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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum thermischen Aufschließen einer Biomassesuspension gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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Aus Biomasse gewonnene Öle sind insbesondere zur Substitution von fossilen Brennstoffen und/oder von entsprechenden Ausgangsverbindungen für chemische Synthesen von Interesse. Die Gewinnung von Ölen aus Biomasse ist weitgehend kohlendioxidneutral und daher unter Umweltaspekten vorteilhaft.
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Um entsprechende Öle aus Biomasse wie Algen- oder Bakterienzellen gewinnen zu können, muss diese zunächst aufgeschlossen werden. Ziel des Aufschlusses ist dabei insbesondere, die Strukturen der Biomasse, beispielsweise Zellwände, zu zerstören, so dass eine Extraktion von hydrophoben Komponenten möglich ist.
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Der thermische Aufschluss einer ölhaltigen Biomassesuspension ist beispielsweise aus der
US 8 192 628 B2 bekannt. Die ölhaltige Biomassesuspension wird hierbei für einen definierten Zeitraum unter Druck und bei erhöhter Temperatur in einem gerührten Reaktor in turbulentem Zustand gehalten.
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Aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zum thermischen Aufschließen von Biomassesuspensionen sind jedoch mitunter aufwendig zu implementieren und durchzuführen. Die vorliegende Erfindung will hier Abhilfe schaffen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund schlägt die Erfindung ein Verfahren zum thermischen Aufschließen einer Biomassesuspension und eine entsprechende Anlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Wie bereits erwähnt, werden in herkömmlichen Verfahren zum thermischen Aufschließen ölhaltiger Biomassesuspensionen Reaktoren verwendet, in welchen die aufzuschließende Biomassesuspension in turbulentem Zustand gehalten wird. Hierzu sind herkömmlicherweise Rührwerke erforderlich, die insbesondere aufgrund der in einem entsprechenden Reaktor verwendeten Drücke und Temperaturen aufwendig abgedichtet werden müssen. Die hierbei erforderlichen Hochdruckdichtungen sind teuer und gegebenenfalls störungsanfällig.
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In herkömmliche Reaktoren kann zudem nur eine limitierte Wärmemenge eingebracht werden, weil nur beschränkte Wärmeaustauschflächen vorhanden sind. Es sind daher aufwändige Zusatzerhitzer erforderlich, die jedoch aufgrund der Eigenschaften der zu erwärmenden Biomassesuspension häufiger Wartung bedürfen. So kommt es zu Ablagerungen und/oder Korrosionserscheinungen ("Fouling").
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Durch den Einsatz von Rohrreaktoren, die insbesondere einen verbesserten Wärmeübergang sicherstellen, können diese Probleme nicht vollständig gelöst werden. Aufgrund der erforderlichen Verweildauer der aufzuschließenden Biomassesuspension in einem entsprechenden Reaktor von typischerweise bis zu vier Stunden müssen die Rohrreaktoren sehr groß dimensioniert werden. Eine Verlängerung der Verweildauer durch eine Reduzierung des Durchsatzes ist technisch nur in begrenztem Umfang möglich, weil eine minimale Strömungsgeschwindigkeit der Biomassesuspension nicht unterschritten werden kann. Daher müssen typischerweise mehrere parallel betriebene Rohrreaktoren bereitgestellt werden, um einen ausreichenden Durchsatz der Anlage sicherzustellen. Auch für Rohrreaktoren sind aufwändige Zusatzerhitzer und Kühler erforderlich, in denen die bereits erläuterten Probleme auftreten.
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Die vorliegende Erfindung adressiert die zuvor erläuterten Nachteile des Standes der Technik dadurch, dass ein nichtgerührter Reaktor verwendet wird, dem fortwährend ein Teil des Reaktorinhalts entnommen wird, der erwärmt und danach in den Reaktor rückgespeist wird. Der im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommende Reaktor ist im einfachsten Fall als, vorzugsweise thermisch isolierter, Behälter ausgebildet, in den entsprechende Leitungen münden. Der im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendete Reaktor kann kontinuierlich mit der Biomassesuspension gespeist werden. Die zum Aufschluss erforderliche Verweildauer kann durch eine Füllstandsregelung sichergestellt werden. Ein entsprechender Reaktor kann über Entlüftungseinrichtungen und geeignete Entnahmevorrichtungen verfügen. Ein "nichtgerührter" Reaktor weist kein Rührwerk auf.
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Aufgrund des Verzichts auf ein Rührwerk in einem entsprechenden Reaktor ist es möglich, auf aufwendige Abdichteinrichtungen zu verzichten. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb, weil die kontinuierliche Einspeisung aufzuschließender und die kontinuierliche Entnahme bereits größtenteils aufgeschlossener Biomassesuspension aus dem Reaktor möglich ist. In herkömmlichen Reaktoren mit Rührwerk kann dies erschwert sein.
