DE102006058465A1 - Process for the biotechnological production of ethanol - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol durch eine zyklische Sequencing-Batch-Fermentation mit folgenden nacheinander ablaufenden Phasen in einem Zyklus: a) Absetzphase (26) der Biomasse (30), b) Austragphase (27) unter Volumenreduzierung im Fermenter, c) Auffüllphase (28) durch Substratzufuhr bis zum ursprünglichen Volumen und d) Produktbildungsphase (29) ohne Zufluss.The invention relates to a process for the biotechnological production of ethanol by a cyclic sequencing batch fermentation with the following successive phases in a cycle: a) settling phase (26) of the biomass (30), b) discharge phase (27) with volume reduction in the fermenter, c) filling phase (28) by substrate supply to the original volume and d) product formation phase (29) without inflow.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol durch eine zyklische Sequencing-Batch-Fermentation.The The invention relates to a method for biotechnological production of ethanol through a cyclic sequencing batch fermentation.
Bei
der fermentativen Alkoholsynthese wird mit Hilfe eines Mikroorganismus
aus Kohlenhydraten, die als Substrat dienen, Alkohol (Ethanol) auf
biotechnologischem Wege erzeugt. Geeignete Mikroorganismen sind
beispielsweise die Hefekulturen Saccharomyces cerevisiae, Pichia
capsulata, Pichia angusta oder das Bakterium Zymomonas mobilis.
In der
Die überwiegende Zahl der Ethanolerzeugungsanlagen arbeitet diskontinuierlich im so genannten Batch-Betrieb. Bei der diskontinuierlichen Ethanolfermentation werden hohe Ethanolkonzentrationen bei einer gleichzeitig geringen Produktivität erreicht. Ein Problem bei fermentativen Alkoholsynthesen besteht darin, dass sich das Produkt Ethanol während seines Entstehungsprozesses, sowohl auf das Wachstum der Ethanol bildenden Mikroorganismen als auch auf die Produktbildung selbst, inhibierend, d. h. hemmend bzw. verzögernd, auswirkt. Aufgrund der im Fermentationsverlauf einsetzenden Ethanol-bedingten Wachstumsinhibierung der Zellen werden nur geringe Biomassekonzentrationen von bis zu 15 g·l–1 erreicht. Die geringe Produktivität ist vor allem auch darin begründet, dass die Biomasse bei jeder Fermentation neu angezogen werden muss und dadurch nicht an die hohen Glucose- und Ethanolkonzentrationen adaptiert ist. Für die diskontinuierliche Fermentation sind vor- und nachbereitende Prozessschritte erforderlich, was sich ebenfalls negativ auf die Produktivität auswirkt, da während dieser Prozessschritte keine Produktbildung stattfindet.The vast majority of ethanol production plants operate batchwise in so-called batch mode. In the batch ethanol fermentation high ethanol concentrations are achieved with a low productivity at the same time. A problem with fermentative alcohol syntheses is that the product ethanol during its formation process, both on the growth of the ethanol-forming microorganisms and on the product formation itself, inhibiting, ie inhibiting or retarding effects. Due to the onset of ethanol-induced growth inhibition of the cells in the fermentation process only low biomass concentrations of up to 15 g · l -1 can be achieved. Above all, the low productivity is due to the fact that the biomass has to be recaptured during each fermentation and thus is not adapted to the high glucose and ethanol concentrations. For the discontinuous fermentation, pre- and post-processing steps are required, which also has a negative effect on the productivity, since no product formation takes place during these process steps.
Neben
der diskontinuierlichen Ethanolfermentation gibt es in steigendem
Maße andere
Betriebsführungsstrategien.
Aus der
Aus einer Reihe von Dokumenten zum Stand der Technik sind Verfahren zur fermentativen Ethanolherstellung aus Zucker bekannt, welche eine Steigerung der Produktivität und der Alkoholausbeute zum Ziel haben. Idealerweise beinhalten diese Verfahren Strategien mit Zugabe von neuem Substrat bis zu einem bestimmten Endwert der Fermentationsmasse. Durch Wiederholung des Vorganges entstehen zyklische Betriebsweisen bezüglich eines Fermenters. Ein klassischer Zyklus einer zyklischen Fermentation besteht aus folgenden Phasen:
- 1. Teilweises Füllen des Fermenters mit Nährlösung und Ethanol bildenden Mikroorganismen,
- 2. Feed-Zugabe (d. h. Zusatz an Nährlösung) bis zum maximalen Füllvolumen des Fermenters,
- 3. Ablassen des Fermenters nach Abschluss der maximalen Alkoholbildung.
