-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung flüchtiger Produkte aus Fermentationsbrühen und insbesondere ein Verfahren zur Abtrennung, Gewinnung, Konzentrierung und Reinigung flüchtiger Produkte aus Fermentationsbrühen mittels der Membranverfahren der Pervaporation (einschließlich Dampfpermeation) und der Mikro-Ultra- und Nanofiltration, und insbesondere durch eine Kombination der Membranverfahren
-
Dem Fachmann ist bekannt, dass durch das Wachstum und den Metabolismus von Mikroorganismen wie Hefen oder Bakterien in unterschiedlichen Substraten eine Vielzahl von wertvollen Produkten hergestellt werden können. Die Zielprodukte solcher Fermentationsverfahren können sich in den Zellen der wachsenden Biomasse befinden, dann wird das Fermentationsverfahren so geführt, dass möglichst eine große Menge an Biomasse anwachsen kann. Die Zielprodukte können sich auch als Produkte des Metabolimus der Biomasse in den extrazellulären Fermentationsbrühen befinden, dann wird das Wachstum der Biomasse nach einer ersten Phase eingeschränkt oder beendet, damit die dann vorhandene Biomasse in einer zweiten Phase bei geringem oder ohne weiteres Wachstum eine möglichst große Menge des Zielproduktes liefert. Die von der Biomasse gebildeten extrazellulären Produkte wirken in vielen Fällen toxisch auf die Mikroorganismen und begrenzen oder beenden den weiteren Verlauf eines Fermentationsverfahrens und können schließlich zum Absterben der Biomasse führen. Daher wird z.B. bei der Herstellung der Bioalkohole (Ethanol, Butanol), aber auch bei fermentativen ABE-Herstellung (Aceton-Butanol-Ethanol) oder anderer Produkte die Fermentation nur bis zum dem Punkt geführt, an dem der Gehalt an Fermentationsprodukten beginnt, toxisch für die eingesetzten Mikroorganismen zu werden. Die Fermentationsmaische wird danach destilliert und die flüchtigen Produkte werden abgetrennt und konzentriert, die Biomasse wird weiter aufbereitet oder verworfen. Befindet sich das gewünschte Zielprodukt in der Biomasse, so wird diese entsprechend aufbereitet. Auch hier können flüchtige Nebenprodukte die Produktion an Biomasse begrenzen.
-
Nach diesem Stand der Technik kann die Fermentation nur absatzweise betrieben werden, Produktivität und erreichbare Konzentration der Zielprodukte sind begrenzt.
-
Es sind daher unterschiedliche Verfahren vorgeschlagen worden, um durch die kontinuierliche Abtrennung der inhibierend wirkenden Produkte die Fermentation über diese Grenzen hinaus und womöglich kontinuierlich zu betreiben. Zu derartigen, vorgeschlagenen Verfahren gehören das Durchleiten von Stickstoff und damit das Strippen der flüchtigen Verbindungen aus der Fermentationsbrühe, das Anlegen eines Vakuums, um die flüchtigen Verbindungen dampfförmig mit Unterdruck zu entfernen, sowie die Verfahren der Extraktion und Pertraktion. (K. Schügerl, Biotechnology Advances, 2000, Band 18, S. 581–599). Der für das Gasstrippen und das Vakuumverfahren erforderliche Energieaufwand ist allerding wegen der niedrigen Temperaturen, bei denen das flüchtige Zielprodukt aus der Gasmischung auskondensiert werden muss, unwirtschaftlich hoch. Bei der Extraktion und Pertraktion muss das Zielproduckt zunächst in eine Lösung in einer schwer siedenden, mit Wasser nicht mischbare Flüssigkeit überführt und aus dieser wieder durch Destillation ausgetrieben werden, was energetisch und durch die Verluste an Extraktionsmittel unwirtschaftlich ist. Somit konnte das Ziel, derartige Fermentationen kontinuierlich und über längere Zeit zu betreiben, nicht erreicht werden.
