CZ23561U1

CZ23561U1 - Apparatus for acetone-butanol fermentation with pervaporation module

Info

Publication number: CZ23561U1
Application number: CZ201125413U
Authority: CZ
Inventors: Vána@Jaroslav; Ustak@Sergej
Original assignee: Výzkumný ústav rostlinné výroby, v.v.i.
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2012-03-20

Description

Zařízení pro aceton - butanolovou fermentaci s pervaporačním modulemApparatus for acetone - butanol fermentation with pervaporation module

Oblast technikyTechnical field

Řešení se týká zařízení pro aceton - butanolovou fermentaci s pervaporačním modulem umožňujícím kontinuální oddělování produktu fermentace z fermentoru. Toto řešení vzniklo s podporou projektu č. QH 81265 „Zpracovaní biomasy pro energetické a technické využití v biorafinérii“. Dosavadní stav technikyThe invention relates to an apparatus for acetone-butanol fermentation with a pervaporation module allowing continuous separation of the fermentation product from the fermenter. This solution was created with the support of project No. QH 81265 "Processing of biomass for energy and technical use in bio-refinery". BACKGROUND OF THE INVENTION

Aceton - butanolová fermentace je postup výroby motorových biopaliv a rozpouštědel z organických biodegradovatelných materiálů. Jde o anaerobní fermentaci prováděnou některými baktériemi rodu Clostridium v tekutém prostředí bohatém na sacharidy při čemž získaný produkt může být přidáván do motorových benzinových směsí až v desetiprocentní koncentraci bez nutnosti modifikace motoru. Zásadní problém aceton - butanolové fermentace spočívá v tom, že produkovaný butanol v koncentracích vyšších než 20 g.l'¹ rozpouští biologické membrány mikroorganismů a tak fermentační proces zastavuje. Proto je nutno fermentační produkty aceton - butanolové fermentace z kultivačního média průběžně odstraňovat neboje možné z důvodu produktové inhibice zvolit vsádkové uspořádání procesu s nižší koncentrací mikroorganismů ve fermentoru a s následnou energeticky náročnou destilací produktů. Nevýhodou tohoto způsobu je nízká produktivita procesu a vysoká koncentrace zbytkového substrátu. Další možností uspořádání fermentační ho procesu je, že fermentor nejprve pracuje vsádkově s nízkou koncentrací substrátu v malém množství vsádky a až v průběhu fermentace se začne dávkovat koncentrované médium. Ale i takto uspořádaný kultivační proces s přítokem substrátu eliminuje inhibici butanolem jen částečně a pro praktické využití se neobejde bez průběžného odstraňování produktů fermentace.Acetone - butanol fermentation is a process for the production of motor biofuels and solvents from organic biodegradable materials. It is an anaerobic fermentation carried out by some bacteria of the genus Clostridium in a carbohydrate-rich liquid medium, and the product obtained can be added to the gasoline blends up to 10% without the need for engine modification. The major problem of acetone-butanol fermentation is that the butanol produced at concentrations above 20 g / ^l dissolves the biological membranes of microorganisms and thus stops the fermentation process. Therefore, the acetone-butanol fermentation fermentation products must be continuously removed from the culture medium or, due to product inhibition, a batch process arrangement with a lower concentration of microorganisms in the fermenter and subsequent energy-intensive distillation of the products can be selected. The disadvantage of this method is low process productivity and high concentration of residual substrate. Another possibility of organizing the fermentation process is that the fermenter first works batchwise with a low substrate concentration in a small batch amount and only during the fermentation the concentrated medium is dosed. However, even the culture-fed cultivation process with substrate feed eliminates butanol inhibition only partially and, for practical use, the continuous removal of fermentation products is not possible.

