DE102020118668A1

DE102020118668A1 - Fermentationsverfahren und Bioreaktor zur Durchführung von anaeroben, aeroben und mikro-aerophilen Fermentationen umfassend einen Airlift-Schachtüberfall

Info

Publication number: DE102020118668A1
Application number: DE102020118668.1A
Authority: DE
Inventors: Jan-Henryk Richter-Listewnik; Reinhard Pätz; Sören Thiering; Joachim Schütze; Leonhard Jagusch; Werner Schönherr; Felix Langer
Original assignee: Hochschule Anhalt Fh Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Hochschule Anhalt Fh Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2020-07-15
Filing date: 2020-07-15
Publication date: 2022-01-20
Also published as: WO2022012843A1; EP4182425A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren als auch einen Bioreaktor zur Durchführung des Verfahrens, umfassend eine Begasungsvorrichtung, die als Airlift-Schachtüberfall ausgebildet ist. Der Bioreaktor ist geeignet für anaerobe, aerobe und mikroaerophile Fermentationsverfahren. Bevorzugt arbeitet die Belüftungsvorrichtung selbstansaugend und ermöglicht weiterhin durch Kreislaufführung ein Gasrecycling, wobei eine Entkoppelung der notwendigen Gaszufuhr von der Begasungsintensität und dem Energieeintrag stattfindet, womit sich der Bioreaktor ist auch für den Einsatz von gasförmigen Substraten eignet.

Description

Fermentationsverfahren mit gasförmigen Substraten und Bioreaktoren zur Durchführung eines solchen Verfahrens sind aus der Literatur bekannt. Insbesondere biotechnologische Prozesse mit gasförmigen Substraten gewinnen durch die Möglichkeit der Nutzung von Abgasströmen aus anderen technischen Prozessen, beispielsweise Abgase aus Verbrennung oder Kuppelgase aus der Stahlherstellung, zunehmend an Bedeutung, da sie zur Minderung der Kohlenstoffdioxidemissionen und zur Nutzung alternativer Rohstoffe beitragen. Diese Verfahren werden auch als „Biotechnologie der dritten Generation“ bezeichnet.
Für die Umwälzung und Begasung werden bei den derzeitigen Verfahren die Gase verdichtet. Die derzeitigen Verfahren sind daher in Bezug auf den Energiebedarf nicht effizient und nicht ausreichend variabel.
Die DE 41 12 377 beschreibt beispielsweise einen Kompaktreaktor bestehend aus einem biologisch aktiven Reaktionsraum mit einer Vorrichtung zur Begasung des Abwassers. Die Begasung findet dabei mittels eines Umlaufbegasungssystems, welches ein Aufstromrohr, eine Pumpe, eine Umlenkhaube und ein Abstromrohr umfasst, statt.
Die DE 41 12 378 beschreibt ebenfalls einen Kompaktreaktor bestehend aus einem biologisch aktiven Reaktionsraum mit einer Vorrichtung zur Begasung des Abwassers.
Die in den beiden oben genannten Druckschriften beschriebenen Reaktoren sind an Verfahren für die aerobe biologische Abwasserreinigung angepasst. In der Regel sind Vorrichtungen für die Abwasserreinigung offene Systeme, die einen Luftaustausch mit der Umgebung erlauben. Eine genaue Kontrolle der Zuführung von gasförmigen Substraten, wie dies bei Fermentationsverfahren erforderlich ist, sowie wie eine interne Kreislaufführung zum Ziel der optimalen Gasausnutzung findet nicht statt. Außerdem ist diese Ausführungsform nicht geeignet, eine energetisch optimale Belüftung bei wechselnden Betriebszuständen, wie es bei aeroben Batch- Fermentationen oder mikroaerophiler Begasung der Fall ist, zu ermöglichen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein effizientes Fermentationsverfahren und einen leistungsfähigen Bioreaktor zur Durchführung eines solchen Verfahrens bereitzustellen. Dabei sollen die Probleme der derzeitigen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren überwunden werden. Insbesondere soll ein Fermentationsverfahren und ein Bioreaktor zur Durchführung eines solchen Verfahrens bereitgestellt werden, der in Bezug auf den Energiebedarf effizient und in Hinblick auf die Prozessführung variabel ist.
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung daher ein Fermentationsverfahren, welches mittels eines Bioreaktors durchgeführt wird, wobei der Bioreaktor aufweist:

einen Reaktionsraum mit einem Gasraum und einem Flüssigraum ;
einen Frischgas-Eintritt und einen Gasauslass, wobei der Gaseinlass ausgebildet ist, Gase zur Begasungsvorrichtung einzuleiten, und der Gasauslass ausgebildet ist, gasförmige Produkte aus den Gasraum herauszuleiten;
in vertikales Umlaufbegasungssystem umfassend ein Aufstromrohr, eine Pumpe eine Begasungsvorrichtung und ein Abstromrohr, das um das Aufstromrohr und der Begasungsvorrichtung angeordnet ist, wobei das vertikale Umlaufbegasungssystem ausgebildet ist, Gas aus dem Gasraum in den Flüssigraum einzubringen;
wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
- Einleiten wenigstens eines Gases zur Begasungsvorrichtung
- Begasen einer Flüssigphase in dem Flüssigraum mit der Gasphase aus dem Gasraum mittels des Umlaufbegasungssystems, und wobei
- die Pumpe als Umwälzpumpe ausgebildet ist; und
- die Begasungsvorrichtung als Airlift-Schachtüberfall ausgebildet ist.

