DE102017207634A1

DE102017207634A1 - Apparatus and process for fermentation

Info

Publication number: DE102017207634A1
Application number: DE102017207634.8A
Authority: DE
Inventors: Manfred Baldauf; Elvira Maria Fernández Sanchis; Katharina Stark; Alexander Tremel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2017-05-05
Filing date: 2017-05-05
Publication date: 2018-11-08
Also published as: WO2018202604A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Fermentation, wobei die Vorrichtung einen Fermenter zur Aufnahme einer Fermentationsbrühe mit Bakterien umfasst und der Fermenter eine Kühlvorrichtung zum Abführen der Abwärme aufweist. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine thermische Trennvorrichtung zum Abtrennen eines Wertprodukts aus der Fermentationsbrühe mit einem Wärmetauscher, und eine Wärmepumpe. Die Kühlvorrichtung ist dabei thermisch mit einem Verdampfer der Wärmepumpe gekoppelt und der Wärmetauscher der thermischen Trennvorrichtung ist mit einem Kondensator der Wärmepumpe thermisch gekoppelt. Das Beheizen der thermischen Trennvorrichtung erfolgt zu einem großen Anteil oder ausschließlich mittels der Abwärme der Fermentation.

The invention relates to a device and a method for fermentation, wherein the device comprises a fermenter for receiving a fermentation broth with bacteria and the fermenter has a cooling device for discharging the waste heat. The apparatus further comprises a thermal separator for separating a product of value from the fermentation broth with a heat exchanger, and a heat pump. The cooling device is thermally coupled to an evaporator of the heat pump and the heat exchanger of the thermal separator is thermally coupled to a capacitor of the heat pump. The heating of the thermal separation device takes place to a large extent or exclusively by means of the waste heat of the fermentation.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Fermentation.The invention relates to a device and a method for fermentation.

Die Nachfrage nach Strom schwankt im tageszeitlichen Verlauf stark. Auch die Stromerzeugung schwankt mit zunehmendem Anteil an Strom aus erneuerbaren Energien während des Tagesverlaufs. Um ein Überangebot an Strom in Zeiten mit viel Sonne und starkem Wind bei niedriger Nachfrage nach Strom ausgleichen zu können, benötigt man regelbare Kraftwerke oder Speicher, um diese Energie zu speichern.Demand for electricity fluctuates strongly over the course of the day. Electricity generation also fluctuates with increasing share of electricity from renewable energies during the course of the day. In order to be able to compensate for an oversupply of electricity in times of high sunshine and strong wind with low demand for electricity, controllable power plants or storage facilities are needed to store this energy.

Eine der derzeit angedachten Lösungen ist das Umwandeln von elektrischer Energie in Wertprodukte, die insbesondere als Plattformchemikalien dienen können. Eine mögliche Technik zur Umwandlung der elektrischen Energie in Wertprodukte stellt die Elektrolyse dar. Insbesondere die Elektrolyse von Wasser zu Wasserstoff und Sauerstoff stellt eine im Stand der Technik bekannte Methode dar.One of the currently envisaged solutions is the conversion of electrical energy into value products, which can serve in particular as platform chemicals. One possible technique for converting electrical energy into value products is electrolysis. In particular, the electrolysis of water to hydrogen and oxygen is a method known in the art.

Kohlenstoffdioxid ist ein klimaschädliches Treibhausgas. Es trägt maßgeblich zu dem Treibhauseffekt bei und somit zur globalen Klimaerwärmung. Die Verringerung des Ausstoßes von Kohlenstoffdioxid, insbesondere bei industriellen Prozessen, ist daher erwünscht. Um unterschiedliche industrielle Prozesse möglichst klimaneutral, d.h. mit geringem Kohlenstoffdioxidausstoß, zu betreiben, ist es wünschenswert, das Kohlenstoffdioxid, das bei diesen Prozessen entsteht, wenigstens teilweise zu Wertstoffen umzuwandeln.Carbon dioxide is a climate-damaging greenhouse gas. It contributes significantly to the greenhouse effect and thus to global warming. The reduction of the emission of carbon dioxide, especially in industrial processes, is therefore desirable. In order to make different industrial processes as climate-neutral as possible, i. With low carbon dioxide emissions, it is desirable to at least partially convert the carbon dioxide resulting from these processes into recyclables.

Der Wasserstoff, der in einer Elektrolyse hergestellt wurde, kann mit klimaschädlichem Kohlenstoffdioxid zu einem Alkohol, insbesondere Ethanol oder Butanol, einem Wertstoff, umgesetzt werden. Diese Umsetzung von Kohlenstoffdioxid, insbesondere mit dem energiereichen Co-Edukt Wasserstoff, erfolgt durch speziell ausgewählte Mikroorganismen, insbesondere durch anaerobe Bakterien. Mikroorganismen können ebenso Kohlenstoffmonoxid und weitere energiereiche Gase als Edukte nutzen, um Wertstoffe daraus herzustellen.The hydrogen which has been produced in an electrolysis can be reacted with climate-damaging carbon dioxide to give an alcohol, in particular ethanol or butanol, a valuable substance. This conversion of carbon dioxide, in particular with the high-energy co-reactant hydrogen, is carried out by specially selected microorganisms, in particular by anaerobic bacteria. Microorganisms can also use carbon monoxide and other high-energy gases as starting materials to produce recyclables from it.