K odstraňování produktů aceton - butanolové fermentace se používá řada metod. Pri stripování dusíkem v průběhu aceton - butanolové fermentace dochází často k poškozování bakteriální kultury, proto je výhodnější používat ke stripování kvasný plyn. Nevýhodou stripování je velká energetická spotřeba při kondenzaci par a nemožnost dosáhnout vyšší koncentraci produktu než 8 obj. %.A number of methods are used to remove acetone-butanol fermentation products. When stripping with nitrogen during acetone-butanol fermentation, bacterial culture is often damaged, so it is preferable to use fermentation gas for stripping. The disadvantage of stripping is the high energy consumption during condensation of vapors and the impossibility to achieve a product concentration higher than 8% by volume.

Další metodou pro získání produktů z fermentováného média je extrakce oleyl alkoholem nebo methylovaným palmovým olejem. Nevýhodou tohoto způsobuje složité uspořádání fermentačního zařízení, které musí být doplněno externím extraktorem. Částečná toxicita extraktantu bývá zpravidla omezována imobilizaci mikroorganismů na matrici. Nedostatky extrakční metody částečně odstraňuje petrakční způsob, který spočívá v oddělení kultivačního média od extraktantů petrakční membránou. Nevýhodou tohoto postupu je nerovnoměrné odstraňování produktů upřednostňující butanol, při čemž aceton a etanol zůstávají v kultivačním médiu.Another method for obtaining products from the fermented medium is by extraction of oleyl with alcohol or methylated palm oil. The disadvantage of this method is the complicated arrangement of the fermenter, which must be supplemented by an external extractor. The partial toxicity of the extractant is generally limited by the immobilization of microorganisms on the matrix. The drawbacks of the extraction method are partially eliminated by the petrification process, which consists in separating the culture medium from the extractants through the petrification membrane. A disadvantage of this process is the uneven removal of butanol-favored products, with acetone and ethanol remaining in the culture medium.

Dalším způsobem je odstraňování produktů z kultivačního média adsorpcí na silikáty, pri čemž desorpce se provádí sekvenčním zahříváním až na teplotu 200 °C. Tato metoda sice poskytuje na výstupu až 80% roztok produktů, ale je energeticky náročná a zařízení pro kontinuální fermentaci s využitím tohoto způsobu odstraňování produktů je investičně i provozně náročné. Ve fázi experimentů se nachází způsob odstraňování produktů z kultivačního média pomocí plochých polymerních membrán na bázi silikonu s imobilizovaným polypropylen - oleyl alkoholem v pórech membrány. Nevýhodou tohoto řešení je závislost produkce na ploše membrány, která je v kontaktu s fermentačním médiem a postupné zanášení povrchu membrán složkami fermentačního média a to jak pri vakuové pervaporaci, tak i pri pervaporaci do nosného plynu.Another method is to remove products from the culture medium by adsorption onto silicates, wherein desorption is carried out by sequential heating up to 200 ° C. While this method provides up to 80% product solution at the outlet, it is energy intensive and the continuous fermentation apparatus utilizing this product removal method is both investment and operationally demanding. In the experiments phase, there is a process for removing products from the culture medium using silicone-based flat polymeric membranes with immobilized polypropylene-oleyl alcohol in the pores of the membrane. The disadvantage of this solution is the dependence of the production on the area of the membrane, which is in contact with the fermentation medium and the gradual clogging of the membrane surface with the components of the fermentation medium during both vacuum pervaporation and pervaporation into the carrier gas.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Výše uvedené nedostatky stávajících způsobů oddělování produktů aceton - butanolové fermentace od fermentačního média snižuje a odstraňuje zařízení pro aceton - butanolovou fermentaci s pervaporačním modulem. Toto zařízení se vyznačuje tím, že část pervaporačního modulu je tvořena hadicí ze silikonové membrány, která je spirálovitě vedena po vnitřním plášti válcovitéCZ 23561 Ul ho fermentoru a její povrch je v kontaktu s fermentačním médiem. Zanášení povrchu membrány omezují rotující kartáče upevněné na horizontálních ramenech míchadla. Hadice ze silikonové membrány ústí do příruby pro výstup permeátu, která je spojena s chladičem na který navazuje zásobník permeátu. Inertní plyn, který pervaporačním modulem prochází, vstupuje vstupní příru5 bou do silikonové hadice a z chladiče je recyklován přes plynové čerpadlo zpět do vstupní příruby při čemž připouštěcí ventil umožňuje připouštění čerstvého inertního plynu.The above drawbacks of existing methods of separating the acetone-butanol fermentation products from the fermentation medium reduce and eliminate the acetone-butanol fermentation apparatus with a pervaporation module. This device is characterized in that a part of the pervaporation module is formed by a silicone membrane hose which is spirally guided on the inner shell of a cylindrical CS 23561 U1 fermenter and its surface is in contact with the fermentation medium. Rotating brushes mounted on horizontal stirrer arms reduce the clogging of the membrane surface. The silicone membrane hose opens into a permeate outlet flange which is connected to a condenser to which the permeate reservoir is connected. The inert gas passing through the pervaporation module enters the silicone hose through the inlet port and is recycled from the condenser through the gas pump back to the inlet flange while the inlet valve allows the admission of fresh inert gas.