Über den Frischgas- Einlass oder Frischgas- Eintritt wird bevorzugt durch die Begasungsvorrichtung, genannt Airlift- Schachtüberfall, Frischgas selbständig angesaugt und über einen Gasaustritt wird das Abgas einschließlich gasförmiger Produkte aus dem Bioreaktor abgeleitet.
Über eine Höhenverstellung kann der Airlift-Schachtüberfall bevorzugt in allen Betriebszuständen durch Änderung der benötigten Förderhöhe und Änderung der Parameter der Umwälzpumpe durch Drehzahländerung immer im optimalen Wirkungsgradbereich der Umwälzpumpe betrieben werden.
Das erfindungsgemäße Fermentationsverfahren und der Bioreaktor sind in Bezug auf den Energiebedarf effizient und in Hinblick auf die Prozessführung variabel. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass der Gaseintrag und der Gasumsatz im Laufe des Fermentationsprozesses energetisch optimal den jeweils geänderten Prozessbedingungen angepasst werden können. Insbesondere ist keine Gasverdichtung für den Einsatz im Bioreaktor notwendig.
Die Begasungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung arbeitet bevorzugt nach dem Tauchstrahl-Begasungsprinzip und ist weiter bevorzugt auf der Grundlage der bekannten Tauchstrahl-Hydro-Belüftung (TSH-Belüftung) für den Einsatz in der Biotechnologie optimiert und weiterentwickelt.
Mittels der Begasungsvorrichtung wird bevorzugt ein innerer, abwärts gerichteter begaster Umwälzstrom erzeugt, in dem der begaste Umwälzstrom nach unten bis zum Austritt des Abstromrohres geführt wird und dann unter Turbulenzauflösung und Rückvermischung durch seine geringere Dichte im Bioreaktor nach oben steigt und entgast.
Nach gängiger Klassifikation ist der erfindungsgemäße Reaktor bevorzugt ein Airlift-Schlaufenreaktor mit abwärts gerichtetem begastem Umlaufstrom, geeignet für Fermentationsverfahren mit wechselndem spezifischem Gasbedarf sowie für den Einsatz von gasförmigen Substraten (Biotechnologie der 3. Generation) im Fermentationsprozess.
Die Begasungsvorrichtung des Umlaufbegasungssystems ist bevorzugt als höhenverstellbare Umlenkhaube ausgebildet, um bei variablen Füllständen im Bioreaktor eine energetisch optimale Umwälzung und Begasung zu gewährleisten. In einer Ausführungsform weist die Umlenkhaube Gaseintrittskanäle am oberen Ende auf.
In Abgrenzung zum bekannten Schachtüberfall im klassischen Tauchstrahlverfahren, wird hier die neuartige Begasungsvorrichtung Airlift-Schachtüberfall genannt.
Durch die abwärts gerichtete Zwangsströmung der begasten Flüssigkeit nehmen die Löslichkeit und die Diffusionsrate des Gases infolge des ansteigenden hydrostatischen Drucks zu, was insbesondere bei der Gasfermentation von großem Vorteil ist. Bei großtechnischen Bioreaktoren und einem hydrostatischen Druck von etwa 1 bar verdoppelt sich dabei die Gaslöslichkeit beim Umpumpen und im Abwärtsstrom des begasten Mediums. Beim Aufsteigen der Gasblasen im normalen Fermentationsraum kommt es wieder zu einer Desorption und Entgasung, beispielsweise die CO₂ Abtrennung bei aeroben Prozessen, was wiederum die Aufnahme von Frischgas im Medium unterstützt.
Das Umlaufbegasungssystem ist bevorzugt modular ausgebildet. Hierdurch kann dieses in beliebiger Anzahl skaliert werden und sinnvoll in einem Großreaktor verteilt werden. Die Anzahl der Begasungsmodule richtet sich bevorzugt nach dem notwendigen Gaseintrag im Bioreaktor. Großreaktoren mit einem Volumen von 2.000 m³ können bevorzugt mit 5 bis 10 Begasungsmodulen ausgerüstet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, wobei der Bioreaktor einen runden Querschnitt aufweist und das Umlaufbegasungssystem zentrisch in dem Bioreaktor angeordnet ist. Bevorzug weist der Reaktor ein H:D Verhältnis von 3:1 bis 6:1 auf.
Hierdurch ist ein kompaktes Design des Reaktors möglich, da die Raumausnutzung in optimaler Weise an das Umlaufbegasungssystem angepasst wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, wobei das Fermentationsverfahren ein mikroaerobes Fermentationsverfahren oder ein aerobes Fermentationsverfahren ist.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird als „Fermentation“ die Umsetzung von biologischen Materialien mit Hilfe von Bakterien-, Pilz- oder Zellkulturen oder aber durch Zusatz von Enzymen bezeichnet. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird als „Bioreaktor“ ein Reaktor bezeichnet, der zur Durchführung eines Fermentationsverfahrens ausgebildet ist.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird als „aerobe Fermentation“ eine Fermentation mittels aerober Mikroorganismen bezeichnet, die Sauerstoff als Elektronenakzeptor für oxidative Stoffumsetzungen im Energiestoffwechsel verwenden.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird als „mikroaerobe Fermentation“ eine Fermentation mittels Mikroorganismen unter mikroaerophilen Bedingungen bezeichnet.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Ausdruck „mikroaerophil“ Bedingungen mit niedrigem Sauerstoff-Partialdruck, bevorzugt von weniger als 0,1 bar, insbesondere von weniger als 0,05 bar und insbesondere von weniger als 0,03 bar, die mikroaerophilen Organismen ein Wachstum erlauben. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sind als mikroaerophile Organismen solche Organsimen zu verstehen, die höchsten einen Gelöst-Sauerstoffgehalt von ≤ 5 % tolerieren, bevorzugt von ≤ 1 %, idealerweise unterhalb des Messbereichs der Gelöstsauerstoffmessung, charakterisiert z. B. mittels Redoxpotenzialmessung.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird der „volumenbezogene Stoffübergangskoeffizient“ kurz als k_La - Wert bezeichnet. Der volumenbezogene Stoffübergangskoeffizient, wird in der Literatur auch als volumetrischer Stoffübergangskoeffizient bezeichnet. Dieser ist eine Kennzahl für den Transport eines Gases aus der Gasphase in die Flüssigphase eines Reaktionssystems. Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fermentationsverfahren, welches mittels eines Bioreaktors durchgeführt wird, wobei eine Begasung mittels eines vertikalen Umlaufbegasungssystem erfolgt, um Gas aus einem Gasraum in einen Flüssigraum einzubringen, wobei bevorzugte Verfahren gemäß der Erfindung niedrige bis mittlere k_La - Werte (10-400 h^-1) aufweisen.
Beispielsweise ist das Fermentationsverfahren ein Verfahren zur alkoholischen Gärung, zur Fermentation mit Mikropilzen als auch filamentösen Pilzen zur Herstellung von Carotinoiden, sowie zur Backhefeherstellung, wobei die Fermentation nach der bekannten Sequence-Batch-Reactor-Technologie (SBR-Technologie) in folgenden Takten durchgeführt wird:

• Befüllen und Biomasseanzucht im aeroben Betriebszustand
• Gärung als Fed-Batch-Prozess mit Gasrecycling, kalter Destillation und optionaler Aminwäsche
• Sedimentation der Biomasse
• (Teil-)Entleerung.