- 1. Partial filling of the fermenter with nutrient solution and ethanol-forming microorganisms,
- 2. feed addition (ie addition of nutrient solution) up to the maximum filling volume of the fermenter,
- 3. Draining the fermenter after completion of maximum alcohol production.
Im
so genannten Fed-Batch-Betrieb wird die Ethanolkonzentration durch
eine kontinuierliche oder semikontinuierliche Feed-Zugabe und der
daraus resultierenden Vergrößerung des
Flüssigkeitsvolumens
verdünnt.
Ziel ist es dabei, die durch Ethanol bedingte Inhibierung des Wachstums
und der Produktbildung zu verringern. Die Fed-Batch-Verfahren ermöglichen
eine Ethanolfermentation in Ethanol-Konzentrationsbereichen, indem
die Inhibierung durch Ethanol aufgrund einer sequenziellen bzw.
kontinuierlichen Zuführung
und somit einer Verdünnung
mit konzentrierter Feed-Lösung
nicht voll ausgeprägt
ist. Bei Erreichen eines bestimmten Volumens wird durch Einstellen
der Feed-Dosierung die Fermentation bis zur maximalen Ethanol-Konzentration
fortgesetzt. So wird bei
Die Betriebsweise mit zyklischer Beschickung des Fermenters innerhalb eines vorgegebenen Füllvolumenbereiches wird in der Biotechnologie als Repeated-Fed-Batch-Fahrweise bezeichnet. Die Repeated-Fed-Batch-Fahrweise ist dadurch gekennzeichnet, dass der Fermenter beim Ablassen nicht vollständig entleert wird, sondern ein Teil des Fermenterinhaltes im Fermenter verbleibt. Die Konzentrationen an Alkohol, die bei der Repeated-Fed-Batch-Fahrweise für gewöhnlich auftreten, erreichen ähnliche Größenordnungen wie bei der klassischen Batch-Fermentation. Ein weiterer Nachteil für die Produktivität besteht für das Fed-Batch-Verfahren und das Repeated-Fed-Batch-Verfahren darin, dass ein erhöhter Steuerungsaufwand zur Feed-Regulierung sowie vor- und nachbereitende Prozesse bei jeder Fermentation notwendig sind.The Operation with cyclic loading of the fermenter within a predetermined filling volume range is referred to in biotechnology as a repeated fed-batch procedure. The Repeated fed-batch mode is characterized in that the Fermenter is not completely emptied when draining, but a part of the fermenter content remains in the fermenter. The concentrations Alcohol that typically occurs in the repeated fed-batch mode achieve similar Orders of magnitude like in the classical batch fermentation. Another downside to productivity exists for the fed-batch process and the repeated fed-batch method in that an increased control effort for Feed regulation and pre- and Post-processing processes are necessary for every fermentation.
Im
Bereich der Ethanolfermentationen mit kontinuierlicher Betriebsweise
sind einige Verfahren bekannt, mit denen die aktive Biomassekonzentration
und die Produktivität
gesteigert werden sollen. Im Wesentlichen geschieht das durch die
Immobilisierung der Biomasse, wobei die Biomasse an Trägermaterialien
oder durch Einlagerung fixiert wird. Die immobilisierte Biomasse
kann durch technische Einbauten im Reaktor verweilen und am Austrag
gehindert werden. Der Biomasseaustrag durch die kontinuierliche
Produktentnahme und die daraus resultierenden geringen Biomassekonzentrationen
im Reaktor werden durch den Biomasserückhalt kompensiert, wobei die
Produktivität
gesteigert werden kann. Die Immobilisierung der Biomasse erfolgt
dabei im Allgemeinen außerhalb
des Reaktorsystems. Erreichbare Produktivitäten in Systemen mit immobilisierter
Biomasse sind durch
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines kostengünstigen und effektiven Verfahrens zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol, das eine hohe Produktivität aufweist, ohne jedoch die zuvor beschriebenen Nachteile kontinuierlicher Fermentationen aufzuweisen.The The object underlying the invention is to provide a cost-effective and effective process for the biotechnological production of ethanol, That's a high productivity has, but without the disadvantages described above more continuous Have fermentations.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol gelöst, das eine zyklische Sequencing-Batch-Fermentation beinhaltet. Dabei lässt sich ein Zyklus der Sequencing-Batch-Fermentation in folgende nacheinander ablaufende Phasen unterteilen:
- a) Absetzphase der Mikroorganismen (Biomasse),
- b) Austragphase unter Volumenreduzierung im Fermenter,
- c) Auffüllphase durch Substratzufuhr bis zum ursprünglichen Volumen und
- d) Produktbildungsphase ohne Zufluss.
