CN118103518A - 用于运作酿酒厂的方法及实现沼气获得的酿酒厂 - Google Patents
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Abstract
描述了一种用于运作酿酒厂的方法及一种相应的酿酒厂，其中，产生的酿酒残留物包括通过在第一转炉阶段中分离蛋白质水解物的蛋白水解进行生物质转化的谷物和废水，通过酸化，特别是通过离子交换，在第二转炉阶段中分离矿物肥料，以及在第三转炉阶段中通过沼气发酵以获得沼气，特别是同时处理废水成工艺水，并且其中，沼气至少按比例燃烧以向酿酒厂提供电力和/或热量。因此，谷物和废水中所含的生物质可以一起加工，并以出乎意料的高甲烷产量加以回收。
Description
本发明涉及一种用于运作实现沼气获得的酿酒厂的方法及一种具有酿酒设备、生物质转化设备和热电联产装置的酿酒厂。
众所周知，啤酒酿造设备需要相对大量的热能和电能来加热、烹调和冷却工艺以及用于这些目的的设备的运作。许多决定质量的参数也取决于各个工艺所用的能源量，因此仅通过工艺优化只能在有限的程度上减少这些能源量。因此，正在努力减少对化石能源的需求，并在不降低产品质量的情况下通过可再生能源加以满足。
酿酒工艺中产生的最重要的残留物是谷物、(旧)酵母、麦芽粉尘和废水。其特点是生化物质含量相对较高，原则上允许能源回收。众所周知，沼气设备可以从这些残留物中获得含有甲烷的沼气。其被净化，通常与天然气混合，并在锅炉或热电联产装置中燃烧。这种混合是必要的，因为传统的沼气设备要么不能产生与需求相适应的能源量，要么必须足够大，才能充分回收残留物，从而无法实现经济运作。这主要是由于谷物占残留物的最大比例，而且由于木质素含量高，微生物转化效率相对较低。由于发酵时间需要几天才能充分转化，由于经济原因，产生的谷物通常不用于沼气生产，或者只用于相对较低的比例，并且通常以非再生方式处理。因此，原则上可回收的能源损失很大。
从DE 10 2016 014 103 B4中已知模块化生物质转化，其中生物残留物，如废水或污水污泥，首先通过分散和蛋白水解分离蛋白质水解物，然后通过酸化和分离矿物肥料进行预处理，以最终获得沼气和净化废水，其回收率高于单级工艺。
诚然，酿酒设备的传统的沼气设备可以达到相对较高的甲烷含量70至80％，而通常的甲烷含量为60至65％。然而，这只有在大多数情况下完全回收废水的情况下才有可能，因为废水通常具有有利于转化的高pH值和高碳水化合物含量。
此外，从DE 10 2014 001 907 A1中已知一种方法，通过使用湿发酵中的残留物对酿酒厂的生物残留物进行材料和能源回收。一方面，在发酵中获得的脱硫沼气被提供用于能源回收，另一方面，以氮、磷、钾和硫的形式将所有养分潜力集中在从发酵残留物中获得的肥料馏分中。为此，残留物首先悬浮，然后好氧水解。获得的水解物被供给到产生沼气的发酵罐系统。然而，以这种方式获得的沼气产量并不令人满意。此外，对残留物中所含养分的主要能源回收越来越多地被认为是不允许的，因为这违反了欧盟循环经济条例的规定。
因此，需要进一步改进，以尽可能节约能源地运作酿酒设备，尽可能广泛地回收那里产生的所有残留物，以尽可能少的设备耗费和/或灵活地适应取决于运作的不断变化的能源需求。
所提出的目的通过权利要求1所述的方法和权利要求16所述的酿酒厂来实现。有利的实施方式在从属权利要求中指出。
该方法用于运作酿酒厂，包括在转炉阶段中可模块化可控的酿酒残留物的生物质转化，包括谷物和废水。在生物质转化中，至少通过在第一转炉阶段中分离蛋白质水解物的蛋白水解和在第二转炉阶段中分离矿物肥料的酸化，特别是离子交换来预处理谷物，并在此基础上在第三转炉阶段中通过沼气发酵获得沼气，特别是同时处理酿酒厂的酿酒设备的废水例如成工艺水。此外，获得的沼气至少按比例燃烧以向酿酒厂提供电力和/或热量。
因此，谷物和废水中所含的生物质可以一起加工，并以出乎意料的高甲烷产量加以回收。
酿酒残留物的预处理，特别是沼气发酵前矿物肥料的分离，提高了微生物的转化率，因此沼气生产在采购和运作上比已知的酿酒厂经济得多。在这方面，令人惊讶的是，随着逐步的生物质转化，沼气中的甲烷含量高达90％以上，即使在主要定量回收谷物和废水的情况下也是如此。因此，分离矿物肥料作为预处理，与碱性和相对含碳水化合物的废水相结合，导致甲烷含量意外增加。
由此获得的附加甲烷有助于能源自给自足的酿酒设备运作，在气体过剩的情况下，甲烷可以储存或以其他方式使用或经济地回收。因此，酿酒设备对热能和电能的名义需求可以再生地满足，对外部能源供应的需求可以最小化。换句话说，基本上能源自给自足的酿酒设备运作是可能的。这确保了同样具有成本效益和可持续的生产。