Insbesondere ist das Fermentationsverfahren ein Verfahren für Batch-Fermentationen, Fed-Batch, Repeated Fed-Batch oder kontinuierliche Fermentationen mit gasförmigen Substraten. Gasförmige Substrate können dabei beispielsweise O₂, CO₂, CO, CH₄ und H₂ sein. Die Verfahren umfassen beispielsweise die Butanolgärung und Fermentationen für 2,3-Butandiol. Die an dem Verfahren beteiligten Gase können vorteilhaft in Verbundprozessen genutzt werden. Genannt seien Kuppelgase bei der Stahlherstellung. Da die Reaktion einen Gaseinlass aufweist, können die Gase gezielt in den Gasraum eingeleitet werden und dann mittels des vertikalen Umlaufbegasungssystem aus dem Gasraum in den Flüssigraum eingebracht werden. Ferner erlaubt dies ein Mischen von frischen Gasen mit aus dem Gasraum abgeleiteten Abgasen und gegebenenfalls nachbehandelten Abgasen.
Insbesondere ist das Fermentationsverfahren eine Batch-Fermentation zur Gewinnung von Bernsteinsäure. Hierbei findet bevorzugt als Verfahrensschritte eine Umstellung von aerober auf mikroaerophile Belüftung während der Biomasseanzucht und CO₂-Begasung in der Produktbildungsphase statt.
Dabei ist das Fermentationsverfahren ganz bevorzugt ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol mittels alkoholischer Gärung.
Dabei ist bei der Ethanolgewinnung im beschriebenen quasi-kontinuierlichen Verfahren vorteilhaft ein keimarmer Fermentationsprozess möglich. So kann auf eine Sterilisation von Substratlösung und Nährlösung verzichtet und auch die Anlage nicht mit aufwendiger Steriltechnik errichtet werden.
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine schnell sedimentierende Hefe verwendet. Es kommt zu einer Verkürzung der Fermentationszeit durch optimale Prozessbedingungen und zu einer Verkürzung der Entleerungszeit durch Einsatz der schnell sedimentierenden Hefe.
Bei der Ethanol Erzeugung ist eine Steigerung der Produktivität um den Faktor 3-8 in langen Versuchsreihen nachgewiesen worden
Durch eine kalte Destillation des Bioreaktor-Abgases kann bei Gärungsprozessen, beispielsweise Ethanol oder Butanol, ein Teil des gebildeten Zielproduktes aus dem Prozess entfernt und somit die Gärzeit erhöht werden. Damit kann die Produktivität des Prozesses gesteigert werden.
Die Pumpe ist gemäß einer Ausführungsform (1a) am oberen Ende des Aufstromrohrs angeordnet und ist als Propellerpumpe, bevorzugt als Tauchmotorpropellerpumpe, ausgebildet. Das eingesetzte Begasungsmodul kann daher technisch sehr stabil betrieben werden, da das einzige mechanisch bewegte Aggregat eine bewährte Tauchmotorpropellerpumpe ist.
Die Pumpe ist gemäß einer Ausführungsform als Kreiselpumpe am Fuß des Aufstromrohrs angeordnet, wobei diese Ausführungsform besonders für Labor- und Technikums- Bioreaktor geeignet ist (1c).
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, wobei Frischgas über den Gaseinlass direkt zur Begasungsvorrichtung eingeleitet wird und Gas aus dem Gasraum über den Gasauslass abgeleitet und zumindest teilweise wieder über den Gaseinlass in den Gasraum zurückgeleitet wird, wobei die Konzentration an gelösten Gas in der Flüssigphase (z. B. Gelöst-Sauerstoff) im Flüssigraum über ein Einstellen des Verhältnisses von Frischgas zu zurückgeleitetem Bioreaktor-Abgas sowie die Konfiguration des Umlaufbegasungssystems regulierbar ist.
Entsprechend dieser Ausführungsform erfolgt eine Regulierung des Gasgehaltes entweder mittels einer Anpassung des Verhältnisses von Frischgas zu zurückgeleitetem Abgas und/oder mittels einer Konfiguration des Umlaufbegasungssystems.
Durch den selbstansaugenden Betrieb der Begasungsvorrichtung ist es ohne zusätzlichen Aufwand möglich, Gas aus dem Gasraum des Bioreaktors wieder anzusaugen und vollständig im Kreislauf zu führen bzw. im beliebigen Verhältnis von Frischgas mit Recyclinggas zu mischen. Damit wird eine hohe Gasausnutzung (70-80 %) im Bioreaktor erreicht. Durch die hohe Gasausnutzung ergeben sich nur sehr geringe Konzentrationen von Frischgas im Abgasstrom des Bioreaktors. Dies ist insbesondere bei der Gasfermentation von Kuppelgas aus der Stahlproduktion von Vorteil (z. B. nur geringe Konzentration von giftigem CO möglich).
Durch die beschriebene Möglichkeit des Gasrecyclings findet also eine Entkoppelung der notwendigen Gaszufuhr von der Begasungsintensität und dem Energieeintrag statt. Anders ausgedrückt kann bei gleichbleibendem Energieeintrag durch die Umwälzpumpe und gleicher Begasungsrate mittels Gasrecycling die genau benötigte Frischgasmenge exakt zu den jeweiligen Fermentationsbedingungen dosiert werden. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Anpassung von Begasungsrate, Durchmischung und Energieeintrag an die sich im Zeitverlauf ändernden Prozessbedingungen im Bioreaktor.
Erfolgt andererseits die Regulierung des Gasgehaltes durch eine Anpassung des Verhältnisses von Frischgas zu zurückgeleitetem Abgas und zugleich eine Anpassung der Konfiguration des Umlaufbegasungssystems, so kann der Gasgehalt im Flüssigmedium besonders schnell und situationsgemäß angepasst werden. Insgesamt ist also dadurch, dass der Bioreaktor derart ausgebildet ist, dass der Gasgehalt der Flüssigphase in dem Flüssigraum über ein Einstellen des Verhältnisses von Frischgas zu zurückgeleitetem Abgas sowie die Konfiguration des Umlaufbegasungssystems regulierbar ist, eine optimale Anpassung an sich rasch ändernde Prozessparameter und Verfahrensbedingungen energetisch effizient möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der obere Teil des Aufstromrohres als Teleskoprohr ausgebildet und in der Art konstruiert, dass mittels eines geeigneten Hebezeuges (z. B. Kettenzug), der Airlift-Schachtüberfall und die Umwälzpumpe mit Teleskoprohr angehoben werden kann. Mit dieser Verfahrensweise wird erreicht, dass die Förderhöhe der Pumpe geändert werden und die Umwälzpumpe in nahezu allen Betriebszuständen immer im optimalen Wirkungsgradbereich (ca. 80-85 %) betrieben werden kann. Dies führt zu bedeutender Energieeinsparung, da die Pumpe stets im Wirkungsgrad-Optimum laufen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform findet eine Messung einer oder mehrerer Prozessparameter statt. Bevorzugt wird die Konzentration von einem oder mehreren relevanten Stoffen überwacht - beispielsweise die Konzentration an Gasen, wie Sauerstoff und Substratgasen, und Produktkonzentrationen. Ferner werden die Temperatur, der pH-Wert und/oder das Redoxpotenzial überwacht und/oder die Regelung von Belüftungsrate, der Sauerstoffeintrag und/oder der Leistungseintrag überwacht zur Schaffung optimaler Stoffübergangsbedingungen für ein optimales Wachstum und eine optimale nachfolgende Produktbildung im Bioreaktor.
Durch den Einsatz moderner Mess- und Sensortechnik ist es mit einem solchen „Gasrecycling“ möglich, die Dosierung der Frischgase, beispielsweise CO oder H₂, genau zu steuern, sodass durch die hohe Gasausnutzung nur geringe Restgaskonzentrationen in der Abluft zu verzeichnen sind, was wiederum den Aufwand für eine Abgasbehandlung entscheidend verringert.
Ein beliebiges Gasrecycling im Reaktor ist durch den selbstansaugenden Betrieb ohne zusätzlichen technischen Aufwand in jedem Verhältnis möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform findet eine energetisch effektive Belüftung des Bioreaktors mit einem spezifischen Energiebedarf von 0,2 bis 0,5 kW/kgO₂ statt. Es ist also eine hohe Gasausnutzung durch doppelte Kontaktzeit von Gas und Flüssigkeit und eine lange Gasverweilzeit im Reaktorsystem möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, wobei das Gas, welches aus dem Gasraum über den Gasauslass abgeleitet wird, vor dem Zurückleiten in den Gasraum einer Abgasbehandlung unterzogen wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, wobei die Abgasreinigung mittels kalter Destillation einen teilweisen Austrag des gebildeten Alkohols bewirkt und das mittels des Gaseinlasses zurückgeführte gereinigte Gas eine tiefere Temperatur aufweist, als das mittels des Gasauslasses abgeleitete Abgas. Das Kondensationsprodukt der kalten Destillation weist einen Ethanolgehalt von ca. 30 Vol.% auf. Mittels dieser kalten Destillation kann die Gärung länger im Bereich von ca. 6 % Ethanol und damit länger in der höchsten Produktivitätsphase betrieben werden.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird die für die kalte Destillation, beispielsweise mittels Kaltwasser und/oder Kühlsole aufgebrachte Kühlleistung, im Bioreaktor nochmals genutzt. Die führt vorteilhafterweise zu einer Einsparung von Rückkühlwasser im Gärprozess.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird mittels eines CO₂ Abtrennungssystems CO₂ aus dem Abgas entfernt. Das CO₂ Abtrennungssystem umfasst insbesondere eine Aminwäsche und/oder Desorption von CO₂. Es hat sich gezeigt, dass es von Vorteil ist, den Gärprozess bei einer CO₂- Konzentration von 8-10 Vol% zu fahren. In Verbindung mit der SBR-Technologie wird ein hoher Ethanolgehalt bei der Gärung in Verbindung mit einer sehr hohen Produktivität erreicht von (8 Vol% Ethanol, 8 g/(l*h))
Da während des Gärprozesses eine hohe CO₂ Konzentration im Abgas herrscht, ist es von Vorteil, einen Teilstrom des Abgases nach der kalten Destillation zu nutzen und das CO₂ aus dem Abgas zu entfernen, um als Nebenprodukt flüssiges CO₂ und/oder Trockeneis zu erzeugen. Der CO₂-GehaIt kann über eine integrierte Prozessregelung im optimalen Bereich von 8-10 % für den Gärprozess gefahren werden. Die CO₂-Gewinnung aus dem Bioreaktorabgas verbessert vorzugsweise die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses, da die CO₂ Emissionen des emittierten Abgases reduziert werden und somit eine höhere Umweltverträglichkeit des Prozesses erreicht wird.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Destillation als Rektifikation ausgebildet, wobei sich diese als eine Hintereinanderschaltung einer Mehrzahl an Destillationsschritten darstellt. Die wesentlichen Vorteile der Rektifikation sind, dass die Anlage kontinuierlich betrieben werden kann und dass der Trenneffekt im Vergleich zur Destillation um ein Vielfaches höher ist, da der Dampf im Gegenstrom mit der Flüssigkeit mehrfach hintereinander in Kontakt steht. Die Kolonne arbeitet energetisch günstiger, technisch weniger aufwändig und platzsparender als eine Hintereinanderschaltung von Einfachdestillationen.
Besonders bevorzugt wird demnach also ein Verfahren beschrieben, wobei das Gas, welches aus dem Gasraum über den Gasauslass abgeleitet wird, vor dem Zurückleiten in den Gasraum mittels kalter Destillation gereinigt wird. Die kontinuierliche Destillation wird daher vorteilhaft mit dem quasi-kontinuierlichen Betrieb der Gasabführung und Zuführung kombiniert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, wobei der Bioreaktor einen Sedimentationsbereich aufweist, mittels dessen Biomasse sedimentiert werden kann und mittels eines Feststoffabzugs aus dem Bioreaktor abgeleitet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Verfahren beschrieben, wobei bei Einsatz von sedimentierenden Mikroorganismen der Sedimentationsbereich optimaler Weise als Lamellenseparator ausgebildet ist.
Bevorzugt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zwei Stufen, insbesondere eine erste Stufe umfassend eine Biomasse Bildung und eine zweite Stufe umfassend die Produktbildung.
Insbesondere umfasst die erste Stufe die Bildung von Biomasse aus einem Inokulum, bzw. der im Bioreaktor verbliebenen aktiven Biomasse unter aeroben Fermentationsbedingungen bis zu einer gewünschten Biomassekonzentration im Bioreaktor unter Verbrauch der zugegebenen Nährstoffe, gekennzeichnet durch einen Stoffwechsel der Mikroorganismen und einen hohen Bedarf an Gasen, insbesondere mit einem relativ hohen Gehalt von 10 bis 30 %, bevorzugt etwa 20 % an gelösten Sauerstoff.
Insbesondere umfasst die zweite Stufe nach Erreichen der Biomassekonzentration und Verbrauch der Nährstoffe einen Wechsel von der Biomassebildung zur gewünschten Produktbildung, beispielsweise Bildung organischer Säuren oder Alkohole. Die Umstellung vom anabolen Stoffwechsel auf einen katabolen Stoffwechsel geht einher mit einem geringeren Sauerstoffbedarf von weniger als 5 %, bevorzugt weniger als 1 %, wodurch der Energiebedarf für Begasung und Umwälzung sinkt.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1a der erfindungsgemäße Bioreaktor gemäß einer ersten Ausführungsform;
1b als Draufsicht die Anordnung der Belüftungsmodule in einem großtechnischen Bioreaktor gemäß 1a
1c der erfindungsgemäße Bioreaktor gemäß einer zweiten Ausführungsform; bevorzugt als Labor- oder Technikums- Bioreaktor
2 erfindungsgemäßes Verfahren zur Ethanolherstellung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.

