NL2000649C2 - Werkwijze voor het uit een stromende vloeistof concentreren van in de vloeistof gesuspendeerde microbiologische organismen. - Google Patents

Description

Werkwijze voor het uit een stromende vloeistof concentreren van in de vloeistof gesuspendeerde microbiologische organismen

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het uit een stromende vloeistof 5 concentreren van in de vloeistof gesuspendeerde microbiologische organismen.

Bij de zoektocht naar organisch materiaal als grondstof voor ondermeer biobrandstof maar ook andere industriële toepassingen zoals toepassing als voedingssupplementen, biologische grondstof voor constructiematerialen en zo voorts, blijken algen een aantal 10 voordelige eigenschappen te bezitten. Zo bestaan er ondermeer algensoorten waarvan de massa tot wel 50% bestaat uit olie, terwijl zich- afhankelijk van de beoogde toepassing - ook andere gunstige stoffen zoals kleurstoffen en het omega-vetzuur EPA in de algen bevinden. Nog een voordeel is dat de productiecapaciteit (de fotosynthese) bij de productie van algen bijzonder groot kan zijn. In de praktijk blijkt de productie van algen 15 per oppervlakte eenheid wel 100 tot 150 maal doelmatiger te zijn dan de teelt van een aantal landbouwgewassen zoals bijvoorbeeld maïs en soja. Ook kunnen de algen worden gebruikt om afvalwater te zuiveren en kan daarbij CO2 uit bijvoorbeeld rookgassen of fermentatie-afgassen worden gebonden. Zie hiertoe bijvoorbeeld het ECN rapport “Duurzame co-productie van fijnchemicaliën en energie uit micro-algen”, 20 openbaar eindrapport E.E.T. project K99005/398510-1010 van J.H. Reith, april 2004. Een nadeel van de productie van algen is echter dat zij als microbiologische organismen niet eenvoudig zijn te scheiden van de vloeistof waarin zij zich ontwikkelen. Door de doorgaans zeer geringe afmetingen van de microbiologische organismen is het scheiden moeilijk en kostbaar. Als mogelijke scheidingstechnieken wordt er verwezen naar 25 flotatie, centrifugeren, zandfiltratie en membraantechnologie. Ook wordt chemische extractie aanbevolen voor de extractie van bepaalde stoffen. Al deze scheidingstechnieken zijn slechts mogelijk bij hoogwaardige toepassing van de af te scheiden producten. Voor relatief laagwaardige toepassing van de microbiologische organismen (meer in het bijzonder als bio-brandstof) zijn deze scheidingstechnieken 30 allen te kostbaar en bovendien leveren ze veelal niet eens een positieve (of slechts zeer beperkt voordelige) energiebalans op. Zo is bijvoorbeeld centrifugeren een energetisch minder gunstige separatie techniek omdat het centrifugeren een energie-intensieve bewerking betreft.

2

Doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een meer doelmatige werkwijze voor het uit een stromende vloeistof concentreren van in de vloeistof gesuspendeerde microbiologische organismen.

5 De uitvinding verschaft daartoe een werkwijze voor het uit een stromende vloeistof concentreren van in de vloeistof gesuspendeerde microbiologische organismen omvattende de bewerkingsstappen: A) het aan een stationaire cycloon toevoeren van de vloeistof met daarin gesuspendeerde microbiologische organismen, B) het in een stationaire behuizing van de cycloon doen roteren van de vloeistof met daarin 10 gesuspendeerde microbiologische organismen, en C) het uit de stationaire cycloon afvoeren van ten minste twee verschillende fracties; een eerste fractie met een ten opzichte van de toegevoerde vloeistof verhoogde concentratie gesuspendeerde microbiologische organismen en een tweede fractie met een ten opzichte van de toegevoerde vloeistof verlaagde concentratie gesuspendeerde microbiologische 15 organismen. Ten gevolge van de rotatie van de vloeistof met daarin gesuspendeerde microbiologische organismen in de stationaire behuizing van de cycloon zal een lichtere fractie althans in hoofdzaak naar de binnenzijde van de cycloon migreren en zal een zwaardere fractie naar de buitenzijde van de cycloon migreren. De zwaardere fractie en de lichtere fractie worden op uiteengelegen posities uit de cycloon afgevoerd.