Die fermentative Umsetzung von Eduktgasen wie Wasserstoff, Kohlenstoffdioxid und/oder Kohlenstoffmonoxid ist exotherm und läuft meist bei sehr milden Temperaturen in einem Bereich zwischen 20 °C und 50 °C ab. Um die Temperatur dieser exothermen Reaktion in einem Fermenter konstant zu halten, ist es nötig den Fermenter zu kühlen. Dies geschieht in der Regel mit Kühlwasser. Die Temperatur des Kühlwassers hängt zum einen vom Entnahmeort ab, insbesondere davon, ob das Kühlwasser aus einem Fluss entnommen wird oder ob es einem geschlossenen Kühlkreislauf mit Kühlturm und Gebläse zur Luftkühlung entnommen wird. Nachteilig ist, dass die Temperatur des Kühlwassers jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen ist. Während im Winter in gemäßigten Klimazonen meist eine Kühlwassertemperatur unter 15 °C erreicht werden kann, ist es im Sommer nachteilig oftmals nicht möglich. In subtropischen oder tropischen Regionen erreicht die Kühlwassertemperatur oftmals nachteilig über 30 °C. Um bei diesen Temperaturen eine Abkühlung des Fermenters gewährleisten zu können ist nachteilig eine große Menge an Kühlwasser oder eine aktive Kühlung mit einer Kältemaschine nötig.The fermentative conversion of educt gases such as hydrogen, carbon dioxide and / or carbon monoxide is exothermic and usually proceeds at very mild temperatures in a range between 20 ° C and 50 ° C from. In order to keep the temperature of this exothermic reaction constant in a fermenter, it is necessary to cool the fermenter. This usually happens with cooling water. The temperature of the cooling water depends on the one hand from the sampling, in particular whether the cooling water is removed from a river or whether it is taken from a closed cooling circuit with cooling tower and blower for air cooling. The disadvantage is that the temperature of the cooling water is subject to seasonal fluctuations. While in winter in temperate climates usually a cooling water temperature below 15 ° C can be achieved, it is disadvantageously often not possible in the summer. In subtropical or tropical regions, the cooling water temperature often reaches detrimentally above 30 ° C. To be able to ensure a cooling of the fermenter at these temperatures is disadvantageous a large amount of cooling water or active cooling with a chiller necessary.

Die gasförmigen Edukte, insbesondere Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff, werden dem Fermenter zugeführt und unter Freisetzung von Wärme zu Produkten, insbesondere zu Alkohol, umgesetzt. Typischerweise befindet sich jedoch nur ein Anteil von 5-10 % an Wertprodukt in der Fermentationsbrühe. Die Fermentationsbrühe wird dann typischerweise in eine Rektifikationskolonne geführt, um das Wertprodukt abzutrennen. Das Abtrennen erfolgt nachteilig unter hohem thermischem Energieverbrauch.The gaseous educts, in particular carbon dioxide and hydrogen, are fed to the fermenter and reacted with the release of heat to give products, in particular to alcohol. Typically, however, only a proportion of 5-10% of desired product is in the fermentation broth. The fermentation broth is then typically passed into a rectification column to separate the desired product. The separation is disadvantageous with high thermal energy consumption.

Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Fermentation anzugeben, welche eine verbesserte Energieeffizienz hinsichtlich der Kühlung und der Produktaufarbeitung aufweist.The object of the invention is to provide a device and a method for fermentation, which has an improved energy efficiency in terms of cooling and product processing.