1a zeigt einen erfindungsgemäßen Bioreaktor 11 in einer ersten Ausführungsform wobei diese Form der bevorzugten Ausführung im technischen Maßstab entspricht. Der Bioreaktor 11 weist einen Reaktionsraum mit einem Gasraum 3 und einem Flüssigraum 13 auf, sowie einen Gaseinlass 1 und einen Gasauslass 2. Der Gaseinlass 1 ist ausgebildet, Gase zur Belüftungsvorrichtung, dem Airlift-Schachtüberfall 6 einzuleiten, und der Gasauslass 2 ist ausgebildet, gasförmige Produkte aus den Gasraum 3 herauszuleiten;
Ein vertikales Umlaufbegasungssystem umfasst ein Aufstromrohr 8, eine Propeller-Tauchmotorpumpe 7, ein Abstromrohr 9, das um das Aufstromrohr 8 und den Airlift-Schachtüberfall 6 angeordnet ist. Das vertikale Umlaufbegasungssystem ist ausgebildet, Gas aus dem Gasraum 3 in den Flüssigraum 13 einzubringen. Dabei ist die Umwälzpumpe 7 mit einem als Teleskoprohr ausgebildeten Teil des Aufstromrohres verbunden und kann mit einer geeigneten Hebevorrichtung (z.B. Kettenzug) zusammen mit dem Airlift- Schachtüberfall (6) als kompaktes Aggregat angehoben und beliebig in weiten Bereich im Abstromrohr (9) positioniert werden.
Die Umwälzung und Belüftung erfolgt mittels eines abwärts gerichteten begasten Umwälzstroms, wie durch die Pfeile in der Abbildung verdeutlicht wird. Aufgrund der größeren Fallhöhe der umgewälzten Flüssigkeit erfolgt eine hohe Gasmitnahme aus der angesaugten Luft 1. Die Gasmenge beträgt 8- 14%, bevorzugt etwa 10 % der Umwälzmenge. Dadurch wird ein im Vergleich hoher Sauerstoffeintrag auch bei mittleren kLA- Werten im Fermentationsmedium erreicht.
Die untere Stellung des Airlift- Schachtüberfalls 6a ist dabei so ausgelegt, dass damit beim minimalen Befüllungsgrad des Bioreaktors 11 eine minimale Förderhöhe von z.B. 1 m bei geringem Förderstrom für die Umwälzpumpe 7 erreicht wird. Dies entspricht exakt den Anfordernissen beim Start des Fermentationsprozesses bei jedem Batch. Bei steigendem Gasbedarf wird zuerst über die Drehzahlregelung der Förderstrom der Pumpe gesteigert, was gemäß dem Funktionsprinzip des Belüftungssystems zu einer Erhöhung der Gasmitnahme führt. Bei weiter steigendem Gasbedarf wird in Intervallen die Pumpe 7 mit Teleskoprohr und Begasungsvorrichtung 6 angehoben und die Drehzahl entsprechenden der größeren Förderhöhe angepasst. Damit steigt der Leistungseintrag in das Flüssigmedium 13 des Bioreaktors 11. Der aktuelle Gasbedarf z.B. Sauerstoff wird über eine Gelöst-O₂- Sonde gemessen und somit der exakte Bedarf im aktuellen Zustand ermittelt. Über die interne Steuerung wird der Gaseintrag 1 in den Bioreaktor 11 nach dem oben beschriebenen Verfahren exakt dem aktuellen Bedarf angepasst. Diese Methode ist energetisch sehr effektiv, da die Umwälzpumpe 7 bei allen Betriebszuständen immer im optimalen Wirkungsgradbereich (ca. 82-87 %) betrieben werden kann.
Bei einer maximalen Förderhöhe von ca. 4-5 m und maximalem Förderstrom wird in diesem Betriebszustand der maximale Gaseintrag bei optimalem Wirkungsgrad realisiert.
Damit wird eine bedeutende Einsparung an Elektroenergie erreicht im Vergleich zu Rührsystemen und normal aufgestellten Kreiselpumpen bei wechselnden Füllständen und Prozessanforderungen.
Die obere Stellung 6b der Begasungsvorrichtung entspricht dabei dem maximalen Befüllungsgrad des Bioreaktors 11 und den Prozessbedingungen (geringerer Gasbedarf) zum Ende des Fermentationsbatch.
Von der Propellerpumpe 7 wird ein großer, nach oben gerichteter Umwälzstrom erzeugt. Die Begasungsvorrichtung 6 umfasst in der gezeigten Ausführungsform eine Umlenkhaube, die den Umwälzstrom um 180° umgelenkt, damit dieser im Abstromrohr 9 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 bis 2,0 m/s nach unten abgelenkt wird und wieder in den Bioreaktor 11 zurückströmt. Durch die spezielle Bemessung der Umlenkvorrichtung wird von der Oberfläche her Luft/ Gas in die Flüssigkeit eingesaugt. Dieses Gas wird fein bis mittelblasig im Umwälzstrom dispergiert. Die Blasen bewegen sich mit der resultierenden Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigphase und der Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasblasen im Abstromrohr 9 nach unten. Schon in dieser Phase kommt es zu einem intensiven Stoffaustausch, also einem Eintrag von Gas (beispielsweise Sauerstoff) in die Flüssigkeit. Am Ende des Abstromrohres 9 tritt der begaste Umwälzstrom unter Turbulenzauflösung am Bioreaktorboden aus. Durch den hohen Umwälzstrom wird durch die aufsteigenden Gasblasen eine hohe Turbulenz im Bioreaktor erzeugt. Unter ständiger Rückvermischung und Ausbildung von Mikroturbulenzen steigen die Gasblasen mit einer Geschwindigkeit von bevorzugt 0,2 bis 0,5 m/s auf. In dieser Zeit kommt es weiterhin zu einem intensiven Stoffaustausch von Gas in die Flüssigkeit als Grundlage für einen schnellen und effektiven aeroben Fermentationsprozess. Im Vergleich zum herkömmlichen Fermentationsprozess kommt es somit zu mehr als einer Verdopplung der Blasenverweilzeit im Bioreaktor und damit zu einer bedeutenden Steigerung der Gasausnutzung im Bioreaktor. Im Vergleich zum Rührreaktor oder einem herkömmlichen Airliftreaktor kann der erfindungsgemäße Bioreaktor mit geringerer Begasungsrate, die nur etwa 40 - 60 % im Vergleich zu den bekannten Bioreaktoren beträgt, und mit geringerer Gasleerrohrgeschwindigkeit betrieben werden, um eine energieeffiziente Gas-/ Sauerstoffversorgung im Fermentationsprozess zu gewährleisten. Dies bedeutet eine bedeutende Energieeinsparung, im Vergleich zu den aufgeführten herkömmlichen Bioreaktoren, da keine Gasverdichtung notwendig ist und der Leistungseintrag in den Bioreaktor sinkt.
Durch den selbstansaugenden Betrieb ist es ohne zusätzlichen technischen Aufwand möglich, Gas aus dem Gasraum des Reaktors wieder anzusaugen und vollständig zu recyceln beziehungsweise im beliebigen Verhältnis Frischgas mit Abgas zu mischen. Damit wird eine sehr hohe Gasausnutzung im Reaktor gewährleistet, was eine sehr geringe Konzentration dieser Gase in der Abluft möglich macht. Biotechnologische Prozesse mit gasförmigen Substraten, im Sinne der Biotechnologie der dritten Generation, gewinnen durch die Möglichkeit der Nutzung von Abgasströmen aus anderen technischen Prozessen, wie Abgasen aus Verbrennung , Kuppelgase der Stahlherstellung, in der Zukunft zunehmend an Bedeutung, da sie zur Minderung der CO₂ Emission und zur Nutzung alternativer Rohstoffe beitragen. Insbesondere bei solchen Gasfermentationsprozessen im Verbund, beispielsweise bei der Nutzung von Kuppelgasen aus der Stahlproduktion, können effizient giftige und/oder explosive Gas, beispielsweise CO und Wasserstoff, eingesetzt werden.
