• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

AktueltBioteknologiKemiteknik01. 12. 2015 | Katrine Meyn

Hvad er en god ”bio-kemiingeniør”? – II

AktueltBioteknologiKemiteknik01. 12. 2015 | Katrine Meyn

I artikel 1 beskrev jeg arbejdsområdet for ”bio-ingeniøren”, hvor fysiologi, kombineret med ideer hentet fra metabolske netværk, kan omsættes til forbedring af processens udbytte og produktivitet. Kemiingeniørens særlige styrke ligger imidlertid i udvikling af apparaturdesign og industriel procesdesign. Dette kan føre til både lavere kapitalomkostninger og lavere direkte procesudgifter.

Læs originalartiklen her

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 12, 2015 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Af John Villadsen, Institut for Kemiteknik, DTU

De følgende to eksempler illustrerer, hvordan kemiingeniørens kernekompetencer bør kunne bruges hertil.
Det første eksempel handler om fremstilling af ethanol fra halm og andre biprodukter fra landbruget. Det belyser, hvordan kontinuert adskillelse af ethanol fra vand burde kunne ske ved et forholdsvis lavt energiforbrug, et emne der behandles i mange patenter. Forhåbentlig kan virkeliggørelse af sådanne ideer gøre 2nd generation ethanol-fremstilling reelt bæredygtig, selvom n-butanol og iso-butanol nok vil være økonomisk mere bæredygtige slutprodukter.
Det andet eksempel illustrerer, hvordan opsplitning af et givet reaktorvolumen V i flere mindre voluminer, V1, V2… vil føre til lavere kapitalomkostninger og en langt større robusthed overfor variationer i fødestrømmen til anlægget. Dette eksempel er af særlig interesse for spildevandsrensning.

Forslag til et bedre ”biomasse til ethanol”-anlæg
”Samtidig saccharificering og fermentering”, SSF, er en måde, hvorpå inhibition, først og fremmest forårsaget af cellobiose, kan forhindres, idet slutproduktet fra hydrolyseprocessen, glukose, kan fjernes næsten momentant ved samtidig fermentering og hydrolyse. Føden til bioreaktoren skal være ”en lind grød” af delvist hydrolyseret biomasse, og i reaktoren skal den enzymatiske hydrolyse ske med omtrent samme hastighed som fermenteringen af frigjort glukose for at få en kontinuert proces. Desværre er temperaturoptimum for hydrolyse væsentligt højere (~ 50°C), end for fermenteringsprocessen med gær (~ 30°C) – men denne forhindring omgås formentlig snart gennem udvikling af gær, der fungerer fint ved 45-50°C [3]. Separation af ethanol fra vand medfører dog stadig et stort energitab.
Betragt en proces, hvor reaktoren hele tiden holdes på et konstant ethanolniveau, for eksempel 3 mol/L (= 13.8 wt % = 17.7 vol %). Lad fermenteringstemperaturen være 30°C, og totaltrykket P = 0.5 atm.
Molbrøken af ethanol i væskefasen er xet = 3/55 = 5.45 10-2.
Gasfasen har i ligevægt med væskefasen en ethanolmolbrøk på

yet = γet xet πet/P ,

hvor γet er aktivitetskoefficienten for ethanol i vand ved et givet xet, og π_et er damptrykket af ren ethanol over vand ved 30°C. γet og πet (mmHg) kan findes i tabeller.
yet = 4.8 ∙ 0.0545 ∙ 74/380 = 5.1 10-2 , mens yH2O = 2.15 ∙ 0.945 ∙ 32/380 = 0.171 ved 30°C.
Vi ønsker en produktivitet på 2.5 kg ethanol/m3 medium/h.
Denne produktion kan opnås med en konstant koncentration af ethanol i mediet på 3 M ved at blæse v mol tør luft (eller en anden inert) gennem mediet ved 30°C og 1 atm totaltryk. Gassen, der forlader reaktoren ved et totaltryk på 0.5 atm, har yet = 0.051 og yH2O = 0.171. Efter kondensation af ethanol og vand fås et kondensat med xet = 0.051/(0.171 + 0.051) = 0.229. Den nødvendige gasstrøm er v =2.5/(46 ∙ 0.051) = 1.065 kmol/m3 medium/ h = 26.5 m3 gas/m3 medium/h ved 30°C og 1 atm. Produktion af 2.5 kg ethanol/m3 medium/h giver en samtidig produktion af 0.027 kmol CO2 /m3 medium/h = 0.68 m3/m3 medium/h.
Derfor behøves kun ~ 26 m3 inert gas/m3 medium/h blæst gennem reaktoren.
Det fra reaktorens indhold af urenheder og fast biomasse befriede kondensat har en ethanolkoncentration 65% højere end koncentrationen i mediet. Det kan videre opkoncentreres, for eksempel i et flerlegemeapparat, eller bedre: Man kan med en organisk fase ekstrahere ethanol fra kondensatet og gendanne opløsningsmidlet ved destillation, formentlig med en betydelig varmebesparelse grundet den lavere fordampningsvarme for opløsningsmidlet. Væskefasen, der kontinuert forlader reaktoren, kan recirkuleres til reaktoren efter frafiltrering af faststoffet.
Kan fermenteringen ske ved 50°C ved anvendelse af en varmetolerant gær, indeholder kondensatet fra stripningen selvfølgelig forholdsvis mere ethanol, og v formindskes tilsvarende.
Grundig modellering støttet af pilotforsøg kunne vise, om den ovenfor beskrevne fremgangsmetode ville give en følelig besparelse i oprensningsomkostningerne. Hvis sådanne forsøg er beskrevet i den åbne litteratur, er de ikke bekendt for mig.