Die Aufgabe wird mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 1 und dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 6 gelöst.The object is achieved with the device according to the invention as claimed in claim 1 and the method according to the invention as claimed in claim 6.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Fermentation umfasst einen Fermenter zur Aufnahme einer Fermentationsbrühe mit Bakterien. Der Fermenter umfasst auch eine Kühlvorrichtung zum Abführen der Abwärme der Fermentation. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst weiterhin eine thermische Trennvorrichtung zum Abtrennen eines Wertprodukts aus der Fermentationsbrühe, wobei die thermische Trennvorrichtung einen Wärmetauscher aufweist, der geeignet ist, Wärme zur Trennvorrichtung zuzuführen. Die Vorrichtung umfasst auch eine Wärmepumpe, wobei die Kühlvorrichtung mit einem Verdampfer der Wärmepumpe thermisch gekoppelt ist und der Wärmetauscher der thermischen Trennvorrichtung mit einem Kondensator der Wärmepumpe thermisch gekoppelt ist. Die thermische Trennvorrichtung kann somit mittels der Abwärme der Fermentation beheizt werden.The device according to the invention for fermentation comprises a fermenter for receiving a fermentation broth with bacteria. The fermenter also includes a cooling device for removing the waste heat from the fermentation. The apparatus according to the invention further comprises a thermal separation device for separating a product of value from the fermentation broth, the thermal separation device having a heat exchanger suitable for supplying heat to the separation device. The apparatus also includes a heat pump, wherein the cooling device is thermally coupled to an evaporator of the heat pump, and the heat exchanger of the thermal separator is thermally coupled to a condenser of the heat pump. The thermal separation device can thus be heated by means of the waste heat of the fermentation.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Fermenter mit einer Fermentationsbrühe mit Bakterien bereitgestellt. Weiterhin wird eine thermische Trennvorrichtung, die mit einem Wärmetauscher beheizt wird, bereitgestellt. Die Abwärme der Fermentation wird mittels einer Kühlvorrichtung abgeführt, wobei der Fermenter einen Einlass zum Einführen wenigstens eines Eduktgases aufweist und einen Auslass zum Herausführen der Fermentationsbrühe aus dem Fermenter aufweist. Die Kühlvorrichtung ist mit einem Verdampfer einer Wärmepumpe thermisch gekoppelt und der Wärmetauscher ist mit einem Kondensator der Wärmepumpe thermisch gekoppelt. Die thermische Trennvorrichtung wird mittels der Abwärme der Fermentation beheizt.In the method according to the invention, first a fermenter with a fermentation broth with bacteria is provided. Furthermore, a thermal separation device, which is heated with a heat exchanger, provided. The waste heat of the fermentation is removed by means of a cooling device, wherein the fermenter has an inlet for introducing at least one educt gas and having an outlet for removing the fermentation broth from the fermenter. The cooling device is thermally coupled to an evaporator of a heat pump and the heat exchanger is thermally coupled to a condenser of the heat pump. The thermal separator is heated by the waste heat of the fermentation.

Die Wärmepumpe hebt das Energieniveau der Abwärme deutlich an. Somit kann die thermische Trennvorrichtung zu einem großen Anteil oder, besonders vorteilhaft, ausschließlich mittels der Abwärme der Fermentation beheizt werden, obwohl die Abwärme auf einem niedrigen Niveau, insbesondere zwischen 20 °C und 50 °C anfällt. Zusätzlich wird vorteilhaft die Kühlvorrichtung thermisch an den Verdampfer gekoppelt, sodass hier eine ausreichend große Temperaturdifferenz zwischen dem zu kühlenden Stoffstrom und der Kühlvorrichtung vorliegt. Insbesondere ist der Temperaturunterschied wenigstens 10 K, besonders bevorzugt 20 K.The heat pump significantly raises the energy level of the waste heat. Thus, the thermal separation device can be heated to a large extent or, most advantageously, exclusively by means of the waste heat of the fermentation, although the waste heat is obtained at a low level, in particular between 20 ° C and 50 ° C. In addition, advantageously, the cooling device is thermally coupled to the evaporator, so that there is a sufficiently large temperature difference between the material flow to be cooled and the cooling device. In particular, the temperature difference is at least 10K, more preferably 20K.

Vorteilhaft entfällt ein separater Verdampfer dadurch, dass die thermische Trennvorrichtung ausschließlich über die Wärmepumpe, bzw. über die Abwärme des Fermenters, beheizt wird.Advantageously eliminates a separate evaporator, characterized in that the thermal separation device is heated exclusively via the heat pump, or via the waste heat of the fermenter.

Die Wärmemenge kann der Fermentation selbst entnommen werden und unter dem Einsatz mechanischer oder elektrischer Energie vorteilhaft auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden.The amount of heat can be removed from the fermentation itself and advantageously brought to a higher temperature level using mechanical or electrical energy.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Wärmepumpe eine Adsorptions-Wärmepumpe oder eine Absorptions-Wärmepumpe. Besonders vorteilhaft werden in der Absorptions-Wärmepumpe ein erstes und ein zweites Arbeitsfluid eingesetzt, wobei als das erste Arbeitsfluid Wasser und als das zweite Arbeitsfluid ein Salz oder Ammoniak verwendet wird. Besonders vorteilhaft ist das Salz Lithiumbromid oder eine ionische Flüssigkeit.In an advantageous embodiment and development of the invention, the heat pump is an adsorption heat pump or an absorption heat pump. Particularly advantageously, a first and a second working fluid are used in the absorption heat pump, with water being used as the first working fluid and salt or ammonia being used as the second working fluid. Particularly advantageous is the salt lithium bromide or an ionic liquid.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Wärmepumpe eine Kompressions-Wärmepumpe. Die Kompressions-Wärmepumpe umfasst einen Verdampfer zum Verdampfen eines ersten Arbeitsfluids mittels der Abwärme des Fermenters. Sie umfasst weiterhin einen Verdichter zum Verdichten des ersten Arbeitsfluids. Die Wärmepumpe umfasst weiterhin einen Kondensator, zum Kondensieren des ersten Arbeitsfluids und einer wenigstens teilweise Abgabe der Abwärme an den Wärmetauscher der thermischen Trennvorrichtung. Die Wärmepumpe umfasst weiterhin ein Expansionsventil zum Expandieren des ersten Arbeitsfluids. Das Verdichten des ersten Arbeitsfluids erfolgt typischerweise mechanisch oder elektrisch.In a further advantageous embodiment and development of the invention, the heat pump is a compression heat pump. The compression heat pump includes an evaporator for evaporating a first working fluid by means of the waste heat of the fermenter. It further comprises a compressor for compressing the first working fluid. The heat pump further comprises a condenser for condensing the first working fluid and at least partially releasing the waste heat to the heat exchanger of the thermal separator. The heat pump further includes an expansion valve for expanding the first working fluid. The compression of the first working fluid is typically mechanical or electrical.

