Fachhochschule Gelsenkirchen - Standort Recklinghausen- Industrielle Biotechnologie GRUPPENARBEIT Gruppe: 3: Aufreinigung / Downstream processing Fachhochschule Gelsenkirchen - Standort Recklinghausen- Wintersemester 2010/2011

Wo befinden wir uns jetzt ??? Biogas und Biogasentnahme - Hier ist eine Anlagenskizze abgebildet, die grob schematisch den Weg der Molke bis hin zu den Produkten skizziert. - Anfangs findet die Präfermentation der Molke statt. - Mit der rasanten Vermehrung von Clostridium acetobutylicum finden mehrere Skalierungschritte statt. - Der Molke werden bei jedem Scaling-up-Schritt größere Mengen an Wasser und Hefeextrakt und im kleineren Umfang zusätzliche Mineralien beigefügt.  Letztendlich werden die großen Blasensäulenrektoren befüllt. - Die Produkte werden mittels Destillation, Rektifikation, Kristallisation, Dehydratation und dergleichen separiert und weiterverarbeitet oder verwertet. - Die während des Fermentationsvorganges entstehende Schlempe wird zuerst eingedickt, dann getrocknet und schließlich in Form von Pellets dazu verwendet, um die Temperatur der Blasensäulenrektoren aufrechtzuerhalten oder es als Produkt zu verkaufen. - Auch das in nicht unerheblichen Mengen anfallende Biogas wird zur Energiegewinnung hinzugezogen und entweder dem System zugeführt oder verkauft. # - Die rund 23.500 Tonnen CO2, die bei den 20 Fermentern pro Jahr anfallen, würden dem Koyoto-Protokoll entgegenstehen und die Umwelt stark belasten. Voraussichtlich werden solche Abgaswerte in der Zukunft beträchtlich besteuert, da sie klimaschädlich sind.  Deshalb ist es erforderlich das entstehende CO2 nutzbringend z. B. für eine angeschlossene Algenfarm einzusetzen, mit deren Hilfe z. B. Methan und/oder Ethanol produziert wird. 2

Downstream processing Aufarbeitungsschritte: Abtrennung der MO‘s von den sezernierten Produkten bzw. Zellaufschluss bei intrazellulärer Synthese 2. Isolierung des Produkts aus der Brühe (Capturing) 3. Anreicherung über verschiedene Reinigungsschritte (Polishing) 4. Bereitstellung des Endproduktes in der gewünschten Form/Reinheit (Formulierung)

Ablauf 1. Zentrifugation 2. Destillation 3. Kristallisation Entfernung der Mikroorganismen aus der Brühe 2. Destillation Trennung der Fraktionen (Aceton, Ethanol, Essigsäure/Butanol, Buttersäure) anhand der Siedepunkte (s. Tabelle) 3. Kristallisation zusätzliche Trennung der Essigsäure von Butanol aufgrund gleicher Siedepunkte

Berechnung der Fermentationsansätze pro Tag Im Jahr (365 d) 2400 Fermentationsansätze  6,63 Fermenter pro Tag Zentrifuge: 6,63 Fermenter * 425 t = 2820 t/Tag bzw. 117,5 t/h Destillationsanlage: Biomasse: Ca. 15% am Ende der Zentrifugation 15 * 2820 t/100 = 423 t 2820 t – 423 t = 2400 t Es bleiben 2400 t bzw. 2400 L

Berechnung der Fermentationsansätze pro Tag Schlempe: Produkt Menge [g/L] Produktmenge [t] Essigsäure 0,35 0,84 Buttersäure 0,3 0,72 Aceton 1 2,4 Ethanol Butanol 12 28,8 Gesamt: 33,48 2400 t – 33,48 t = 2366,5 t Kristallisation: Produktmenge(Butanol) + Produktmenge(Essigsre) = 29,64 t

Einschub: Gasphase Ableitung vom Fermenter  H2: 1.275.000 L/Fermenter  CO2: 3.825.000 L/Fermenter Rückführung als Schutzgas und zur Durchmischung  75.000 L/Fermenter Rest CO2 (24.365.250 L/Tag) ???  DENN: Aufreinigung zu teuer und zu energieaufwendig