Fermentační produkty z fermentačního média prostupují z vnější části silikonové hadice do vnitřní části hadice, kde jsou unášeny proudícím inertním plynem až do chladiče, kde kondenzují do zásobníku permeátu. Celé zařízení pracuje kontinuálně s nízkými energetickými nároky a není io zapotřebí zhotovovat externí extraktor nebo podobné externí zařízení k odstraňování produktů z kultivačního média.Fermentation products from the fermentation medium pass from the outside of the silicone hose to the inside of the hose where they are carried by the flowing inert gas to the condenser where they condense into the permeate reservoir. The whole plant operates continuously with low energy requirements and there is no need to make an external extractor or similar external device to remove products from the culture medium.

Přehled obrázku na výkresuOverview of the figure in the drawing

Zařízení podle technického řešení je blíže osvětleno na schematickém výkresu na obr. 1. Kruhovou šipkou je značen směr otáčení hřídele. Následující příklad provedení technické řešení pouze dokládá, aniž by ho jakkoliv omezoval.The apparatus according to the invention is explained in more detail in the schematic drawing of FIG. 1. The direction of rotation of the shaft is indicated by a circular arrow. The following example illustrates the technical solution without limiting it in any way.

Příklad provedeníExemplary embodiment

Zařízení pro aceton - butanolovou fermentaci s pervaporačním modulem obsahující anaerobní fermentor válcového tvaru 1, s dvojitým pláštěm 2 a s přírubou pro vstup 3 a výstup 4 teplonosné kapaliny a tepelným výměníkem pro ohřev teplonosné kapaliny 5 a s oběhovým čerpadlem teplo20 nosné kapaliny 18, při čemž anaerobní fermentor I je vybaven uzavíracími ventily pro vstup 6 a výstup 7 fermentovaného média a přetlakovým ventilem pro výstup fermentacních plynů 8 a míchadlem - s horizontálními rameny 9 a zařízení se vyznačuje tím, že pervaporační modul je tvořen hadicí ze silikonové membrány 10 spojující přírubu pro vstup inertního plynu 12 s přírubou pro výstup permeátu F3, která je spirálovitě vinutá 11 po vnitřním plášti fermentoru a je v kontaktu s rotujícími kartáči 19 upevněnými na horizontálních ramenech míchadla 9 a příruba pro výstup permeátu 13 je spojena s chladičem 14, propojeným se zásobníkem permeátu 17 a plynovým čerpadlem inertního plynu F5, které je spojeno s přírubou pro vstup inertního plynu J_2 plynovým potrubím 20 do kterého ústí připouštěcí potrubí čerstvého inertního plynu vybavené pripouštěcím ventilem 16.Apparatus for acetone-butanol fermentation with a pervaporation module comprising an anaerobic cylindrical fermenter 1, with a double jacket 2 and a flange for the inlet 3 and outlet 4 of the heat transfer fluid and heat exchanger to heat the heat transfer fluid 5. 1 is equipped with shut-off valves for inlet 6 and outlet 7 of fermented medium and a pressure relief valve for outlet of fermentation gases 8 and a stirrer with horizontal arms 9 and the device is characterized in that the pervaporation module consists of a silicone membrane hose 10 connecting the flange for inert gas inlet 12 with a permeate outlet flange F3 that is spirally wound 11 over the inner fermenter shell and is in contact with the rotating brushes 19 mounted on the horizontal stirrer arms 9 and the permeate outlet flange 13 is connected to a cooler 14 connected to the reservoir permeate 17 and an inert gas gas pump F5, which is connected to the inert gas inlet flange 12 through a gas line 20 into which a fresh inert gas inlet line equipped with a inlet valve 16 opens.