Vorteilhaft wird das erste Arbeitsfluid direkt in die Kühlvorrichtung geführt, wodurch der thermische Übergang zwischen der Fermenterbrühe und dem ersten Arbeitsfluid vorteilhaft sehr hoch ist, und die Kühlung somit effizient erfolgt. Das Arbeitsfluid überträgt dann die Wärme in dem Wärmetauscher der thermischen Trennvorrichtung direkt an die zu trennende Fermentationsbrühe, sodass eine zusätzliche Heizung der thermischen Trennvorrichtung entfällt. Der gesamte Fermentationsprozess ist somit vorteilhaft sehr energieeffizient.Advantageously, the first working fluid is fed directly into the cooling device, whereby the thermal transition between the fermenter broth and the first working fluid is advantageously very high, and the cooling thus takes place efficiently. The working fluid then transfers the heat in the heat exchanger of the thermal separator directly to the fermentation broth to be separated, so that an additional heating of the thermal separator is eliminated. The entire fermentation process is thus advantageously very energy efficient.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst die Wärmepumpe eine Wärmerekuperationseinheit. Je nach Steigung der Siedelinie des ersten Arbeitsfluids ein einem T-s-Diagramm, kann eine interne Wärmerekuperation eingesetzt werden. Vorteilhaft erhöht dies den Wirkungsgrad der Wärmepumpe.In a further advantageous embodiment and development of the invention, the heat pump comprises a heat recovery unit. Depending on the slope of the boiling line of the first working fluid a T-s diagram, an internal heat recuperation can be used. This advantageously increases the efficiency of the heat pump.

Als ein erstes Arbeitsfluid der Kompressions-Wärmepumpe werden Wasser, Kohlenstoffdioxid, Ammoniak, ein Kohlenwasserstoff, ein Fluorkohlenwasserstoff, ein Fluorchlorkohlenwasserstoff und/oder ein Fluorketon verwendet. Insbesondere Fluorketone haben den Vorteil, dass sie Arbeitstemperaturen der Wärmepumpe von über 100 °C erreichen können, was das Beheizen der thermischen Trennvorrichtung vorteilhaft auf einem hohen Energieniveau ermöglicht.As a first working fluid of the compression heat pump, water, carbon dioxide, ammonia, a hydrocarbon, a fluorohydrocarbon, a chlorofluorocarbon and / or a fluoroketone are used. In particular, fluoroketones have the advantage that they can reach working temperatures of the heat pump of over 100 ° C, which allows the heating of the thermal separating device advantageously at a high energy level.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst die thermische Trennvorrichtung wenigstens eine Rektifikationskolonne, insbesondere eine Rektifikationseinheit, eine Adsorptionseinheit, eine Absorptionseinheit oder eine Membrantrenneinheit, insbesondere eine Membrandestillation oder eine Thermoosmose. Die thermische Trennvorrichtung wird in Abhängigkeit des Wertprodukts und der biologischen und thermodynamischen Eigenschaften der Fermentationsbrühe ausgewählt. Die thermische Trennvorrichtung wird vorteilhaft derart ausgewählt, dass ein Beheizen aus der Abwärme mittels der Wärmepumpe möglich ist, ohne dass weitere Wärmequellen benutzt werden müssen.In a further advantageous embodiment and development of the invention, the thermal separation device comprises at least one rectification column, in particular a rectification unit, an adsorption unit, an absorption unit or a membrane separation unit, in particular a membrane distillation or a thermo-osmosis. The thermal separator is selected depending on the value product and the biological and thermodynamic properties of the fermentation broth. The thermal separation device is advantageously selected such that heating from the waste heat by means of the heat pump is possible without the need for using further heat sources.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung beträgt eine erste Temperatur in dem Fermenter zwischen 20 °C und 50 °C, besonders bevorzugt zwischen 32 °C und 37 °C. Besonders bevorzugt liegt die Temperatur in einem Bereich, in dem die Bakterien das Wertprodukt mit einer optimalen Ausbeute produzieren, d.h. die Temperatur liegt in einem Temperaturbereich, der optimal für die Bakterien eingestellt ist. Es werden insbesondere anaerobe Bakterien in dem Fermenter verwendet. Bevorzugt werden Bakterien aus der Familie der Clostridiaceae, besonders bevorzugt Clostridium ljungdahlii, Clostridium autoethanogenum, Clostridium ragsdalei oder Clostridium carboxidivorans, Clostridium coskatti in dem Fermenter verwendet. Weiterhin werden Bakterien des Typs Butyribacterium, insbesondere Methylotropicum oder Typ Acetobacterium, insbesondere Acetobacterium woodii, Acetobacterium fimetarium, Butyribacterium methylotrophicum verwendet. Weiterhin können Co-Kultur von einem oder mehreren der genannten Bakterien in dem Fermenter verwendet werden.In an advantageous embodiment and development of the invention, a first temperature in the fermenter is between 20 ° C and 50 ° C, more preferably between 32 ° C and 37 ° C. Particularly preferably, the temperature is in a range in which the bacteria produce the desired product with an optimum yield, ie the temperature is in a temperature range which is optimally adjusted for the bacteria. In particular, anaerobic bacteria are used in the fermenter. Preferred are bacteria from the family Clostridiaceae, more preferably Clostridium ljungdahlii, Clostridium autoethanogenum, Clostridium ragsdalei or Clostridium carboxidivorans, Clostridium coskatti used in the fermenter. Furthermore, bacteria of the type Butyribacterium, in particular Methylotropicum or type Acetobacterium, in particular Acetobacterium woodii, Acetobacterium fimetarium, Butyribacterium methylotrophicum used. Furthermore, co-culture of one or more of the bacteria mentioned can be used in the fermenter.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung beträgt die zweite Temperatur in der thermischen Trennvorrichtung wenigstens 80 °C. Insbesondere beträgt die Temperatur wenigstens 80 °C, wenn ein Alkohol hergestellt wird, welcher aus einer wässrigen Lösung abgetrennt werden muss. In Abhängigkeit der thermodynamischen Eigenschaften wird diese Temperatur ausgewählt. Im Falle, dass eine Rektifikationskolonne eingesetzt wird, erfolgt das Auslegen mittels in der Verfahrenstechnik bekannten Methoden, insbesondere mittels den MESH-Gleichungen.In a further advantageous embodiment of the invention, the second temperature in the thermal separator is at least 80 ° C. In particular, the temperature is at least 80 ° C when an alcohol is prepared which must be separated from an aqueous solution. Depending on the thermodynamic properties, this temperature is selected. In the case where a rectification column is used, the laying out takes place by means of methods known in process engineering, in particular by means of the MESH equations.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird als Eduktgas wenigstens teilweise Kohlenstoffdioxid verwendet. Das Kohlenstoffdioxid und/oder weitere Eduktgase werden in ein Wertprodukt umgewandelt, insbesondere umfasst das Wertprodukt Alkohol, besonders bevorzugt produzieren die Bakterien Ethanol oder Butanol.In an advantageous embodiment and development of the invention, at least partially carbon dioxide is used as educt gas. The carbon dioxide and / or further educt gases are converted into a desired product, in particular the valuable product comprises alcohol, more preferably the bacteria produce ethanol or butanol.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Darin zeigen schematisch:

