DD227444A1

DD227444A1 - INTEGRATED WATER PUMP PROCESS FOR TECHNICAL PROCESSES OF BIOSYNTHESIS

Info

Publication number: DD227444A1
Application number: DD26798984A
Authority: DD
Inventors: Hans-Georg Hemmann; Klaus Puechner; Werner Pfennig; Heike Ackermann; Max Pannach; Dieter Rosenheinrich
Original assignee: Inst Tech Mikrobiologie
Priority date: 1984-10-04
Filing date: 1984-10-04
Publication date: 1985-09-18

Abstract

Die Erfindung betrifft die Integration eines Waermepumpenprozesses in technische Verfahren der Biosynthese zur Ausnutzung der Reaktionswaerme der im Temperaturbereich von 30 bis 50C ablaufenden Fermentationsprozesse mittels Waermepumpe unter Ausnutzung der dabei aufgewerteten Waerme zur Aufkonzentrierung des Fermentorablaufes. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine energetische Schaltung zu entwickeln, um den Biosynthese- und Waermepumpenprozess so zu koppeln, dass der apparative Aufwand sowie die beim Waermeuebergang auftretenden Triebkraftverluste gering gehalten werden. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass der Waermeuebertrager des Fermentors gleichzeitig als Verdampfer und Ueberhitzer fuer das Arbeitsmittel der Waermepumpe und der Waermeuebertrager zur Vorwaermung des Fermentorablaufes sowie die Eindampfanlagen zur Aufkonzentrierung der Biomasse gleichzeitig als Kondensatoren fuer das Arbeitsmittel der Waermepumpe dienen. Der Waermepumpenprozess wird in einem Druckbereich von 0,1 bis 2,0 MPa, vorzugsweise 0,7 bis 2,0 MPa und einem Temperaturbereich von 33 bis 195C, vorzugsweise bei 13 bis 135C, unter Verwendung von Ammoniak oder einem anderen Stoff als Arbeitsmittel durchgefuehrt.The invention relates to the integration of a heat pumping process into technical processes of biosynthesis for utilizing the heat of reaction of the fermentation processes taking place in the temperature range from 30 to 50C by means of a heat pump, utilizing the heat thereby upgraded to concentrate the fermenter effluent. The invention has for its object to develop an energetic circuit to couple the biosynthesis and heat pumping process so that the expenditure on equipment and the engine power loss occurring during heat transfer are kept low. According to the invention, the object is achieved by simultaneously using the heat transfer medium of the fermenter as evaporator and superheater for the working medium of the heat pump and the heat transfer medium for preheating the fermenter effluent and the evaporation plants for concentrating the biomass as condensers for the working medium of the heat pump. The heat pumping process is carried out in a pressure range of 0.1 to 2.0 MPa, preferably 0.7 to 2.0 MPa and a temperature range of 33 to 195C, preferably 13 to 135C, using ammonia or other material as the working fluid ,

Description

Integrierter Wärmepumpenprozeß für technische Verfahren der BiosyntheseIntegrated heat pump process for technical processes of biosynthesis

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung der bei Fermentationsprozessen oder bestimmten chemischen Reaktionen anfallenden großen Wärmemengen mit einem niedrigen Temperaturniveau zur thermischen Bearbeitung der anfallenden Reaktionsprodukte« Die Erfindung ist in die IPK F 25 B und C 12 N einzuordnen»The invention relates to a method for using the large amounts of heat produced during fermentation processes or certain chemical reactions with a low temperature level for the thermal processing of the resulting reaction products. "The invention must be classified in the IPK F 25 B and C 12 N"

Characteristic of known solutions

Es ist allgemein bekannt, daß Fermentationsprozesse bei einer Temperatur zwischen 25 und 55 ⁰C ablaufen und dabei insbesondere bei aeroben Fermentationsprozessen zur Massenzüchtung von Mikroorganismen beträchtliche Wärmemengen freigesetzt werden. Diese Wärme, die bei einem niedrigen Temperaturniveau anfällt, wird in technischen Anlagen mittels Kühlmedium, das seine Wärme in Kühleinrichtungen an die Umgebung abgibt, abgeführt. Bei diesem Verfahren, das infolge der für den Wärmeübergang nutzbaren Temperaturdifferenzen sehr aufwendig ist, wird die gesamte Wärmemenge an die Umgebung abgegeben und steht folglich für eine technische Nutzung innerhalb des Prozesses nicht mehr zur Verfügung.It is well known that fermentation processes take place at a temperature between 25 and 55 ⁰ C, and are released in particular in aerobic fermentation processes for mass breeding of microorganisms considerable amounts of heat. This heat, which is obtained at a low temperature level, is dissipated in technical systems by means of cooling medium, which gives off its heat in cooling devices to the environment. In this method, which is very expensive due to the usable for the heat transfer temperature differences, the total amount of heat is released to the environment and is therefore no longer available for technical use within the process.