Pro laboratorní výzkum byl sestaven 4 litrový fermentor, jehož pervaporační modul byl tvořen hadicí ze silikonové membrány o délce 5 m, s vnějším průměrem 5 mm a vnitřním průměrem 2 mm, průtokem dusíku 120 l.h'¹ a teplota kondenzace byla 30 °C. Pri provedeném experimentu bylo použito inokulum Clostridium acetobutylicum ATCC 824 doplněné na 1 1 inokula 0,5 g KH2PO4, 0,5 g K2HPO4, 0,2 g MgSO₄.7 H₂O, 3,5 g octanu amonného a 0,1 g FeSO₄, Jako sub35 strát byl použit hydro lyzát pšeničné slámy o sušině 10 % a fermentace probíhala při teplotě 37 °C. Na 1 kg sušiny vsázky bylo zařízením pro aceton - butanolovou fermentaci s pervaporačním modulem podle technického řešení získáno 45,2 g butanolu a 60,6 g celkového fermentaěního produktu tj. včetně acetonu a etanolu.For laboratory research, a 4 liter fermenter was constructed, the pervaporation module of which was a 5 m long silicone membrane hose with an outer diameter of 5 mm and an inner diameter of 2 mm, a nitrogen flow rate of 120 l.h ^-1 and a condensation temperature of 30 ° C. In the experiment carried out using an inoculum of Clostridium acetobutylicum ATCC 824 1 1 supplemented inoculum 0.5 g KH2PO4, 0.5 g K2HPO4, 0.2 g MgSO ₄ .7 H ₂ O, 3.5 g of ammonium acetate and 0.1 g FeSO ₄ , wheat straw lysate of 10% solids was used as sub35 losses and the fermentation was carried out at 37 ° C. According to the invention, 45.2 g of butanol and 60.6 g of the total fermentation product, i.e. including acetone and ethanol, were obtained per 1 kg of the batch solids by means of an acetone-butanol fermentation apparatus with a pervaporation module.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Zařízení umožňuje přípravu butanolu a acetonu z hydrolyzované biomasy v biorafineriích. Zejména je vhodné pro biorafinerie s kontinuálním provozem.The equipment enables preparation of butanol and acetone from hydrolyzed biomass in biorefineries. It is particularly suitable for continuous operation biorefineries.

Claims

Claims for

PROTECTION

An apparatus for acetone-butanol fermentation with a pervaporation module comprising an anaerobic fermenter of cylindrical shape (1), with a double jacket (2) and a flange for the inlet (3) and outlet (4) of the heat transfer fluid and heat exchanger for heating the heat transfer fluid (5) and circulating with a heat transfer fluid pump (18), wherein the anaerobic fermenter (1) is equipped with shut-off valves for inlet (6) and outlet (7) of the fermented medium and a pressure relief valve for outlet of fermentation gases (8) and agitator with horizontal arms (9). and a device, characterized in that the pervaporation module is formed by a hose of silicone membrane (10) connecting the flange for the inert gas inlet (12) with the permeate outlet flange (13) which is spirally wound (11) on the inner shell of the fermenter; is in contact with the rotating brushes (19) mounted on the horizontal stirrer arms (9) and the permeate outlet flange (13) is connected a condenser (14) connected to a permeate reservoir (17) and an inert gas gas pump (15) which is connected to the inert gas inlet flange (12) by a gas line (20) into which a fresh inert gas inlet pipe equipped with an inlet valve (16).