1 einen Fermenter mit einer Rektifikationskolonne und einer Kompressions-Wärmepumpe, welche den Fermenter mit der Rektifikationskolonne thermisch koppelt,
2 einen Fermenter mit einer Rektifikationskolonne und einer Absorptions-Wärmepumpe, welche den Fermenter mit der Rektifikationskolonne thermisch koppelt.

Further features, properties and advantages of the present invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying figures. In it show schematically:

1 a fermenter with a rectification column and a compression heat pump, which thermally couples the fermenter with the rectification column,
2 a fermenter with a rectification column and an absorption heat pump, which thermally couples the fermenter with the rectification column.

Ein erstes Ausführungsbeispiel zeigt 1. In 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Fermentieren dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Fermenter 2, eine Rektifikationskolonne 3 und eine Kompressions-Wärmepumpe 15, welche den Fermenter 2 und die Rektifikationskolonne 3 thermisch koppelt. Der Fermenter 2 umfasst weiterhin eine Rühreinheit 5, welche angetrieben wird mittels eines Motors 4. Alternativ zu einem klassischen Rührer wird in großtechnisch eingesetzten Fermentern ein Airlift-Prinzip oder ein Jet-Prinzip zum Durchmischen und Begasen der Fermentationsbrühe eingesetzt. Dabei erfolgt das Umwälzen der Inhaltsstoffe ausschließlich durch das Einblasen von Gasen, insbesondere von Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und/oder Kohlenstoffmonoxid. Vorteilhaft sind hier keine beweglichen Teile vorhanden, was diese Mischer wartungsarm macht.A first embodiment shows 1 , In 1 is a device 1 presented for fermentation. The device 1 includes a fermenter 2 , a rectification column 3 and a compression heat pump 15 which the fermenter 2 and the rectification column 3 thermally coupled. The fermenter 2 further comprises a stirring unit 5 , which is driven by means of a motor 4 , As an alternative to a conventional stirrer, an airlift principle or a jet principle for mixing and leaching the fermentation broth is used in fermenters used on a large scale. The circulation of the ingredients is carried out exclusively by the injection of gases, in particular carbon dioxide, hydrogen and / or carbon monoxide. Advantageously, there are no moving parts, which makes these mixers low maintenance.

