Ein geringerer Reaktorumsatz erhöht im Allgemeinen den Bedarf an Rückführung und Ausschleusung, da mehr nicht umgesetztes Substrat und Feststoffe den Fermenter verlassen und zurückgewonnen, abgetrennt oder entsorgt werden müssen. In einer Pilotanlage zur Hefefermentation, die mit einer Schlammfiltration gekoppelt ist, führt eine Reduzierung des Umsatzes von 0,25 auf 0,10 dazu, dass mehr nicht umgesetztes Getreide oder Substrat im Reaktorausfluss verbleibt. Da der Schlamm zudem produkthaltige Flüssigkeit zurückhält, muss die Anlage mehr Material zirkulieren und ausschleusen, um eine gleichbleibende Rückgewinnung aufrechtzuerhalten und die Ansammlung von Feststoffen und Verunreinigungen zu verhindern.

Der Reaktorumsatz bestimmt die Zusammensetzung, die Durchflussrate und die Rückgewinnungslast jedes nachgeschalteten Stroms. Ein geringerer Umsatz erhöht das nicht umgesetzte Substrat und steigert häufig den Bedarf an Rückführung, Ausschleusung, Pumpenleistung und Trennung; ein höherer Umsatz reduziert das nicht umgesetzte Einsatzmaterial, kann jedoch Nebenprodukte und die Komplexität der Trennung erhöhen.

Wie der Umsatz den Reaktorausfluss verändert

Ein geringerer Umsatz hinterlässt mehr nicht umgesetztes Substrat

Bei einer Substratzufuhrrate (F_S) ergibt der Durchsatzumsatz (X) einen ungefähren Durchfluss an umgesetztem Substrat von:

[ F_{S,\text{umgesetzt}} = X F_S ]

Das nicht umgesetzte Substrat, das den Reaktor verlässt, beträgt:

[ F_{S,\text{nicht umgesetzt}} = (1-X)F_S ]

Wenn der Umsatz von 0,25 auf 0,10 sinkt, fällt der umgesetzte Anteil von 25 % auf 10 %, während der nicht umgesetzte Anteil von 75 % auf 90 % steigt. Dies verändert die Feststoffbelastung, die in die Filtrationseinheit eintritt, erheblich.

Auch die Produktbildung ändert sich

Bei einer vereinfachten Fermentationsreaktion ist die Produktbildung über einen Ausbeutekoeffizienten mit dem Substratverbrauch verknüpft:

[ F_P = Y_{P/S}F_{S,\text{umgesetzt}} ]

wobei (Y_{P/S}) die Produktausbeute pro Einheit des verbrauchten Substrats ist.

Ein geringerer Umsatz führt daher im Allgemeinen zu weniger Ethanol oder einem anderen gewünschten Produkt pro Durchgang, vorausgesetzt, die Zufuhrrate und die Ausbeute bleiben konstant. Der Reaktorausfluss enthält einen kleineren Produktanteil und einen größeren Anteil an nicht umgesetztem Substrat.

Flüssigkeitsrückhaltung vergrößert den Effekt

Ein Schlammfilter trennt Feststoffe und Flüssigkeit nicht perfekt. Feuchte Feststoffe halten etwas produkthaltige Flüssigkeit zurück, sodass eine Erhöhung des Feststoffstroms auch die Menge der in den Feststoffstrom mitgeführten Flüssigkeit erhöhen kann.

Diese zurückgehaltene Flüssigkeit beeinflusst sowohl die Stoffbilanz als auch die scheinbare Rückgewinnung von Produkten wie Ethanol. Die Filtrationseinheit muss daher sowohl unter Verwendung der gesamten Massenströme als auch der einzelnen Komponentenströme analysiert werden.

Wie Rückführströme reagieren

Mehr nicht umgesetzte Feststoffe erfordern eine stärkere Rückgewinnung

Wenn der Umsatz geringer ist, erhält die Filtrationseinheit mehr nicht umgesetztes Getreide, Biomasse oder andere Feststoffe. Ein Teil kann als Rückführung in den Reaktor zurückgeführt werden, während ein anderer Teil durch eine Ausschleusung (Purge) entfernt werden muss, um eine unbegrenzte Ansammlung zu verhindern.

