WO2018202604A1 - Apparatus and method for fermentation - Google Patents

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WO2018202604A1 PCT/EP2018/061000 EP2018061000W WO2018202604A1 WO 2018202604 A1 WO2018202604 A1 WO 2018202604A1 EP 2018061000 W EP2018061000 W EP 2018061000W WO 2018202604 A1 WO2018202604 A1 WO 2018202604A1
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fermentation
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Elvira María FERNÁNDEZ SANCHIS
Katharina Stark
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Abstract

The invention relates to an apparatus and to a method for fermentation, wherein the apparatus comprises a fermenter for receiving a fermentation broth having bacteria, and the fermenter has a cooling apparatus for dissipating the waste heat. The apparatus also comprises a thermal separating apparatus for separating a valuable product out of the fermentation broth, comprising a heat exchanger, and a heat pump. The cooling apparatus is coupled thermally to an evaporator of the heat pump, and the heat exchanger of the thermal separating apparatus is coupled thermally to a condenser of the heat pump. The heating of the thermal separating apparatus is carried out to a great extent or exclusively by means of the waste heat from the fermentation.

Description

Beschreibung description
Vorrichtung und Verfahren zur Fermentation Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Fermentation . Device and method for 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 An- teil 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 ausglei¬ chen zu können, benötigt man regelbare Kraftwerke oder Spei¬ cher, 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. To an oversupply of power at times with a lot of sun and strong winds at low demand for electricity to ausglei ¬ chen, you need controlled power plants or Spei cher ¬ 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 Tech¬ nik 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 the conversion of electrical energy into useful products represents the electrolysis. In particular, the electrolysis of water into hydrogen and oxygen is one of the tech ¬ technology known method in the state.
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 Prozes¬ se möglichst klimaneutral, d.h. mit geringem Kohlenstoffdio- xidausstoß, zu betreiben, ist es wünschenswert, das Kohlen¬ stoffdioxid, 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. To possible climate-neutral, meaning xidausstoß low Kohlenstoffdio- operate various industrial Prozes ¬ se, it is desirable that the carbon dioxide ¬ that arises in these processes, at least partially convert to 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 an- aerobe Bakterien. Mikroorganismen können ebenso Kohlenstoff- monoxid 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 in order to produce valuable substances from them.
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 ei¬ nen 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 ent¬ nommen wird. Nachteilig ist, dass die Temperatur des Kühlwas¬ sers 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. 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 cooling water depends on the egg ¬ nen from the collection site, in particular of whether the cooling water is taken from a river, or if it is taken ent ¬ a closed cooling circuit with the cooling tower and fan for air cooling. The disadvantage is that the temperature of the Kühlwas ¬ sers 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 Frei¬ setzung von Wärme zu Produkten, insbesondere zu Alkohol, um¬ gesetzt. Typischerweise befindet sich jedoch nur ein Anteil von 5-10 % an Wertprodukt in der Fermentationsbrühe. Die Fer¬ mentationsbrühe wird dann typischerweise in eine Rektifikati¬ onskolonne geführt, um das Wertprodukt abzutrennen. Das Ab¬ trennen erfolgt nachteilig unter hohem thermischem Energieverbrauch . The gaseous starting materials, in particular carbon dioxide and hydrogen are supplied to the fermenter and to put under free ¬ reduction of heat to products, especially alcohol, ¬. Typically, however, only a proportion of 5-10% of desired product is in the fermentation broth. The Fer ¬ mentationsbrühe is then typically fed into a Rektifikati ¬ onskolonne to separate the desired product. From ¬ separation is disadvantageous with high thermal energy consumption.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Fermentation anzugeben, welche eine verbesserte Ener- gieeffizienz hinsichtlich der Kühlung und der Produktaufarbeitung aufweist. The object of the invention is to provide a device and a method for fermentation which provide improved energy. has 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 ei¬ nen Fermenter zur Aufnahme einer Fermentationsbrühe mit Bak¬ terien. 