20

Een cycloon is een centrifiigaal-scheider waarbij een zwaardere fractie als gevolg van de grotere massa door de centrifugaalkracht naar de buitenkant worden geslingerd. De verschillende fracties verlaten de cycloon gebruikelijk via verschillende zijden. Eén van de redenen waarom het volgens de stand van techniek niet voor de hand liggend is door 25 middel van een cycloon microbiologische organismen af te scheiden uit een vloeistof is dat microbiologische organismen niet, of hoegenaamd niet, coaguleren. Met coaguleren wordt hierbij het samengaan van druippels tot een grotere druppel. Deze eigenschap kan worden beïnvloed door bijvoorbeeld de samenstelling van een mengsel, de PH waarde, de aanwezigheid van additieven en zo voorts. Dit wil zeggen dat een bepaalde mate van 30 scheiding in de cycloon niet tot een stabiele gescheiden situatie leidt zoals dit bijvoorbeeld het geval is bij olie/water scheiding, een scheidingstechniek waarbij de toepassing van cyclonen wel populair is. Het niet coaguleren van de microbiologische organismen, in het bijzonder algen, zal daarom direct weer tot vermenging leiden bij iedere kleine verstoring van een zuivere cycloon. Dit probleem is des te pregnanter 3 indien de verschillen in massadichtheid tussen de vloeistof en de microbiologische organismen gering zijn zoals dit bij een water/algen mengsel het geval is. Hierbij is het verschil in massadichtheid tussen de vloeistof en de microbiologische organismen typisch minder is dan 200,150,100, 50 of zelfs 30 kg/m3. De onderhavige uitvinding 5 verschaft nu evenwel het inzicht dat het ondanks de bestaande vooroordelen desalniettemin mogelijk is microbiologische organismen in een stationaire cycloon zinvol te concentreren. Met concentreren wordt niet slechts gedoeld op het volledig scheiden doch ook op het voorscheiden (het vergroten van de concentratie in een vloeistof gesuspendeerde microbiologische organismen). Allereerst dient hierbij een 10 juiste dimensionering van de vortex te worden gekozen, bijvoorbeeld een diameter kleiner dan 20 millimeter. De vortex dient immer een voldoende centrifugaal-kracht te ontwikkelen om de kleine niet coagulerende microbiologische organismen te concentreren en bovendien moet het stromingspatroon zodanig zijn dat opmenging wordt voorkomen. Anderzijds is het inzicht dat een volledige scheiding niet 15 noodzakelijk is maar dat een wezenlijke vergroting van de concentratie microbiologische organismen in een eerste fractie van de vloeistofstroom ook reeds zeer voordelig is. Een verdubbeling van de concentratie van bijvoorbeeld een paar honderd milligram per liter leidt al tot een aanzienlijke vergroting van de doelmatigheid van het totale scheidingsproces omdat de opvolgende scheidingsstappen nu immers doelmatiger 20 kunnen worden uitgevoerd.

Van groot belang bij de concentratie van in de vloeistof gesuspendeerde microbiologische organismen is dat het stromingspatroon in de vortex zeer stabiel is; dit uiteraard om de zeer snel optredende vermenging te voorkomen. Stabilisatie van het 25 stromingspatroon kan naast een geschikte dimensionering bijvoorbeeld worden verkregen door toepassing van geleidingselementen en/of stabilisatie-elementen in de vortex. Het is daarbij van belang het lokale Reynoldsgetal overal zo laag mogelijk te houden waardoor bij voorkeur geen (zwaar) turbulente stroming in de vortex optreed. Voor een verdere stabilisering van de vloeistofstroming in de cycloon is het ook 30 voordelig indien de vloeistof van meerdere zijden aan de inrichting wordt toegevoerd.

Al deze maatregelen dragen ertoe bij dat de aan de cycloon toe te voeren stroom van het mediummengsel tijdens bewerkingsstap A) een in hoofdzaak stabiel stromingspatroon heeft.