Der Rückführstrom kann Folgendes enthalten:

Nicht umgesetztes Substrat
Konzentrierte Biomasse
Produkthaltige Flüssigkeit
Wasser
Lösliche Verunreinigungen
Feine Feststoffe, die den Filter passieren oder mit dem Schlamm mitgeführt werden

Die genaue Zusammensetzung hängt von der Filterleistung, der Waschung, der Sedimentation und der gewählten Rückführungsaufteilung ab.

Rückführung verbessert die gesamte Substratnutzung

Die Rückführung ermöglicht es, nicht umgesetztem Material zusätzliche Verweilzeit im Reaktor zu geben. Folglich kann der Durchsatzumsatz niedrig sein, während der Gesamtumsatz bezogen auf die Frischzufuhr wesentlich höher ist.

Der Rückführkreislauf eliminiert nicht umgesetztes Material nicht. Er verändert lediglich, wo die Umsetzung stattfindet, und erhöht die Anzahl der Durchgänge des Materials durch den Reaktor und den Separator.

Der Rückführstrom wird vom Separator gesteuert

Wenn der Separator einen Anteil (r) einer rückgewinnbaren Komponente zum Reaktor zurückführt, hängt der Rückführstrom sowohl vom nicht umgesetzten Material, das in den Separator eintritt, als auch von der Trennleistung ab:

[ F_{\text{Rückführung}} = r F_{\text{rückgewinnbar}} ]

Ein geringerer Reaktorumsatz erhöht (F_{\text{rückgewinnbar}}), sodass derselbe Rückführungsanteil einen größeren Rückführstrom erzeugt. Wenn das Rückführungsverhältnis erhöht wird, um den geringeren Umsatz auszugleichen, steigt die Zirkulation weiter an.

Deshalb können Reaktorleistung und Filtrationskapazität nicht unabhängig voneinander ausgelegt werden.

Ausschleusung verhindert Ansammlung

Ein Teil des Materials muss normalerweise durch eine Ausschleusung (Purge) aus dem Rückführkreislauf entfernt werden. Ohne Ausschleusung können sich inerte Feststoffe, nicht reaktive Verunreinigungen, abgestorbene Biomasse und nicht abgetrennte Nebenprodukte ansammeln, bis sie den Betrieb stören.

Im stationären Zustand muss die Ausschleusung das Material entfernen, das in den Kreislauf eintritt, aber nicht verbraucht, als Produkt zurückgewonnen oder anderweitig durch das Trennsystem entfernt wird.

Für eine sich ansammelnde Komponente (i) gilt:

[ F_{i,\text{ein}} = F_{i,\text{Produkt}} + F_{i,\text{Ausschleusung}} ]

wenn innerhalb des stationären Kreislaufs keine Nettoansammlung stattfindet. Ein geringerer Umsatz erhöht den Eintritt von nicht umgesetztem Substrat in den Kreislauf, was im Allgemeinen die erforderliche Ausschleusung erhöht, sofern nicht auch die Rückgewinnung oder der Verbrauch verbessert werden.

Aufbau der integrierten Massenbilanz

Beginnen Sie mit der gesamten Anlagengrenze

Die zuverlässigste Berechnung beginnt mit einer Bilanz um den gesamten Prozess herum:

[ \text{Frischzufuhr} = \text{Produkt} + \text{Ausschleusung} + \text{Sonstige Verluste} ]

Rückführströme liegen innerhalb dieser Grenze und heben sich daher in der Gesamtbilanz auf. Sie sind jedoch weiterhin wichtig für die Dimensionierung der Ausrüstung, die internen Zusammensetzungen, die Verweilzeit und die Betriebskosten.