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 Fermentations¬ brühe, wobei die thermische Trennvorrichtung einen Wärmetau¬ scher aufweist, der geeignet ist, Wärme zur Trennvorrichtung zuzuführen. Die Vorrichtung umfasst auch eine Wärmepumpe, wo¬ bei 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 so¬ mit mittels der Abwärme der Fermentation beheizt werden. The device according to the invention for fermentation comprises egg ¬ nen fermenter for receiving a fermentation broth with Bak ¬ criteria. The fermenter also includes a cooling device for removing the waste heat from the fermentation. The inventive apparatus further comprises a thermal separation apparatus for separating a desired product from the fermentation broth ¬, wherein the thermal separating device comprises a Wärmetau ¬ shear which is suitable for supplying heat to the separator. The device also includes a heat pump, where ¬ is thermally coupled to the cooling device with 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 apparatus can be so ¬ heated by means of the waste heat of fermentation.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst ein Fermenter mit einer Fermentationsbrühe mit Bakterien bereitge¬ stellt. Weiterhin wird eine thermische Trennvorrichtung, die mit einem Wärmetauscher beheizt wird, bereitgestellt. Die Ab¬ wärme der Fermentation wird mittels einer Kühlvorrichtung abgeführt, wobei der Fermenter einen Einlass zum Einführen wenigstens eines Eduktgases aufweist und einen Auslass zum Her¬ ausführen 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 inventive method, a fermenter containing a fermentation broth with bacteria is first bereitge ¬ represents. Furthermore, a thermal separation device, which is heated with a heat exchanger, provided. The off ¬ heat of 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 Her ¬ run 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 gro- ßen Anteil oder, besonders vorteilhaft, ausschließlich mit¬ tels 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 Kühl¬ vorrichtung thermisch an den Verdampfer gekoppelt, sodass hier eine ausreichend große Temperaturdifferenz zwischen dem zu kühlenden Stoffström 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 become a major Part or, particularly advantageous, exclusively with ¬ means of the waste heat of the fermentation to be heated, although the waste heat at a low level, in particular between 20 ° C and 50 ° C is obtained. In addition, the cooling ¬ device is advantageously thermally coupled to the evaporator, so that here a sufficiently large temperature difference between the material flow to be cooled and the cooling device is present. 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 Ar- beitsfluid eingesetzt, wobei als das erste Arbeitsfluid Was¬ ser und als das zweite Arbeitsfluid ein Salz oder Ammoniak verwendet wird. Besonders vorteilhaft ist das Salz Lithium- bromid 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, wherein as the first working fluid What ¬ ser and as the second working fluid, a salt or ammonia is used. 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 Ver¬ dampfer zum Verdampfen eines ersten Arbeitsfluids mittels der Abwärme des Fermenters. Sie umfasst weiterhin einen Verdich¬ ter 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 comprises an evaporator for evaporating Ver ¬ a first working fluid by means of the waste heat of the fermenter. It further comprises a compaction ¬ ter to compress 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 compacting of the first working fluid is typically mechanical or electrical.
Vorteilhaft wird das erste Arbeitsfluid direkt in die Kühl¬ vorrichtung 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 ther¬ mischen Trennvorrichtung entfällt. Der gesamte Fermentations- prozess 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 thus the cooling is efficient. The working fluid then transfers the heat in the heat exchanger of the thermal separation device directly to the fermentation broth to be separated, so that an additional heating of the ther ¬ mix separator is omitted. The entire fermentation process is thus advantageously very energy-efficient.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung umfasst die Wärmepumpe eine Wärme- rekuperationseinheit . 