此外，分离的可回收材料，即蛋白质水解物和/或可选获得的蛋白质馏分，例如先前滤出的蛋白质馏分，也可作为生产食品的原料在经济上加以回收，就像分离的矿物肥料用于农业一样。
生物质转化是在一个模块化的生物质转化设备中进行的，该系统具有串行切换和单独可控的转炉阶段。因此，所供给的酿酒残留物在单独的、机器可控的、相应地可相互匹配的工艺级中处理。这意味着，例如，在预处理中分离的可回收材料(如蛋白质馏分、蛋白质水解物和/或矿物肥料)的相对量可以与通过沼气发酵产生的沼气的相对量相匹配，例如，取决于酿酒残留物的组成和/或沼气需求。
对于酿酒厂来说，逐步的生物质转化的优点是固体和液体的酿酒残留物可以在一个共同的设备中进行加工和回收。在传统的沼气设备中，谷物通常必须与废水分开处理。根据本发明，通过所述的谷物预处理来避免这种情况，根据该预处理，在生物质转化设备中，剩余的固体颗粒可以被引入液相并与酿酒设备废水，即来自酿酒工艺的废水或来自酿酒厂中的其他工艺的废水混合，从而可以避免传统沼气生产的已知产量损失。
酿酒残留物的生物质转化可以包括在第一和/或第二转炉阶段中的细胞消解。这样的细胞消解可以提高所述方法的有效性，并且由于所需的相对较大的设备耗费，例如，根据经济考虑，必要时可选地集成。然后，细胞消解主要发生在第一转炉阶段中，但原则上也可以发生在第二转炉阶段中。
然而，酿酒残留物的生物质转化并不一定要求在第一和/或第二转炉阶段中进行细胞消解。例如，酿酒残留物的机械粉碎(不一定导致细胞消解)可能就足够了。
蛋白质水解物可以通过分离，例如是分离，特别是板分离，或者例如是膜过滤，特别是超滤来分离。补充地或替代地，含有矿物肥料的养分及肥料溶液可以通过厌氧酸化和随后的分离，例如分离，特别是板分离或例如膜过滤，特别是超滤和下游离子交换来分离。这种分离特别有效，便于对由此产生的馏分进行进一步加工。
为此，生物质转化设备还可包括：分配给第一转炉阶段的分离单元，用于通过分离，特别是离心分离来分离蛋白质水解物，或用于膜过滤，特别是超滤；和/或分配给第二转炉阶段的分离单元，用于分离，特别是离心分离，或用于膜过滤，特别是超滤，具有下游离子交换器，用于分离含有矿物肥料的养分及肥料溶液。
为了提高分离的蛋白质水解物(包括氨基酸和肽)的纯度，可以进行纯化的附加方法步骤，例如通过蛋白质沉淀，然后通过过滤和/或离心分离来分离沉淀肽和/或氨基酸。补充地或替代地，用色谱纯化蛋白质水解物是可能的。
相应地，用于附加纯化(分离的)蛋白质水解物的生物质转化设备可以包括至少一个分配给第一转炉阶段的纯化单元，例如：用于蛋白质沉淀和随后过滤和/或离心分离沉淀肽和/或氨基酸的单元；和/或用于色谱分离的单元(色谱单元)。
对于所述方法和生物质转化设备的所有描述和/或示出的实施方式，上述蛋白质水解物的附加纯化是可能的，因此应被理解为蛋白质水解物分离的一般选择，即使在没有明确提及的情况下也是如此。
优选地，将从第一转炉阶段传导到第二转炉阶段的保留物(由酿酒残留物产生)临时储存在至少一个缓冲容器中，特别是在第一转炉阶段的不连续运作和第二和转炉阶段的连续运作的情况下。可选地，在第二和第三转炉阶段之间临时储存介质/酸水(由保留物产生)，其中，后者优选地同样连续地运作。因此，第一转炉阶段可以根据酿酒残留物的积累/可用性而不连续地运作，即在所谓的批次运作中，而在第二和第三转炉阶段中，对于微生物和基于微生物的生化工艺，基本上连续运作是可能的。
优选地，获得的沼气的第一部分临时储存在酿酒厂的区域中，和/或沼气的第二部分馈送到外部气网。沼气的第一和/或第二部分可以通过机器控制，例如通过至少一个电子控制的气体分配器，供给到临时储存装置或外部使用。
由于酿酒工艺的总体能源平衡，通过逐步的生物质转化，原则上可以生产出多余的甲烷。多余的沼气/甲烷可以储存在现场，例如，用于启动酿酒工艺或在检查中断后的相关设备部件。如果长期不使用多余的沼气，由于甲烷的挥发性，将沼气馈送到外部气网可能是有利的，从而经济地回收沼气。多余的沼气也可用于供应其他生产设备，如柠檬水生产，例如，如果这些设备不产生或较少产生可适当回收的残留物。
优选地，获得的沼气的第三部分在热电联产装置中燃烧和/或沼气的第四部分在锅炉中燃烧，以产生热量(以蒸汽或热水的形式)，例如用于产生热水(例如用于捣碎水、尾水和/或漂洗水)或用于产生热水作为热水(例如用于加热热量消耗器，例如捣碎装置)。因此，沼气中所含的能源可以根据酿酒设备的热量和电力需求灵活高效地转化为热量和电力。沼气的第三和/或第四部分可以通过机器控制，例如通过至少一个电子控制的气体分配器，分别供给到热电联产装置或锅炉。
优选地，由沼气的第三部分产生的电力供给到设备内部的电力消耗器，特别是酿酒设备和/或设备内部的电荷储存器，和/或电力按比例馈送到外部电网。