Dann bilanzieren Sie jeden Prozessschritt

Die Reaktorbilanz umfasst Substratverbrauch, Biomassebildung, Produktbildung und Ausfluss:

[ \text{Zufuhr} + \text{Rückführung} + \text{Bildung} = \text{Ausfluss} + \text{Verbrauch} ]

Die Filtrationsbilanz unterteilt den Reaktorausfluss in Filtrat, rückgewonnene Feststoffe, Rückführung und Ausschleusung:

[ F_{\text{Reaktorausfluss}} = F_{\text{Filtrat}} + F_{\text{Rückführung}} + F_{\text{Ausschleusung}} ]

Jeder Strom sollte in Komponenten aufgelöst werden, anstatt ihn nur als Gesamtfluss zu behandeln. Das Pilotanlagenmodell sollte mindestens Substrat, Biomasse oder Feststoffe, Wasser, Produkt und relevante Verunreinigungen verfolgen.

Berücksichtigen Sie die in feuchten Feststoffen enthaltene Flüssigkeit

Wenn der Feststoffstrom einen Flüssigkeitsmassenanteil (w_L) zurückhält, kann die mit den Feststoffen mitgeführte Flüssigkeit wie folgt dargestellt werden:

[ F_{L,\text{zurückgehalten}} = w_L F_{\text{feuchte Feststoffe}} ]

Diese zurückgehaltene Flüssigkeit kann Ethanol, gelöstes Substrat und Wasser enthalten. Wenn man dies ignoriert, kann eine scheinbar geschlossene Massenbilanz entstehen, während die Produktrückgewinnung überschätzt und der Rückführstrom unterschätzt wird.

Lösen Sie zirkuläre Abhängigkeiten gleichzeitig

Die Rückführung erzeugt eine zirkuläre Abhängigkeit:

Der Reaktorumsatz bestimmt die Ausflusszusammensetzung.
Die Ausflusszusammensetzung bestimmt die Separatorlasten.
Die Separatorleistung bestimmt die Zusammensetzung von Rückführung und Ausschleusung.
Die Rückführungszusammensetzung verändert den Reaktoreinlass und damit die Reaktorbilanz.

Diese Gleichungen sollten gemeinsam gelöst werden, entweder algebraisch oder durch eine iterative Tabellenkalkulation, einen Prozesssimulator oder ein numerisches Modell. Sequenzielle Berechnungen, die nur auf der Frischzufuhr basieren, können zu falschen stationären Stromraten führen.

Auswirkungen auf Fermentations- und Trennanlagen

Geringerer Umsatz erhöht den Filtrationsaufwand

Mehr nicht umgesetzte Feststoffe erhöhen den Schlammmassenstrom und können Filterfläche, Filterkuchenstärke, Waschbedarf und Druckverlust erhöhen. Wenn der Filter zu klein dimensioniert ist, können Feststoffverschleppung und Produktverluste zunehmen.

Die Filtrationseinheit sollte daher für den erwarteten Rückführungsfall dimensioniert werden, nicht nur für die nominelle Frischzufuhrrate.

Pumpen und Rohrleitungen sehen eine höhere Zirkulation

Die Rückführung erhöht den internen Fluss, selbst wenn der Frischdurchsatz unverändert bleibt. Ein geringerer Umsatz kann daher die Pumpenkapazität, die Rohrleitungsgeschwindigkeit, den Regelventilbereich und die Druckverlustanforderungen erhöhen.

Die Rückführpumpe kann auch einen konzentrierteren oder abrasiveren Schlamm fördern als die Frischzufuhrpumpe.

Das Reaktorkonzept muss möglicherweise vergrößert werden

Einem geringeren Umsatz kann durch Erhöhung der Verweilzeit, Erhöhung der Biomassekonzentration, verbesserte Durchmischung oder Rückführung von nicht umgesetztem Material begegnet werden. Jede Option ändert das erforderliche Reaktorvolumen und die Betriebsbedingungen.

Die Zellrückführung kann die Biomassekonzentration erhöhen und einen höheren Durchsatz unterstützen, erfordert aber auch einen Feststoff-Trennkreislauf, dessen Kapazitäts- und Sterilitätsanforderungen berücksichtigt werden müssen.