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 recuperation 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 wer¬ den Wasser, Kohlenstoffdioxid, Ammoniak, ein Kohlenwasserstoff, ein Fluorkohlenwasserstoff, ein Fluorchlorkohlenwas¬ serstoff und/oder ein Fluorketon verwendet. Insbesondere Flu- orketone 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 fluorocarbon, a Fluorchlorkohlenwas ¬ hydrogen and / or a fluoroketone used. In particular, fluoroketones have the advantage that they can reach working temperatures of the heat pump of more than 100 ° C., which makes it possible to heat the thermal separation 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 Rek¬ tifikationseinheit, eine Adsorptionseinheit, eine Absorpti¬ onseinheit 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 einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung derIn a further advantageous embodiment and development of the invention, the thermal separation device comprises at least one rectification column, in particular a Rek ¬ tification unit, an adsorption unit, a Absorpti ¬ onseinheit or a membrane separation unit, in particular a membrane distillation or a Thermoosmose. The thermal separator is selected depending on the value product and the biological and thermodynamic properties of the fermentation broth. The thermal separator is advantageously selected such that a heating from the waste heat by means of the heat pump is possible without further heat sources must be used. In an advantageous embodiment and development of
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 Be¬ reich, in dem die Bakterien das Wertprodukt mit einer optima- len 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 Invention is a first temperature in the fermenter between 20 ° C and 50 ° C, more preferably between 32 ° C and 37 ° C. Particularly preferably, the temperature is in a Be ¬ rich, in which the bacteria produce the desired product with an optimum efficiency, ie, the temperature is in a temperature range that is optimal 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 in dem Fermenter verwendet. Weiterhin werden Bakterien des Typs  Clostridium carboxidivorans, Clostridium coskatti used in the fermenter. Furthermore, bacteria of the type
Butyribacterium, insbesondere Methylotropicum oder Typ Butyribacterium, especially methylotropicum or type
Acetobacterium, insbesondere Acetobacterium woodii, Acetobacterium, in particular Acetobacterium woodii,
Acetobacterium fimetarium, Butyribacterium methylotrophicum verwendet. Weiterhin können Co-Kultur von einem oder mehreren der genannten Bakterien in dem Fermenter verwendet werden. 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 Tempera¬ tur wenigstens 80 °C, wenn ein Alkohol hergestellt wird, wel¬ cher aus einer wässrigen Lösung abgetrennt werden muss. In Abhängigkeit der thermodynamischen Eigenschaften wird diese Temperatur ausgewählt. Im Falle, dass eine Rektifikationsko¬ lonne eingesetzt wird, erfolgt das Auslegen mittels in der Verfahrenstechnik bekannten Methoden, insbesondere mittels den MESH-Gleichungen . In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung derIn a further advantageous embodiment of the invention, the second temperature in the thermal separator is at least 80 ° C. In particular, the tempera ture ¬ is 80 ° C at least when an alcohol is produced, wel ¬ cher must be separated from an aqueous solution. Depending on the thermodynamic properties, this temperature is selected. In the case that a Rektifikationsko ¬ lonne is used, is carried out the laying means well known in process engineering methods, in particular by means of the MESH equations. In an advantageous embodiment and development of
Erfindung wird als Eduktgas wenigstens teilweise Kohlenstoff¬ dioxid verwendet. Das Kohlenstoffdioxid und/oder weitere Eduktgase werden in ein Wertprodukt umgewandelt, insbesondere umfasst das Wertprodukt Alkohol, besonders bevorzugt produ¬ zieren die Bakterien Ethanol oder Butanol. Invention is used as starting gas at least partially carbon dioxide ¬ . The carbon dioxide and / or further educt gases are converted into a desired product, in particular the product of value comprises alcohol, particularly preferably produ ¬ the bacteria decorate 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 : 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:
Figur 1 einen Fermenter mit einer Rektifikationskolonne und einer Kompressions-Wärmepumpe, welche den Fermenter mit der Rektifikationskolonne thermisch koppelt, 1 shows a fermenter with a rectification column and a compression heat pump, which thermally couples the fermenter with the rectification column,
Figur 2 einen Fermenter mit einer Rektifikationskolonne und einer Absorptions-Wärmepumpe, welche den Fermenter mit der Rektifikationskolonne thermisch koppelt. 2 shows a fermenter with a rectification column and an absorption heat pump, which thermally couples the fermenter with the rectification column.