由于沼气生产效率的提高，热电联产装置可以从酿酒残留物中产生比酿酒设备本身所需的更多的电力。这种过剩的产能可以通过储存在酿酒厂区域来缓冲和/或与电网运营商协调，有针对性地用于电荷调节。例如，电动汽车充电桩与之配套运作也是可以设想的。
优选地，从沼气的第三和/或第四部分产生的热量在设备内部临时储存在热量储存器中，并供给到酿酒工艺。这允许在时间上缓冲可用的热量量，并在必要时与酿酒设备的其他热源，特别是再生热源相结合。
优选地，用于生物质转化的酿酒残留物由至少20重量百分比，特别是至少50重量百分比的谷物组成。谷物的生物质，例如所含的木质素，在其他方面很难回收，可以通过多级生物质转化与废水一起以出乎意料的高效方式转化为甲烷含量相对较高的沼气。
优选地，沼气的甲烷含量至少为70％，特别是至少为90％。这使得天然气的加入变得不必要，并有利于能源自给自足的酿酒设备运作。
优选地，酵母和/或麦芽粉尘和/或热酒糟和/或冷酒糟也被供给到生物质转化。然后，酿酒工艺中的所有主要残留物都可以一起预处理，并有效地转化为沼气。
优选地，生物质被机器控制地从第二转炉阶段返回到第一转炉阶段和/或从第三转炉阶段返回到第二转炉阶段。因此，用于发酵的生物质的预处理，包括可回收材料的分离，可以适应所供给的酿酒残留物的组成和/或所需的沼气量和/或沼气的规定甲烷含量。
优选地，通过添加氢气的甲烷化和使用沼气发酵产生的甲烷细菌来降低沼气中的二氧化碳含量。这使得基本上CO2中性的酿造工艺成为可能。此外，还可以增加获得的沼气的甲烷含量。
优选地，所分离的蛋白质水解物含有用于食品工业加工的原料，特别是肽和氨基酸，和/或所分离的矿物肥料含有至少一种农业肥料，特别是硫酸铵、磷酸氢二铵、磷酸钾、硫酸钙和/或硫酸镁。
由于在预处理阶段中所述的可回收材料分离，酿酒残留物中的营养成分，例如蛋白质和碳水化合物，也可以被材料回收，例如用于食品生产，而不是通过沼气发酵进行能源回收。
该酿酒厂包括酿酒设备、生物质转化设备和热电联产装置，其中，用于将酿酒设备的残余物特别是谷物进行生物质转化的生物质转化设备包括：第一转炉阶段，用于分离蛋白质水解物的蛋白水解；第二转炉阶段，用于酸化，特别是用于离子交换，同时分离矿物肥料；以及第三转炉阶段，用于通过沼气发酵为热电联产装置获得沼气，特别是同时处理废水成工艺水。
为此，转炉阶段优选地是单独的和/或机器可控的，用于相互协调。
第一和第二转炉阶段用于对供给的酿酒残留物进行预处理，以便在第三转炉阶段进行更有效的沼气发酵，也用于可回收材料的分离。否则，分离和排出的矿物肥料将降低沼气发酵的产量。
第一和/或第二转炉阶段可以进一步被构造用于细胞消解。
另一方面，第一和/或第二转炉阶段也可以被构造仅用于酿酒残留物的机械粉碎，并且在这种情况下不一定导致细胞消解。
在第一和第二转炉阶段之间和/或在第二和第三转炉阶段之间分别连接至少一个缓冲容器(缓冲罐)，以便为第二转炉阶段临时存储来自第一转炉阶段的保留物，或为第三转炉阶段临时存储来自第二转炉阶段的另一种介质(酸水)。因此，保留物/介质(酸水)可用于第二/第三转炉阶段的连续的进一步加工，特别是在第一转炉阶段静止的情况下。
因此，根据啤酒产量的不同，第一转炉阶段可以不连续地运作(分批或作为批次工艺)，并且在必要时可以静止或运作，而在生化工艺(基于微生物)期间可以在第二和第三转炉阶段连续地保持。
优选地，酿酒厂还包括至少一个用于临时储存获得的沼气的气体储存器和/或一个用于临时储存从沼气获得的热量的热量储存器和/或一个用于临时储存在热电联产装置中从沼气获得的电力的电荷储存器。因此，沼气可以根据需要有效地用于不同的酿酒工艺，例如以热量的形式加热和烹调酿酒产品，以及以电力的形式冷却和运输酿酒产品。
优选地，酿酒厂还包括机器可控的气体分配器，用于将获得的沼气逐步分配到设备内部同时储存在气体储存器中的第一部分和/或待馈送到外部气网的第二部分和/或在热电联产装置中待燃烧的第三部分和/或在锅炉中在设备内部待燃烧的第四部分。
优选地，酿酒厂包括电子控制装置，用于根据依赖于运作确定的酿酒设备的热量和/或电力需求来控制气体分配器。
因此，获得的沼气可以最佳地回收，例如，取决于酿酒设备的不同运作条件，也可以在相关气体过剩的情况下回收，并且最佳地自动回收，即无需操作员干预。
优选地，第一和第二转炉阶段被构造成，使得蛋白质水解物的分离，特别是进一步的从细胞消解产生的蛋白质馏分的上游分离，以及矿物肥料的分离可以分别单独机器控制。
例如，在一定限度内改变残留物回收的工作点可能是有利的。例如，可以降低获得的蛋白质水解物的比例，从而提高获得的沼气的产量。例如，在减少生产的情况下，即在相对较低的能源需求下，可以主要或仅获得蛋白质水解物，从而相应地减少或停止沼气的生产。
