Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Die Kultivierung von Algen und die Gewinnung von Inhaltsstoffen aus ebendiesen erfährt in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung. Algen betreiben Fotosynthese und sind somit eine CO2-Senke. Sie enthalten aber auch wertvolle Inhaltsstoffe, wie z.B. Omega-3 Fettsäuren, die für die Ernährung essentiell sind. Darüber hinaus enthalten sie noch weitere «minderwertige» Öle, aus welchen sich aber Treibstoffe gewinnen lassen. Der hierfür erforderliche Herstellprozess ist jedoch eine Herausforderung, da die bisher bekannten (grosstechnischen) Prozesse nicht auf die geringen Wachstumsraten von Algen und den damit verbundenen, geringen Ölmengen abgestimmt sind.
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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The cultivation of algae and the extraction of ingredients from them has become increasingly important in recent years. Algae carry out photosynthesis and are therefore a CO2 sink. However, they also contain valuable ingredients, such as omega-3 fatty acids, which are essential for nutrition. They also contain other "inferior" oils, from which fuels can be obtained. However, the production process required for this is a challenge, as the (large-scale) processes known to date are not adapted to the low growth rates of algae and the associated small quantities of oil.
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Kurzbeschreibung
(Französisch)
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La culture des algues et l'extraction de substances à partir de celles-ci ont pris de l'importance ces dernières années. Les algues pratiquent la photosynthèse et sont donc un puits de CO2. Elles contiennent également de précieux ingrédients, tels que les acides gras oméga-3, qui sont essentiels pour l'alimentation. En outre, elles contiennent d'autres huiles "de moindre qualité", mais dont on peut tirer des carburants. Le processus de fabrication nécessaire à cet effet constitue toutefois un défi, car les processus (à grande échelle) connus jusqu'à présent ne sont pas adaptés aux faibles taux de croissance des algues et aux faibles quantités d'huile qui en découlent.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Das Projekt « GREAT » - GReen Energy from Algae with microreactor Technology beschäftigte sich mit der Fragestellung, ob ethanolische Ölextrakte, die bei der Gewinnung von hochwertigen Fettsäuren aus Mikroalgen zurückbleiben (« Omega-3 » - Docosahexaensäure (DHA) und Eicosapentaensäure (EPA)) mittels kompakten, kontinuierlich betriebenen verfahrenstechnischen Anlagendesign und des chemischen Prozesses der «Alkoholyse» zu speicherbarer Energie in Form von Biodiesel umgewandelt werden können. Damit könnten diese anfallenden Stoffströme direkt vor Ort in der Mikroalgenfarm weiterverarbeitet und der gewonnene Biodiesel z.B. für den Betrieb von landwirtschaftlichem Gerät verwendet werden. Dazu wurde zunächst in Batch-Laborversuchen die prinzipielle Machbarkeit bestätigt, dass sich die aus Mikroalgen gewonnen Öle (Basis: käuflich erwerbbare Öle) ähnlich gut (Ausbeute >80%) wie andere untersuchte Öle (z.B. Sonnenblumenöl) zu Biodiesel und Glycerin umsetzen lassen. Im nächsten Schritt wurde dann versucht, die aus den Batch-Versuchen gewonnenen Erkenntnisse zu nutzen, um damit einen kontinuierlichen Prozess zu entwickeln. Dies geschah aufgrund der Überlegung, dass eine batchweise Verarbeitung des Mikroalgenölabfalls zwar möglich, jedoch zu grösseren Reaktoren und Trennapparaten führen würde. Damit würden einerseits die mit der Beschaffung verbundenen Kosten steigen und der Betrieb dieser Anlagen erhöhten Betreiberaufwand erfordern, was insbesondere einer angedachten Installation des Gesamtprozesses – Mikroalgenkultivierung/ Ölgewinnung/ Abfallverwertung – in landwirtschaftlichen Betrieben widersprechen würden, da dort die Erfahrung mit der Durchführung von chemischen Reaktionen wenig bis gar nicht vorhanden ist. Eine kompakte, weil kontinuierliche und idealerweise auch selbstregelnde Anlage hingegen erfordert diese speziellen Kenntnisse eher nicht. Mit der Verwendung von sog. Mikroreaktoren – meist nicht viel grösser als eine Zigarettenschachtel – als kompakte Chemiereaktoren für den kontinuierlichen Betrieb und mit geringen, zu dieser Fragestellung optimal passenden Durchsatzleistungen sowie hervorragenden Mischeigenschaften, waren die idealen strömungs- und reaktionstechnischen Reaktormodelle schnell gefunden. Von der Alkoholyse ist bekannt, dass aufgrund der schlechten bis gar nicht vorhandenen Mischbarkeit der Alkohole mit den (Pflanzen-)Ölen eine überstöchiometrische Zugabe der Alkohole (bis 30:1 mol/mol) erforderlich ist, um durch diesen Überschuss zumindest eine teilweise Vermischung der Reaktionspartner zu erzielen und so die chemische Reaktion doch noch und mit ausreichender Ausbeute durchführen zu können. Selbstverständlich muss der überschüssige Alkohol danach wieder entfernt werden, was mittels eines destillativen Prozesses gut möglich ist. Jedoch muss hierfür (zusätzliche) thermische Energie aufgewendet werden -was den Energieertrag aus der Biodieselbildung schmälert und zudem einen negativen CO2-Fussabdruck aufweist, da sowohl der verwendete Alkohol wie auch die erforderliche thermische Energie derzeit noch überwiegend aus fossilen Quellen stammt. Dieser Effort kann wesentlich reduziert werden, wenn es gelingt, die unmischbaren Reaktionspartner durch effiziente Mischtechnik, wie sie u.a. Mikrorekatoren ermöglichen, dennoch in intensiven Kontakt zu bringen. Die diesbezüglichen Versuche zeigten dann, dass dieser Ansatz erfolgreich ist: So konnten selbst mit einem molaren Verhältnis von nur noch 10:1 (Alkohol:Öl) identische Umsatzgrade erzielt werden, wie im batch-Laborversuch bei 40:1. Gleichzeitig, und das war überraschend aber für den Transfer des Prozesses von der batch- in die kontinuierliche Fahrweise umso bedeutender, konnte die dafür erforderliche Reaktionszeit von 60 Minuten beim Batch-Betrieb auf unter 6 Minuten reduziert werden (<1/10 der sonst üblichen Verweilzeit). Mit Inline-Messgeräten wie der Dichtemessung (Coriolis-Messprinzip) konnte dieser Konti-Prozess zudem ausreichend kontrolliert und überwacht werden – ein weiterer Baustein im Hinblick auf eine Umsetzung im Rahmen eines kompakten, einfach zu bedienenden Prozesses. Eine ökonomische Abschätzung des Gesamtprozesses zeigte zudem auf, dass der Prozess auch wirtschaftlich betrieben werden kann – und gegenüber einem Mikroalgenkultivierungsprozesses ohne die Gewinnung hochwertiger Öle und der Biodieselgewinnung Vorteile besitzt.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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The "GREAT" project – “GReen Energy from Algae with microreactor Technology” – analysed ethanolic oil residues after extraction of high-quality "omega 3" fatty acids from microalgae (docosahexaenoic acid (DHA) and eicosapentaenoic acid (EPA)). The project investigated whether these residues can be converted into storable energy in the form of biodiesel, using a compact continuous process engineering system and the chemical process of "alcoholysis". This solution would enable on-site material flow processing in the microalgae farm and the resulting biodiesel could be used, for example, to power agricultural equipment. Batch laboratory tests using commercially available oils were conducted first to confirm the feasibility of converting oils from microalgae into biodiesel and glycerine with a yield of >80%, similar to that of other oils investigated (e.g. sunflower oil). The knowledge gained from the batch tests was then used to develop a continuous process. Although batch processing of microalgae oil waste is possible, it would lead to larger reactors and separation equipment, thus increasing procurement and operation costs. It would also be in conflict with the planned installation of the microalgae cultivation/oil extraction/waste utilization process on farms, as they often have little or no experience carrying out chemical reactions. A compact, continuous and ideally self-regulating plant, on the other hand, would not require such specialised knowledge. Microreactors were found to be the ideal flow and reaction technology solution. Not much larger than a pack of cards, they are compact continuous operation chemical reactors with low throughput rates and excellent mixing properties. It is known from alcoholysis that, given the poor to non-existent miscibility of alcohols with (vegetable) oils, an over stoichiometric addition of alcohol (up to 30:1 mol/mol) is necessary to achieve at least partial mixing of the reaction partners and thus obtain a sufficient yield. Of course the excess alcohol must then be removed, easily possible by means of distillation. However, additional thermal energy is needed for this removal, reducing the biodiesel production yield and increasing the CO2 footprint, since both the alcohol used and the thermal energy required currently still come mainly from fossil sources. This energy input can be significantly reduced if the immiscible reaction partners can be brought into intensive contact using efficient mixing technology, such as that provided by microreactors. Tests demonstrated the success of this approach: even with an alcohol:oil molar ratio of only 10:1, identical conversion rates could be achieved to those in the 40:1 laboratory batch test. Simultaneously, the reaction time required could be reduced by 90%, from 60 minutes in batch operation to less than 6 minutes with the continuous process. While surprising, this is critical for the process transfer from batch to continuous operation. With inline analysis devices such as density measurement (Coriolis measuring principle), the continuous process could also be effectively controlled and monitored – another key step for implementation in a compact, easy-to-operate process. Financial assessment of the overall process showed that it can be operated economically, and has advantages over a microalgae cultivation process lacking extraction of high-quality oils and biodiesel production.