- a) settling phase of the microorganisms (biomass),
- b) discharge phase with volume reduction in the fermenter,
- c) filling phase by substrate supply to the original volume and
- d) Product formation phase without inflow.
Die Konzeption der Erfindung besteht in der Reduzierung der durch das entstehende Ethanol bedingten Hemmungen des Wachstums der Ethanol bildenden Mikroorganismen und der Produktbildung. Die Hemmwirkung des Ethanols wird durch die erfindungsgemäße zyklische Betriebsführung reduziert, in welche eine Absetzphase der Mikroorganismen integriert ist. Das heißt, dass dem Schritt b), der Austragsphase, in welcher eine Abtrennung eines Teils des Fermenterinhaltes erfolgt, ein Schritt a) in Form einer Absetzphase vorgeschaltet ist, in der sich die Mikroorganismen zuvor absetzen können.The Conception of the invention consists in the reduction of the ethanol caused inhibition of the growth of ethanol forming microorganisms and product formation. The inhibitory effect of the ethanol is reduced by the cyclic operational management according to the invention, in which a settling phase of the microorganisms is integrated. The is called, that the step b), the discharge phase, in which a separation a part of the fermenter content is carried out, a step a) in shape preceded by a settling phase in which the microorganisms previously settle.
Die Mikroorganismen werden durch bewusste Nutzung der Veränderung der Zelloberflächeneigenschaften während des Fermentationsverlaufs und durch gezielte Strömungsführung zum Absetzen veranlasst. Untersuchungen haben gezeigt, dass Mikroorganismen – insbesondere die genannten Hefen – in der Lage sind, durch Agglutination Zellverbände in kompakten Flockenstrukturen zu bilden. Dazu werden gezielt Strömungen erzeugt, die durch das Einblasen von Luft in ein Strömungsführungsrohr (Riser) ausgelöst werden. Die mikrobiologischen Prozesse, die zu einer Agglutination führen, basieren auf den gleichen Vorgängen, wie Zellen an Trägerkörpern fixiert werden können. Die Flockulation von Mikroorganismen ist ein natürlicher Prozess, der z. B. auch beim Bierbrauen genutzt wird. Durch Flockulation bzw. Agglutination verdichten sich die Zellen, so dass sie bei fehlendem Energieeintrag (z. B. Luft) schneller sedimentieren und die Produktseparation sowie den Biomasserückhalt erleichtern. Der Prozess der Flockenbildung basiert auf der Verbindung von Molekülen (Flocculin und Mannoseüberrest) zweier benachbarter Zellen. Durch die gewählte Prozessführung und Medienbedingungen kommt es zu einer Anpassung der Oberflächeneigenschaften durch die Mikroorganismen. Der hohe physiologische Stress bewirkt eine Stärkung der Zellwandstrukturen (z. B. durch Einlagerung von Trehalose). Eine hohe Ethanolkonzentration bewirkt ebenfalls eine verbesserte Flockenbildung, während sich Glucose negativ auf Flockenstrukturen auswirkt. Durch diese Beobachtungen konnte festgestellt werden, dass die Flockulation kein ausschließlich biochemischer Prozess ist, sondern dass auch physikalische Wechselwirkungen eine entscheidende Rolle spielen. So müssen die Zellen Kontakt zueinander aufnehmen können, um sich aneinander zu binden. Folgende Faktoren verbessern die Flockenbildung:
- – gerichtete Strömungsverhältnisse im Fermenter mit hohen Zellkontakten,
- – Vergrößerung des hydrophoben Charakters und
- – Verringerung der negativen elektrischen Ladung in der Zellwand.