本发明的一种优选的实施方式如附图所示。附图中：
图1示出了多级生物质转化方法的示意图；
图2示出了带有介质流的酿酒厂的示意图；
图3示出了生物质转化的工艺和物质流；
图4示出了根据图1的方法的设计方案，在转炉阶段之间具有附加介质缓冲装置；和
图5示出了根据图3的工艺和物质流的设计方案，具有对蛋白质水解物的附加纯化。
如图1所示，这里描述的方法可以在具有酿酒设备2、生物质转化设备3和热电联产装置4的酿酒厂1中进行。
生物质转化设备3包括第一转炉阶段3a，用于用谷物5a和废水5b以及可选地用酵母5c和/或麦芽粉尘5d(和/或热酒糟和/或冷酒糟)对酿酒残留物5进行生物质转化，用于可选地在分离蛋白质水解物6a的情况下进行细胞消解和蛋白水解；随后的第二转炉阶段3b，用于酸化，并在必要时用于离子交换，同时分离矿物肥料6b；以及依此随后的第三转炉阶段3c，用于通过沼气发酵为热电联产装置4获得沼气7，优选地同时处理废水5b成工艺水8。
第一和第二转炉阶段3a，3b一方面用于至少预处理谷物5a以及必要时用于在第三转炉阶段3c中其沼气发酵的进一步供给的酿酒残留物5，另一方面用于从酿酒残留物5中分离可回收材料6，即蛋白质水解物6a(包括肽和氨基酸)和矿物肥料6b(例如铵肥)。在第一转炉阶段3a中，在初始细胞消解后获得的蛋白质馏分6c原则上也可以作为可回收材料6获得。然而，这只能被理解为附加的回收选择，例如，取决于酿酒残留物的组成5。
原则上，矿物肥料6b对沼气发酵具有抑制作用。因此，矿物肥料6b的上游分离和排出提高了这里描述的沼气发酵的甲烷产量，从而提高了其效率。
生物质转化设备3包括(未示出的)电子控制装置，用于对各个转炉阶段3a，3b，3c进行机器控制，一方面是相互独立的，另一方面是相互组合或相互协调的。
因此，在转炉阶段3a，3b，3c中发生的化学和物理工艺，例如关于可回收材料6的分离和/或生物质9的再循环和/或沼气7的产生，可以被特别优化。
例如，在生物质转化设备3中进行的用于后续沼气发酵和相关可回收材料6分离的预处理可以适应所供给的酿酒残留物5的组成和/或沼气7的所需量和/或沼气7的规定甲烷含量。
在图1中，作为示例，示意性地指示了从第二转炉阶段3b到第一转炉阶段3a和/或从第三转炉阶段3c到第二转炉阶段3b的生物质9的机器控制再循环。
关于在转炉阶段3a，3b，3c中多级生物质转化的可能工艺变体，原则上可以参考DE10 2016 014 103 B4中描述的实施方式。
然而，与这里描述的方法相比，这里描述的方法在前两个转炉阶段3a，3b中的预处理是用谷物5a对酿酒残留物5进行的，谷物5a优选地占所有转化的酿酒残留物5的最大重量比例，或者至少占其中的20％。
为此，来自酿酒设备2的废水5b作为酿酒残留物5进一步供给到生物质转化设备3，例如第三转炉阶段3c。因此，谷物5a和废水5b中所含的生物质在同一生物质转化设备3中被再生回收，这也导致特别高的甲烷产量。
如图2所示，在扩展实施方式中，酿酒厂1可以包括：至少一个用于临时储存获得的沼气7的气体储存器10；和/或一个用于临时储存从沼气7获得的热量12的热量储存器11，例如一个用于作为加热介质的热水的分层储存器；和/或一个用于在热电联产装置4中从沼气7获得的电力14充电的电荷储存器13(蓄能器)，并在需要电力时向酿酒设备2输送电力14。
因此，沼气7可以根据需要有效地用于酿酒设备2中的不同酿酒工艺，例如以热量12的形式用于加热和烹调，以及以电力14的形式用于冷却和运输。
来自热电联产装置4的多余电力14可以馈送到外部电网(未示出)，并且可以在必要时通过电荷储存器13回收。
酿酒厂1优选地还包括机器可控的气体分配器15，用于将获得的沼气7逐步分配到设备内部储存在气体储存器10中的沼气7的第一部分7a和/或待馈送到外部气网(未示出)的沼气7的第二部分7b和/或在热电联产装置4中待燃烧的沼气的第三部分7c和/或在锅炉16中在设备内部待燃烧的沼气7的第四部分7d，以产生热量12。
气体分配器15可以以基本已知的方式包括阀门和/或由酿酒厂1的(仅示意性地指示的)电子控制装置17根据依赖于运作确定的酿酒设备2的热量和/或电力需求来控制/调节。
使用气体分配器15，沼气7优选地自动分配，即无需操作员干预，并且根据酿酒设备2的不同运作条件最佳地回收沼气7。在气体过剩的情况下，即当沼气7的生产超过酿酒设备2的现有能源需求时，例如，其第一和/或第二部分7a，7b可以增加，以便暂时储存或通过设备外部使用回收多余的沼气7。
对于气体分配器15，可以例如通过控制装置17的适当编程，在工艺控制的框架内为酿酒设备2的特定运作条件规定标称分配比。例如，第一部分7a标称为20％，第二部分7b标称为0％，第三部分7c标称为70％，第四部分7d标称为10％。