-
In der
DE 10 2007 055 503 wird vorgeschlagen, einen Teilstrom aus dem Fermenter abzutrennen, die flüchtigen Reaktionsprodukte Aceton, Butanol und/oder Ethanol unter Unterdruck hieraus destillativ zu entfernen und den Rückstand der Destillation wieder in die Fermentation zurück zu führen. Alternativ wird am Ende der Fermentation die gesamte Fermenterbrühe destilliert und über eine energetische Kopplung werden der Sumpfablauf weiter eingedickt und die Produkte Aceton, Butanol und Ethanol mit geringerem Energieaufwand als der Stand der Technik erfordert, voneinander getrennt und konzentriert.
-
Darüber hinaus beschreiben Liu et al. (
Separation and Purification Technology, 2005, Band 42, S 273) sowie die
US 4 025 562 Techniken der Pervaporation.
-
Ein wesentlicher Nachteil aller bisher beschrieben Verfahren zur kontinuierlichen in-situ Abtrennung von flüchtigen Rektionsprodukten aus Fermentationsprozessen, um einen kontinuierlichen Betrieb der Fermentation zu ermöglichen, ist, dass es nicht genügt, ein flüchtiges Zielprodukt aus dem Fermenter zu entfernen, sondern dass eine stimmige Stoffbilanz um den Fermentationsprozess aufgestellt werden muss. Neben dem fermentierbaren Substrat werden in den Fermenter zumindest Wasser, Salze, Nährstoffe für die Mikroorganismen und andere, nicht fermentierbare Substanzen eingetragen. Das fermentierbare Substrat wird nicht nur zu einem oder mehreren Zielprodukten umgesetzt, so dass als Endprodukt des Stoffwechsels der Mikroorganismen auch CO2 und andere Gase entstehen, durch die etwa die Hälfte des mit dem Substrat eingebrachten Kohlenstoffs den Fermenter verlässt, sowie teilweise Wasser. Dazu werden andere Nebenprodukte gebildet, hauptsächlich aus der Zersetzung abgestorbener Mikroorganismen.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein wirtschaftliches, kontinuierliches Fermentationsverfahren zur Herstellung von flüchtigen Verbindungen bereitzustellen. Das Ziel der vorliegenden Erfindung wird erreicht durch eine kontinuierliche Entfernung inhibierend wirkender flüchtiger Zielprodukte bei gleichzeitiger Konzentrierung dieser Produkte für eine wirtschaftliche Aufarbeitung und Reinigung, und durch die Einstellung und Aufrechterhaltung einer stabilen stationären Konzentration aller im Fermentationsprozess vorhandenen Ausgangsstoffe oder Reaktionsprodukte sowie einer möglichst hohen Konzentration an aktiver Biomasse. Zur Erreichung des Ziels der vorliegenden Erfindung werden insbesondere Membranprozesse eingesetzt, insbesondere die Prozesse der Mikro,- Ultra- und Nanofiltration und der Umkehrosmose sowie der Pervaporation (einschließlich der Dampfpermeation), sowie einer Kombinationen dieser Prozesse miteinander und mit mechanischen und thermischen Verfahren.
-
Es hat sich gezeigt, dass flüchtige organische Verbindungen durch Pervaporation mit organophilen Membranen aus wässrigen Lösungen wie Fermentationsbrühen abgetrennt und aufkonzentriert werden können. Organophile Membranen haben die Eigenschaft, in einem Pervaporationsschritt organische Verbindungen bevorzugt passieren zu lassen, polare Verbindungen wie Wasser aber zurück zu halten. Durch diesen Schritt werden die abgetrennten organischen Verbindungen gleichzeitig stärker aufkonzentriert als durch eine einfache Verdampfung. Der Faktor, um den die Konzentration der flüchtige organische Komponente im Permeat, nach dem Durchtritt durch die Membran, gegenüber der Konzentration derselben Komponente in der Ausgangslösung, dem Zulauf, angereichert wird, ist als Selektivität α bekannt. Eine allgemein akzeptierte Definition der Selektivität ist das Verhältnis der Konzentration der besser durchtretenden Komponente zur Konzentration des Wassers im Permeat dividiert durch das gleiche Verhältnis im Zulauf.