Ein erstes Ausführungsbeispiel zeigt Figur 1. In Figur 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 Fer¬ menter 2 umfasst weiterhin eine Rühreinheit 5, welche ange¬ trieben wird mittels eines Motors 4. Alternativ zu einem klassischen Rührer wird in großtechnisch eingesetzten Fermen- tern 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. FIG. 1 shows a device 1 for fermenting. The device 1 comprises a fermenter 2, a rectification column 3 and a compression heat pump 15, which thermally couples the fermenter 2 and the rectification column 3. The Fer ¬ Menter 2 further comprises a stirring unit 5, which is ¬ driven by means of a motor 4. As an alternative to a classical stirrer is in industrially employed fermenter tern an airlift principle or a jet principle used for mixing and aerating the fermentation broth. 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 m diesem ersten Ausführungsbeispiel zugleich der Verdampfer der Kompressions Wärmepumpe 15. Als Kühlmittel wird hierbei das Arbeitsfluid AFI der Wärmepumpe verwendet. Vorteilhaft wird die Wärme so¬ mit direkt aus dem Fermenter 2 entnommen und in die Wärmepum pe 15 überführt. Das Arbeitsfluid AFI der Wärmepumpe wird demnach in der Kühlvorrichtung 6 des Fermenters 2 mittels der Energie der Abwärme des Fermenters 2 verdampft. In einem Ver¬ dichter 8 wird das Arbeitsfluid AFI verdichtet. Anschließend wird das Arbeitsfluid AFI in einen Wärmetauscher 9 geführt. Die thermische Trennvorrichtung 3 umfasst den Wärmetauscher 9. Dem Wärmetauscher 9 wird als Wärmequelle das Arbeitsfluid AFI der Wärmepumpe 15 zugeführt. Der Wärmetauscher dient zu¬ gleich als Kondensator der Wärmepumpe 15. Das Arbeitsfluid AFI 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 we¬ nigstens teilweise in die Rektifikationskolonne 3 zurückge¬ führt. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Sumpfström insbesondere Wasser. Ein Anteil des SumpfStroms wird durch einen zweiten Wärmetauscher 10 geführt, wo er die Fermentati¬ onsbrühe FB mit dem Wertprodukt, welche den Fermenter 2 ver¬ lässt, vorheizt, bevor die Fermentationsbrühe FB in die Rek¬ tifikationskolonne 3 geführt wird. Das Arbeitsfluid AFI der Wärmepumpe 15 wird anschließend durch ein Expansionsventil 7, insbesondere durch eine Drossel, geleitet und dort expan¬ diert. Das Arbeitsfluid AFI wird dann wieder dem Verdampfer bzw. der Kühlvorrichtung 6 des Fermenters 2 zugeführt. A cooling device 6 of the fermenter 2 is at the same time the evaporator of the compression heat pump 15 in this first exemplary embodiment. The working fluid AFI of the heat pump is used here as the coolant. The heat is advantageously removed with ¬ directly from the fermenter 2 and PE in the Wärmepum 15 transferred. The working fluid AFI of the heat pump is Accordingly, evaporated in the cooling device 6 of the fermenter 2 by means of the energy of the waste heat of the fermenter 2. In a dense Ver ¬ 8, the working fluid is compressed AFI. Subsequently, the working fluid AFI is guided into a heat exchanger 9. The thermal separator 3 comprises the heat exchanger 9. The heat exchanger 9 is supplied with the working fluid AFI of the heat pump 15 as the heat source. The heat exchanger serves as equal to ¬ capacitor of the heat pump 15. The working fluid AFI condenses in the heat exchanger 9 and transfers the heat to the bottom stream, ie the stream leaving the rectification column 3 at the foot, and is then at least partially ¬ in the rectification column 3 zurückge ¬ leads. In this embodiment, the Sumpfström comprises in particular water. A portion of the bottoms stream is passed through a second heat exchanger 10 where it, preheats the fermentati ¬ onsbrühe FB with the desired product, which ver can ¬ the fermenter 2 before the fermentation broth FB is fed into the Rek ¬ tifikationskolonne. 3 The working fluid AFI of the heat pump 15 is then passed through an expansion valve 7, in particular through a throttle, and there expan ¬ diert. The working fluid AFI is then fed back to the evaporator or the cooling device 6 of the fermenter 2.