4

De scheidingsruimte in de vortex heeft gebruikelijk een langgerekte vorm die in dwarsdoorsnede (dat wil zeggen in een dwarsdoorsnede loodrecht op de longitudinaal of lengteas van de cycloon) een cirkelvormige binnenzijde bezit. De scheidingsruimte kan al dan niet taps toelopen en kan naar keuze zijn voorzien van een kem waaromheen het 5 mengsel als vortex in rotatie wordt gebracht. Er wordt opgemerkt dat de vloeistof in de stationaire behuizing van de cycloon ook een volledig een helix-vomig stromingstraject kan doorlopen (daarbij hoeft de structuur niet taps toelopend te zijn maar kan deze ook cilindrisch zijn). De roterende stroming kan worden opgewekt door een helix-vormige structuur.

10

De vloeistof wordt, ondermeer vanwege economische en milieutechnische overwegingen, bij voorkeur gevormd door water. Dit kan afhankelijk van de omstandigheden zowel zoet, brak of zout water zijn.

15 In weer een andere voorkeursvariant wordt er (vrij en/of opgeloste) gas aan de stromende vloeistof toegevoegd zodanig dat er gasbellen in de vloeistof ontstaan. Deze gasbellen zijn bij voorkeur in de vloeistof tijdens het in stationaire behuizing van de cycloon roteren van de vloeistof. De aldus aanwezige (micro)bellen ((micro)bubbles) hechten zich aan de microbiologische organismen waardoor het verschil in 20 massadichtheid van de te separeren fracties kan worden gewijzigd ten gevolge waarvan een eenvoudigere scheiding mogelijk wordt. Dit effect kan overigens ook worden verkregen (respectievelijk worden versterkt) door de vloeistof met daarin gesuspendeerde microbiologische organismen bij de toevoer aan de stationaire behuizing van de cycloon te laten expanderen. De expansie kan zowel plaatsvinden 25 tijdens de toevoer of op enig moment dat de vloeistof zich reeds in de stationaire behuizing bevindt. Gunstige resultaten zijn verder verkregen wanneer de vloeistof bij de toevoer over de toevoeropeningen expandeert, bijvoorbeeld bij voorkeur zodanig dat microbellen ontstaan. Dit principe werkt met name indien het mediummengsel oververzadigd (supergesatureerd met gas) is bij intrede in de cycloon.

30

De vloeistof met daarin gesuspendeerde microbiologische organismen in de stationaire behuizing van de cycloon wordt bij voorkeur geroteerd ten gevolge van de aanwezigheid van ten minste één geleidingselement. Aldus kan de doelmatigheid van concentreren worden verghoogd ten opzichte van die van een tangentiaal cycloon.

5

Met de beschreven werkwijze is het moeilijk of zelfs onmogelijk om een volledige scheiding van vloeistof en microbiologische organismen te verkrijgen. Dit vormt echter geen bezwaar. De concentratie gesuspendeerde microbiologische organismen van de uit 5 de stationaire cycloon volgens bewerkingsstap C) afgevoerde eerste fractie met een ten opzichte van de toegevoerde vloeistof reeds verhoogde concentratie gesuspendeerde microbiologische organismen kan immers opvolgend verder wordt verhoogd. Bijvoorbeeld door na de voorscheiding middels één of meerdere van de bewerkingen: centrifugeren, persen, verder concentreren, decanteren en/of drogen een opvolgende 10 scheidingsstap te bewerkstelligen.

In weer een andere variant van de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding wordt aan de stromende vloeistof met gesuspendeerde microbiologische organismen een uitvlok-middel (flocculant) voor de microbiologische organismen toegevoerd. Een 15 dergelijk uitvlok-middel leidt ertoe dat de kleine microbiologische organismen zich verenigen tot grotere complexen (vlokken) die eenvoudiger zijn te concentreren (of zelfs zijn te scheiden van de vloeistof. Het uitvlok-middel kan een chemische samenstelling hebben, maar bij voorkeur wordt dit gevormd door een natuurlijk uitvlok-middel, zoals bijvoorbeeld Chitosan. Overigens wordt hier opgemerkt dat ook door 20 middel van andere verschijnselen microbiologische organismen kunnen samengaan, binden of klonteren.

De onderhavige uitvinding zal verder worden verduidelijkt aan de hand van de in navolgende figuren weergegeven niet-limitatieve uitvoeringsvoorbeelden. Hierin toont: 25 figuur 1 een opengewerkt perspectivisch aanzicht op een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding, en figuur 2 een opengewerkt perspectivisch aanzicht op een alternatieve uitvoeringsvariant van een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding.