然后，所产生的沼气7的标称分配比可以在适当的规定限度内自动调整，例如，取决于酿酒设备2的运作状态，取决于热电联产装置4或锅炉16的实际运作的要求和/或取决于气体储存器10的剩余容量。通过这种方式，可以特别灵活地优化所产生的沼气7的使用。
根据生物质转化设备3的容量，可以设想包括附加的可再生能源，例如用于电荷储存器13的充电，这里示例性地包括用于发电的光伏太阳能模块单元18。虽然未示出，替代地或附加地，但例如针对锅炉16，太阳能热系统可用于可再生地产生工艺热。
图1还示意性地指示了酿酒设备2中啤酒酿造的基本已知原料和产品以及生物质转化设备3的辅料，即麦芽21(或其他淀粉原料，如大麦、玉米、大米)、淡水22、啤酒花23、啤酒24、二氧化碳25、酸26、碱液27和酶28。
使用所述方法，除了或替代酿酒设备2的能源自给自足的生产运作外，其CO2中性的生产运作也是可能的。
此外，通过添加氢气的甲烷化和使用沼气发酵产生的甲烷细菌可以降低沼气7中的二氧化碳含量，从而提高甲烷含量。其他方法也可用于在沼气发酵结束时减少CO2，例如，参见DE 10 2016 014 103 B4中描述的工艺。
除了强制性的酿酒设备2、生物质转化设备3和热电联产装置4之外，酿酒厂1可以以模块化的方式设计，或者在必要时可以扩展，例如，具有气体储存器10、电荷储存器13和/或气体分配器15。根据生物质转化设备3的可再生能力和设备部件允许的沼气使用和/或单个能源载体的临时储存的灵活性，通过适当的模块化设计/酿酒厂1的扩展，可以降低酿酒设备2的外部能源及资源需求，直至能源自给自足的运作模式。
例如，可以在模拟和消耗测量的基础上进行适当的设备设计。同样，在实践中证实，酿酒残留物5中所含的生物质和可回收的能源足以为作为所述酿酒厂1的一部分的酿酒设备2提供能源自给自足的供应。
基于生物质转化设备3中的多级生物质转化以及由此提高的回收效率，原则上，酿酒设备2的基本目标能源自给自足的运作也只能使用所述酿酒厂1的某些部件。在必要时，例如，向外部网络的馈送、设备内部的气体储存、太阳能发电等可能是不必要的。
例如由于结构或经济原因，对所述酿酒厂1的现有酿酒设备2的某些部件的改造在个别情况下应该停止，酿酒厂1的上述基本配置仍然允许与具有沼气生产的传统酿酒厂相比，对外部能源供应的需求显著减少，直至以相对较低的设备耗费达到能源自给自足的酿酒设备运作。
当谈及麦芽粉尘时，其包括任何淀粉载体的粉尘，如大麦、大米或玉米。
当提到酿造工艺时，也包括准备或后续工艺，如清洗工艺。
图3示出了在第一、第二和第三转炉阶段3a，3b和3c中的生物质转化的工艺和物质流的方法的实施方式。
因此，在第一转炉阶段3a中，首先用淡水22悬浮31以谷物5a、酵母5c和/或麦芽粉尘5d(和/或热酒糟和/或冷酒糟)的形式供给的酿酒残留物5，以产生例如具有10至12％干物质含量的悬浮液。为了减少对水的需求，可以使用工艺水8代替淡水22和/或在酿造工艺中产生的清水和/或在设备清洗过程中通过CIP(就地清洗)设备收集的堆叠水来进行悬浮。
以这种方式悬浮的酿酒残留物5进一步在第一转炉阶段3a中经受分散33(分散相在流体相中的分布)和粉碎34。例如，胶体磨机或搅拌器球磨机可用于粉碎34。
粉碎34可以可选性地进行直到细胞消解35，但这原则上也可以通过添加酶和/或特别是同时超声处理或以其他化学物理方式进行。
然后在第一转炉阶段3a中对粉碎的悬浮液进行蛋白水解36a。在这里，蛋白水解36a总是被理解为蛋白质的酶解36。(可选的)细胞消解35和(强制性的)蛋白水解36a可以在共同容器中进行，也可以在单独容器中依次进行。
蛋白水解36a在可加热的容器中进行，其中，供给的悬浮液例如用搅拌器或泵送装置保持尽可能均匀。为了有效地输入能源以达到适合于所用酶28(见图1)的反应温度，可以使用所谓的枕板加热表面(具有产品侧衬垫状的不平整度)等。
酶水解36，即蛋白水解36a的主要目标是将蛋白质分解成肽和氨基酸，使得这些肽和氨基酸在蛋白水解36a之后以(化学)溶解的形式存在，并且可以通过随后的第一分离37分离、排出并因此单独回收。对于蛋白水解36a，可以添加纯形式或功能混合物的技术酶28。
还可以添加其他的技术酶28，因为水解36不必局限于蛋白水解36a。因此，例如，木质纤维素成分可以通过添加其他的技术酶28在蛋白水解36a期间被裂解。这种做法是有利的，但不是强制性的。