- Directed flow conditions in the fermenter with high cell contacts,
- - enlargement of the hydrophobic character and
- - Reduction of negative electric charge in the cell wall.
Daraus können drei übergeordnete Gruppen von Einflussfaktoren abgeleitet werden:
- – genetischer Hintergrund,
- – natürliche (biochemische) Faktoren und
- – physikalische Wechselwirkungen.
- - genetic background,
- - natural (biochemical) factors and
- - physical interactions.
Der hohe Selektionsdruck bewirkt, dass Mikroorganismen (Hefen als auch Fremdorganismen), die nicht in der Lage waren, sich dem System durch hohe Sedimentationsgeschwindigkeiten (kein gutes Flockulationsverhalten) anzupassen, aus dem System ausgespült werden.Of the high selection pressure causes microorganisms (yeasts as well Foreign organisms) who were unable to get through the system high sedimentation rates (no good flocculation behavior) to be flushed out of the system.
Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Fahrweise einige zusätzliche, nicht vorhersehbare Vorteile beinhaltet. Diese werden im Folgenden aufgeführt und erläutert:
- 1. Durch die zuflusslose Betriebsweise in der Produktbildungsphase in Schritt d) wird eine Ethanolkonzentration erreicht, die wesentlich höher als die Ethanolkonzentration bei kontinuierlicher Betriebsweise ist. Die hohe Ethanolkonzentration reduziert den notwendigen Aufwand für die weiteren nichtbiologischen Stufen des Verfahrens. Allerdings wird das Ethanolniveau unterhalb der Konzentration gehalten, die bei der diskontinuierlichen Betriebsweise erreicht wird, damit die Aktivität der Mikroorganismen für die quasikontinuierliche Betriebsweise erhalten bleibt. Ab einer Ethanolkonzentration von mehr als 6 Vol.-% kommt es zu einer wesentlichen Verlangsamung des Wachstums der Mikroorganismen durch die Inhibierung des Wachstums (Wachstumshemmung) aufgrund des Ethanols und in dessen Folge zu einer Inhibierung der Produktbildung. Der Einfluss der Ethanolkonzentration ist berechenbar, so dass eine Optimierung der Prozessführungsstrategie vorausschauend möglich ist.
- 2. Das Verfahren ist ein unsteriles Hochleistungsverfahren, bei dem kein fremder Mikroorganismus in der Lage ist, sich als Substratkonkurrent oder als schädigender Mikroorganismus durchzusetzen. Nahrungskonkurrenten oder störende Mikroorganismen werden, sofern sie sich nicht in der Absetzphase in Schritt a) mit der Produktionskultur absetzen, in der Austragsphase in Schritt b) mit dem flüssigen Überstand ausgetragen und somit in ihren möglichen störenden Einflüssen reduziert. Dadurch werden die Kosten für die Abwehr von Fremdkeimen reduziert.
- 3. Durch die ständige Wiederholung bei der zyklischen Betriebsweise wird die Produktionskultur in ihrer Leistungsfähigkeit trainiert. Der ständige Wechsel zwischen hoher Substratbelastung am Anfang der Produktbildungsphase in Schritt d) und hoher Produktkonzentration am Ende dieser Produktbildungsphase reduziert zudem die Gefahr der Veränderung der Produktionskultur durch Mutationen.
- 1. Due to the continuous operation in the product formation phase in step d), an ethanol concentration is achieved which is substantially higher than the ethanol concentration in continuous operation. The high ethanol concentration reduces the effort required for the further non-biological stages of the process. However, the ethanol level is kept below the concentration achieved in the batch mode to maintain the activity of the microorganisms for the quasi-continuous mode of operation. From an ethanol concentration of more than 6% by volume, there is a significant slowing down of the growth of the microorganisms by the inhibition of growth (growth inhibition) due to the ethanol and, as a result, to inhibition of product formation. The influence of the ethanol concentration is calculable, so that an optimization of the process management strategy is possible in a forward-looking manner.