30 Figuur 1 toont een vortex 20 met een kem 1 en een mantel 2 waartussen geleidingsvinnen 3 zijn gepositioneerd. De vloeistof met gesuspendeerde microbiologische organismen (bijvoorbeeld algen) wordt in hoofdzaak axiaal aangevoerd overeenkomstig pijl Pi en verkrijgt door de geleidingsvinnen 3 een roterende tangentiele component; zie hiertoe pijl P2. De wijze van toevoer van de 6 vloeistof is van ondergeschikt belang; de vloeistof kan stroomopwaarts van de geleidingsvinnen 3 ook een radiale component bezitten (zie bijvoorbeeld pijl Pr). Om de stroming in de vortex 20 nog verder te stabiliseren kunnen tussen de ge leidings vinnen 3 ook nog additioneel stabilisatievinnen 4 worden aangebracht. Ten 5 gevolge van de geleidingsvinnen 3 en de stabilisatievinnen 4 zal het lokale Reynoldsgetal lager zijn met als gevolg dat aldaar sneller een stabiele stroming aanwezig zal zijn. Bij de verdere beschrijving van deze figuur zal worden aangenomen dat de microbiologische organismen een grotere dichtheid bezitten dan de vloeistof, mocht dit evenwel juist omgekeerd zijn dan dient ook de navolgende omschrijving juist 10 omgekeerd te worden begrepen. Bijvoorbeeld de sterk oliehoudende Botryococcus braunii is bezit een massadichtheid die kleiner is dan die van water waardoor deze als de lichtere fractie kan worden afgescheiden, aldus kan op een zeer doelmatige wijze bijvoorbeeld biobrandstof worden geproduceerd. Het afscheiden van de lichtere fractie is in een cycloon doorgaans voordeliger dan het afscheiden van de zwaardere fractie.

15

Door een sterke roterende stroming aan het distale uiteinde van de mantel 2 zullen de microbiologische organismen (bijvoorbeeld algen) onder invloed van de centrifugale werking naar de buitenzijde van de scheidingsruimte 9 begeven. De scheidingsruimte 9 wordt begrensd door de kern 1 en de mantel 2. Om een stabiele stroming te verkrijgen 20 (en grenslaag-loslating te voorkomen) neemt de omtrek van het distale uiteinde van de kern 1 middels een einddeel 8 voorzien van een afnemende diameter vloeiend af. Om de verblijftijd in de vortex 20 te vergroten is tevens een staartsectie 5 voorzien. Deze staartsectie 5 heeft een langgerekte vorm en is hier conisch weergegeven maar kan bijvoorbeeld ook cilindrisch zijn uitgevoerd. Een kritische waarde betreft in de praktijk 25 de distale zijde van de staartsectie 5 deze dient bij voorkeur kleiner te zijn dan 20 mm, meer bij voorkeur zelfs kleiner dan 15, 10 of 5 mm. Het voordeel van de aanwezigheid van de staartsectie 5 is dat door behoud van het momentum de centrifugaalkracht verder toeneemt hetgeen tot een verbeterde scheiding leidt. In axiale richting zal de vloeistof met verhoogde concentratie microbiologische organismen zich via een wand 10 van de 30 staartsectie 5 naar een uitgang 10 begeven alwaar de eerste fractie vloeistof met de verhoogde concentratie microbiologische organismen overeenkomstig de pijl P3 de vortex 20 verlaat. De tweede fractie van de vloeistof met een verlaagde concentratie microbiologische organismen zal vanuit het centrum van de staartsectie 5 door een in de kern aangebrachte opening 7 achterwaarts overeenkomstig de pijl P4 uit de vortex 20 7 treden. De vortex 20 wordt vanwege de in verschillende richtingen overeenkomstig de pijlen P3 en P4 uittredende fracties ook wel een tegenstroominrichting genoemd.