-
Es ist ferner bekannt, dass die Selektivitäten α solcher Membranen zwischen den Werten von größer 1 bis über 500 variieren und dass sie von der Konzentration des Zulaufs und der Natur der permeierenden Substanz abhängen und durch die Auswahl des Materials der Membran und der Herstellungsbedingungen eingestellt werden können. Für den Fachmann ergibt sich damit die Möglichkeit, eine für den entsprechende Trennvorgang optimale Membran einzusetzen.
-
Nach der vorliegenden Erfindung werden somit flüchtige organische Reaktionsprodukte durch organophile Pervaporation kontinuierlich aus einem Fermenter abgetrennt. Die Selektivität der organophilen Membran wird dabei so eingestellt, dass einerseits eine solche Konzentration des abgetrennten Produktes erreicht wird, welche seine Aufarbeitung vereinfacht, andererseits die Konzentration der flüchtigen Komponente im Fermenter so gering gehalten wird, dass keine Produktinhibition auftritt. Ein oder mehrere Nebenströme aus dem Fermenter werden durch Membranfiltration oder thermische Verfahren oder durch deren Kombination zusätzlich behandelt, so dass nicht umgesetzte oder neu gebildete, nicht flüchtige Substanzen aus dem Fermenter entfernt werden.
-
An Hand der 1 wird das Prinzip der vorliegenden Erfindung erläutert. Dabei ist auf die Darstellung der zusätzlichen Komponenten wie Pumpen, Wärmetauscher, Kondensatoren oder Vakuumpumpen verzichtet worden.
-
Ein Substratgemisch 1, das die fermentierbaren Komponenten enthält, wird in einen Fermenter 2 eingebracht, in dem es durch geeignete Mikroorganismen 3 zu zumindest einem flüchtigen Zielprodukt umgesetzt wird. Ein Strom 4 wird kontinuierlich dem Fermenter entnommen und über eine organophile Pervaporationsmembran 6 geleitet, die in einer Membraneinheit 5 eingesetzt ist. Der dampfförmige Permeatstrom 7, in dem das zumindest eine flüchtige Zielprodukt angereichert ist, wird kondensiert und der weiteren Konzentration und Aufarbeitung, z.B. durch Destillation, zugeführt. Der an dem flüchtigen Zielprodukt abgereicherte Strom 8 wird in zwei Teilströme 9 aufgeteilt. Teilstrom 9 wird in den Fermenter zurückgeführt, Teilstrom 10 wird gesondert behandelt, um nichtflüchtige Produkte, die sich im Fermenter 3 anreichern würde, auszuschleusen. Strom 10 enthält noch eine geringe Menge des Zielproduktes, welches durch die Behandlung abgetrennt und mit Strom 7 vereinigt wird. Die Konzentrationen und Mengen der Ströme 7 und 10 werden so gewählt, dass sich im Fermenter 2 eine konstante stationäre Konzentration an Biomasse, Zielprodukt und Nebenprodukten einstellt und aufrechterhalten wird.
-
2 zeigt eine bevorzugte Ausführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung. Auch hier ist auf die Darstellung der zusätzlichen Komponenten wie Pumpen, Wärmetauscher, Kondensatoren oder Vakuumpumpen verzichtet worden Das Zielprodukt der Fermentation ist eine flüchtige Verbindung, die mit Wasser nicht vollständig mischbar ist, vorzugsweise n-Butanol. Vorzugsweise erfolgt die Fermentation in mindestens zwei Fermentern 2, 2‘, die mit fermentierender Mischung 3, 3‘ gefüllt sind. Vorzugsweise wird eine Kaskade von mehr als zwei Fermentern eingesetzt, ihre Zahl und die Reaktionsbedingungen in ihnen werden so gewählt, dass im letzten Fermenter das fermentierbare Substrat praktisch vollständig umgesetzt ist. Aus dem letzten Fermenter wird demnach ein Strom 11 abgezogen, der nur Biomasse, das Zielprodukt und die Nebenprodukte der Fermentation sowie nicht fermentierbare Substanzen enthält. Diese Strom wir über eine Filtrationsmembran 12 in einer Filtrationseinheit 13 geführt. Das Rückhaltevermögen der Membran 12 ist so gewählt, dass die Biomasse sowie ungelöste Partikel und nicht fermentierbare Makromoleküle zurück gehalten werden, Wasser, gelöste kleine Moleküle und Salze sowie das Zielprodukt aber die Membran 12 passieren. Das die Membraneinheit 13 verlassende Retentat 8 wird in zwei Teilströme 9 und 10 aufgeteilt. Strom 9 wird in die Fermentation zurückgeführt, vorzugsweise als Strom 9 und 9‘ in mehr als einen Fermenter 2, 2‘. Der Teilstrom 10 wird zu einer Eindampfung 27 geführt, in der vorzugsweise unter Vakuum, flüchtige Komponenten wie das Zielprodukt als Strom 29 abgetrennt werden. Strom 29 wird dabei bis zur Zusammensetzung des Permeates 7 konzentriert und mit diesem zusammen in den Phasenscheider 15 gebracht werden. Die nicht-flüchtigen Anteile sind im Strom 28 enthalten, der weiter aufbereitet wird, z.B. durch Dekantieren oder Eindampfen.