Die Produktrückgewinnung kann sinken

Da feuchte Feststoffe Flüssigkeit zurückhalten, kann eine höhere Feststoffzirkulation mehr Produkt vom gewünschten Filtrat- oder Produktstrom wegführen. Ein Prozess kann daher eine akzeptable Substratrückgewinnung zeigen, während Ethanol oder ein anderes lösliches Produkt in der Ausschleusung oder im rückgeführten Filterkuchen verloren geht.

Die Produktrückgewinnung muss unabhängig vom Substratumsatz berechnet werden.

Verständnis der Kompromisse

Geringerer Umsatz kann die Selektivität schützen

Der Betrieb bei einem geringeren Umsatz kann die Intensität von Nebenreaktionen verringern oder die gewünschte Produktselektivität bewahren. Bei der Fermentation können die Betriebsbedingungen auch so gewählt werden, dass die Zellleistung geschützt wird, anstatt den Substratverbrauch in einem Durchgang zu maximieren.

Die resultierende Rückführungslast ist der Preis, der für diesen Betriebsvorteil gezahlt wird.

Höherer Umsatz reduziert den Rückführungsbedarf

Ein höherer Umsatz reduziert im Allgemeinen das nicht umgesetzte Substrat und die Feststoffe, die den Reaktor verlassen. Dies senkt den Rückführungs- und Ausschleusungsstrom, die interne Zirkulation sowie die damit verbundenen Pump- oder Trennkosten.

Ein höherer Umsatz kann jedoch mehr Verunreinigungen oder Nebenprodukte in Systemen erzeugen, bei denen die Selektivität abnimmt, wenn die Konzentration der Reaktanten sinkt. Die nachgeschaltete Trennung kann dann schwieriger und teurer werden.

Rückführung ist keine kostenlose Rückgewinnung

Die Rückführung reduziert den Rohstoffverlust, erfordert jedoch zusätzliche Ausrüstung, Energie, Steuerung und Wartung. Sie kann auch die Verweilzeit erhöhen und Produkt oder Biomasse wiederholten Prozessen aussetzen.

Der wirtschaftlich bevorzugte Umsatz ist in der Regel der Punkt, der die gesamten Reaktor-, Trenn-, Rückführungs-, Energie-, Abfallbehandlungs- und Umweltkosten minimiert, anstatt der Punkt mit dem höchsten Durchsatzumsatz.

Übermäßige Ausschleusung verschwendet wertvolles Material

Eine große Ausschleusung kontrolliert die Ansammlung von Verunreinigungen und Feststoffen, kann aber nicht umgesetztes Substrat, produkthaltige Flüssigkeit und Biomasse entfernen. Eine sehr kleine Ausschleusung verbessert die Rückgewinnung, kann aber zur Anreicherung von inerten Feststoffen oder hemmenden Verbindungen führen.

Die Ausschleusungsrate sollte anhand von Komponentenbilanzen und zulässigen Verunreinigungskonzentrationen gewählt werden, nicht allein aufgrund von Gesamtflussbetrachtungen.

Häufige Modellierungsfehler

Verwechslung von Durchsatzumsatz und Gesamtumsatz

Der Durchsatzumsatz beschreibt, was während eines Reaktordurchgangs reagiert. Der Gesamtumsatz beschreibt das Schicksal der Frischzufuhr, nachdem alle Rückführungs- und Ausschleusungsströme einbezogen wurden.

Die Angabe des einen als das andere kann einen Reaktor mit niedrigem Umsatz ineffizient erscheinen lassen oder einen Rückführkreislauf effektiver erscheinen lassen, als er tatsächlich ist.

Bilanzierung nur der Gesamtmasse

Eine Gesamtmassebilanz kann sich schließen, selbst wenn die Substrat-, Produkt- oder Biomassebilanzen falsch sind. Komponentenbilanzen sind notwendig, um Produktverluste, Ansammlungen von nicht umgesetzten Feststoffen und falsche Annahmen über den Separator zu identifizieren.

Ignorieren der Separator-Rückgewinnungsgrenzen

Die Annahme, dass alle nicht umgesetzten Feststoffe oder gelösten Produkte perfekt zurückgewonnen werden, unterschätzt Ausschleusungsverluste und überschätzt den Gesamtumsatz. Die Filtrationsleistung im Pilotmaßstab sollte realistische Rückgewinnungs-, Feuchtigkeitsrückhalte- und Verschleppungswerte beinhalten.