Als Arbeitsfluid AFI für die Kompressions-Wärmepumpe 15 eig- nen sich herkömmliche Arbeitsfluide, da das Anheben des Ener¬ gieniveaus 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 Rektifikationsko¬ lonne 3 Temperaturen oberhalb von 100 °C benötigt werden, um ein Produkt abzutrennen, eignen sich insbesondere Fluorketone als Arbeitsfluid AFI. Vorteilhaft ermöglichen Fluorketone das Anheben des Temperaturniveaus auf über 100 °C. Am Kopf der Rektifikationskolonne 3 wird das Produkt, insbesondere der Alkohol, gewonnen. Figur 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 typi¬ scherweise Wasser, Nährstoffe, insbesondere Metall- und Mine¬ ralsalze, insbesondere Calcium-Chlorid, Natriumchlorid, Mag¬ nesiumchlorid, Kaliumchlorid und Phosphorsäure, weiterhin Spurenelemente, insbesondere Metallionen als Cofaktoren wie Nickel, Zink, Eisen, Selenate und weiterhin Vitamine, Ammo¬ niumchlorid und/oder Folsäure. In den Fermenter 2 wird we¬ nigstens ein Eduktgas E, insbesondere Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff, geführt. Die Bakterien, welche in dem Fermenter 2 in der Fermentationsbrühe FB vorliegen, setzen die As a working fluid AFI for the compression heat pump 15 struc- NEN conventional working fluids, since the lifting of the Ener ¬ gieniveaus 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. In the event that 3 temperatures above 100 ° C are required in the rectification ¬ lonne to separate a product, in particular fluoroketones are suitable as the working fluid AFI. Advantageously, fluoroketones allow the temperature level to be raised above 100 ° C. At the top of the rectification column 3, the product, in particular the alcohol, is recovered. FIG. 2 shows a device with a fermenter 2 of a rectification column 3 and an absorption heat pump 25. The fermenter 2 further comprises a motor 4, which drives a stirring unit 5. In the fermenter 2 is located, as in the first embodiment, a fermentation broth FB with bacteria. The fermentation broth FB comprises typi ¬ shear, water, nutrients, especially metals and mining ¬ ralsalze, in particular calcium chloride, sodium chloride, Mag ¬ nesiumchlorid, potassium chloride and phosphoric acid, furthermore trace elements, in particular metal ions as cofactors, such as nickel, zinc, iron, selenates and continue vitamins, ammo ¬ niumchlorid and / or folic acid. Into the fermenter 2 is we ¬ nigstens a feed gas E, in particular carbon dioxide and hydrogen carried out. The bacteria, which are present in the fermenter 2 in the fermentation broth FB, set the
Eduktgase E zu Alkohol als Wertprodukt P um. Meist befinden sich 5 % bis 10 % Alkohol in der Fermentationsbrühe FB, so¬ dass 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. Feedstock gases E to alcohol as value product P um. Most are 5% to 10% alcohol in the fermentation broth FB, ¬ so that the alcohol must be separated by distillation in a thermal separator 3. In order to keep the temperature in the fermenter 2 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 gekop- pelt mit einem Verdampfer der Absorptions-Wärmepumpe 25. Be¬ sonders vorteilhaft wird ein erstes Arbeitsfluid AFI durch die Kühlvorrichtung 6 des Fermenters 2 geführt, und dort di¬ rekt verdampft. Das dampfförmige erste Arbeitsfluid AFI wird anschließend in einen Absorber 11 geführt, wo es unter Abgabe von Wärme in ein zweites Arbeitsfluid AF2 absorbiert wird.The cooling device of the fermenter 2 is energetically gekop- pelt with an evaporator of the absorption heat pump 25. Be ¬ Sonders advantageously a first working fluid AFI is guided through the cooling device 6 of the fermenter 2, and there evaporated ¬ di rectly. The vaporous first working fluid AFI is then passed into an absorber 11, where it is absorbed while releasing heat into a second working fluid AF2.
Die hier abgegebene Wärme muss mit Kühlwasser abgeführt wer¬ den, um eine konstante Temperatur im Absorber zu gewährleis¬ ten . Das zweite Arbeitsfluid AF2, das nun mit dem ersten Arbeits¬ fluid AFI beladen ist, wird dann mithilfe einer Lösungsmit¬ telpumpe 20 in den Austreiber 12 gepumpt und dabei auf ein höheres Druckniveau gehoben. Die benötigte elektrische Leis- tung für die Lösungsmittelpumpe 12 ist aufgrund der Inkomp- ressibilität der Flüssigkeit deutlich geringer als die eines Gaskompressors. In dem Austreiber 12 wird das erste Arbeits- fluid AFI vom zweiten Arbeitsfluid AF2 getrennt. Die dafür benötigte thermische Energie auf einem höheren Temperaturni¬ veau wird mittels einer Wärmezufuhr 21, beispielsweise durch eine Befeuerung mit Brennstoff, insbesondere Erdgas, bereit¬ gestellt. In diesem Zusammenhang wäre auch eine Bereitstel¬ lung von Wärme durch das Verbrennen von Biomasse möglich, die während des Fermentationsprozesses gebildet wird. Das regene¬ rierte zweite Arbeitsfluid AF2 wird danach über ein Druckre¬ duzierventil wieder in den Absorber 11 geführt. Das erste Ar¬ beitsfluid AFI 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 Fermentationswär- me FB nochmals erwärmt und wenigstens teilweise in die Rekti¬ fikationskolonne 3 zurückgeführt. Das Produkt P wird am Kopf der Rektifikationskolonne 3 gewonnen. Die Verdichtung in ei¬ ner Absorptionswärmepumpe wird auch als thermische Verdich¬ tung bezeichnet. The heat given here must with cooling water discharged ¬ to maintain a constant temperature in the absorber to be granted slightest ¬ th. The second working fluid AF2, which is now loaded with the first working fluid ¬ AFI is then pumped using a complementary and ¬ telpumpe 20 in the expeller 12 and thereby raised to a higher pressure level. The required electrical power tion for the solvent pump 12 is significantly lower than that of a gas compressor due to the incompatibility of the liquid. In the expeller 12, the first working fluid AFI is separated from the second working fluid AF2. The required for thermal energy at a higher Temperaturni ¬ veau is provided ¬ by means of a heat supply 21, for example, by firing with fuel, in particular natural gas. In this context, a Ready Stel ¬ development of heat by burning biomass would be possible, which is formed during the fermentation process. The regene ¬ tured second working fluid AF2 is then recycled to the absorber 11 via a pressure regulating ¬ duzierventil. The first Ar ¬ beitsfluid AFI is guided into a heat exchanger. 9 The heat of condensation is transferred to the bottom stream, which is passed from the rectification column 3, so that the bottoms stream from the rectification column 3 is warmed up and at least partially fed back into the rectification column 3. Another part of the bottoms stream is then in heat exchanger 10 by means of the waste heat of the me Fermentationswär- FB again heated and at least partially recycled to the recti ¬ fikationskolonne. 3 The product P is recovered at the top of the rectification column 3. The compression in ei ¬ an absorption heat pump is also referred to as thermal compaction ¬ tion.

Claims

Patentansprüche claims
Patentansprüche 1. Vorrichtung (1) zur Fermentation, umfassend: Claims 1. Apparatus (1) for fermentation, comprising:
- einen Fermenter (2) zur Aufnahme einer Fermentationsbrühe (FB) mit Bakterien und mit einer Kühlvorrichtung (6) zum Abführen der Abwärme der Fermentation,  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,
- eine thermische Trennvorrichtung (3) zum Abtrennen eines Wertprodukts (P) aus der Fermentationsbrühe mit einem Wärme¬ tauscher ( 9) , - a thermal cutting device (3) for separating a valuable product (P) from the fermentation broth with a heat exchanger ¬ (9)
- eine Wärmepumpe (15,16),  a heat pump (15, 16),
wobei die Kühlvorrichtung (6) mit einem Verdampfer der Wärmepumpe (15,16) thermisch gekoppelt ist und der Wärmetauscher (9) mit einem Kondensator der Wärmepumpe (15,16) thermisch gekoppelt ist zum Beheizen der thermischen Trennvorrichtung (3) mittels der Abwärme der Fermentation. wherein the cooling device (6) is thermally coupled to an evaporator of the heat pump (15, 16) and the heat exchanger (9) is thermally coupled to a condenser of the heat pump (15, 16) for heating the thermal separator (3) by means of the waste heat Fermentation.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wärmepumpe eine Ab- sorptions-Wärmepumpe (16) oder eine Adsorptions-Wärmepumpe ist . 2. Device according to claim 1, wherein the heat pump is an absorption heat pump (16) or an adsorption heat pump.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Wärmepumpe eine Kompressions-Wärmepumpe (15) ist. 3. A device according to claim 1, wherein the heat pump is a compression heat pump (15).
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Kompressions- Wärmepumpensystem umfasst: 4. The apparatus of claim 3, wherein the compression heat pump system comprises:
- den Verdampfer zum Verdampfen eines ersten Arbeitsfluids (AFI) mittels der Abwärme des Fermenters (2),  the evaporator for evaporating a first working fluid (AFI) by means of the waste heat of the fermenter (2),
- einen Verdichter (8) zum Verdichten des ersten Arbeitsfluid (AFI) , a compressor (8) for compressing the first working fluid (AFI),
- den Kondensator, zum Kondensieren des ersten Arbeitsfluids (AFI) und einer wenigstens teilweise Abgabe der Abwärme an den Wärmetauscher (9),  the condenser, for condensing the first working fluid (AFI) and at least partially releasing the waste heat to the heat exchanger (9),
- ein Expansionsventil (7) zum Expandieren des ersten Ar- beitsfluids (AFI) . - An expansion valve (7) for expanding the first working fluid (AFI).
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die thermische Trennvorrichtung (3) wenigstens eine Rektifi¬ kationskolonne, eine Adsorptionseinheit, eine Absorptionsein¬ heit oder eine Membrantrenneinheit umfasst. 5. Device according to one of the preceding claims, wherein the thermal separation device (3) comprises at least one rectification ¬ cation column, an adsorption unit, an absorption unit ¬ unit or a membrane separation unit.