Frischgas 1 wird ferner über den Gaseinlass 1 zur Begasungsvorrichtung, dem Airlift-Schachtüberfall 6 eingeleitet und Gas 60 aus dem Gasraum 3 über die Reaktor- Abgasleitung 4 abgeleitet und zumindest teilweise wieder über Gas- Recyclingleitung 6 Begasungsvorrichtung zurückgeleitet. Der Gasgehalt der Flüssigphase in dem Flüssigraum 13 ist dabei über ein Einstellen des Verhältnisses von Frischgas 1 zu zurückgeleitetem Abgas sowie die Konfiguration des Umlaufbegasungssystems regulierbar. Das Gas, welches aus dem Gasraum 3 über den Gasauslass 4 abgeleitet wird, kann vor dem Zurückleiten in den Bioreaktor 11 gereinigt werden. Die Reinigung erfolgt bevorzugt mittels kalter Destillation, wobei das mittels der Rückführungsleitung 69 zurückgeführte gereinigte Gas eine tiefere Temperatur aufweist, als das mittels des Gasauslasses 2 abgeleitete Abgas, wodurch der Bioreaktor 11 gekühlt wird. Der Bioreaktor 11 weist einen Sedimentationsbereich 12 auf, mittels dessen Biomasse sedimentiert werden kann und mittels eines Feststoffabzugs 14 aus dem Bioreaktor 11 abgeleitet werden kann. Der Sedimentationsbereich ist bevorzugt als Lamellenseparator ausgebildet, wobei die Separator- Lamellen einen Neigungswinkel von 70° aufweisen und damit ein Festsetzen auf den Lamellen vermieden wird. Der Abzug der klaren Flüssigphase erfolgt nach Sedimentation der Feststoffe über einen Flüssigabzug 14. Der Abzug der Flüssigphase erfolgt so, dass eventuell Schaum und aufschwimmende Biomasse über den Flüssigabzug mit ausgetragen wird.
1b zeigt in einer Draufsicht die Anordnung der Belüftungsmodule 6-1, 6-2, 6-3, 6-4, 6-5 in einem großtechnischen Bioreaktor 11 von ca. 800 m³
1c: Die Pumpe 7 ist in dieser Ausführungsform als Kreiselpumpe am Boden des Bioreaktors 11 angeordnet. Diese Ausführungsform der Pumpe kommt vorzugsweise bei kleinen Labor- und Technikumsfermentoren zum Einsatz, da in diesen Fällen kaum geeignete Energie effiziente Propeller- Tauchmotorpumpen zur Verfügung stehen.
2 zeigt eine bevorzugt Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Verfahren eine alkoholische Gärung darstellt.
Im Nachfolgenden wird das bevorzugte Gärverfahren zur am Beispiel der Erzeugung von Ethanol nach der SBR-Technologie wie folgt beschrieben:
Schritt 1: Takt Befüllung und Biomassewachstum
Die Befüllung des Bioreaktors 11 erfolgt dabei mit einer Nährlösung 30, insbesondere einer Nähr- und Wuchsstofflösung, und mit Substrat mit einer Konzentration von bevorzugt etwa 20 %, um einen osmotischen Schock der Biomasse zu vermeiden. Der Nährlösung 30 werden Nährsalze 24 zugesetzt.
Die Zugabe einer Substratlösung 26 und Betriebswasser 22 und/oder klarer Schlempe 99 erfolgt im unteren Teil des Bioreaktors mit Vordruck über eine Mischdüse 16 als Ansatzlösung „C-Quelle“ 40. Die Befüllung des Bioreaktors 11 erfolgt oberhalb des Ansaugkegels 10 über eine Mischdüse 16 und tangentiale Einleitung in den Behälter. Durch den Treibstrahl der Mischdüse wird Flüssigmedium 13 angesaugt und es kommt zu einer innigen Vermischung von Dosiermedium und Flüssigmedium im Behälter. Damit wird erreicht, dass auch in der kurzen Zeit der Befüllung des Reaktors 11 auch bei abgeschalteter Umwälzpumpe 7 die konzentrierte Substratlösung sofort vermischt wird und es nicht zu einer Schädigung der Biomasse infolge von osmotischem Schock kommt.
Dabei erfolgt die Zugabe in Form einer Ansatzlösung 44 während der Biomassewachstumsphase und später im Produktbildungsschritt als Feedinglösung 42. Damit werden auch bei Stillstand der Umwälzpumpe eine gute Verteilung des neuen Substrates und eine Durchmischung im Bioreaktor 11 gewährleistet. Zum Start des neuen Batch wird ein Teil des benötigten Betriebswasser am Kopf des Bioreaktors über Sprühdüsen zugegeben. Damit werden eventuelle Anhaftungen im Bioreaktor abgespült und die Ausbildung einer Kontamination im Gasraum vermieden.
Ab einem festgelegten Füllstand, beispielsweise 70 % Füllhöhe, erfolgt die Umwälzung und Belüftung über eine Inbetriebnahme der Pumpe des modular ausgebildeten Umwälz-Begasungssystems. Die Umwälzpumpe 7 befindet sich dabei in der untersten Stellung der Hubverstellung des Airlift-Schachtüberfalls 6a. Die Fermentation wird bei einer Substratkonzentration von 12 bis 14 % gestartet, um eine Substrathemmung im Bioprozess zu vermeiden und von Beginn optimale Prozessbedingungen zu gewährleisten. Unter Kontrolle der Prozessparameter von Gelöstsauerstoff, Substrat- und Biomassekonzentration wird der Bioprozess fortgeführt und es kommt zu einem schnellen Anstieg der Biomassekonzentration bei abnehmender Substratkonzentration. Für die Steigerung des nun notwendigen höheren Sauerstoffeintrages wird schrittweise die Begasungsvorrichtung 6 angehoben und auch die Fördermenge der Umwälzpumpe 7 erhöht. Die Hubverstellung ist abhängig von der Förderhöhe der Umwälzpumpe (ca. 4- 5,5m).
Aufgrund der eingestellten Fallhöhe der umgewälzten Flüssigkeit erfolgt eine hohe Gasmitnahme aus der angesaugten Luft 1. Die Gasmenge beträgt bevorzugt etwa 8 bis 10 % der Umwälzmenge. Dadurch wird ein im Vergleich hoher Sauerstoffeintrag bei mittleren k_La-Werten im Fermentationsmedium erreicht. Die Biomasse wächst besonders schnell an, weil sie durch die Wiederholung der SBR-Takte in der aeroben Phase ständig neu aktiviert wird.
Schritt 2: Takt, Gärung im Fed-Batch Betrieb mit kalter Destillation zur Teilentnahme von Ethanol und Aminwäsche zur CO₂- Regulierung im Abgas
In einem weiteren Schritt findet ein Feeding von Substrat, im vorliegenden Fall der C-Quelle, mittels einer Feedinglösung 42 und damit eine Umstellung von Wachstum auf Produktbildung statt. Durch kontinuierliche oder schrittweise Dosierung von Substrat, mit einer Substratkonzentration von 20 bis 30 %, erfolgt eine Zunahme des Füllstandes im Bioreaktor 11. Der Airlift-Schachtüberfall wird in der oberen Stellung belassen, aber der Füllstand im Bioreaktor 11 steigt an. Die Förderhöhe und damit auch der Energiebedarf und der Gaseintrag nehmen entsprechend kontinuierlich ab. Bei ansteigendem Füllstand des Flüssigmediums 13 wird in Abhängigkeit vom aktuellen Gasbedarf das Belüftungsaggregat schrittweise bis zur oberen Stellung 6b angehoben und die Förderleistung der Umwälzpumpe 7 durch Drehzahländerung geregelt. Im Bioreaktor 11 werden der gelöste Sauerstoff und der Lufteintrag gemessen. Nach einer festgelegten Regelung erfolgt eine Drosselung der angesaugten Frischluft 1 bei gleichzeitiger Inbetriebnahme/ Erhöhung des Gasrecyclings, also durch das Ansaugen von Prozessluft aus dem Gasraum des Bioreaktors 11. Somit kann die Belüftung beziehungsweise Begasung energetisch und prozesstechnisch optimal den aktuellen Bedingungen des Verlaufes der Fermentation angepasst werden. Die Begasungsrate und der Energieeintrag des Bioreaktors bleiben in etwa gleich.
Der Fermentationsprozess wird durch die Messung von gelöster Sauerstoffkonzentration, Substratkonzentration und Ethanolkonzentration im Bioreaktor 11 und die gemessene CO₂-Konzentration in der Abluft gesteuert. Durch den Einsatz intelligenter Mess- und Übertragungssysteme kann der Fermentationsprozess mittels moderner Kommunikationssysteme, beispielsweise Smartphones, ferngesteuert werden.
In einem weiteren Schritt findet die Weiterführung des Substratfeedings, die Produktbildung und Gärung, und eine kalte Destillation 62 statt, wie im Folgenden beschrieben wird:

