nodig op de gewenste druk, temperatuur en samenstelling brengt voor herinvoer in het reactorvat (2) via toevoerleiding (15) en de gasinvoer (8).

BE2017/5250
7, - Inrichting volgens conclusie 5, daardoor gekenmerkt dat de gasafvoer (11) verbonden is met een een module voor gaszuivering (16), die het gas zuivert tot het klaar is voor toepassing (17).
8. - Inrichting volgens conclusie 5 daardoor gekenmerkt dat de afvoer voor proceswater (21) onderaan in het reactorvat verbonden is met een module voor product zuivering (22), die enerzijds verbonden is met een module voor aanrij king (23) van het gewenste eindproduct, om het eindproduct klaar te maken voor toepassing, en anderzijds verbonden is met een externe hercirculatie-kringloop (24) van het proceswater 20, die het proceswater (20) achtereenvolgens door een module voor druk- en temperatuurscontrole (25) en een module voor pH-controle (26) voert, vooraleer het proceswater (20) via de invoer (18) voor proceswater (20) weer toegevoerd wordt aan de sproei-installatie (19) bovenaan het reactorvat 2.
9.- Inrichting volgens conclusie 8, daardoor gekenmerkt dat de module voor druk- en temperatuurscontrole (25) is voorzien van een warmtewisselaar (27) waarmee het proceswater (20) op de gewenste temperatuur kan gebracht worden.
10.- Inrichting volgens conclusie 8, daardoor gekenmerkt dat de module voor pH-controle (26) voorzien is van een toevoer van zuur (28) en een toevoer van base (29) om het proceswater (20) op de gewenste pH te brengen.
11.- Inrichting volgens conclusie 5, daardoor gekenmerkt

BE2017/5250 dat het reactorvat (2) voorzien is van een extractiesysteem (30), waarmee dragermateriaal (3) begroeid met biomassa in de biofilm (10) uit het reactorvat (2) verwijderd kan worden of nieuw dragermateriaal (3) kan toegevoegd worden 5 al dan niet geïnoculeerd met nieuwe micro-organismen.
12.- Inrichting volgens conclusie 5, daardoor gekenmerkt dat het reactorvat (2) voorzien is van staalnamepoorten (31) die in de buitenwand van het reactorvat (2) zijn 10 aangebracht op regelmatige afstand van elkaar, die toelaten de dikte en samenstelling van de biofilm (10) op meerdere hoogten van het reactorvat (2) te bepalen.
13. - Inrichting volgens conclusie 5, daardoor gekenmerkt 15 dat het reactorvat (2) of de dragende structuur (4) voorzien is van lichtbronnen (32), voor kunstmatige verlichting van het dragermateriaal (3) met biofilm (10) met een specifieke licht-golflengte voor fotokatalytische omzetting van het om te zetten gas (7).
14. - Inrichting volgens conclusie 5, daardoor gekenmerkt dat een elektronische stuureenheid de hercirculatiekringloop (24) van proceswater (20) en de externe hercirculatiekringloop (12) voor gas stuurt waarbij de

25 stuureenheid rekening houdt met meerdere meetgegevens in het fermentatieproces, zoals de pH, de temperatuur, de operationele druk, de samenstelling van het gas en het proceswater, en de hoeveelheid gevormde vloeibare of oplosbare koolstofverbindingen.

BE2017/5250

Werkwijze voor de productie van gasvormige, vloeibare of opgeloste organische koolstofverbindingen via gasfermentatie.

BE2017/5250

De uitvinding betreft een werkwijze voor de productie van gasvormige, vloeibare of opgeloste organische koolstofverbindingen via gasfermentatie door microorganismen die geïncoleerd op het oppervlak van een dragermateriaal (3) in een Trickling Filter (TF)-reactor waarin ze op de gewenste temperatuur en druk gebracht worden en aan de bovenkant besproeid worden met proceswater (20), zijnde een specifieke nutriëntenoplossing en onderaan geïnjecteerd worden met een gasstroom (7) van om te zetten gas, waarbij het proceswater gehercirculeerd wordt in een externe hercirculat iekringloop en het gas optioneel gehercirculeerd wordt na doorgang door de reactor via een externe hercirculatiekringloop.