-
Das Permeat 4 der Membraneinheit 13 wird in einem weiteren Membraneinheit 5 durch eine organophile Pervaporationsmembran 6 in einen Permeatstrom 7 und einen Retentatstrom 14 getrennt. Die Selektivität der Membran 6 und die Fläche der Membran 6 sind so gewählt, dass Strom 7 nach der Kondensation zwei Phasen 16 und 17 in dem Phasenscheider 15 bildet. Die organische Phase 16 wird als Strom 18 in einer weiteren Membraneinheit 19, die eine hydrophile Pervaporationsmembran 20 enthält, vom restlichen Wasser befreit, und das Zielprodukt 21 wird in der gewünschten Reinheit erhalten. Das wasserreiche Permeat 22 der hydrophilen Pervaporation 19 wird mit dem Retentat 14 der Membraneinheit 5 und der wasserreichen Phase 17 aus dem Phasenscheider 15 (Strom 24) zu einem Strom 23 vereinigt, der in einer Kolonne 25 soweit destilliert wird, dass als Sumpfprodukt 26 Wasser mit gelösten Salzen und kleineren gelösten Molekülen erhalten wird. Das Kopfprodukt 30 wird soweit konzentriert, dass es im Phasenscheider 15 ebenfalls zwei Phasen 16 und 17 bildet, welche wie oben weiter aufgearbeitet werden. Das Verhältnis der Ströme 9 und 10 sowie die Selektivität der Membran 6 werden so eingestellt, dass eine möglichst große Menge des Zielproduktes n-Butanol durch Membrantrennung gewonnen wird, und dass der Energieverbrauch im Eindampfer 27 und der Kolonne 25 minimiert wird.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Strom 4 in der organophilen Pervaporation 5 soweit an dem flüchtigen Zielprodukt abgereichert, dass das Retentat 14 zusammen mit dem Permeat 22 der hydrophilen Pervaporation zur Aufbereitung des Substrates zurückgeführt werden kann.
-
3 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Membraneinheit 5 mit den organophilen Membranen 6, 6‘, 6‘‘, 6‘‘ ... ist hierbei in den Fermenter 2, der die fermentierende Mischung 3 enthält und in den das zu fermentierende Substrat 1 geleitet wird, integriert, vorzugsweise als getauchte Membran. In 3 ist nur ein Fermenter angegeben, vorzugsweise ist hier eine Kaskade von mindestens 2 Fermentern installiert. Durch die organophile Membran 6, 6‘, 6‘‘ ... wird ein an der flüchtigen Zielkomponente angereichertes Permeat 7 abgezogen. Weist die flüchtige Zielkomponente, bevorzugt n-Butanol, eine Mischungslücke mit Wasser auf, so wird das kondensierte Permeat 7 in einem Phasenscheider 15 in eine wasserhaltige organische Phase 16 und in eine wasserreiche Phase 17 getrennt, letztere enthält noch einen gewissen Anteil an der Zielkomponente. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist keine sehr hohe Selektivität der organophilen Membran 12 erforderlich, Werte von α zwischen 10 und 50 sind ausreichend. Die organische Phase 16 wird als Strom 18 in einer Membraneinheit 19, die eine hydrophile Pervaporationsmembran 20 enthält, in die entwässerte Zielkomponente 21 und in ein wasserreiches Permeat 22 getrennt. Das wasserreiche Permeat 22 wird zusammen mit dem Strom 24 der wasserreichen Phase 17 in eine Destillationskolonne 25 geführt und in ein Kopfprodukt 30 getrennt, welches nach Kondensation in den Phasenscheider 15 geleitet und weiter aufgetrennt wird. Das Sumpfprodukt 26 der Destillationskolonne 25 enthält praktisch nur Wasser und ist frei an dem Zielprodukt. Durch diese bevorzugte Anordnung wird in dem Fermenter 2 in der fermentierenden Mischung 3 eine nur geringe Konzentration des Zielproduktes aufrecht erhalten, im Falle, dass das Zielprodukt n-Butanol ist, beträgt dessen Konzentration im Fermenter 2 zwischen 0,5 und 6 %, bezogen auf die Masse, vorzugsweise zwischen 1 und 4 %.