Opkobling af procesanlæg – optimal procesdesign
Det sidste eksempel på optimal reaktordesign refererer mest til besparelser i kontinuerte vandrensningsanlæg. Eksemplet vil vise, at en passende opdeling af det til rådighed værende reaktorvolumen i mindre reaktorer af samme størrelse kan give langt større fleksibilitet i anlægget, samtidig med at rensningen af vandet kan ske til et lavere BOD-niveau og med lavere driftsomkostninger.
Anlægget består af to omrørte tankreaktorer, hver på V = 20 m3. Med dette skal man kontinuert rense spildevand, der indeholder s0 = 60 mg L-1 af en forurening S. Kinetikken for rensningsprocessen er:

qX = (4/3 s)/(s+4 (mg/L)) x (mg X dannet (L spildevand)-1 h-1) =
D ∙ (xud – x0) (1)

[s,x] (mg L-1) er koncentrationen af henholdsvis S og X både i udløbet (xud) fra en vel omrørt tankreaktor og i selve tanken (x). x0 er biomassekoncentrationen i indløbet til tanken. Kinetikken er beskrevet ved et Monod-udtryk, med Monod-konstant Km = 4 mg L-1 og maksimal hastighed k = 4/3 h-1. Der er ingen biomasse i indløbet til anlægget, men i serielt forbundne reaktorer er x0 > 0 for reaktor 2, 3…
”Fortyndingshastigheden D (h-1)” = v/V angiver, hvor stor en mængde spildevand v m3, der per time ledes gennem hver m3 af anlægget. Hvis der ikke er biomasse i indgangen til reaktoren, er D = qX/x, den specifikke dannelseshastighed af biomasse (mg X dannet(mg X)-1 h-1).
For s0 = 60 mg L-1 og x0 = 0 ser man ved indsætning i (1), at anlægget overbelastes, når

D = v/V > (4/3 60)/(60+4 (mg/L)) = 1.25 h-1,

idet man herved overskrider den hastighed, hvormed anlægget kan danne biomasse. Resultatet er, at biomassen efterhånden skylles ud og rensningsprocessen går i stå.
Af (1) kan man også bestemme den optimale rensningshastighed qmax. Med x = x0 i indløbet til anlægget vil x = x0 + Ysx (s0 – s), hvor Ysx = udbyttekoefficienten af biomasse på S. Ysx sættes til 0.10 mg X/mg S.
Man finder let qxmax ved differentiation af (1) med hensyn til s. Resultatet er

qmax =[ (√(1+a) – √a )2 s0 Ysx k ],

hvor a = Km/s0. qmax opnås, når s/s0 = -a +

√(a+a^2 )

I taleksemplet er a = 4/60 = 1/15, og s/soopt er 1/5, der opnås, når

D = Dopt = (4/3 12)/(12+4 ) = 1 h-1

qmax = DoptYSX (s0 – sopt) = 0.1 ∙ (60 – 12) = 4.8 mg L-1 h-1, eller x = x0 + Ysx (s0 – s) = 4.8 mg L-1, når x0 = 0.