Es wurde auch vorgeschlagen, die in der Fermentation anfallende Reaktionswärme mittels Wärmepumpenprozeß aufzuwerten und innerhalb des Prozesses selbst zur Trocknung der erzeugtenIt has also been proposed to upgrade the heat of reaction obtained in the fermentation by means of a heat pump process and to produce the same within the process itself

Biomasse oder in einem vorgeschalteten Prozeß zur Sterilisation der in der Fermentation eingesetzten Rohstoffe zu verwenden. Dabei wird das Arbeitsmittel der Wärmepumpe direkt durch die Kulturlösung erwärmt und mittels Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau gehoben (DE-OS 2512950), Von Nachteil ist jedoch bei diesem Verfahren, daß das Arbeitsmittel seine ¥ärme nicht unmittelbar an den zu beheizenden Prozeß abgibt, sondern daß dafür ein spezieller Wärmeträger vorgesehen ist, wodurch einerseits das nutzbare Temperaturgefälle verringert wird und andererseits die Aufwendungen infolge des zusätzlichen Wärmekreislaufes erhöht werden.Biomass or in an upstream process to sterilize the raw materials used in the fermentation to use. In this case, the working fluid of the heat pump is heated directly by the culture solution and raised by heat pump to a higher temperature level (DE-OS 2512950), of disadvantage, however, is in this process that the working means his ¥ poor not directly on the process to be heated, but that for a special heat transfer medium is provided, whereby on the one hand the usable temperature gradient is reduced and on the other hand, the expenses are increased due to the additional heat cycle.

Weiterhin wurde vorgeschlagen, die in der Fermentation anfallende Reaktionswärme mittels Wärmepumpenprozeß aufzuwerten und beispielsweise für Gebrauch-Heizzwecke zu nutzen (DD PS 155921), Diese Lösung hat jedoch den Nachteil, daß der Bedarf an Heizmedium jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen ist und deshalb keine kontinuierliche Abnahme erfolgen kann oder die kontinuierliche Wärmeabgabe nach außen an Fremdprozesse von der Stabilität dieser technologischen Systeme abhängt. Andererseits ist auch das Temperaturniveau des Arbeitsmediums, das den Wärmepumpenprozeß verläßt, nicht ausreichend, um es über größere Entfernungen zu transportieren und in herkömmlichen Heizeinrichtungen einzusetzen,It has also been proposed to upgrade the heat of reaction in the fermentation by means of a heat pumping process and to use it, for example for heating purposes (DD PS 155921). However, this solution has the disadvantage that the heating medium requirement is subject to seasonal fluctuations and therefore no continuous decrease can take place or the continuous heat emission to the outside from external processes depends on the stability of these technological systems. On the other hand, the temperature level of the working medium leaving the heat pump process is not sufficient to transport it over long distances and use in conventional heating,

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, durch Nutzung der bei Fermentationen anfallenden Reaktionswärme die Energieverluste bei Biosyntheseprozessen zu senken sowie gleichzeitig die Wärmeabführung aus dem Fermentor zu intensivieren,The aim of the invention is to reduce the energy losses in biosynthesis processes by using the heat of reaction resulting from fermentations and at the same time to intensify the heat removal from the fermenter,

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine energetische Schaltung zu entwickeln, um den an sich bekannten Wärmepumpenprozeß so in den Biosyntheseprozeß zu integrieren, daß die freiwerdende Wärme schnell aus demThe invention is therefore based on the object to develop an energetic circuit to integrate the known heat pump process so in the biosynthesis process that the heat released quickly from the

Fermentor abgeführt, ±m Biosyntheseprozeß genutzt und der zusätzliche Bedarf an Ausrüstungen gering gehalten wird,Removed from the fermenter, used in the biosynthesis process and the additional equipment requirements are kept low,