Eine Kühlvorrichtung 6 des Fermenters 2 ist in diesem ersten Ausführungsbeispiel zugleich der Verdampfer der Kompressions-Wärmepumpe 15. Als Kühlmittel wird hierbei das Arbeitsfluid AF1 der Wärmepumpe verwendet. Vorteilhaft wird die Wärme somit direkt aus dem Fermenter 2 entnommen und in die Wärmepumpe 15 überführt. Das Arbeitsfluid AF1 der Wärmepumpe wird demnach in der Kühlvorrichtung 6 des Fermenters 2 mittels der Energie der Abwärme des Fermenters 2 verdampft. In einem Verdichter 8 wird das Arbeitsfluid AF1 verdichtet. Anschließend wird das Arbeitsfluid AF1 in einen Wärmetauscher 9 geführt. Die thermische Trennvorrichtung 3 umfasst den Wärmetauscher 9. Dem Wärmetauscher 9 wird als Wärmequelle das Arbeitsfluid AF1 der Wärmepumpe 15 zugeführt. Der Wärmetauscher dient zugleich als Kondensator der Wärmepumpe 15. Das Arbeitsfluid AF1 kondensiert in dem Wärmetauscher 9 und überträgt dabei die Wärme an den Sumpfstrom, also den Strom der die Rektifikationskolonne 3 am Fuß verlässt, und wird anschließend wenigstens teilweise in die Rektifikationskolonne 3 zurückgeführt. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Sumpfstrom insbesondere Wasser. Ein Anteil des Sumpfstroms wird durch einen zweiten Wärmetauscher 10 geführt, wo er die Fermentationsbrühe FB mit dem Wertprodukt, welche den Fermenter 2 verlässt, vorheizt, bevor die Fermentationsbrühe FB in die Rektifikationskolonne 3 geführt wird. Das Arbeitsfluid AF1 der Wärmepumpe 15 wird anschließend durch ein Expansionsventil 7, insbesondere durch eine Drossel, geleitet und dort expandiert. Das Arbeitsfluid AF1 wird dann wieder dem Verdampfer bzw. der Kühlvorrichtung 6 des Fermenters 2 zugeführt.A cooler 6 of the fermenter 2 is at the same time in this first embodiment, the evaporator of the compression heat pump 15 , As a coolant here is the working fluid AF1 the heat pump used. Advantageously, the heat is thus directly from the fermenter 2 taken and in the heat pump 15 transferred. The working fluid AF1 the heat pump is therefore in the cooler 6 of the fermenter 2 by means of the energy of the waste heat of the fermenter 2 evaporated. In a compressor 8th becomes the working fluid AF1 compacted. Subsequently, the working fluid AF1 in a heat exchanger 9 guided. The thermal separator 3 includes the heat exchanger 9 , The heat exchanger 9 becomes the heat source as the working fluid AF1 the heat pump 15 fed. The heat exchanger also serves as a condenser of the heat pump 15 , The working fluid AF1 condenses in the heat exchanger 9 and transfers the heat to the bottom stream, ie the stream of the rectification column 3 leaves at the foot, and is then at least partially in the rectification column 3 recycled. In this embodiment, the bottom stream comprises in particular water. A portion of the bottom stream is passed through a second heat exchanger 10 where he fed the fermentation broth FB with the value product, which is the fermenter 2 leaves, preheating, before the fermentation broth FB in the rectification column 3 to be led. The working fluid AF1 the heat pump 15 is then passed through an expansion valve 7 , in particular through a throttle, passed and expanded there. The working fluid AF1 is then returned to the evaporator or the cooling device 6 of the fermenter 2 fed.

Als Arbeitsfluid AF1 für die Kompressions-Wärmepumpe 15 eignen sich herkömmliche Arbeitsfluide, da das Anheben des Energieniveaus von einem Temperaturbereich zwischen 32 °C und 37 °C auf wenigstens 80 °C mittels herkömmlicher Arbeitsfluide, insbesondere mittels Wasser, Kohlenstoffdioxid, Ammoniak, Kohlenwasserstoffen, insbesondere Propan, Butan oder Propen, mittels Fluorkohlenwasserstoffen oder Fluorchlorkohlenwasserstoffen erfolgt. Für den Fall, dass in der Rektifikationskolonne 3 Temperaturen oberhalb von 100 °C benötigt werden, um ein Produkt abzutrennen, eignen sich insbesondere Fluorketone als Arbeitsfluid AF1. Vorteilhaft ermöglichen Fluorketone das Anheben des Temperaturniveaus auf über 100 °C. Am Kopf der Rektifikationskolonne 3 wird das Produkt, insbesondere der Alkohol, gewonnen.As a working fluid AF1 for the compression heat pump 15 Conventional working fluids are suitable since the raising of the energy level from a temperature range between 32 ° C and 37 ° C to at least 80 ° C by means of conventional working fluids, in particular by means of water, carbon dioxide, ammonia, hydrocarbons, in particular propane, butane or propene, by means of fluorocarbons or Chlorofluorocarbons occurs. In the event that in the rectification column 3 Temperatures above 100 ° C are required to separate a product, in particular fluoroketones are suitable as working fluid AF1 , Advantageously, fluoroketones allow the temperature level to be raised above 100 ° C. At the top of the rectification column 3 the product, especially the alcohol, is recovered.