Lad os herefter undersøge, hvordan v = 20, 40 eller 60 m3 h-1 bedst behandles i de to tankreaktorer på hver 20 m3.

v = 20 m3 h-1
Anlægget er groft overdimensioneret. Med kun én 20 m3 tank opnås optimal rensning, idet D = v/V = 1 h-1 og s = 12 mg L-1. Hvis man sender 10 m3 h-1 til hver 20 m3 tank, bliver for hver tank D = 0.5 h-1 og udløbet fra begge reaktorer har

s = (D ∙ K_m)/(k-D) = (0.5 ∙4)/(4/( 3)-0.5 ) = 2.4 mg L-1

v = 40 m3 h-1
Nu vil man ved at placere de to reaktorer parallelt opnå, at de begge fungerer optimalt og [s,x] = [12, 4.8] mg L-1. Hvis de derimod placeres i serie, opnår man slet ingen rensning. Ligegyldigt hvilken af reaktorerne, der placeres først, skylles biomassen ud, da D = 2 h-1, altså større end Dmax = 1.25 h-1. Her kan man imidlertid opdele den indkommende spildevandsmængde i to strømme: v1, der fødes til tank 1 og v2, der fødes mellem de to reaktorer. Intuitivt bør den første reaktor producere mest mulig biomasse, og derfor bør v1 være 20 m3 h-1. Til den anden reaktor strømmer nu 40 m3 h-1 med s1 = (12 + 60)/2 = 36 mg L-1 og x1 = (4.8 + 0)/2 = 2.4 mg L-1. For reaktor 2, hvor v = 40 m3 h-1 er D = 2 h-1 og x2 beregnes af

Produceret biomasse = 2 ∙ (x2 – 2.4) = (4/3 s_2)/(s_2+4 ) x2 = (4/3 (60-〖10 x〗_2))/(64-10 x_2 ) x2 med løsningen x2 = 4.8 mg L-1 (2)

Den samme (optimale) løsning fås ved parallel og seriel opstilling af reaktorerne. Enhver anden fordeling af v = 40 m3 h-1 end den ligelige giver et større s2, og den intuitive betragtning ovenfor bekræftes.

v = 60 m3 h-1
Her er anlægget groft underdimensioneret. Parallel opstilling af de to 20 m3 reaktorer nytter ikke, da D for hver tank er større end Dmax = 1.25 h-1. Den fornuftigste løsning er at sende 20 m3 spildevand helt udenom anlægget. Nu arbejder begge reaktorer optimalt, og s2 =(12 ∙ 40 + 60 ∙ 20)/ 60 = 28 mg L-1. Den serielle opstilling af reaktorerne vil altid virke, når den første reaktor ikke overbelastes. Intuitivt vil man lade denne arbejde så godt som muligt, altså sendes 20 m3 h-1 til den første reaktor og resten tilsættes mellem de to reaktorer. Dette giver [s1, x1] = [44, 1.6], hvorefter [s2, x2] beregnes af (2) med D = 3 h-1. Resultatet er [s2, x2] = [33.5, 2.65], og en vilkårlig anden fordeling af spildevand til de to reaktorer giver et endnu dårligere resultat. Nu synes det bedste serielle arrangement at være dårligere end et parallelt arrangement med 20 m3 h-1 ledt udenom anlægget. Hvis 20 m3 h-1 også ledes uden om de serielt arrangerede reaktorer fås imidlertid s2 = (12 ∙ 40 + 60 ∙ 20)/60 = 28 mg L-1, ligesom når reaktorerne arbejder parallelt. Konklusionen er, at for det underbelastede anlæg vil et serielt arrangement af de to reaktorer altid give den bedste rensning af spildevandet (”man nærmer sig en plug-flow behandling, hvilket altid er bedst, når reaktant-koncentrationen s er lille”). Når anlægget er underdimensioneret, vil det bedste flowdiagram for både parallel og seriel opstilling af reaktorerne give samme resultat.

v = 60 m3 h-1 koblet med recirkulation af biomasse i reaktor 2 af to serielt opstillede 20 m3 reaktorer

Ved recirkulation af biomasse vil man altid forøge kapaciteten af en given bioreaktor. Som beskrevet i [1] vil man ved placering af et sættekar (en ”settler”) efter reaktoren opnå, at biomassen i bunden af settleren har en højere koncentration af biomasse, end den der fås i udløbet fra reaktoren. Ved recirkulation af væske + biomasse fra bunden af settleren til indgangen af reaktoren kan man opnå en højere biomassekoncentration i denne, og da biomasseproduktionen er proportional med x også en bedre rensning af spildevandet.
I eksemplet med v = 60 m3 h-1 vil man, ved op-koncentration af biomasse i settleren med en faktor β = 11/8 og recirkulation af R ∙ 60 m3 h-1, hvor R = 4/3 opnå, at s2 bliver 12 mg L-1, snarere end 33.5 mg L-1, det bedste resultat opnået ovenfor uden at lede spildevand udenom i det serielt arrangerede anlæg [2].
Hvad hele det sidste eksempel viser er, at der findes utallige varianter af et procesdesign. Ved simpel modellering af varianter af et basis-design kan man opnå en betydelig forbedring af anlæggets ydeevne.
Opgaver af denne art bør kunne løses af kemiingeniører, der herved bruger fagets kernediscipliner til at hjælpe også bio-industrien frem mod mere konkurrencedygtige processer.