6. Verfahren zum Fermentieren mit folgenden Schritten: 6. Method for fermenting with the following steps:
- Bereitstellen eines Fermenters (2) mit einer Fermentations¬ brühe (FB) mit Bakterien, - providing a fermenter (2) having a fermentation broth ¬ (FB) with bacteria,
- Bereitstellen einer thermischen Trennvorrichtung (3) , die mit einem Wärmetauscher (15,16) beheizt wird,  Providing a thermal separation device (3) which is heated by a heat exchanger (15, 16),
- Abführen der Abwärme der Fermentation mittels einer Kühlvorrichtung (6), wobei der Fermenter (2) einen Einlass zum Einführen wenigstens eines Eduktgases (E) aufweist und einen Auslass zum Herausführen der Fermentationsbrühe (FB) aus dem Fermenter (2) aufweist,  Removing the waste heat of the fermentation by means of a cooling device (6), the fermenter (2) having an inlet for introducing at least one educt gas (E) and having an outlet for removing the fermentation broth (FB) from the fermenter (2),
wobei die Kühlvorrichtung (6) mit einem Verdampfer einer Wärmepumpe (15,16) thermisch gekoppelt wird und der Wärmetau¬ scher (9) mit einem Kondensator thermisch gekoppelt wird und die thermische Trennvorrichtung (3) mittels der Abwärme der Fermentation beheizt wird. wherein the cooling device (6) is thermally coupled to an evaporator of a heat pump (15,16) and the Wärmetau ¬ shear (9) is thermally coupled to a capacitor and the thermal separation device (3) is heated by the waste heat of the fermentation.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei als Wärmepumpe eine Ad¬ sorptions-Wärmepumpe oder Absorptions-Wärmepumpe (16) verwen¬ det wird. 7. The method according to claim 6, wherein a heat pump Ad ¬ sorption heat pump or absorption heat pump (16) verwen ¬ det is.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei als ein zweites Arbeits- fluid (AF2) der Absorptionswärmepumpe eine ionische Flüssig¬ keit verwendet wird. 8. The method according to claim 7, wherein as a second working fluid (AF2) of the absorption heat pump, an ionic liquid ¬ speed is used.
9. Verfahren nach Anspruch 6, wobei als Wärmepumpe eine Komp¬ ressions-Wärmepumpe (15) verwendet wird. 9. The method of claim 6, wherein a Comp ¬ ressions heat pump (15) is used as a heat pump.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei als ein erstes Arbeits- fluid (AFI) der Kompressions-Wärmepumpe Wasser, Kohlenstoff¬ dioxid, Ammoniak, ein Kohlenwasserstoff, ein Fluorkohlenwas¬ serstoff, ein Fluorchlorkohlenwasserstoff und/oder ein Fluor- keton verwendet wird. 10. The method of claim 9, wherein as a first working fluid (AFI) of the compression heat pump water, carbon ¬ dioxide, ammonia, a hydrocarbon, a Fluorkohlenwas ¬ serstoff, fluorine chlorinated hydrocarbon and / or fluorine is used ketone.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei eine erste Temperatur (Tl) in dem Fermenter (2) in einem Bereich zwischen 20 °C und 50 °C liegt. 11. The method according to any one of claims 6 to 10, wherein a first temperature (Tl) in the fermenter (2) in a range between 20 ° C and 50 ° C.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste Temperatur (Tl) in einem Bereich zwischen 32 °C und 37 °C liegt. 12. The method of claim 11, wherein the first temperature (Tl) is in a range between 32 ° C and 37 ° C.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei eine zweite Temperatur (T2) in der thermischen Trennvorrichtung (3) wenigstens 80° C beträgt. 13. The method according to any one of claims 6 to 12, wherein a second temperature (T2) in the thermal separating device (3) is at least 80 ° C.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei als das Eduktgas wenigstens teilweise Kohlenstoffdioxid verwendet wird . 14. The method according to any one of claims 6 to 13, wherein as the reactant gas at least partially carbon dioxide is used.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Bakterien das Eduktgas (E) in ein Wertprodukt (P) umwandeln, welches we¬ nigstens einen Alkohol umfasst. 15. The method of claim 14, wherein the bacteria convert the reactant gas (E) into a useful product (P), which we ¬ nigstens comprises an alcohol.
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