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Besonders vorteilhaft ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Verwendung wenigstens eines Rohrbündelwärmetauschers, der zum Erwärmen zumindest des fortwährend entnommenen und rückzuspeisenden Teils des Reaktorinhalts verwendet wird. Ein solcher Rohrbündelreaktor erlaubt in dem erfindungsgemäßen Szenario einen besonders effizienten Wärmeaustausch. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst dabei beispielsweise die fortwährende Entnahme des zu erwärmenden und rückzuführenden Teils des Reaktorinhalts mittels einer Umwälzpumpe. Durch den hierdurch realisierten Zwangsumlauf wird die für die Wärmeübertragung in dem Rohrbündelwärmetauscher erforderliche Turbulenz erzeugt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der fortwährend entnommene Teil des Reaktorinhalts mit der anschließend in den wenigstens einen Reaktor eingespeisten Biomassesuspension vereinigt wird, insbesondere vor der Erwärmung in dem erwähnten Rohrbündelwärmetauscher. Auf diese Weise ist eine besonders effiziente Erwärmung möglich. Ein entsprechender Rohrbündelwärmetauscher muss nur einmal bereitgestellt werden. Unvermeidliche Wartungsarbeiten verringern sich.
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Die Verwendung eines Rohrbündelwärmetauschers in dem erfindungsgemäßen Verfahren ist auch deshalb günstig, weil die Flussrate aufgrund der wählbaren Entnahmemenge aus dem Reaktor an die Wärmeübertragungscharakteristik des Wärmetauschers angepasst werden kann. Im Gegensatz zu herkömmlichen Reaktoren, deren Inhalt nur insgesamt beheizt werden kann, ergibt sich damit ein deutlich verbesserter Wärmeübergang
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der fortwährend entnommene Teil des Reaktorinhalts und/oder die anschließend in den wenigstens einen Reaktor eingespeiste Biomassesuspension auf eine Temperatur von 150 bis 600 °C, insbesondere von 250 bis 500 °C, erwärmt wird. Die Erwärmung auf die genannten Temperaturen kann beispielsweise mittels geeigneter Wärmemedien wie Heißdampf und/oder Thermalöl erfolgen. Auch andere Wärmeträger, die in einer entsprechenden Anlage vorhanden sind, können verwendet werden.
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Wie erwähnt dient der Aufschluss der Biomassesuspension dazu, eine anschließende Extraktion gewünschter Komponenten, beispielsweise eine Phasentrennung zwischen wässrigen und nichtwässrigen Komponenten, zu ermöglichen. Daher wird dem wenigstens einen Reaktor vorteilhafterweise fortwährend ein weiterer Teil des Reaktorinhalts entnommen und wenigstens einem Trennschritt zugeführt.
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Unter einem "Trennschritt" wird dabei im Rahmen der vorliegenden Anmeldung jedwede Art der Trennung verstanden. Beispielsweise kann der fortwährend dem Reaktor entnommene weitere Teil des Reaktorinhalts in einen geeigneten Behälter entspannt werden, so dass leichter flüchtige Komponenten der aufgeschlossenen Biomasse, beispielsweise Wasser, in die Gasphase übergehen. Eine entsprechende Entspannung stellt also einen Trennschritt dar, der eine zumindest teilweise Abtrennung von Wasser erlaubt. Auch eine Phasentrennung in wässrige und nichtwässrige Phasen, gegebenenfalls nach zusätzlichen Schritten wie Ansäuern und dergleichen, stellen Trennschritte in diesem Sinn dar.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn aus dem fortwährend entnommenen weiteren Teil des Reaktorinhalts ein Strom gebildet wird, der zum teilweisen Erwärmen der anschließend in den wenigstens einen Reaktor eingespeisten Biomassesuspension verwendet wird. Dies erlaubt eine besonders effiziente Rückgewinnung der zuvor zur Erwärmung der Biomassesuspension aufgebrachten Energie. Beispielsweise kann hierzu der fortwährend dem Reaktor entnommene weitere Teil des Reaktorinhalts, gegebenenfalls nach Aufbereitungsschritten, im Gegenstrom zur Biomassesuspension durch einen Plattenwärmetauscher geführt werden.
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Die vorliegende Erfindung kann grundsätzlich sämtliche Vor- und Nachbehandlungsschritte der Biomassesuspension vor bzw. nach ihrem Aufschluss umfassen. Die Biomassesuspension kann beispielsweise druckbeaufschlagt, entgast, in mehreren Schritten erwärmt oder mit zusätzlichen Medien versetzt werden.