Referencer
To lærebøger [1] og [2] er anvendt til inspiration for de her beskrevne eksempler: Nye ideer kan forbedre både processer og apparatur i bio-industrien. Referencen [3] indeholder yderligere information om gær, der tåler en arbejdstemperatur på ca. 50°C.
1. Villadsen, J, Nielsen J, og Lidén G (2011). Bioreaction Engineering Principles. 3rd edition, Springer Verlag.
2. Villadsen (editor), 2016. Fundamental Bioengineering. Wiley – VCH, Advanced Biotechnol. Series, Vol 1.
3. Caspeta, L, Chen, Y, Ghiaci, P, Feizi, A, Buskov, S, Hallström, BM, Petranovic, D, and Nielsen J (2014). Biofuels. Altered sterol composition renders yeast thermotolerant. Science, 346 no 6205: 75-78.

 

Skrevet i: Aktuelt, Bioteknologi, Kemiteknik

Seneste nyt fra redaktionen

Hydrogensulfid og biokul

Klima og miljøTop22. 09. 2026

Diverse jernforbindelser og aktivt kul har traditionelt været anvendt til at fjerne hydrogensulfid (H2S) fra biogas. Med opblomstringen af pyrolyse er et relativt nyt middel kommet på banen, nemlig biokul, som dog har været udforsket på laboratorieniveau i et årti. Dette lille studie viser, at

Fremtidens cement er levende

AktueltBioteknologiKemiteknikKlima og miljø22. 09. 2026

Ny forskning fra Aalborg Universitet peger på en fremtid, hvor cement kan reparere sig selv, lagre energi, optage CO2 og reagere på omgivelserne ved hjælp af mikroorganismer. Forestil dig en fremtid, hvor hullet i vejen forsvinder af sig selv. Hvor bygningen du arbejder i, også fungerer som et

En succesfuld LabDays Copenhagen 2026

AktueltBranchenyt14. 09. 2026

Traditionen tro blev LabDays Copenhagen 2026 gennemført i KB Hallen; det skete fra den 9. - 10. september – og messen var igen i år en stor succes. Messen havde små hundrede udstillere, som bød fagpublikummet velkommen med et større fagligt program. Over 2.600 fagfolk lagde vejen forbi; så det

Kemiens etik: Et overset felt med voksende betydning

AktueltArtikler fra Dansk Kemi07. 09. 2026

Kemisk forskning og teknologi påvirker i stigende grad sundhed, miljø og samfund. Derfor er der behov for større opmærksomhed på kemiens etiske dimensioner i både forskning, undervisning og faglige organisationer. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 2, 2026 og kan læses uden illustrationer,

Molekylær fødevarekemi former fremtidens mad

AktueltArtikler fra Dansk KemiFødevarekemi27. 08. 2026

Villumlegat til forsker Milena Corredig sætter fokus på struktur og funktionalitet i bæredygtige fødevarer. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Kimie Kongsøre, Institut for

Hvad bruger vi kalken til?

Artikler fra Dansk Kemi26. 08. 2026

Fra Aalborg Portlands hvide kridtgrave til de malede hvælv i Aarhus Domkirke: kalk er ikke kun geologi, men et materiale, der har båret dansk byggeri, industri, landbrug og kunsthistorie. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2026 og kan læses herunder uden illustrationer, strukturer eller

Kontrolleret osmose

Artikler fra Dansk Kemi26. 08. 2026

En metode til måling af blandingsenergi i ikke-ideale opløsninger. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Dennis Wowern Nielsen1 og Claus Helix-Nielsen21 Uafhængig forsker 2

Spiseolier – de onde, de gode og den virkelig gode

Artikler fra Dansk KemiFødevarekemi26. 08. 2026

Der er fokus på ultraforarbejdet mad. Måske skyldes megen af den dårligdom, forarbejdning nu får skyld for, snarere en ubemærket ændring i vores indtag af umættede planteolier – især i de industrialiserede lande. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2026 og kan læses uden illustrationer,

Der er forskel på thioler og thioler

Artikler fra Dansk KemiHistorisk kemi26. 08. 2026

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 4, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) I den interessante artikel om polycykliske carbonhydrider i aprilnummeret af dette blad [1] omtaltes en femleddet ring med to svovlatomer under navnet