- 2. The method is a non-sterile high performance process in which no foreign microorganism is able to prevail as a substrate competitor or as a damaging microorganism. Food competitors or interfering microorganisms, unless they settle in the settling phase in step a) with the production culture, discharged in the discharge phase in step b) with the liquid supernatant and thus reduced in their possible disturbing influences. This reduces the cost of defending against foreign germs.
- 3. By constantly repeating the cyclical mode of operation, the production culture is trained in its efficiency. The constant change between high substrate load at the beginning of the product formation phase in step d) and high product concentration at the end of this product formation phase also reduces the risk of altering the production culture by mutations.
Für eine hohe Produktivität bei der Ethanolbildung ist eine optimal hohe Konzentration an aktiver mikrobieller Biomasse erforderlich. Die Austragsphase in Schritt b) des Verfahrens wird genutzt, um die Konzentration an aktiver Biomasse zu regeln und dabei auf einem konstanten optimalen Niveau zu halten. Das geschieht vorzugsweise dadurch, dass bei hohen Biomassekonzentrationen im Fermenter nicht nur der Überstand mit dem Produkt, sondern zum Teil auch die überschüssige Biomasse ausgetragen wird. Mit der Regelung der Biomassekonzentration wird auch gewährleistet, dass immer ein hoher Grad an aktiver Biomasse im System vorhanden ist. Tote oder inaktive Zellen werden ausgetragen.For a high productivity in the ethanol formation is an optimally high concentration of active microbial biomass required. The discharge phase in step b) the process is used to increase the concentration of active Regulate biomass while maintaining a constant optimal level to keep. This is preferably done by having high biomass concentrations not only the supernatant in the fermenter with the product, but also partially discharged the excess biomass becomes. The regulation of the biomass concentration also ensures that that there is always a high level of active biomass in the system is. Dead or inactive cells are discharged.
Die aerobe Fermentation stimuliert sowohl das Biomassewachstum, was für eine aktive Kultur notwendig ist, als auch die Ethanolbildung. In anaeroben Prozessen wird der eingesetzte Rohstoff zu Ethanol reduziert. Da aber die meisten hier verwendbaren Mikroorganismen so genannte glucosesensitive Mikroorganismen sind, bewirkt eine limitierte aerobe Betriebsweise eine schnellere Produktbildung und trägt somit zu einer höheren Produktivität bei. Glucosesensitive Organismen können die Aufnahme des Substrats (z. B. Glucose) nicht steuern. Daher werden sie leicht von zu hohen Konzentrationen inhibiert, was sich speziell bei anaeroben Prozessen nachteilig auswirkt. Ein vollständig anaerober Stoffwechsel verfügt nur über einen eingeschränkten Substratstoffwechsel, der nur mit einer auf 40 bis 50% reduzierten Enzymaktivität arbeitet. Durch das Überangebot an Substrat werden diese Mikroorganismen jedoch auch aerob zur so genannten oxido-reduktiven Bildung von Ethanol gebracht. Dies ist für die Mikroorganismen lebensnotwendig, um die hohe Substratkonzentration innerhalb der Zellen abzubauen. Ihre Atmungskapazität ist aber nur eingeschränkt; man spricht hierbei von einer Limitation der Oxidation, da nur ein Teil des Substrats ohne die Bildung von Ethanol „veratmet" werden kann. Das über die Atmungskapazität hinaus aufgenommene Substrat muss in einer Superflow- oder Hyperflow-Reaktion in Ethanol umgewandelt werden. Somit ist ein ausreichendes Wachstum gegeben, um Biomasseverluste auszugleichen und eine Aktivkultur, die aufgrund der Superflowreaktion schneller Ethanol bildet, zu wahren. Durch den hohen Substratfluss in die Mikroorganismen wird trotz des Zusatzes an Sauerstoff eine Repression verursacht, die zu geringeren Wachstumsgeschwindigkeiten führt, als dies bei geringen Substratkonzentrationen der Fall wäre. Somit ist die Biomassebildung zwar höher als bei anaeroben Prozessen, erreicht aber nicht die Geschwindigkeiten aerober Prozesse bei geringen Substratkonzentrationen. Dieser Effekt wird genutzt, um trotz des Biomassewachstums viel Energie in die Produktbildung zu lenken. Das Verhältnis zwischen Substratverbrauch, Biomasse- und Produktbildung wird im Hinblick auf eine verbesserte Ausbeute durch Zusatz an Sauerstoff optimiert.Aerobic fermentation stimulates both biomass growth, which is necessary for active culture, and ethanol production. In anaerobic processes, the raw material used is reduced to ethanol. However, since most of the microorganisms usable here are so-called glucose-sensitive microorganisms, a limited aerobic mode of operation causes a faster product formation and thus contributes to a higher productivity. Glucose