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Eine Anlage, die zum thermischen Aufschließen einer lipidhaltigen Biomassesuspension eingerichtet ist, und die wenigstens einen Reaktor und Mittel, die zum Erwärmen, Druckbeaufschlagen und anschließenden Einspeisen der Biomassesuspension in den wenigstens einen Reaktor eingerichtet sind, aufweist, ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Eine erfindungsgemäße Anlage zeichnet sich durch Mittel aus, die dafür eingerichtet sind, dem wenigstens einen Reaktor fortwährend einen Teil des Reaktorinhalts zu entnehmen, diesen zu erwärmen und danach in den Reaktor rückzuspeisen. Eine entsprechende Anlage profitiert von den bereits zuvor erläuterten Vorteilen, auf die daher ausdrücklich verwiesen wird.
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Insbesondere umfassen in einer entsprechenden Anlage die Mittel, die dafür eingerichtet sind, dem wenigstens einen Reaktor fortwährend einen Teil des Reaktorinhalts zu entnehmen, diesen zu erwärmen und danach in den Reaktor rückzuspeisen, wenigstens eine Umwälzpumpe und/oder wenigstens einen Rohrbündelwärmetauscher. Diese Aspekte wurden bereits erläutert.
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Eine entsprechende Anlage ist insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet, wie es zuvor erläutert wurde. Die Anlage verfügt daher über sämtliche Mittel, die sie zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrens befähigen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die eingangs erläuterten ölhaltigen Biomassesuspensionen beschränkt, sondern eignet sich grundsätzlich zur Verwendung in Verfahren zur Gewinnung beliebiger Komponenten aus Biomassesuspensionen. Insbesondere kommt die Erfindung im Zusammenhang mit der Extraktion von Ölen oder ölähnlichen Komponenten zum Einsatz. Die Biomassesuspension kann Kohlenwasserstoffe oder Lipide enthalten. Beispiele für entsprechende Verbindungen umfassen Wachse, freie Fettsäuren, Fettsäureester, Fettsäureamide, Glycolipide wie Mono-, Di- und Triglyceride, Glycerophospholipide, Sphingolipide wie Phosphosphingolipide und Glycosphingolipide, Sterole, Terpene wie Isoterpene, Isoprene, Terpenoide und Isoprenoide, Saccharolipide, Polyketide, Carotenoide, Chlorophylle und andere Pigmente.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anlage eignen sich zur Verwendung mit sämtlichen Arten von Biomassesuspensionen, insbesondere Zellkulturen von pro- oder eurkaryotischen, insbesondere aquatischen, Organismen. Die beteiligten Organismen sind insbesondere zur Bildung von Lipiden auf Grundlage von Photo- und/oder Chemosynthese befähigt.
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Beispiele für entsprechende Organismen sind Grün-, Rot- oder Braunalgen. Insbesondere handelt es sich bei solchen Algen um Mikroalgen, beispielsweise Mikroalgen der Gattungen Chlamydomonas, Dunaliella, Haematococcus, Scenedesmus, Chlorella oder Nannochloropsis. Verwendbare Bakterien können beispielsweise den Gattungen Synechococcus, Synechocystis, Athrospira, Prochlorococcus, Chroococcus, Gleoecapsa, Aphunocapsu, Aphanothece, Leptolyngbya, Merismopedia, Microcystis, Coelosphaeritan, Prochlorothrix, Oscillatoria, Trichodesmium, Spirulina, Microcoleus, Chroococcidiopisis, Anabaena, Aphanizamenon, Cylindindrospermopsis, Cylindrospermum, Tolypothrix oder Scytonema entstammen.
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Zu weiteren Details hinsichtlich der in Frage kommenden Verbindungen, Organismen und weiterer Verfahrensschritte sei auf die
US 8 192 628 B2 ausdrücklich verwiesen.
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung weiter erläutert, welche eine Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt eine Anlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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In 1 ist eine Anlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Form eines Anlagendiagramms dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet.
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Der Anlage 100 wird über eine Leitung 1 eine thermisch aufzuschließende, beispielsweise lipidhaltige Biomassesuspension zugeführt, die in einem Wärmetauscher 2 im Gegenstrom zu einem Produkt der Anlage 100 (siehe unten, Leitung 23) auf eine Temperatur von beispielsweise 100 °C bis 250 °C, insbesondere 150 °C bis 200 °C aufgeheizt wird. Die Biomassesusp ension wird anschließend über eine Leitung 3 in einen Entgasungsbehälter 4 überführt.