-
Aus dem Fermenter 2 wird kontinuierlich ein Strom 11 über eine Membraneinheit 13 geleitet, die eine Filtrationsmembran 12 enthält. Das Permeat dieser Einheit wird als Strom 4 mit den Strömen 24 und 22 in die Destillationskolonne 25 geleitet und weiter aufgetrennt. Das Retentat 8 der Membraneinheit 13 wird in zwei Ströme 9 und 10 aufgetrennt. Strom 9 wird mit einer erhöhten Konzentration an Biomasse in den Fermenter 2 zurückgeführt, Strom 10 wird in einem Eindampfer 27, vorzugsweise unter Vakuum, in einen Strom 29 getrennt, der noch Zielprodukt enthält. Dieser Strom 29 wird soweit aufkonzentriert, dass er in den Phasenscheider 16 geleitet werden kann. Als weiteres Produkt des Eindampfers 27 wird ein Strom 28 erhalten, der frei von dem Zielprodukt ist und nur nicht-flüchtige Anteile enthält. Dieser Strom 28 kann weiter aufbereitet werden, z.B. durch Dekantieren oder Eindampfen.
-
Es ist ein besonderer Vorzug der Ausführungsform nach 3 der vorliegenden Erfindung, dass die Abtrennung der flüchtigen Zielkomponente durch die organophile Pervaporation Wärme aus dem Fermenter 2 abführt. Damit kann eine äußere Kühlung der fermentierenden Mischung 3 entfallen. Bevorzugt sind somit temperaturstabile Mikroorganismen, die Temperatur im Fermenter beträgt zwischen 25“ C und 90° C, bevorzugt zwischen 40 und 65° C.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das flüchtige Zielprodukt der Fermentation Ethanol. Da Ethanol mit Wasser vollständig mischbar ist, wird der Phasenscheider 15 in 2 und 3 durch einen Dephlegmator 15’ ersetzt (nicht gezeigt in 2 und 3), in welchem das Permeat 7 der organophilen Pervaporation im Gegenstrom kondensiert und weiter konzentriert wird. Das an Ethanol reiche Kopfprodukt des Dephlegmators wird ebenfalls in der hydrophilen Pervaporation 19 entwässert, und das wasserreiche Bodenprodukt des Dephlegmators (entspricht Strom 24) der Destillationskolonne 25 zugeführt. In dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden organophile Membranen mit einer erhöhten Selektivität eingesetzt, bevorzugt sind Werte von α zwischen 20 und 250, besonders bevorzugt zwischen 25 und 150. Die stationäre Konzentration an Ethanol in der fermentierenden Mischung 3 liegt bevorzugt zwischen 1% und 10% besonders bevorzugt zwischen 2% und 6%, bezogen auf die Masse.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Kondensation des Permeates der organophilen Pervaporation (Strom 7 in 1, 2, 3) stufenweise bei unterschiedlichen Temperaturen, so dass in einer ersten Stufe bevorzugt die höher siedende Komponente bei einer höheren Temperatur (z.B. Wasser), in einer zweiten Stufe bei einer niedrigeren Temperatur bevorzugt die niedriger siedende Komponente (z.B. Ethanol) kondensiert wird. Dieses Verfahren ist besonders bevorzugt, wenn das durch die organophile Pervaporation abgetrennte Produkt mit Wasser vollständig mischbar ist. In dieser Ausführungsform entfällt der Phasenscheider 15, die Phasen 16 und 17 (2 und 3) werden durch die entsprechenden Kondensate der getrennten Kondensation gebildet.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden entfällt der Eindampfer 27 in 2 und 3. Strom 10 wird in dieser bevorzugten Ausführungsform zusammen mit den Strömen 14, 24, 22 (2) bzw. 4, 24, 22 (3) in die Destillationskolonne 25 geleitet, Strom 28 und 29 entfallen. Das Sumpfprodukt 26 der Kolonne 25 enthält in dieser Ausführungsform neben Wasser alle nicht fermentierbaren Stoffe sowie Salze.