1. Zentrifugation Menge: 2820 t/d (117,5 t/h)  1 Anlage: Giant3 mit 140.000 L/h Fassungsvermögen & 32 kW Leistung Bodensatz: Biomasse  Rückführung von 5,525 t/d zur Verbesserung der Wachstumsbedingungen im Fermenter  Rest 417 t  evtl. Verkauf Überstand der Zentrifugation  Sammelbecken  Destillationskolonne

Zur Trennung genutzte Eigenschaften Produkt Siedepunkt Schmelzpunkt Wasserstoff -252,87 °C Kohlendioxid -56,57 °C Aceton 56,53 °C Ethanol 78 °C Essigsäure 118 °C 17 °C Butanol −89 °C Buttersäure 163 °C

2. Destillation Menge: 2400 t/d (100 t/h)  1 Kolonne mit 100.000 L Fassungsvermögen Auftrennung in: Flüssigphase: Trennung von Aceton, Ethanol, Essigsäure/Butanol, Buttersäure ii. Schlempe: Herstellung von Biogas (Methan)  Energie für den Prozess

2.i. Flüssigphase - Destillationskolonne

2.ii. Schlempe Ansammlung im Kolonnensumpf  2366,5 t/d Enthält die Nebenprodukte Riboflavin, Propionsäure, Isovalerinsäure, Valerinsäure, Hexansäure und Önanthsäure Herstellung von Methan in eigener Biogasanlage  Rückführung zum Ofen zum Heizen der Destillationsanlage Verkauf als Futtermittel oder Dünger

3. Kristallisation Menge: 30 t/d (1,25 t/h)  1 Anlage mit 1,5 t/h Fassungsvermögen Trennung von Essigsäure und Butanol anhand der Schmelzpunkte: Produkt Schmelzpunkt Essigsäure 17 °C Butanol -89 °C

Downstream processing - Überblick Wärme-tauscher Atmosphäre Wasser (l) Ethanol (l) Kohlendioxid Wasserstoff Wasser (g) Aceton (l) Buttersäure (l) Butanol (l) & Essigsäure (l) Destillations- kolonne Kristallisation Ausgangs- substanzen Überstand Zentrifuge Butanol (l) Essigsäure (s) Fermenter Biomasse Biogas- herstellung Schlempe Abfall Methan Abfall Materialstrom Energiestrom Futtermittel/Dünger

Reinheit der Produkte Reinheiten: Aceton: 99% Essigsäure: 82% Buttersäure: 97% Butanol: 95% Ethanol: 96%

Verwendung der Produkte Aceton Herstellung von Plexiglas / Acrylglas Lösungs- und Extraktionsmittel in der Klebstoff- und Lackindustrie Nagellackentferner Reinigung von Dentinflächen und Wurzelkanälen

Verwendung der Produkte Essigsäure Speiseessig Kalklöser Konservierungsstoff in der Lebensmittelindustrie (E260) Salze sind Hilfsmittel in der Textil- und Lederindustrie Zwischenprodukt zur Herstellung von Kunstfasern, Kunststoffen, Riechstoffen und Medikamenten

Verwendung der Produkte Buttersäure Zellulosebutyrat (witterungsbeständiger und schlagfester Kunststoff) Medikamente und Schädlingsbekämpfung Buttersäureester  Aromastoffe / Duftstoffe (Mixbiere, Parfüm, Joghurt)

Verwendung der Produkte Butanol Ausgangsstoff für die Produktion von Synthesekautschuk Herstellung von Lacken Extraktionsmittel bei der Gewinnung von Arzneistoffen Flotationschemikalie beim Papierrecycling Biokraftstoff der 3. Generation

Verwendung der Produkte Ethanol Lösungsmittel Grundchemikalie in der Industrie Bioethanol (Kraftstoff) Trinkalkohol Desinfektionsmittel

(Michelle Aquino Apitz, Eva Dürholt, Marina Renner, Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!  Gruppe 3 (Michelle Aquino Apitz, Eva Dürholt, Marina Renner, Julia Kirchhof, Müberra Ahci, Florian Boecker)