Behandlung von Rückführung als Frischzufuhr

Die Rückführung ist kein neues Material, das in die gesamte Prozessgrenze eintritt. Die Zählung als Frischzufuhr bläht den Durchsatz auf und kann Ausbeute-, Umsatz- und Auslegungsberechnungen verzerren.

Die richtige Wahl für Ihr Ziel treffen

Das richtige Umsatzziel hängt davon ab, was die Pilotanlage demonstrieren oder optimieren soll.

Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Substratnutzung liegt: Verwenden Sie einen geringeren Umsatz mit einem sorgfältig konzipierten Rückführkreislauf und bewerten Sie dann den Gesamtumsatz aus der Frischzufuhr und dem in der Ausschleusung verlorenen Substrat.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Produktrückgewinnung liegt: Verfolgen Sie die im Filterkuchen zurückgehaltene Flüssigkeit und minimieren Sie produktbelastete Ausschleusungsverluste, auch wenn dies eine verbesserte Entwässerung oder Waschung erfordert.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Anlagendimensionierung liegt: Dimensionieren Sie Reaktor, Filter, Pumpen und Rohrleitungen für den höchsten erwarteten internen Rückführstrom, nicht nur für die Frischzufuhrrate.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Prozessökonomie liegt: Vergleichen Sie die Kosten für zusätzlichen Reaktorumsatz mit den Kosten für Rückführung, Trennung, Pumpen, Ausschleusung und Abfallbehandlung.
Wenn Ihr Hauptaugenmerk auf der Biomasseproduktivität liegt: Erwägen Sie eine Zellrückführung, um die Biomassekonzentration im Reaktor zu erhöhen, während Sie gleichzeitig überprüfen, ob der Separator die erforderliche Zellrückhalteleistung aufrechterhalten kann.

Eine rigorose Komponentenbilanz zeigt, ob eine Umsatzänderung den Prozess wirklich verbessert oder lediglich Material und Kosten vom Reaktor in das Rückführungs- und Trennsystem verlagert.

Zusammenfassungstabelle:

Hauptfaktor	Auswirkung bei geringerem Umsatz	Auslegungs- oder Betriebsimplikation
Nicht umgesetztes Substrat	Mehr Substrat verlässt den Reaktor unumgesetzt	Erhöhung der Rückgewinnungs-, Rückführungs- oder Ausschleusungskapazität
Rückführstrom	Mehr rückgewinnbare Feststoffe und Flüssigkeit gelangen in den Rückführkreislauf	Dimensionierung von Pumpen, Rohrleitungen und Steuerungen für höhere interne Zirkulation
Ausschleusungsbedarf	Mehr Verunreinigungen, inerte Feststoffe und Biomasse können sich ansammeln	Festlegung der Ausschleusungsraten anhand von Komponentenbilanzen und Verunreinigungsgrenzen
Filtrationsaufwand	Höhere Feststoffbelastung, Kuchenstärke und Flüssigkeitsrückhaltung	Bewertung von Filterfläche, Waschung, Entwässerung und Produktverschleppung
Produktrückgewinnung	Mehr produkthaltige Flüssigkeit kann in feuchten Feststoffen verbleiben	Verfolgung löslicher Produktverluste unabhängig vom Substratumsatz
Gesamtumsatz	Rückführung kann die Frischzufuhrnutzung trotz niedrigem Durchsatzumsatz verbessern	Unterscheidung zwischen Durchsatzumsatz und Gesamtumsatz
Anlagendimensionierung	Interne Ströme können die Frischzufuhrraten übersteigen	Dimensionierung von Reaktoren, Filtern, Pumpen und Rohrleitungen für den maximalen Rückführungsfall
Prozessökonomie	Rückführung reduziert Rohstoffverlust, erhöht aber Energie- und Abfallbehandlungskosten	Gemeinsamer Vergleich von Umsatz-, Trenn-, Rückführungs-, Ausschleusungs- und Energiekosten

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