sensitive organisms can not control uptake of the substrate (eg, glucose). Therefore, they are easily inhibited by too high concentrations, which is especially an anaerobic Process adversely affects. A completely anaerobic metabolism has only a limited substrate metabolism, which works only with a 40 to 50% reduced enzyme activity. Due to the oversupply of substrate, however, these microorganisms are also aerobically brought to the so-called oxido-reductive formation of ethanol. This is vital for the microorganisms to reduce the high substrate concentration within the cells. Your respiratory capacity is limited; This is called a limitation of oxidation, since only part of the substrate can be "respired" without the formation of ethanol, and the substrate taken beyond the respiratory capacity must be converted to ethanol in a superflow or hyperflow reaction sufficient growth to compensate for biomass losses and to maintain an active culture that forms ethanol faster due to the superflow reaction The high substrate flow into the microorganisms causes repression despite the addition of oxygen, which leads to slower growth rates than at low substrate concentrations Thus, while biomass formation is higher than in anaerobic processes, it does not reach the velocities of aerobic processes at low substrate concentrations, and this effect is used to channel much energy into product formation despite biomass growth smoke, biomass and product formation is optimized for improved yield by adding oxygen.
Durch die aerobe Ethanolbildung in einem Schlaufenreaktor ist in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens bei semikontinuierlichem Betrieb neben dem in der Austragsphase erfolgenden Produktaustrag über den Produktstrom aus dem Fermentermedium ein zweiter Produktaustrag über einen sekundären Produktstrom aus der Gasphase möglich. Dieser kontinuierliche Produktaustrag wird durch Gasstrippen in ein Gas-Luft-Gemisch erreicht. Einerseits besteht dabei ein Vorteil in der kostengünstigen Separation des Ethanols aus der Gasphase aufgrund der Tatsache, dass sofort höher konzentriert werden kann, andererseits reduziert der Abzug auch die inhibierende Wirkung des Ethanols auf die Produktionskultur. Das gasförmige Ethanol wird durch Kondensation zusammen mit weiteren flüchtigen Bestandteilen gewonnen. Das erhaltene Rohprodukt ist dabei frei von Partikeln, wodurch nachfolgende Aufbereitungsschritte minimiert werden. Als besonders vorteilhaft erwies sich die Verwendung eines Luft-CO2-Gemisches als Gasstrom für das Gasstrippen. Durch die Erhöhung des CO2-Anteils wird die Superflowreaktion des Substrats zu Ethanol weiter gefördert, wodurch wiederum mehr Ethanol über die Gasphase entweicht. Die Steigerung des CO2-Anteils wird durch eine bevorzugte teilweise Kreislaufführung der Abluft erreicht. Der ständige Gasaustrag durch das Gasstrippen führt zu einem Kondensationsprodukt, das mindestens 30 Vol.-% Ethanol enthält. Der Aufwand und die Kosten für die nachfolgende Aufkonzentrierung des Ethanols verringern sich dadurch wesentlich, zumal in Betracht gezogen werden muss, dass die Primärenergiekosten – unabhängig vom Substrat – den Hauptkostenfaktor jeder Ethanolerzeugung bilden.Due to the aerobic ethanol formation in a loop reactor, in a particularly preferred embodiment of the method in semicontinuous operation, in addition to the product discharge in the discharge phase via the product stream from the fermenter medium, a second product discharge via a secondary product stream from the gas phase is possible. This continuous product discharge is achieved by gas stripping into a gas-air mixture. On the one hand there is an advantage in the cost-effective separation of the ethanol from the gas phase due to the fact that it can be concentrated higher immediately, on the other hand the deduction also reduces the inhibiting effect of the ethanol on the production culture. The gaseous ethanol is recovered by condensation along with other volatiles. The crude product obtained is free of particles, whereby subsequent treatment steps are minimized. The use of an air-CO 2 mixture proved to be particularly advantageous as a gas stream for gas stripping. By increasing the CO 2 content, the superflow reaction of the substrate to ethanol is further promoted, which in turn escapes more ethanol through the gas phase. The increase in the CO 2 content is achieved by a preferred partial recycling of the exhaust air. The continuous gas discharge by the gas stripping leads to a condensation product containing at least 30 vol .-% ethanol. The cost and the costs for the subsequent concentration of the ethanol are thereby significantly reduced, especially since it must be considered that the primary energy costs - regardless of the substrate - form the main cost factor of any ethanol production.