Figuur 2 toont een vortex 30 waarvan de onderdelen die overeenkomen met de 5 onderdelen zoals getoond in de vortex 20 volgens figuur 1 met dezelfde verwijscijfers zijn aangeduid. Wederom zijn tussen een kem 1 en een mantel 2 geleidingsvinnen 3 gepositioneerd en wordt de vloeistof met gesuspendeerde microbiologische organismen in hoofdzaak axiaal aangevoerd overeenkomstig pijl Pi zodanig dat deze door de geleidingsvinnen 3 een roterende tangentiele component verkrijgt overeenkomstig pijl 10 P2. Ter verdere stabilisering van de stroming kunnen opnieuw stabilisatievinnen 4 worden aangebracht. Opnieuw wordt hier bij wijze van voorbeeld aangenomen dat de microbiologische organismen een grotere dichtheid bezitten dan de vloeistof.

Door een sterke roterende stroming aan het distale uiteinde van de mantel 2 zullen de 15 microbiologische organismen (bijvoorbeeld algen) onder invloed van de centrifugale werking naar de buitenzijde van de door de kem 1 en de mantel 2 begrensde scheidingsruimte 9 begeven. Opnieuw is de kem 1 voorzien van een einddeel 8 met vloeiend afnemende diameter en is tevens een staartsectie 5 voorzien. In axiale richtring zal de vloeistof met verhoogde concentratie microbiologische organismen zich via een 20 wand 10 van de staartsectie 5 naar een uitgang 11 begeven alwaar de eerste fractie vloeistof met de verhoogde concentratie microbiologische organismen overeenkomstig de pijl P5 de vortex 30 verlaat. De tweede fractie van de vloeistof met een verlaagde concentratie microbiologische organismen zal vanuit het centrum van de staartsectie 5 door afvoerelement 12 overeenkomstig de pijl Pe eveneens aan de distale zijde uit de 25 vortex 30 treden. De vortex 30 wordt vanwege de in verschillende richtingen overeenkomstig de pijlen P5 en P6 uittredende fracties ook wel een vortex van het meestroom-principe genoemd.

Claims (13)

1. Werkwijze voor het uit een stromende vloeistof concentreren van in de vloeistof gesuspendeerde microbiologische organismen omvattende de bewerkingsstappen:

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de microbiologische organismen niet-coaguleren.

3. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat het verschil in massadichtheid tussen de vloeistof en de microbiologische organismen 20 minder is dan 200, 150, 100, 50 of 30 kg/m3.

4. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de microbiologische organismen in hoofdzaak algen zijn.

5. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de vloeistof water is.

5 A) het aan een stationaire cycloon toevoeren van de vloeistof met daarin gesuspendeerde microbiologische organismen, B) het in een stationaire behuizing van de cycloon doen roteren van de vloeistof met daarin gesuspendeerde microbiologische organismen, en C) het uit de stationaire cycloon afVoeren van ten minste twee verschillende fracties; 10 een eerste fractie met een ten opzichte van de toegevoerde vloeistof verhoogde concentratie gesuspendeerde microbiologische organismen en een tweede fractie met een ten opzichte van de toegevoerde vloeistof verlaagde concentratie gesuspendeerde microbiologische organismen.

6. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat er gas aan de stromende vloeistof wordt toegevoegd zodanig dat er gasbellen in de vloeistof 30 ontstaan.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk dat de gasbellen in de vloeistof zijn tijdens het in stationaire behuizing van de cycloon doen roteren van de vloeistof.

8. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de vloeistof met daarin gesuspendeerde microbiologische organismen in de stationaire behuizing van de cycloon wordt geroteerd ten gevolge van de aanwezigheid van ten 5 minste één geleidingselement.

9. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de concentratie gesuspendeerde microbiologische organismen van de uit de stationaire cycloon volgens bewerkingsstap C) afgevoerde eerste fractie met een ten opzichte van 10 de toegevoerde vloeistof reeds verhoogde concentratie gesuspendeerde microbiologische organismen opvolgend verder wordt verhoogd.

10. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de vloeistof met daarin gesuspendeerde microbiologische organismen bij de toevoer aan de 15 stationaire behuizing van de cycloon expandeert.

11. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat aan de stromende vloeistof met gesuspendeerde microbiologische organismen een flocculant voor de microbiologische organismen wordt toegevoerd. 20

12. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de vloeistof in de stationaire behuizing van de cycloon een helix-vomig stromingstraject doorloopt.

13. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de stromende vloeistof in hoofdzaak bestaat uit water en de microbiologische organismen in hoofdzaak worden gevormd door Botryococcus braunii.