Bei einer optimalen Substratkonzentration von 4 bis 8 % wird weiteres Substrat in Form der Feedinglösung 42 kontinuierlich bzw. periodisch zudosiert. Schrittweise wird die Zufuhr von Frischluft 1 gedrosselt und im gleichen Maße das Gasrecycling aus dem Gasraum des Bioreaktors 11 erhöht. Der Gehalt an gelöstem Sauerstoff im Fermentationsmedium nimmt kontinuierlich ab. Da im nunmehr anaeroben Fermentationsprozess kein Sauerstoff mehr benötigt wird, erfolgt nur noch ein vollständiges Recycling der Prozessgase (N₂, CO₂) im Bioreaktor 11 bei gleichbleibender Begasungsrate und Energiebedarf. Durch das Gasrecycling steigt auch der CO₂-Gehalt im Abgas an, was die Ethanolbildung der Hefe anregt.

In dieser Zeit steigt die Ethanolkonzentration im Bioreaktor 11 kontinuierlich an. Da Ethanolgehalte ab etwa 8 % den weiteren Gärungsverlauf inhibieren, erfolgt ein Austrag von Ethanol durch kalte Destillation 62 des Abgases 60. Durch den selbstansaugenden Betrieb des erfindungsgemäßen Umlaufbegasungssystems kann das behandelte Abgas 69 ohne zusätzliche technische Vorrichtung stark gekühlt wieder in den Bioreaktor 14 zurückgeführt werden, wodurch es zu einem Kühleffekt kommt und die notwendige Kühlfläche im Bioreaktor 11 reduziert werden kann. Die für die kalte Destillation 62 mittels Kaltwasser 63 und/oder Kaltsole 64 aufgebrachte Kühlleistung wird also im Bioreaktor 14 nochmals genutzt, was zu einer Einsparung von Rückkühlwasser führt.
Da stets eine hohe CO₂ Konzentration im Abgas 60 herrscht, ist es von Vorteil, einen Teilstrom des Abgases nach der kalten Destillation 62 zu nutzen, um mittels eines CO₂-Abrennungssystems 66, insbesondere durch Aminwäsche und/oder Desorption, das CO₂ aus dem Abgas 60 zu entfernen und als Nebenprodukt flüssiges CO₂ und/oder Trockeneis 67 zu erzeugen. Der CO₂-Gehalt kann über eine integrierte Prozessregelung im optimalen Bereich für den Gärprozess gefahren werden. Die CO₂-Gewinnung aus dem Bioreaktorabgas 60 verbessert die Ökonomie des Gesamtprozesses. So werden die CO₂- Emissionen des emittierten Abgases 68 reduziert und eine höhere Umweltverträglichkeit des Prozesses durch Senkung des CO₂-Fußabdruck im Gesamtverfahren erreicht.
Durch Messung von Substratkonzentrationen, Ethanolkonzentration und CO₂-Konzentrationen kann der Prozess effektiv gesteuert werden. Die Begasungsrate und der Energieeintrag können energetisch optimal durch Reduzierung der Umwälzmenge und/oder Drehzahl der Umwälzpumpe geregelt werden und dem Prozessverlauf optimal angepasst werden.
Schritt 3: Takt Sedimentation der Biomasse
In einem weiteren Schritt wird der Gärprozess zu Ende geführt und es findet eine Teilentleerung der Bioreaktors 11 statt, die im Folgenden beschrieben wird:

Nach Erreichen der maximalen Befüllung und des maximalen Ethanolgehaltes, bevorzugt 8 bis 10 Vol.-%, im Bioreaktor 11 erfolgt eine Teilentleerung 70. Dazu wird als erstes die Umwälzpumpe abgestellt. Durch den Einsatz einer speziellen sedimentierenden Hefe erfolgt eine rasche Sedimentation der Biomasse. Die Sedimentation und Verdichtung der Biomasse wird durch die im unteren Teil des Bioreaktors angebrachten Sedimentationslamellen 12 unterstützt, womit die Sedimentationsfläche im Bioreaktor erhöht und die Biomasseseparation und anschließende Abtrennung verbessert wird. Dies führt zu einer Verkürzung der Sedimentationszeit und damit zur Steigerung der Produktivität des Prozesses.