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Vom Kopf des Entgasungsbehälters 4 kann über eine Leitung 5 und unter Restriktion durch ein füllstandsgeregelt betriebenes Ventil 6 Gas abgelassen werden. Die Biomassesuspension kann dem Entgasungsbehälter 4 über eine Leitung 7 entnommen und anschließend mittels einer Pumpe 8 einem Rohrbündelwärmetauscher 9 zugeführt werden. Der Entgasungsbehälter 4 dient damit vornehmlich dem Entgasen der Biomassesuspension saugseitig der Pumpe 8. Der Entgasungsbehälter 4 wird bei Inbetriebnahme der Anlage 100 befüllt und hält seinen Füllstand über die erwähnte Füllstandsregelung. Die Verweildauer der Biomassesuspension ergibt sich aus dem Volumen und dem Füllstand des Entgasungsbehälters 4 und seinem Durchsatz.
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Kern der Anlage 100 ist ein nichtgerührter Reaktor 10, dessen Inhalt kontinuierlich über eine Leitung 11 abgezogen, mittels einer Umwälzpumpe 12 ebenfalls dem Rohrbündelwärmetauscher 9 zugeführt und über eine Leitung 13 in den Reaktor 10 rückgespeist werden kann. Hierdurch kann auf ein aufwendiges Rührwerk verzichtet werden. Die Anlage 100 ist damit kostengünstig betreibbar und einfach wartbar. Durch den mittels der Umwälzpumpe 12 realisierten Zwangsumlauf wird eine für die Wärmeübertragung erforderliche Turbulenz in dem Rohrbündelwärmetauscher 9 erzeugt. Die Verweildauer der zunehmend thermisch aufgeschlossenen Biomassesuspension in dem Reaktor 10 ist durch die Füllstandsregelung variabel.
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Der Rohrbündelwärmetauscher 9 kann über eine Leitung 14 und unter Restriktion durch ein temperaturgeregelt betriebenes Ventil 15 mit einem Heizmedium durchströmt werden. Bei dem in dem Rohrbündelwärmetauscher 9 verwendeten Heizmedium kann es sich beispielsweise um Heißdampf oder Thermalöl handeln.
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Der Inhalt der Leitung 13 und damit die in dem Reaktor 10 verwendete Aufschlusstemperatur betragen nach Erwärmung in dem Rohrbündelwärmetauscher 4 beispielsweise 150 °C bis 600 °C, insbesondere 250 °C bis 500 °C. Der Reaktor 10 wird bei einem Druck von beispielsweise 1 MPa bis 30 Mpa, insbesondere 10 MPa bis 30 Mpa oder 3 Mpa bis 5 Mpa, betrieben. Auch der Reaktor 10 wird bei Inbetriebnahme der Anlage 100 befüllt und hält seinen Füllstand über die Füllstandsregelung. Die Verweildauer der zunehmend thermisch aufgeschlossenen Biomassesuspension in dem Reaktor 10 ergibt sich aus dem Volumen und dem Füllstand des Reaktors 10 und seinem Durchsatz.
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Ein Teil des Inhalts des Reaktors 10 kann auch über eine Leitung 16 abgezogen und über ein füllstandsgeregelt betriebenes Ventil 17 in einen Expansionsbehälter 18 entspannt werden. Aufgrund der Entspannung über das Ventil 17 auf einen Druck von beispielsweise 1 MPa bis 5 MPa sinkt die Temperatur des Inhalts der Leitung 16 und leichte Komponenten, insbesondere Wasser, verdampfen.
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Ein Kopfgas des Expansionsbehälters 18 kann über eine Leitung 19 und ein druckgeregelt betriebenes Ventil 20 abgelassen werden. Das Kopfgas wird zunächst mittels eines Wärmetauschers 21 gekühlt, so dass rückkondensierbare Bestandteile des Kopfgases über eine Leitung 22 in den Expansionsbehälter 18 zurückgespeist werden können. Der Wärmetauscher 21 wird mit einem geeigneten Kühlmedium auf einer Temperatur von 150 °C bis 600 °C, insbesonder e 250 °C bis 500 °C, betrieben. Bedingt durch das hohe Temperaturniveau kann die abzuführende Wärme besonders gut zurückgewonnen werden. Der auch nach der Kühlung in dem Wärmetauscher 21 gasförmige Anteil, bei dem es sich im Wesentlichen um geringe Mengen gasförmiger Nebenprodukte handelt, kann aus der Anlage 100 ausgeführt werden.
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Über eine Leitung 23 kann unter Restriktion durch ein füllstandsgeregelt betriebenes Ventil 24 die thermisch aufgeschlossene Biomassesuspension aus dem Expansionsbehälter 16 abgezogen und zum Zwecke der Wärmerückgewinnung durch den bereits erläuterten Wärmetauscher 2 geführt werden. Sie wird in weiteren Verfahrensschritten in ihre Bestandteile getrennt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8192628 B2 [0004, 0026]