2 zeigt eine Vorrichtung mit einem Fermenter 2 einer Rektifikationskolonne 3 und einer Absorptions-Wärmepumpe 25. Der Fermenter 2 umfasst weiterhin einen Motor 4, welcher eine Rühreinheit 5 antreibt. In dem Fermenter 2 befindet sich, wie auch im ersten Ausführungsbeispiel, eine Fermentationsbrühe FB mit Bakterien. Die Fermentationsbrühe FB umfasst typischerweise Wasser, Nährstoffe, insbesondere Metall- und Mineralsalze, insbesondere Calcium-Chlorid, Natriumchlorid, Magnesiumchlorid, Kaliumchlorid und Phosphorsäure, weiterhin Spurenelemente, insbesondere Metallionen als Cofaktoren wie Nickel, Zink, Eisen, Selenate und weiterhin Vitamine, Ammoniumchlorid und/oder Folsäure. In den Fermenter 2 wird wenigstens ein Eduktgas E, insbesondere Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff, geführt. Die Bakterien, welche in dem Fermenter 2 in der Fermentationsbrühe FB vorliegen, setzen die Eduktgase E zu Alkohol als Wertprodukt P um. Meist befinden sich 5 % bis 10 % Alkohol in der Fermentationsbrühe FB, sodass der Alkohol destillativ in einer thermischen Trennvorrichtung 3 abgetrennt werden muss. Um die Temperatur in dem Fermenter 2 konstant zu halten, ist es nötig diesen zu kühlen. Das Kühlen erfolgt bei einem niedrigen Temperaturniveau von 20-50 °C. 2 shows a device with a fermenter 2 a rectification column 3 and an absorption heat pump 25 , The fermenter 2 further includes an engine 4 which is a stirring unit 5 drives. In the fermenter 2 is, as in the first embodiment, a fermentation broth FB with bacteria. The fermentation broth FB typically includes water, nutrients, especially metal and mineral salts, especially calcium chloride, sodium chloride, magnesium chloride, potassium chloride and phosphoric acid, furthermore trace elements, especially metal ions as cofactors such as nickel, zinc, iron, selenates and furthermore vitamins, ammonium chloride and / or folic acid. In the fermenter 2 becomes at least one educt gas e , in particular carbon dioxide and hydrogen. The bacteria, which are in the fermenter 2 in the fermentation broth FB are present, the reactant gases E to alcohol as a product of value P around. Most are 5% to 10% alcohol in the fermentation broth FB, so that the alcohol is distilled in a thermal separator 3 must be disconnected. To the temperature in the fermenter 2 To keep it constant, it is necessary to cool it. Cooling takes place at a low temperature level of 20-50 ° C.

Die Kühlvorrichtung des Fermenters 2 ist energetisch gekoppelt mit einem Verdampfer der Absorptions-Wärmepumpe 25. Besonders vorteilhaft wird ein erstes Arbeitsfluid AF1 durch die Kühlvorrichtung 6 des Fermenters 2 geführt, und dort direkt verdampft. Das dampfförmige erste Arbeitsfluid AF1 wird anschließend in einen Absorber 11 geführt, wo es unter Abgabe von Wärme in ein zweites Arbeitsfluid AF2 absorbiert wird. Die hier abgegebene Wärme muss mit Kühlwasser abgeführt werden, um eine konstante Temperatur im Absorber zu gewährleisten.The cooling device of the fermenter 2 is energetically coupled with an evaporator of the absorption heat pump 25 , Particularly advantageous is a first working fluid AF1 through the cooling device 6 of the fermenter 2 led, and there directly evaporated. The vaporous first working fluid AF1 then becomes an absorber 11 where it passes with the release of heat into a second working fluid AF2 is absorbed. The heat given off here must be dissipated with cooling water to ensure a constant temperature in the absorber.