Zur weiteren Erhöhung der Produktivität in Verbindung mit der Reduzierung von Abfallkosten werden vorteilhafterweise die Inhaltsstoffe der abgetrennten Biomasse (Schlempe) genutzt. Die Schlempe ist der Rückstand der Aufkonzentrierung bzw. Destillation eines Teils des Fermenterinhalts, der durch nicht mehr genutzte Biomasse, nicht verwertete Ausgangsverbindungen und ethanolhaltiges Wasser gebildet wird. Dabei erfolgt eine Aufbereitung der anfallenden Schlempe durch Hydrolyse und Eindicken vor deren Rückführung in den Reaktor. In der Schlempe sind unter anderem wichtige Vitamine und Spurenelemente enthalten, die das Wachstum, die Produktivität und die Ethanolresistenz der Produktionskultur als Biomasse erhöhen. Durch die Rückführung wird die zu entsorgende Schlempe reduziert. Die Bereitstellung der Inhaltsstoffe erfolgt vorzugsweise durch eine thermische Behandlung, wobei ermittelt wurde, dass durch die Anwesenheit von Ethanol die Zellhydrolyse begünstigt wird. Damit ergibt sich eine Teilstrombehandlung des Fermenterinhaltes vor der Destillation.to further increase productivity in conjunction with the reduction of waste costs will be beneficial the ingredients of the separated biomass (vinasse) used. The vinasse is the residue the concentration or distillation of a part of the fermenter content, the unused biomass, unused starting compounds and ethanol-containing water is formed. This is a preparation the resulting vinasse by hydrolysis and thickening before Return to the Reactor. In the vinasse are, among other important vitamins and Contain trace elements that increase growth, productivity and the Increase ethanol resistance of the production culture as biomass. By the repatriation will reduces the waste to be disposed of. The provision of the ingredients is preferably carried out by a thermal treatment, wherein determined was that by the presence of ethanol cell hydrolysis favored becomes. This results in a partial flow treatment of the fermenter content before distillation.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die Figuren und die Tabelle 1.Further Details, features and advantages of the invention will become apparent the following description of embodiments with reference to the figures and the table 1.
Es zeigen:It demonstrate:
Tabelle 1: die Zusammensetzung der Feed-Lösung,table 1: the composition of the feed solution,
Die Ethanol-Fermentation wird mit der Hefekultur Saccaromyces cerevisiae bei einem pH-Wert im Bereich von pH2 bis pH5 und einer Temperatur von kleiner als 45°C im Sequencing-Batch-Reaktor-Betrieb (SBR-Betrieb) unter aeroben bis quasi-anaeroben Bedingungen mit CO2-Kreislaufführung durchgeführt. Die Zusammensetzung der Feed-Lösung ist in Tabelle 1 dargestellt. Die bevorzugt gewählte Ethanolkonzentration in der Feed-Lösung (Substrat) beträgt 200 g·l–1. In einer weitergehenden Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Ethanolfermentation analog zum oben genannten Verfahren mit einer Glucosekonzentration in der Feed-Lösung von 300 g·l-1.The ethanol fermentation is carried out with the yeast culture Saccaromyces cerevisiae at a pH in the range of pH2 to pH5 and a temperature of less than 45 ° C in sequencing batch reactor operation (SBR operation) under aerobic to quasi-anaerobic conditions carried out with CO 2 circulation. The composition of the feed solution is shown in Table 1. The preferred selected ethanol concentration in the feed solution (substrate) is 200 g · l -1 . In a further embodiment of the process according to the invention, the ethanol fermentation is carried out analogously to the abovementioned process with a glucose concentration in the feed solution of 300 g.s -1 .