Erfindiings gemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Verdampfer der Wärmepumpe ohne die übliche Zwischenschaltung eines Kühlwasserkreislaufes direkt als Kühler für die Kulturlösung des Fermentors verwendet wird, indem die Kulturlösung als Heizmittel und das Arbeitsmittel der Wärmepumpe als Kühlmittel dienen. Das Arbeitsmittel der Wärmepumpe, das in flüssiger Form in den Verdampfer eintritt, entzieht der Kulturlösung Wärme und wird dabei verdampft und überhitzt. Der Arbeitsmitteldampf wird mit Hilfe eines dampfbetriebenen Verdichters komprimiert, wobei seine Temperatur spürbar erhöht wird. Dieser Arbeitsmitteldampf wird nunmehr ohne Zwischenschaltung eines Sekundärkreislaufes direkt als Heizmittel zur thermischen Behandlung und Aufkonzentrierung der Kulturlösung eingesetzt, indem der Arbeitsmitteldampf zum Vorwärmen der Kulturlösung auf eine bestimmte Temperatur sowie zum Betreiben der Vakuum-Eindampf-Anlagen verwendet wird. Dabei übernehmen die Eindampfanlagen gleichzeitig die Funktion eines Kondensators für das Kältemittel und eines Verdampfers für den Fermentorablauf.Erfindiings according to the object is achieved in that the evaporator of the heat pump without the usual interposition of a cooling water circuit is used directly as a cooler for the culture solution of the fermenter by the culture solution used as a heating means and the working means of the heat pump as a coolant. The working medium of the heat pump, which enters the evaporator in liquid form, extracts heat from the culture solution and is thereby vaporized and overheated. The working medium vapor is compressed by means of a steam-driven compressor, whereby its temperature is noticeably increased. This working agent vapor is now used directly as a heating means for thermal treatment and concentration of the culture solution without the interposition of a secondary circuit by the working medium vapor is used for preheating the culture solution to a certain temperature and for operating the vacuum evaporation equipment. The evaporation plants simultaneously assume the function of a condenser for the refrigerant and an evaporator for the fermenter outlet.

Der aus dem Verdichter austretende Gegendruckdampf wird zur Vorwärmung des Fermentorablaufs, zur Trocknung und zur Beheizung einer parallel betriebenen Anlage ohne Wärmepumpeneinsatz oder Fremdabnehmern mit kontinuierlicher Abnahme genutzt, Zweckmäßigerweise wird nur soviel Wärme dem Fermentor über Wärmepumpeneinsatz entzogen, wie an Gegendruckdampf für die eigene und/oder Fremdanlagen benötigt werden.The exiting from the compressor back pressure steam is used to preheat the Fermentorablaufs, for drying and heating a parallel operated system without heat pump or external customers with continuous decrease, Conveniently, only as much heat is removed from the fermentor heat pump use, as to back pressure steam for their own and / or External systems are required.

Eine weitere Möglichkeit zur Integration der Wärmepumpe innerhalb des Biosyntheseprozesses besteht darin, zur Kondensation der in der Eindampfung und Trocknung anfallenden Brüden die Verdampfungswärme des Arbeitsmittels der Wärmepumpe zu nutzen. Dabei dienen die Brüdenkondensatoren der Vakuum-Eindampfanlage und des Vakuumtrockners gleichzeitig als Verdampfer für das Arbeitsmittel der Wärmepumpe,Another way to integrate the heat pump within the biosynthesis process is to use the heat of vaporization of the working fluid of the heat pump to condense the resulting vapor in the evaporation and drying. At the same time, the vapor condensers of the vacuum evaporation plant and of the vacuum dryer serve as evaporators for the working medium of the heat pump,

Als Arbeitsmittel für den integrierten ¥ärmepumpenprozeß eignen sich Verbindungen, die bei Temperaturen unter 25 C verdampfen und bei einer Temperatur bis 200 C chemisch stabil sind« Zu diesen Arbeitsmitteln gehören Z₉B₉ Ammoniak, Halogenwasserstoffe sowie die Kohlenwasserstoffe Methan, Äthan, Propan und Butan* Der integrierte Wärmepumpenprozeß wird zweckmäßigerweise in einem Temperaturintervall von - 10 C bis 200 C und in einem Druckbereich von 0,1 bis 2,0 MPa betrieben« Die Temperatur- und Druckverhältnisse, die von dem gewählten Arbeitsmittel, der abzuführenden Wärmemenge und dem Wärmebedarf der Aufarbeitungsstufen abhängig sind, können den Bedingungen des Biosyntheseprozesses weitgehend angepaßt werden*Suitable tools for the integrated ep heat pump process are compounds that evaporate at temperatures below 25 C and are chemically stable at a temperature up to 200 C. "These tools include Z ₉ B ₉ ammonia, hydrogen halides and the hydrocarbons methane, ethane, propane and butane * The integrated heat pump process is conveniently operated in a temperature range of - 10 C to 200 C and in a pressure range of 0.1 to 2.0 MPa «The temperature and pressure conditions of the selected working fluid, the amount of heat dissipated and the heat demand of Can be largely adapted to the conditions of the biosynthesis process *

embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Beispiel sowie anhand einer Zeichnung erläutert werden«The invention will be explained below by way of example and with reference to a drawing.