-
Es ist ein besonderer Vorzug des Verfahrens nach der der vorliegenden Erfindung, dass durch den Einsatz einer organophilen Membran in der Fermentation eine geringe stationäre Konzentration des mindestens einen flüchtigen Produktes aufrecht erhalten wird, sodass dieses mindestens eine Produkt nicht inhibierend oder toxisch auf die Mikroorganismen wirkt. Die durch die organophile Pervaporation erfolgte Konzentrierung der mindestens einen flüchtigen Komponente erlaubt eine energetisch günstigere Aufarbeitung dieser Komponente. Ferner gestattet sie, in der Fermentation Substrate einzusetzen, die eine nur geringe Konzentration an fermentierbaren Substanzen aufweisen. Solche Substrate, bevorzugt Hydrolysate ligno-cellulosischer Rohstoffe, können in der bisherigen, absatzweise geführten Fermentation nicht wirtschaftlich verwertet werden, da die rein destillative Aufarbeitung der flüchtigen Zielprodukte zu viel Energie erfordert.
-
Beispiel 1
-
In einer Anordnung entsprechend
4 sind in einer Kaskade mindesten drei Fermenter
3,
3‘,
3‘‘ hinter einander geschaltet. In den ersten Fermenter wird eine Menge von 1000 kg/h eines wässrigen Substrates
1 eingetragen, das 27 % Glucose und 0,2 % nicht fermentierbare Substanzen enthält. Das Volumen der Fermenter ist so gewählt, dass die Verweilzeit des Substrates 30 bis 40 Stunden beträgt, als Mikroorganismus für die Umsetzung der Glucose dient eine genmodifizierte Hefe der Gattung Arxula, wie sie z.B. in der Europäischen Patentanmeldung
EP11161243.8 beschrieben ist. Im stationären Zustand enthält der letzte Fermenter eine wässrige Mischung von 4% n-Butanol, 4% der Hefe und 0,3% nicht fermentierbare Komponenten. Aus dem letzten Fermenter
3‘‘ wird ein Strom
11 abgezogen und in einer mit eine Ultrafiltrationsmembran
12 versehenen Membraneinheit
13 in einen Retentatstrom
8 und einen Permeatstrom
4 getrennt. Letzterer wird durch eine organophile Pervaporationsmembran
6 in einer Membraneinheit
5 in ein Permeat
7 und eine Retentat
14 aufgetrennt. Im Permeat
7 ist das Produkt n-Butanol auf 60 % angereichert, bei der Kondensation bilden sich im Phasenscheider
15 zwei Phasen
16 und
17 aus. Die organische Phase
16 enthält 91 % n-Butanol, sie wird als Strom
18 durch eine hydrophile Membran
20 in einer Membraneinheit
19 entwässert, so dass als Retentat
21 ein Produkt mit 99,9% n-Butanol erhalten wird.
-
Das Retentat 8 der Ultrafiltration 13 wird in einen Hauptmenge 9 und eine kleinere Teilmenge 10 aufgeteilt. Strom 9 wird in die Fermentation 3, 3‘, 3‘‘ zurückgeleitet, Strom 10 enthält überschüssiger Hefe und eine höhere Konzentration an nicht fermentierbaren Substanzen, die aus dem Prozess ausgeschleust werden.