Udnyttelse af biernes bakterier til udvikling af innovative plantebaserede fødevarer

Artikler fra Dansk KemiBioteknologi26. 08. 2026

Forskere undersøger, hvordan mælkesyrebakterier fra honningbier kan bruges til at udvikle næste generation af plantebaserede fødevarer. Ved hjælp af avanceret droplet microfluidics kan tusindvis af bakteriestammer hurtigt screenes for deres evne til at fermentere plantebaserede råvarer og producere

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Forudkonfigurerede R&D-pakker fra Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions til forenklet opsætning af undersøgelser

  • DENIOS ApS

    Hvilke risici skal du være opmærksom på ved tekniske gasser?

  • Busch Vakuumteknik A/S

    De 10 mest almindelige fejl ved brug af turbomolekylære vakuumpumper, og hvordan man undgår dem.

  • Holm & Halby

    Haier Biomedical går ind på markedet for rysteinkubatorer

  • Holm & Halby

    Ny generation af -86 °C frysere halverer næsten energiforbruget

  • Holm & Halby

    Holm & Halby styrker LAF-programmet med italienske FASTER

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Besøg Busch Vakuumteknik på LabDays CPH 2026

  • Drifton

    Nye digitale sprøjtepumper til præcis væskedosering

  • Drifton

    Mød Drifton og DACOS på LabDays 2026

  • Holm & Halby

    NYHED: Haier centrifuger – Se dem på LabDays

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Hydrogensulfid og biokul

    22.09.2026

  • Fremtidens cement er levende

    22.09.2026

  • En succesfuld LabDays Copenhagen 2026

    14.09.2026

  • Kemiens etik: Et overset felt med voksende betydning

    07.09.2026

  • Molekylær fødevarekemi former fremtidens mad

    27.08.2026

  • Hvad bruger vi kalken til?

    26.08.2026

  • Kontrolleret osmose

    26.08.2026

  • Spiseolier – de onde, de gode og den virkelig gode

    26.08.2026

  • Der er forskel på thioler og thioler

    26.08.2026

  • Udnyttelse af biernes bakterier til udvikling af innovative plantebaserede fødevarer

    26.08.2026

  • GC-analyse af ”håbløse” matricer

    24.08.2026

  • Hvor kommer kalken fra?

    17.08.2026

  • Fra forskning til et mere sikkert kemisk arbejdsmiljø for brandfolk

    10.08.2026

  • Størrelse betyder noget

    03.08.2026

  • Mælkens caseiner er uden indre orden – men hvad gør calcium?

    22.06.2026

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia ApS
Gammel Strandvej 20, 1th
DK - 2990 Nivå
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk

Privatlivspolitik
Cookiepolitik
Administrer samtykke
For at give dig de bedste oplevelser bruger vi teknologier som cookies til at gemme og/eller få adgang til enhedsoplysninger. Hvis du giver dit samtykke til disse teknologier, kan vi behandle data som f.eks. browsingadfærd eller unikke ID'er på dette websted. Hvis du ikke giver dit samtykke eller trækker dit samtykke tilbage, kan det have en negativ indvirkning på visse funktioner og egenskaber.
Funktionsdygtig Altid aktiv
Den tekniske lagring eller adgang er strengt nødvendig med det legitime formål at muliggøre brugen af en specifik tjeneste, som abonnenten eller brugeren udtrykkeligt har anmodet om, eller udelukkende med det formål at overføre en kommunikation via et elektronisk kommunikationsnet.
Præferencer
Den tekniske lagring eller adgang er nødvendig for det legitime formål at lagre præferencer, som abonnenten eller brugeren ikke har anmodet om.
Statistikker
Den tekniske lagring eller adgang, der udelukkende anvendes til statistiske formål. Den tekniske lagring eller adgang, der udelukkende anvendes til anonyme statistiske formål. Uden en stævning, frivillig overholdelse fra din internetudbyders side eller yderligere optegnelser fra en tredjepart kan oplysninger, der er gemt eller hentet til dette formål alene, normalt ikke bruges til at identificere dig.
Marketing
Den tekniske lagring eller adgang er nødvendig for at oprette brugerprofiler med henblik på at sende reklamer eller for at spore brugeren på et websted eller på tværs af flere websteder med henblik på lignende markedsføringsformål.
  • Vælg muligheder
  • Administrer tjenester
  • Administrer {vendor_count} leverandører
  • Læs mere om disse formål
Vælg fra liste
  • {title}
  • {title}
  • {title}