Die Zeichnung zeigt die energetische Schaltung des Prozesses, als Grundprinzip der Erfindung» In dem Fermentor 1 entsteht eine Wärmemenge von 19»3 MJ/h mit einem relativ niedrigen Temperaturniveau von 35 C, Diese Fermentationswärme wird über den Wärmeübertrager 2 abgeführt, der gleichzeitig als Verdampfer für das Arbeitsmittel der Wärmepumpe dient« Als Arbeitsmittel für die Wärmepumpe wird das Kältemittel R 12 verwendet«The drawing shows the energetic circuit of the process, as a basic principle of the invention »In the fermentor 1 produces a heat amount of 19» 3 MJ / h with a relatively low temperature level of 35 C, This fermentation heat is dissipated via the heat exchanger 2, the same time as an evaporator for the working medium of the heat pump «The coolant R 12 is used as working medium for the heat pump«

Das Arbeitsmittel, das in flüssiger Form mit einer Temperatur von 25 C und einem Druck von 0,65 MPa über den Zulauf 3 i den Wärmeübertrager 2 eintritt, wird durch die aus dem Fermentor 1 zugeführte Wärme verdampft und der entstehende Arbeitsmitteldampf wird dabei auf eine Temperatur von 30 C überhitzt« Der überhitzte Arbeitsmitteldampf wird über die Leitung k in den Verdichter 5 gegeben und auf einen Druck von 2,0 MPa komprimiert« Dabei erwärmt sich der Dampf auf eine Temperatur· von 85 C» Ein Teilstrom des heißen Arbeitsmitteldampfes gelangt über Leitung 6 in den Wärmeübertrager 7» Wärmeübertrager 7 wird der Fermentorablauf aus Leitung 8 mit einem Durchsatz von 50 m /h von 35 °C auf 70 C aufgeheizt«The working fluid, which enters the heat exchanger 2 in liquid form at a temperature of 25 C and a pressure of 0.65 MPa via the inlet 3 i, is evaporated by the heat supplied from the fermentor 1 and the resulting working medium vapor is at a temperature overheated from 30 C. "The superheated working medium vapor is introduced via line k into the compressor 5 and compressed to a pressure of 2.0 MPa. The steam heats up to a temperature of 85 ° C. A partial stream of the hot working medium vapor passes through the line 6 into the heat exchanger 7 »heat exchanger 7, the fermenter outlet from line 8 is heated from 35 ° C. to 70 ° C. at a rate of 50 m / h«

Der Arbeitsmitteldampf kondensiert im Wärmeübertrager 7* Das Kondensat verläßt ihn mit einer Temperatur von ^5 C über Leitung 9«The working medium vapor condenses in the heat exchanger 7 * The condensate leaves it at a temperature of ^ 5 C via line 9 «

Der erwärmte Fermentorablauf aus Wärmeübertrager 7 gelangt über Leitung 10 in den mit Gegendruckdampf von Oj8 MPa beheizten Wärmeübertrager 11, wird dort auf eine Temperatur von 85 C erhitzt und tritt über Leitung 12 in eine vierstufige Fallfilmeindampfanlage 13 ein. In der Fallfilmein— dampfanlage 13» deren erste Stufe mit einem Teilstrom des Arbeitsmitteldampfes aus Leitung ik beheizt wird und dessen Kondensat mit einer Temperatur von ^5 C die Anlage 13 über Leitung I5 wieder verläßt, verdampft ein Teil des Wassers des erwärmten Fermentorablaufes unter Druck* Der in der Fallfilmanlage 13 aufkonzentrierte Fermentorablauf verläßt diese Anlage und tritt über Leitung 16 in eine Rotationsdünnschichteindampfanlage 17 ein, Diese Anlage wird mit einem Teilstrom des Arbeitsmitteldampfes aus Leitung 18 beheizt. Das Arbeits— mittelkondensat verläßt diese Anlage durch Leitung 19·The heated Fermentorablauf from heat exchanger 7 passes via line 10 in the heated with back pressure steam of Oj8 MPa heat exchanger 11, where it is heated to a temperature of 85 C and enters via line 12 in a four-stage Fallfilmeindampfanlage 13 a. In the falling-film steam installation 13 "whose first stage is heated with a partial stream of the working medium vapor from line ik and whose condensate leaves the installation 13 via line I5 at a temperature of 5 5 C, part of the water of the heated fermenter outlet evaporates under pressure * The concentrated in the falling film plant 13 Fermentorablauf leaves this plant and enters via line 16 in a Rotationsdünlschichteindampfanlage 17. This plant is heated with a partial flow of the working medium vapor from line 18. The working fluid condensate leaves this system through line 19