Als
Reaktionsgefäß dient
ein Schlaufenreaktor
Ein
Fließschema
des Verfahrens zur biotechnologischen Erzeugung von Ethanol ist
in
Gemäß
Zur
weiteren Erhöhung
der Produktivität
in Verbindung mit der Reduzierung von Abfallkosten werden vorteilhafterweise
die Inhaltsstoffe der abgetrennten Biomasse (Schlempe
Über einen
Korrekturmedienzulauf
Ein
Zyklus der Sequencing-Batch-Fermentation lässt sich gemäß
- a) Absetzphase
26 der Mikroorganismen (Biomasse), - b) Austragphase
27 (Produktentnahme) unter Volumenreduzierung im Fermenter, - c) Auffüllphase
28 durch Substratzufuhr bis zum ursprünglichen Volumen und - d) Produktbildungsphase
29 (Fermentationsphase29 ) ohne Zufluss.
- a) settling phase
26 the microorganisms (biomass), - b) Discharge phase
27 (Product removal) with volume reduction in the fermenter, - c) refill phase
28 through substrate feed to the original volume and - d) product development phase
29 (Fermentation phase29 ) without inflow.
Die
Fermentationsphase
Nach
vollständigem
Verbrauch der Kohlenstoffquelle wird die Gasleitung
- 11
- Schlaufenreaktorloop reactor
- 22
- Riserriser
- 33
- Downcomerdowncomer
- 44
- Lufteinlassair intake
- 55
- Luftauslassair outlet
- 66
- Luftstromairflow
- 77
- Temperiermanteltempering
- 88th
- TemperiermitteleingangTemperiermitteleingang
- 99
- TemperiermittelausgangTemperiermittelausgang
- 1010
- Fermentermediumfermenter medium
- 1111
- Substratstromsubstrate current
- 1212
- Zuluftsupply air
- 1313
- Gasleitunggas pipe
- 1414
- Abluftexhaust
- 14a14a
- Abluftstrom (aus dem System ausgetragen)exhaust air flow (discharged from the system)
- 14b14b
-
Abluftstrom
in die Gasleitung
13 Exhaust air flow into the gas line13 - 1515
- DreiwegeventilThree-way valve
- 1616
- DreiwegeventilThree-way valve
- 1717
- SubstratstromleitungSubstrate power line
- 1818
-
Produktstrom
aus dem Fermentermedium
10 Product stream from the fermenter medium10 - 1919
- Kühlercooler
- 2020
- sekundärer Produktstromsecondary product stream
- 2121
- Schlempemash
- 21a21a
-
aufbereiteter
Teil der Schlempe
21 processed part of the vinasse21 - 21b21b
-
zu
entsorgender Teil der Schlempe
21 to be disposed of part of the vinasse21 - 2222
- SchlempeaufbereitungsanlageSchlempeaufbereitungsanlage
- 2323
- KorrekturmedienzulaufCorrection media feed
- 2424
- Temperiermittelkreislauftemperature control medium
- 2525
- WärmeübertragerHeat exchanger
- 2626
- AbsetzphasePCT
- 2727
- Austragsphase, Produktentnahmedischarge phase, product withdrawal
- 2828
- Auffüllphase, Substratzufuhrfilling phase, substrate feed
- 2929
- Produktbildungsphase, FermentationsphaseProduct formation phase, fermentation phase
- 3030
- Biomassebiomass
Tabelle 1:
Claims (11)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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PCT/DE2007/002034 WO2008071139A1 (en) | 2006-12-12 | 2007-11-10 | Process for the biotechnological generation of ethanol |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102006058465A DE102006058465A1 (en) | 2006-12-12 | 2006-12-12 | Process for the biotechnological production of ethanol |
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DE102006058465A1 true DE102006058465A1 (en) | 2008-06-19 |
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DE102006058465A Ceased DE102006058465A1 (en) | 2006-12-12 | 2006-12-12 | Process for the biotechnological production of ethanol |
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- 2006-12-12 DE DE102006058465A patent/DE102006058465A1/en not_active Ceased
-
2007
- 2007-11-10 WO PCT/DE2007/002034 patent/WO2008071139A1/en active Application Filing
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Also Published As
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---|---|
WO2008071139A1 (en) | 2008-06-19 |
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---|---|---|---|
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8131 | Rejection |