Das zweite Arbeitsfluid AF2, das nun mit dem ersten Arbeitsfluid AF1 beladen ist, wird dann mithilfe einer Lösungsmittelpumpe 20 in den Austreiber 12 gepumpt und dabei auf ein höheres Druckniveau gehoben. Die benötigte elektrische Leistung für die Lösungsmittelpumpe 12 ist aufgrund der Inkompressibilität der Flüssigkeit deutlich geringer als die eines Gaskompressors. In dem Austreiber 12 wird das erste Arbeitsfluid AF1 vom zweiten Arbeitsfluid AF2 getrennt. Die dafür benötigte thermische Energie auf einem höheren Temperaturniveau wird mittels einer Wärmezufuhr 21, beispielsweise durch eine Befeuerung mit Brennstoff, insbesondere Erdgas, bereitgestellt. In diesem Zusammenhang wäre auch eine Bereitstellung von Wärme durch das Verbrennen von Biomasse möglich, die während des Fermentationsprozesses gebildet wird. Das regenerierte zweite Arbeitsfluid AF2 wird danach über ein Druckreduzierventil wieder in den Absorber 11 geführt. Das erste Arbeitsfluid AF1 wird in einen Wärmetauscher 9 geführt. Die Kondensationswärme wird an den Sumpfstrom, welcher aus der Rektifikationskolonne 3 geführt wird, übertragen, sodass der Sumpfstrom aus der Rektifikationskolonne 3 aufgewärmt wird und wenigstens teilweise zurück in die Rektifikationskolonne 3 geführt wird. Ein weiterer Teil des Sumpfstroms wird dann im Wärmetauscher 10 mittels der Abwärme der Fermentationswärme FB nochmals erwärmt und wenigstens teilweise in die Rektifikationskolonne 3 zurückgeführt. Das Produkt P wird am Kopf der Rektifikationskolonne 3 gewonnen. Die Verdichtung in einer Absorptionswärmepumpe wird auch als thermische Verdichtung bezeichnet.The second working fluid AF2 that now with the first working fluid AF1 is then loaded using a solvent pump 20 in the expeller 12 pumped while lifted to a higher pressure level. The required electrical power for the solvent pump 12 is significantly lower than that of a gas compressor due to the incompressibility of the liquid. In the expeller 12 becomes the first working fluid AF1 from the second working fluid AF2 separated. The required thermal energy at a higher temperature level by means of a heat supply 21 , For example, by a firing with fuel, especially natural gas provided. In this context, it would also be possible to provide heat by burning biomass that is formed during the fermentation process. The regenerated second working fluid AF2 is then returned to the absorber via a pressure reducing valve 11 guided. The first working fluid AF1 gets into a heat exchanger 9 guided. The heat of condensation is at the bottom stream, which from the rectification column 3 is passed, so that the bottom stream from the rectification column 3 is warmed up and at least partially back into the rectification column 3 to be led. Another part of the bottom stream is then in the heat exchanger 10 heated again by means of the waste heat of the fermentation heat FB and at least partially into the rectification column 3 recycled. The product P is at the top of the rectification column 3 won. The compression in an absorption heat pump is also referred to as thermal compression.

Claims

Device (1) for fermentation, comprising: a fermenter (2) for receiving a fermentation broth (FB) with bacteria and with a cooling device (6) for removing the waste heat from the fermentation, a thermal separation device (3) for separating a product of value (P) from the fermentation broth with a heat exchanger (9), - A heat pump (15,16), wherein the cooling device (6) with an evaporator of the heat pump (15,16) is thermally coupled and the heat exchanger (9) with a capacitor of the heat pump (15,16) is thermally coupled to heat the thermal separation device (3) by means of the waste heat of the fermentation.

Device after Claim 1 wherein the heat pump is an absorption heat pump (16) or an adsorption heat pump.

Device after Claim 1 wherein the heat pump is a compression heat pump (15).

Device after Claim 3 wherein the compression heat pump system comprises: - the evaporator for evaporating a first working fluid (AF1) by means of the waste heat of the fermenter (2), - a compressor (8) for compressing the first working fluid (AF1), - the condenser, for condensing the first working fluid (AF1) and at least partially releasing the waste heat to the heat exchanger (9), - an expansion valve (7) for expanding the first working fluid (AF1).

Device according to one of the preceding claims, wherein the thermal separation device (3) comprises at least one rectification column, an adsorption unit, an absorption unit or a membrane separation unit.

Method for fermenting with the following steps: - providing a fermenter (2) with a fermentation broth (FB) with bacteria, - providing a thermal separation device (3) which is heated by a heat exchanger (15, 16), Removing the waste heat of the fermentation by means of a cooling device (6), wherein the fermenter (2) has an inlet for introducing at least one educt gas (E) and an outlet for removing the fermentation broth (FB) from the fermenter (2), wherein the cooling device (6) is thermally coupled with an evaporator of a heat pump (15,16) and the heat exchanger (9) is thermally coupled to a condenser and the thermal separation device (3) is heated by the waste heat of the fermentation.

Method according to Claim 6 , wherein as an heat pump, an adsorption heat pump or absorption heat pump (16) is used.

Method according to Claim 7 wherein, as a second working fluid (AF2) of the absorption heat pump, an ionic liquid is used.

Method according to Claim 6 in which a compression heat pump (15) is used as the heat pump.

Method according to Claim 9 wherein as a first working fluid (AF1) of the compression heat pump water, carbon dioxide, ammonia, a hydrocarbon, a fluorohydrocarbon, a chlorofluorohydrocarbon and / or a fluoroketone is used.

Method according to one of Claims 6 to 10 wherein a first temperature (T1) in the fermentor (2) is in a range between 20 ° C and 50 ° C.

Method according to Claim 11 , wherein the first temperature (T1) is in a range between 32 ° C and 37 ° C.

Method according to one of Claims 6 to 12 wherein a second temperature (T2) in the thermal separator (3) is at least 80 ° C.

Method according to one of Claims 6 to 13 wherein at least partially carbon dioxide is used as the educt gas.

Method according to Claim 14 in which the bacteria convert the educt gas (E) into a desired product (P) which comprises at least one alcohol.