Alle Teilströme des Arbeitsmittelkondensates aus Leitung 9j und 19 werden in Leitung 20 gesammelt und über ein Reduzierventil 21 auf einen Anfangsdruck von 0,65 MPa in Leitung 3 entspannt«All partial flows of the working fluid condensate from line 9j and 19 are collected in line 20 and released via a reducing valve 21 to an initial pressure of 0.65 MPa in line 3

Der Fermentorablauf wird in Rotationsdünnschichteindampfanlage 17 weiter aufkonzentriert, verläßt diese Anlage über Leitung 22 und gelangt in den mit Gegendruckdampf von 0,8 MPa beheizten Walzentrockner 23, in welchem der Fermentorablauf auf eine Konzentration von 9OO g Trockensubstanz pro Liter aufkonzentriert wird und über Leitung 2k die Anlage als verkaufsfähiges Produkt verläßt_# The Fermentorablauf is further concentrated in Rotationsdünschschichtindampfanlage 17, leaves this plant via line 22 and enters the heated with back pressure steam of 0.8 MPa drum dryer 23, in which the fermenter effluent to a concentration of 9OO g dry matter per liter is concentrated and via line 2k the Exits plant as salable product _#

Der Antrieb des Arbeitsmittelverdichters 3 erfolgt über die Gegendruckturbine 25_# Über Leitung 26 erfolgt hierbei die Dampfzufuhr mit einem Druck von 4,8 MPa. Der auä der Dampfturbine 25 austretende Gegendruckdampf wird folgendermaßenThe drive of the working medium compressor 3 via the back pressure turbine 25 _# via line 26 takes place here the steam supply with a pressure of 4.8 MPa. The auä the steam turbine 25 exiting back pressure steam is as follows

_ 6 verteilt:_ 6 distributed:

- Erwärmung des Fermentorablaufes im Wärmeübertrager 11- Heating of Fermentorablaufes in the heat exchanger 11th

- Beheizung des ¥alzentrockners 23- Heating the ¥ halogen dryer 23

- Beheizung einer parallel geschalteten Produktionsanlage gleicher Kapazität ohne ¥ärmepumpeneinsatz oder von Fremdabnehmern über Leitung 27Heating a parallel-connected production plant of the same capacity without the use of a heat pump or by external customers via line 27

Die Kondensationswärme der Eindampfbrüden wird über die Kondensatoren 28 und 29 und das Rückkühlwerk 30 abgeführt_# The condensation heat of the evaporation vapors is discharged via the condensers 28 and 29 and the recooling unit 30 _#

Claims

Inauguration ans pruch

1, integrated heat pump process for technical processes of biosynthesis, characterized in that the heat of reaction of the fermenter (i) is withdrawn in the cooler (2) by a vaporizing refrigerant, the refrigerant is compressed by a compressor (5) and then in a falling-stream evaporation system (13 ) and / or Rotationsdünschschichtindampfanlage (17) is condensed, wherein the evaporation plants (13> 17) simultaneously exert the function of the condenser for the refrigerant and the evaporator for the Fermentorablauf from the fermentor (1). A partial flow of the compressed refrigerant is used to preheat the Fermentorablaufs in a heat exchanger (7) before evaporation «The condensed and supercooled refrigerant from the evaporation (13j 17) and the heat exchanger (7) for preheating the Fermentorablaufs be in an expansion device (21). relaxed and returned to the fermenter cooler (2) «

2 * process according to item 1, characterized in that the refrigerant process in a pressure range of 0.1 to 3> 0 MPa, preferably 0.5 to 2.0 MPa, and in a temperature range of -;
running "

from - ^ 2 to +195 C, preferably at 13 to 135 C

3 * Process according to items 1 and 2, characterized in that ammonia is used as working medium «

4 «Process according to item 1, characterized in that fluorocarbons, methane, atan, propane, butane or carbon dioxide are used as the working medium«

5 «Process according to item 1, characterized in that the overheating of the working fluid takes place before its entry into the compressor 5 through the fermentation medium and through the cooled working fluid after its partial or complete condensation«

6 "Process according to item 1, characterized in that the cooling, condensation and subcooling of the working fluid takes place during the preheating of the fermenter outlet and during the heating of single and multi-stage vacuum evaporation plants."

7 * process according to item 1, characterized in that for the heat pump, pressure-reducing steam turbines are used, whereby the back-pressure steam is used within the process for heating the fermenter outlet and for drying the biomass. «

- For this 1 sheet drawing -