Schritt 4: Teilentleerung des Bioreaktors
Es erfolgt bevorzugt nur eine Teilentleerung 70 vorzugsweise von ca. 50 bis 95 %, um noch Biomasse für die nächste Fermentation bereitzustellen. Über ein Ablaufregister 14 wird der Bioreaktor schrittweise gesteuert entleert. Durch die Dimensionierung des Ablaufsystems wird erreicht, dass nicht sedimentierbare Mikroorganismen mit dem Überstand ausgetragen werden, und somit mögliche fremde Mikroorganismen schnell aus dem System entfernt werden.
Damit wird eine sehr schnelle Entleerung des Gärbehälters mit einem sicheren Rückhalt und Konzentrierung der bevorzugten Biomasse erreicht.
Durch die Verlängerung der aktiven Gärzeit (Produktbildung) in Takt 2, durch die kalte Destillation, der nur geringen Sedimentationszeit durch die schnell sedimentierende Biomasse, sowie die kurze Entleerungszeit, wird das Verhältnis Rüstzeit zu Betriebszeit des Bioreaktors entscheidend verbessert und eine hohe Produktivität von 8,3 kg/ (m³*h) erreicht.
Im Weiteren wird die Aufarbeitung des Ablaufs aus dem SBR-Gärverfahren beschrieben.
Aufarbeitung des Bioreaktorablaufs
Der abgeerntete Klarlauf aus dem Bioreaktor 11 wird zunächst im Stapeltank 80 gesammelt.
In einem weiteren Schritt erfolgt die Aufarbeitung des flüssigen Mediums als Bioreaktorablauf mittels Destillation und/oder Rektifikation 82. Der über ein Ablaufregister abgezogene Bioreaktorablauf enthält nur noch 5 bis 20 % der ursprünglichen Feststoffe im Bioreaktor. Dieser Feststoff reduzierte Ablauf aus der Gärung wird der Ethanoldestillation und/oder Rektifikation 82 zugeführt, um dort ein Ethanol 83 mit einer Reinheit von bevorzugt 96 Vol-% zu erzeugen.
Zu dieser Destillation und/oder Rektifikation wird vorkonzentrierte Ethanollösung 65 aus der kalten Destillation 62, der Separatorklarlauf 73 aus der Aufarbeitung des Bioreaktorinhaltes beim Abzug 72 der Überschussbiomassesuspension sowie bei der Restentleerung 70 des Bioreaktors nach dem Ende eines längeren Gärzyklus, ebenfalls noch mit zugeführt.
Als nächster Schritt nach der Rektifikation erfolgt die Abtrennung der Rest- Biomasse/ Rest-Feststoffe mittels Separation, vorzugsweise über einen Klärseparator 90. Damit erhält man eine hohe TS-Konzentration (20-23 Ma-% TS sind möglich) in der Biomasse. Die erhaltene Biomasse 101 wird getrocknet 102 und findet bevorzugt als Futterhefe 104 Verwendung.
In einem weiteren Schritt findet eine Schlempeverwertung 98 statt, wie im Folgenden beschrieben wird:

Bevorzugt wird nach der Destillation die abgezogen Schlempe 96 über einen Klärseparator 90 geleitet. Dort werden die noch vorhandenen Hefezellen und/oder Feststoffe abgetrennt und im Schlammsammelraum des Separators konzentriert. Über die interne Steuerung des Separators wird die konzentrierte Biomassesuspension 92, von bevorzugt etwa 20 bis 24 % TS periodisch ausgetragen. Diese abgetrennten und konzentrierten Hefezellen wurden in der Destillation schon teilweise thermolysiert. In einem weiteren Schritt wird diese Biomassesuspension 92 einer endgültigen Thermolyse oder einem enzymatischen Aufschluss 94 unterzogen. Durch den Einsatz einer konzentrierten Biomassesuspension verringert sich der technische Aufwand für die Thermolyse und/oder den enzymatischen Aufschluss. Ziel dieser Behandlungsstufe ist es, ein Hefeautolysat 95 zu erhalten, was als Nährstofflösung wieder für die Anzucht von neuer Biomasse verwendet werden kann. Mit diesem Behandlungsschritt ist es möglich zumindest teilweise auf die kostenintensiven Wuchsstoffe und Nährsalze zu verzichten, was die Wirtschaftlichkeit des neuen Intensivgärverfahrens noch weiter verbessert.

Ein Teil des Klarlaufes 99 aus der Separation kann zur Verdünnung der Melasse 26 zwecks Einstellens der Substratkonzentration beim Ansatz der Gärsubstratlösung ebenfalls wiederverwendet werden. Es ist somit möglich, dass bis zu 40 % des bei jedem Gärungsansatz anfallenden Bioreaktorablaufs im Prozess zurückgeführt werden. Durch diese Wiederverwendung der anfallenden Schlempe 96 kann der Bedarf an Betriebswasser 22 bedeutend verringert werden. Im gleichen Verhältnis verringert sich die Abwasserlast beziehungsweise die zu entsorgende Schlempemenge.
In einem weiteren Schritt finde die Aufarbeitung der Biomassesuspension und Überschusssuspension 72 und die Restentleerung 70 des Bioreaktors 11 statt.
Es ist notwendig die überschüssige Biomasse im Bioreaktor periodisch abzuziehen. Bevorzugt wird diese Biomasse in Form der sedimentierten Biomassesuspension am Bioreaktorboden abgezogen. Die sedimentierte Biomasse des erfindungsgemäßen Bioreaktors 11 hat eine hohe Biomassekonzentration von 40 bis 60 g/l, sodass ein Klärseparator nicht verwendet werden kann. In diesem Fall erfolgt die Abtrennung der Hefezellen nach dem klassischen Verfahren über normale Düsenablaufseparatoren, bevorzugt in einem zweistufigen Verfahren umfassend ein Waschen der Hefezellen. Der Klarlauf der Separation wird in einen Vorlagetank für die Destillation geleitet. Die Hefesahne 101 mit einer TS- Konzentration von etwa 16 Gew.-% kann in geeigneten Trocknern 102, insbesondere Walzentrockner, Sprühtrockner, Wirbelschichttrockner, zu einem hochwertigen Proteinfuttermittel 104 verarbeitet werden. Hierdurch wird die Wirtschaftlichkeit des Gärverfahrens noch weiter verbessert.
Bei dem hier dargestellten Gärverfahren fallen folgende Produkte zur wirtschaftlichen Verwertung an:

1. Ethanol, mit einer Reinheit von 96 Vol-%, in den Qualitätsstufen Primasprit als Hauptanteil und Secunda im Falle von Qualitätsmängeln in der Verarbeitung.
2. CO₂ aus der Abgasaufarbeitung als Trockeneis oder als flüssiges CO₂ in Gasflaschen oder Flüssiggastank.
3. Futterhefe mit etwa 50 Gew-% Rohprotein als hochwertiges Futtermittel.