以液体蛋白质水解物6a形式的肽和氨基酸的第一分离37，例如通过用于分离，特别是离心分离，或用于膜过滤，特别是超滤的第一分离单元38是可能的。然而，其他分离装置，例如其他分离器、倾析器和/或离心机，也可以替代地或附加地在上游使用。所得到的保留物可以可选地首先供给到缓冲容器20(如图4所示)。替代地，其可以适当地浓缩，例如15至25％的干物质含量，直接送入第二转炉阶段3b。因此，在水解36中未溶解或由于第一分离37而未排出的所有成分都浓缩在保留物中。第一分离37在工艺上分配给第一转炉阶段3a。然而，用于此目的的第一分离单元38可以在空间上相对灵活地布置在第一转炉阶段3a的区域内或在该转炉阶段和第二转炉阶段3b之间。
通过蛋白质水解物6a的第一分离37，优选地仅将原始氮含量的50至80％(供给到第一转炉阶段3a的酿酒残留物5)供给到第二转炉阶段3b，以便在那里进行厌氧水解/酸化39。这是在沼气生产的上游发酵工艺中进行的，发酵工艺涉及产酸微生物，在发酵工艺中，酸性气体40主要由CO2、H2和H2S组成。这种酸性气体40经过适当的净化后可用于能源回收，例如在热电联产装置4中。
厌氧水解/酸化39在第二转炉阶段3b的(通过加热和/或冷却)可温控的搅拌容器(未示出)中进行。整个发酵液通过适当的分离装置，特别是用于膜过滤，特别是用于超滤的第二分离单元42，为了第二分离41而在循环中连续运作。然而，其他分离装置，例如示例性分离器，也可以替代地或附加地在上游使用。发酵液也可以在批次工艺中供给到第二分离41。
通过酸化39进入水溶液的组分，例如铵、磷酸盐和金属离子，通过未水解的固体负载物9a的第二分离41连续分离，并在离子交换器44中供给到离子交换43。所得到的再生物是含有或可制备成矿物肥料6b的养分及肥料溶液45。也就是说，矿物肥料6b以化学溶解的形式存在于养分及肥料溶液45中，即以液体的形式存在，而不是以悬浮液的形式存在。例如，用碱液和酸再生离子交换器44；相关的再生物是肥料溶液45。
因此，从厌氧酸化39的液相(在第二转炉阶段3b中的预发酵)而不仅仅是从甲烷/沼气发酵46的发酵残留物9b(在第三转炉阶段3c中的主要发酵)中获得养分及肥料溶液45或矿物肥料6b。
在甲烷/沼气发酵46之前专门从铵离子中分离给第三转炉阶段3c的效率带来巨大的好处，因为铵离子抑制第三转炉阶段3c中的各种细菌，这将严重阻碍甲烷/沼气发酵46。
由于根据本发明的工艺流程具有由于第一转炉阶段3a中的蛋白水解36a和第二转炉阶段3b中的厌氧酸化39，即在甲烷发酵46之前，而导致的蛋白质水解物6a以及养分及肥料溶液45或矿物肥料6b的形式的养分的预先分离，第三转炉阶段3c的设计可以比具有在那里或下游养分分离的已知方法小大约4-6倍。
在用于获得沼气7的甲烷/沼气发酵46之前，在第一转炉阶段3a中的第一分离37，在第二转炉阶段3b中的第二分离41和在第二转炉阶段3b中的离子交换43分别改善了产生甲烷的细菌的性能，这不仅允许更小的设备，而且导致更高的甲烷浓度。后者可以通过将生成的酸性气体40添加到甲烷/沼气发酵46(未示出)来增加，因为酸性气体40中的氢在沼气7中与二氧化碳反应生成甲烷。
酸化39和第二分离41产生的固体负载物9a可以作为生物质9(图1)返回到第一转炉阶段3a。
从随后的离子交换43产生的酸水送入第三转炉阶段3c，在那里产生带有甲烷细菌的沼气7。此外，作为酿酒残余物5的一部分的废水5b供给到第三转炉阶段3c。
来自第三转炉阶段3c的发酵残留物9b优选地作为生物质9(图1)供给到第二转炉阶段3b。
通过将生物质9从第三转炉阶段3c到第二转炉阶段3b和从第二转炉阶段3b到第一转炉阶段3a的(在正在进行的工艺中优选地是恒定的)再循环，实现了不需要在其他地方处理或至少更少地处理由酿酒残留物5产生的污泥。
在甲烷/沼气发酵46之后剩余的残余废水47可以从第三转炉阶段3c供给到例如废水处理厂和/或用作或被处理成工艺水8(图2)。为此，例如，残余废水47供给到经典的好氧废水处理系统，然后被消毒。
所描述的废水5b的处理至少包括厌氧废水处理，其中废水5b中的有机物质被转化为沼气7。在这种厌氧废水处理之后，可以进行好氧废水处理和/或消毒。好氧废水处理和/或消毒也可以是酿酒厂1的一部分。
图4示出了图1所述方法的有利设计方案，该方法具有在第一和第二转炉阶段3a，3b之间的缓冲容器20中附加地可选地临时储存(缓冲)酿酒残留物5产生的保留物，以及在第二和第三转炉阶段3b，3c之间的缓冲容器20中附加地可选地临时储存(缓冲)由保留物产生的介质(酸水)。最重要的是，第一和第二转炉阶段3a，3b之间的缓冲用于在上游第一转炉阶段3a的不连续运作中维持第二和第三转炉阶段3b，3c中微生物的适当工艺条件，由于生产的原因，酿酒残留物5通常必须不均匀地供给到该阶段。在第二和第三转炉阶段3b，3c之间的介质缓冲支持生物质转化设备3的这样的运作模式，但在适当情况下也是可有可无的。
图4的其余部分见图1的解释性说明。