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Schlussbericht
(Französisch)
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Le projet " GREAT " - GReen Energy from Algae with microreactor Technology s'est penché sur la question de savoir si les extraits d'huile éthanolique qui restent après l'extraction d'acides gras de haute qualité (" oméga-3 " - acide docosahexaénoïque (DHA) et acide eicosapentaénoïque (EPA)) à partir de microalgues pouvaient être transformés en énergie stockable sous forme de biodiesel au moyen d'une conception d'installation compacte et fonctionnant en continu et du processus chimique d'" alcoolyse ". Ainsi, ces flux de matières pourraient être transformés directement sur place dans la ferme de microalgues et le biodiesel obtenu pourrait être utilisé, par exemple, pour faire fonctionner des outils agricoles. Pour ce faire, des essais en laboratoire par lots ont d'abord confirmé la faisabilité de principe, à savoir que les huiles obtenues à partir de microalgues (base : huiles disponibles à la vente) peuvent être transformées en biodiesel et en glycérine aussi bien (rendement >80%) que d'autres huiles étudiées (p.ex. huile de tournesol). L'étape suivante a consisté à utiliser les connaissances acquises lors des essais par lots pour développer un processus continu. Cela s'est fait sur la base de la réflexion qu'un traitement par lots des déchets d'huile de microalgues était certes possible, mais qu'il nécessiterait des réacteurs et des appareils de séparation plus grands. D'une part, les coûts liés à l'acquisition augmenteraient et l'exploitation de ces installations nécessiterait des charges d'exploitation accrues, ce qui irait notamment à l'encontre d'une installation envisagée de l'ensemble du processus - culture de microalgues/extraction d'huile/valorisation des déchets - dans des exploitations agricoles, où l'expérience de la réalisation de réactions chimiques est faible, voire inexistante. En revanche, une installation compacte, car continue et, dans l'idéal, également autorégulée, ne nécessite plutôt pas ces connaissances spécifiques. L'utilisation de microréacteurs - généralement pas beaucoup plus grands qu'un paquet de cigarettes - comme réacteurs chimiques compacts pour le fonctionnement en continu, avec des débits faibles et parfaitement adaptés à cette problématique ainsi que d'excellentes propriétés de mélange, a permis de trouver rapidement les modèles de réacteurs idéaux en termes de flux et de réaction. En ce qui concerne l'alcoolyse, on sait qu'en raison de la miscibilité médiocre, voire inexistante, des alcools avec les huiles (végétales), il est nécessaire d'ajouter les alcools en quantités supérieures à la stoechiométrie (jusqu'à 30:1 mol/mol) afin d'obtenir, grâce à cet excédent, un mélange au moins partiel des partenaires de réaction et de pouvoir ainsi réaliser la réaction chimique avec un rendement suffisant. Bien entendu, l'alcool en excès doit ensuite être éliminé, ce qui est tout à fait possible par un processus de distillation. Cependant, il faut pour cela utiliser de l'énergie thermique (supplémentaire), ce qui réduit le rendement énergétique de la formation de biodiesel et présente en outre une empreinte carbone négative, car tant l'alcool utilisé que l'énergie thermique nécessaire proviennent actuellement encore principalement de sources fossiles. Cet effort peut être considérablement réduit si l'on parvient à mettre en contact intensif les partenaires de réaction non miscibles grâce à une technique de mélange efficace, comme le permettent entre autres les microcréateurs. Les essais réalisés à cet égard ont montré que cette approche était efficace : ainsi, même avec un rapport molaire de seulement 10:1 (alcool:huile), il a été possible d'obtenir des taux de conversion identiques à ceux obtenus en laboratoire avec un rapport de 40:1. En même temps, et c'était surprenant mais d'autant plus important pour le transfert du processus du mode batch au mode continu, le temps de réaction nécessaire a pu être réduit de 60 minutes du mode batch à moins de 6 minutes (=1/10 du temps de séjour habituel). Avec des appareils de mesure en ligne tels que la mesure de la densité (principe de mesure Coriolis), ce processus de conti a en outre pu être suffisamment contrôlé et surveillé - un élément supplémentaire en vue d'une mise en oeuvre dans le cadre d'un processus compact et facile à utiliser. Une estimation économique de l'ensemble du processus a en outre montré que le processus pouvait également être exploité de manière économique - et qu'il présentait des avantages par rapport à un processus de culture de microalgues sans obtention d'huiles de haute qualité et à la production de biodiesel.
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