Eine Reinigung des Reaktionsbehälters 11 findet mittels Cleaning in Place (CIP) 74 findet nur nach Ende einer Batchserie und damit nach einer Restentleerung der Reaktorbehälter statt.
Die Reinigung läuft nach der bekannten 3- stufigen Reinigung ab:

• Kurzes Spülen des Reaktionsbehälters 11 über die Sprühdüsen am Kopf des Reaktors ins Abwasser und Spülen (First Rinse) des Reaktorsystems mit Spülwasser aus dem Spülwassertank
• Chemische Reinigung/ Sanitisieren des Reaktionsbehälters 11 mit 2-5 %iger NaOH-Lösung bei ca. 50°C
• Klarspülen (Last Rinse) des Bioreaktors 11 mit Spülwasser (ca. 50°C)

Bezugszeichenliste

1: Frischgas- Eintritt
2: Abluft Reaktor
3: Gasraum Reaktor
4: Gesamtabgas Reaktor
5: Gasrecyclingsstrom
6: Begasungsvorrichtung, Begasungsmodule
6a: Begasungsvorrichtung - Airlift- Schachtüberfall, untere Stellung
6b: Begasungsvorrichtung - Airlift-Schachtüberfall mit Pumpe in oberer Stellung
7: Umwälzpumpe
8: Aufstromrohr
9: Abstromrohr
10: Ansaugkegel Airlift- Schlaufe
11: Reaktorbehälter
12: Lamellenseparator
13: Flüssigmedium Reaktor
14: Abzug Erntemedium Reaktor
15: Abzug Biomasse, Restentleerung Bioreaktor
16: Substratzugabe über Mischdüse
17: Kühlmantel Abstromrohr
18a: Kühlwasser- Zulauf
18b: Kühlwasser- Ablauf
19: Abgaskühler- Kalte Destillation
20: Destillat Abgaskühler
21: Kühlsole Abgaskühler
22: Betriebswasser
24: Nährsalze
26: Kohlenstoffquelle z.B.Melasse
30: Ansatz Nährsalzlösung
40: Ansatz Substratlösung
42: Feeding Lösung
44: Ansatzlösung für Fermentationsbatch
60: Abgas
62: Abgasnachbehandlung kalte Destillation
63: Kaltwasser
64: Kühlsole
65: Ethanol
66: CO₂ Abtrennvorrichtung
67: abgetrenntes flüssiges CO₂ / Trockeneis
68: Abluft
69: Rückführung des gereinigten Abgases
70: Teilentleerung/Restentleerung Biomasse
72: Überschuss Biomasse
73: Klarlauf Hefeseparator
74: CIP Lösung
80: Stapeltank
82: Destillation
83: Ethanol
90: Klärseparator
92: Biomassesuspension
94: Biomasseaufschluss
95: Biomasse Hydrolysat
96: klare Schlempe
98: Abwasser/Schlempenverwertung
99: klare Schlempe
100: Hefenseparation
101: Hefensahne
102: Hefentrocknung
104: Futterhefe

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 4112377 [0003]
DE 4112378 [0003]

Claims

Verfahren, welches mittels eines Bioreaktors (11) durchgeführt wird, wobei der Bioreaktor (11) aufweist: einen Reaktionsraum mit einem Gasraum (3) und einem Flüssigraum (13); einen Frischgas-Eintritt (1) und einen Gasauslass (2), wobei der Gaseinlass (1) ausgebildet ist, Gase zur Begasungsvorrichtung (6) einzuleiten, und der Gasauslass (2) ausgebildet ist, gasförmige Produkte aus den Gasraum (3) herauszuleiten; ein vertikales Umlaufbegasungssystem umfassend ein Aufstromrohr (8), eine Pumpe (7), eine Begasungsvorrichtung (6) und ein Abstromrohr (9), das um das Aufstromrohr (8) und der Begasungsvorrichtung (6) angeordnet ist, wobei das vertikale Umlaufbegasungssystem ausgebildet ist, Gas aus dem Gasraum (3) in den Flüssigraum (13) einzubringen; wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Einleiten wenigstens eines Gases zur Begasungsvorrichtung (6); Begasen einer Flüssigphase in dem Flüssigraum (13) mit der Gasphase aus dem Gasraum (3) mittels des Umlaufbegasungssystems, und wobei die Pumpe (7) als Umwälzpumpe ausgebildet ist; und die Begasungsvorrichtung (6) als Airlift-Schachtüberfall (6a, 6b) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlaufbegasungssystem ein Airlift- Schlaufenreaktor mit innerem, abwärts gerichtetem begastem Umwälzstrom ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzpumpe (7) über eine Höhenverstellung in wenigstens eine untere Stellung (6a) und eine obere Stellung (6b) des Airlift Schachtüberfalles (6) positioniert werden kann und bevorzugt mit einem als Teleskoprohr ausgebildeten Teil des Aufstromrohres (8) verbunden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Begasungsvorrichtung selbstansaugend arbeitet und dass das Abgas aus dem Bioreaktor teilweise oder vollständig wieder über die Begasungsvorrichtung angesaugt und in die Flüssigphase eingebracht wird.
Verfahren nach einem Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der eingetragene Anteil des Frischgases an den aktuellen Bedarf im Bioreaktor angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Begasungsintensität, die Durchmischungsrate als auch der Energieeintrag in den Bioreaktor voneinander entkoppelt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Begasungsvorrichtung (6) nach einem Tauchstrahl-Begasungsverfahren arbeitet.
Verfahren nach einem Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Begasungsvorrichtung (6) modular aufgebaut ist, und bevorzugt als wenigstens ein Modul (6-1, 6-2, 6-3, 6-4, 6-5) ausgebildet ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung über einen Sedimentationsbereich verfügt, der als Lamellenseparator (12) ausgebildet ist und deren Lamellen einen Neigungswinkel von 45°-80° vorzugsweise von 60°-70° besitzen.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ferner die Schritte aufweist: • Befüllen des Reaktionsbehälters (11) und Wachstumsphase der Biomasse • Fermentation als Fed-Batch-Prozess mit Gasrecycling und kalter Destillation eines Produkt-Teilstromes sowie Regulierung der Gaszusammensetzung im Abgas durch bspw. Aminwäsche mit nachfolgender Nutzung des abgetrennten CO₂ • Rasche Sedimentation der adaptierten Biomasse • Austragsphase: Teilentleerung des Reaktionsbehälters (Abernten) als klarer Überstand über ein Ablaufregister (15).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration an aktiver Biomasse geregelt wird, indem in der Austragsphase bei hoher Biomassekonzentration im Bioreaktor (11) die abgesetzte Biomasse teilweise ausgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Fermentation aerob, anaerob als auch mikroaerophil durchgeführt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei gleichbleibender Begasungs- und Mischintensität, der aktuelle Bedarf an Frischgas beliebig eingestellt werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem in der Austragsphase erfolgten Produktaustrag über den Entleerungsstrom zusätzlich ein zweiter Produktaustrag über einen sekundären Produktstrom stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Produktaustrag über den sekundären Produktstrom durch Gasstrippen mit einem Abgasgemisch erfolgt und das im Abgasstrom enthalten Produkt durch Kondensation mit weiteren flüchtigen Bestandteilen gewonnen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der Anreicherung der Konzentration des im Bioreaktor (11) entstehenden Abgases die Abluft ganz oder teilweise im Kreislauf geführt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 14-16, wobei die Reinigung mittels kalter Destillation (62) erfolgt und dass das über den Airlift-Schachtüberfall (6) zurückgeführte gereinigte Gas (69) eine tiefere Temperatur aufweist, als das mittels des Gasauslasses (2) abgeleitete Abgas (60).
Verfahren nach einem der Ansprüche 10-13, dadurch gekennzeichnet, dass die anfallende Schlempe ganz oder teilweise hydrolysiert und eingedickt wird und als Nähr- und Wuchsstoff über die Substratzugabe (16) in den Bioreaktor (11) zurückgeführt wird.
Bioreaktor (11) zur Durchführung eines Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Bioreaktor (11) aufweist: einen Reaktionsraum mit einem Gasraum (3) und einem Flüssigraum (13); einen Frischgas-Eintritt (1) und einen Gasauslass (2), wobei der Gaseinlass (1) ausgebildet ist, Gase zur Begasungsvorrichtung (6) einzuleiten, und der Gasauslass (2) ausgebildet ist, gasförmige Produkte aus den Gasraum (3) herauszuleiten; ein vertikales Umlaufbegasungssystem umfassend ein Aufstromrohr (8), eine Pumpe (7), eine Begasungsvorrichtung (6) und ein Abstromrohr (9), das um das Aufstromrohr (8) und der Begasungsvorrichtung (6) angeordnet ist, wobei das vertikale Umlaufbegasungssystem ausgebildet ist, Gas aus dem Gasraum (3) in den Flüssigraum (13) einzubringen; und wobei die Pumpe (7) als Umwälzpumpe ausgebildet ist; und die Begasungsvorrichtung (6) als Airlift-Schachtüberfall (6a, 6b) ausgebildet ist.