由于第一转炉阶段3a优选不连续工作(作为批次工艺)，第二转炉阶段3b优选连续工作，缓冲容器20至少在第一转炉阶段3a和第二转炉阶段3b之间是有利的。因此，第二转炉阶段3b(和第三转炉阶段3c)可以不间断地运作(例如，在没有啤酒生产的周末)，并且必须仅为清洁和维护目的而停工。在第一转炉阶段3a和第二转炉阶段3b之间和/或在第二转炉阶段3b和第三转炉阶段3c之间可以存在缓冲容器(缓冲罐等)20。
由于第二转炉阶段3b和第三转炉阶段3c中的工艺分别基于微生物，因此应尽可能连续地维持这些工艺。因此，来自第一转炉阶段3a的保留物应连续供应到第二转炉阶段3b，来自第二转炉阶段3b的介质(酸水)应连续供应到第三转炉阶段3c。
相比之下，第一转炉阶段3a中的酶法工艺非常适合于不连续运作(批次工艺)。由于酿酒设备2通常不是24小时和每天生产啤酒，因此不能保证酿酒残留物5连续产生或库存，因此在第一和第二转炉阶段3a，3b之间插入缓冲容器20是有利的。在第二和第三转炉阶段3b，3c中的优选连续工艺也可以以这样一种方式相互协调，使得在两者之间不需要介质缓冲。然而，这可以有助于更灵活或更稳定的工艺管理。
图5示出了根据图3的生物质转化的可选设计方案，具有蛋白质水解物6a的附加纯化37a。据此，在第一分离单元38(基于分离，特别是离心分离，或膜过滤，特别是超滤)中以液体蛋白质水解物6a形式的肽和氨基酸的第一分离37可通过在下游纯化单元48中的附加纯化37a在必要时改进。
提纯单元48可以是例如用于蛋白质沉淀和随后过滤和/或离心分离沉淀肽和/或氨基酸的单元和/或色谱分离单元。
关于图5的其余部分，请参阅图3的解释性说明。
Claims (25)
1.一种用于运作酿酒厂(1)的方法，其中，产生的酿酒残留物(5)包括通过在第一转炉阶段(3a)中分离蛋白质水解物(6a)的蛋白水解(36a)进行生物质转化的谷物(5a)和废水(5b)，通过酸化(39)，特别是通过离子交换(43)，在第二转炉阶段(3b)中分离矿物肥料(6b)，以及在第三转炉阶段(3c)中通过沼气发酵(46)以获得沼气(7)，特别是同时处理所述酿酒设备(2)的废水(5b)，并且其中，所述沼气至少按比例燃烧以向所述酿酒厂提供电力和/或热量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述生物质转化包括在所述第一和/或第二转炉阶段(3a,3b)中对所述酿酒残留物(5)的机械粉碎(34)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述生物质转化包括在所述第一和/或第二转炉阶段(3a,3b)中的细胞消解(35)。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述蛋白质水解物(6a)通过分离，特别是离心分离和/或通过膜过滤，特别是超滤的第一分离(37)分离，和/或其中，含有所述矿物肥料(6b)的养分及肥料溶液(45)在厌氧酸化(39)后通过分离，特别是离心分离和/或通过膜过滤，特别是超滤的第二分离(41)和下游离子交换(43)分离。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一分离(37)包括通过蛋白质沉淀，通过过滤和/或离心分离来分离沉淀肽和/或氨基酸，和/或通过色谱分离来纯化(37a)所述蛋白质水解物(6a)。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中，将从所述第一转炉阶段(3a)传导到所述第二转炉阶段(3b)的保留物和/或从所述第二转炉阶段(3b)传导到所述第三转炉阶段(3c)的酸水分别临时储存在至少一个缓冲容器(20)中，特别是在所述第一转炉阶段(3a)的不连续运作和所述第二和/或第三转炉阶段(3b,3c)的基本连续运作的情况下。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中，所述沼气(7)的第一部分(7a)临时储存在所述酿酒厂(1)的区域中和/或所述沼气的第二部分(7b)馈送到外部气网。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中，所述沼气(7)的第三部分(7c)在热电联产装置(4)中燃烧和/或所述沼气的第四部分(7d)在设备内部的锅炉(16)中燃烧。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，由所述沼气(7)的第三部分(7c)产生的电力(14)供给到所述酿酒厂(1)内的酿酒工艺和/或设备内部的电荷储存器(13)和/或馈送到外部电网。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，从所述沼气(17)的所述第三和/或第四部分(7c,7d)产生的热量(12)在设备内部临时储存在热量储存器(11)中，并供给到酿酒工艺。