-
Zur Gewinnung des in ihm enthaltenen Zielproduktes n-Butanol wird er mit dem Permeat 22 der hydrophilen Pervaporation 19, mit der wässrigen Phase 17 (Strom 24) aus dem Phasenscheider 15, und dem Retentat 14 der organophilen Pervaporation 5 vereinigt und im Eindampfer 27 in die Ströme 28 und 29 aufgetrennt. Im Strom 29 wird das n-Butanol auf etwa 60% aufkonzentriert, so dass dieser Strom nach Kondensation in den Phasenscheider 15 geleitet wird. Strom 28 enthält neben den nicht fermentierbaren Komponenten die überschüssige Hefe, durch ihn wird die das während der Fermentation gebildete und durch die Substratmischung 1 in den Prozess eingebrachte Wasser entfernt.
-
Beispiel 2
-
In einer Anordnung entsprechend der 5 sind drei Fermenter 3, 3‘, 3‘‘ hintereinander geschaltet, die von der fermentierenden Mischung nacheinander durchströmt werden In den ersten Fermenter werden je Stunde 1000 kg einer wässrigen Substratlösung 1 aus hydrolysierter Stärke eingebracht, die Lösung enthält 27 % Glucose und 0,2 % nicht fermentierbare Substanzen. Das Volumen der drei Fermenter ist so gewählt, dass die Fermentationszeit 5 bis 12, vorzugsweise 8 bis 10 Stunden beträgt. Im stationären Zustand enthält der letzte Fermenter 9% Ethanol, 6 % Hefe der Gattung Saccharomyces und 0,3 % nicht fermentierbare Substanzen, während die Glucose vollständig umgesetzt wurde. Aus dem Fermenter 3‘‘ werden 3200 kg/h eines Stromes 11 abgezogen, dessen Zusammensetzung der des Inhaltes des letzten Fermenters entspricht. Wie im Beispiel 1 wird dieser Strom 11 in einer Membraneinheit 13, die eine Ultrafiltrationsmembran 12 enthält, in zwei Ströme 8 und 4 aufgeteilt. Das Rückhaltevermögen der Membran 12 ist so gewählt, dass Strom 8 Hefe und einen Teil der nicht fermentierbare Substanzen enthält, während Strom 4 neben Wasser und Ethanol noch gelöste Salze enthält. Strom 4 mit einer Menge von 1500 kg/h wird in die Membraneinheit 5 geführt, die eine organophile Pervaporationsmembran 6 enthält. Die Selektivität der Membran 6 ist hoch (α >70), so dass 140 kg/h eines Permeat 7 erhalten werden, das ca. 60 % Ethanol enthält. Da diese Mischung nach der Kondensation keine Phasentrennung zeigt, wird das Permeat 7 direkt in eine Membraneinheit 19 geleitet, die mit einer hydrophilen Pervaporationsmembran 20 ausgerüstet ist. Als Retentat wird ein Produkt 21 erhalten, das 99,8 % Ethanol enthält, sowie ein Permeat 22, das weniger als 0,5 % Ethanol enthält. Das Retentat 14 der organophilen Membraneinheit 5 ist auf ca. 0,5 % Ethanol abgereichert, es wird mit dem Permeat 22 der organophilen Pervaporation in die Aufbereitung der Substratlösung 1 zurückgeführt.
-
Das Retentat 8 der Ultrafiltration 13 wird in zwei Ströme 9 und 10 aufgeteilt. Der größere Strom 9 wird in die Fermentation zurückgeführt, der Teilstrom 10 dient zur Ausschleusung der überschüssigen Hefe und der nicht fermentierbaren Substanzen. Im Eindampfer 27 wird er in die Ströme 28 und 29 getrennt, Strom 29 mit ebenfalls 60 % Ethanol wird in den Strom 7 zur hydrophilen Pervaporation geführt, Strom 28 mit der überschüssigen Hefe und den nicht fermentierbaren Substanzen wird verworfen oder weiter aufbereitet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102007055503 [0005]
- US 4025562 [0006]
- EP 11161243 [0024]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- K. Schügerl, Biotechnology Advances, 2000, Band 18, S. 581–599 [0004]
- Separation and Purification Technology, 2005, Band 42, S 273 [0006]