11.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中，供给到所述生物质转化的所述酿酒残留物(5)包括至少20重量百分比，特别是至少50重量百分比的谷物(5a)。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中，所述沼气(7)的甲烷含量至少为70％，特别是至少为90％。
13.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中，酵母(5c)和/或麦芽粉尘(5d)和/或热酒糟和/或冷酒糟也被供给到所述生物质转化。
14.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中，生物质(9)被机器控制地从所述第二转炉阶段返回到所述第一转炉阶段(3b,3a)和/或从所述第三转炉阶段返回到所述第二转炉阶段(3c,3b)。
15.根据前述权利要求中至少一项所述的方法，其中，特别是在所述第三转炉阶段(3c)中通过添加氢气的甲烷化和使用沼气发酵产生的甲烷细菌来降低所述沼气(7)中的二氧化碳含量。
16.一种具有酿酒设备(2)，生物质转化设备(3)和热电联产装置(4)的酿酒厂(1)，其中，用于将所述酿酒设备的残余物(5)特别是谷物(5a)进行生物质转化的所述生物质转化设备包括：第一转炉阶段(3a)，用于分离蛋白质水解物(6a)的蛋白水解(36a)；第二转炉阶段(3b)，用于酸化(39)，特别是用于离子交换(43)，同时分离矿物肥料(6b)；以及第三转炉阶段(3c)，用于通过沼气发酵为所述热电联产装置(4)获得沼气(7)，特别是同时处理所述酿酒设备(2)的废水(5b)。
17.根据权利要求16所述的酿酒厂，其中，所述第一转炉阶段(3a)和/或所述第二转炉阶段(3b)进一步被构造用于所述酿酒残留物(5)的机械粉碎(34)。
18.根据权利要求16或17所述的酿酒厂，其中，所述第一转炉阶段(3a)和/或所述第二转炉阶段(3b)进一步被构造用于细胞消解(35)。
19.根据权利要求16、17或18所述的酿酒厂，其中，所述生物质转化设备(3)还包括：第一分离单元(38)，用于通过分离，特别是离心分离和/或通过膜过滤，特别是超滤的所述蛋白质水解物(6a)分离；和/或第二分离单元(42)，用于分离，特别是离心分离，和/或膜过滤，特别是超滤，具有下游离子交换器(44)，用于分离含有所述矿物肥料(6b)的养分及肥料溶液(45)。
20.根据权利要求19所述的酿酒厂，其中，所述第一分离单元(38)分配有用于纯化(37a)所述蛋白质水解物(6a)的纯化单元(48)，特别是在下游，特别是以用于蛋白质沉淀和随后过滤和/或离心分离沉淀肽和/或氨基酸的单元的形式和/或以色谱分离的单元的形式。
21.根据权利要求16至20中至少一项所述的酿酒厂，还具有至少一个用于临时储存获得的沼气(7)的气体储存器(10)和/或一个用于临时储存从所述沼气获得的热量(12)的热量储存器(11)和/或一个用于临时储存在所述热电联产装置(4)中从所述沼气获得的电力(14)的电荷储存器(13)。
22.根据权利要求16至21中至少一项所述的酿酒厂，还具有机器可控的气体分配器(15)，用于将获得的沼气(7)逐步分配到设备内部储存在气体储存器(10)中的第一部分(7a)和/或待馈送到外部气网的第二部分(7b)和/或在所述热电联产装置(4)中待燃烧的第三部分(7c)和/或在锅炉(16)中在设备内部待燃烧的第四部分(7d)。
23.根据权利要求22所述的酿酒厂，还具有控制装置(17)，用于根据特别依赖于运作确定的所述酿酒设备(2)的热量和/或电力需求来控制所述气体分配器(15)。
24.根据权利要求16至23中至少一项所述的酿酒厂，其中，关于分离蛋白质水解物(6a)的所述第一转炉阶段(3a)，特别是关于从细胞消解产生的蛋白质馏分(6c)的上游分离，以及关于分离矿物肥料(6b)的所述第二转炉阶段(3b)可以单独机器控制。
25.根据权利要求16至24中至少一项所述的酿酒厂，其中，在所述第一转炉阶段(3a)和所述第二转炉阶段(3b)之间连接缓冲容器(20)，用于临时储存保留物，以便在所述第二转炉阶段(3b)中保持所述保留物以用于基本上连续的进一步加工，特别是在所述第一转炉阶段(3a)静止的情况下。
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