DE102006040567A1

DE102006040567A1 - Verfahren zur Herstellung von Bioethanol

Info

Publication number: DE102006040567A1
Application number: DE102006040567A
Authority: DE
Inventors: Andre Düx; Andreas Dr. Jupke; Dieter Mrotzek; Georg Dr. Ronge; Sebastian Dr. Schmidt; Matthias Böhm
Original assignee: Bayer Technology Services GmbH
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2008-03-06
Also published as: AR062602A1; WO2008025522A1; EP2059603A1; NO20090950L; RU2009111200A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus Biomasse, bei dem die Biomasse zerkleinert wird, die verbleibende Biomasse einer Fermentation zugeführt wird und das Ethanol aus dem Produkt der Fermentation gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass unlösliche Feststoffbestandteile und/oder nicht-fermentierbare Zucker aus der Biomasse vor der Fermentation und/oder Hefe nach der Fermentation abgetrennt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bioethanol aus Biomasse, vor allem Getreide und insbesondere Roggen durch fraktionierende Mahlung, Verzuckerung, Vergärung und Destillation. Eine Besonderheit des Verfahrens ist, dass nach der Verzuckerung zunächst ungelöste Feststoffbestandteile und in einem anschließenden Trennschritt nicht fermentierbare Kohlenhydrate (NFS: Non fermentable sugars) wie beispielsweise Pentosane und Glucane abgetrennt werden. Hierdurch wird die Abtrennung wertvoller Futterhefen nach der Fermentation (Hauptfermentation) überhaupt erst möglich. Die bei der Abtrennung nicht fermentierbarer Kohlenhydrate anfallende NFS-reiche Phase wird in einem separaten, parallel zur Hauptfermentation betriebenen Fermentationsschritt (Nebenfermentation) ggf. zusammen mit ungelösten Feststoffbestandteilen vergoren. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist es, dass ein Ausbeuteverlust durch in der NFS-Phase enthaltenen Zucker vermieden wird, da dieser in der parallel zur Hauptfermentation betriebenen Nebenfermentation ebenfalls zu Alkohol vergoren wird.
Die Vergärung von Biomassen ist unter dem Aspekt des künftig geplanten Zusatzes von Bioethanol zu Kraftstoffen wirtschaftlich von großer Bedeutung. Bei der großtechnischen Herstellung von Bioethanol können neben dem Hauptwertstoff Ethanol aber auch Wertstoffe für die Futtermittelindustrie, wie beispielsweise DDGS (Distillers' Dried Grains with Solubles) oder wertvolle Futterhefen, gewonnen werden.
Die Herstellung von Alkoholen durch Vergärung einer Biomasse ist eines der ältesten biotechnologischen Verfahren und wird u.a. für die Herstellung alkoholischer Getränke, wie Bier und Wein, eingesetzt. Auch die Herstellung von Alkohol, der industriell verwendet werden soll, durch Fermentation von Biomasse ist bereits seit langem bekannt. Derzeit werden entsprechende Alkohole, insbesondere Ethanol als Ausgangsstoff für die Herstellung von pharmazeutischen Zusammensetzungen, kosmetischen Produkten, und einer Reihe von Chemikalien verwendet.
Auch die Verwendung von fermentativ gewonnenem Ethanol als Energieträger ist seit langem bekannt, wurde jedoch aufgrund der im Vergleich zur Gewinnung von Erdöl höheren Verfahrenskosten in der Vergangenheit nicht gewerblich eingesetzt.
Durch die Verknappung der Erdölreserven und die im Kyoto-Abkommen geforderte CO₂-Reduzierung hat die mögliche Nutzung von Bioethanol als Energieträger neue Bedeutung erlangt. Es besteht daher ein großes Bedürfnis an verbesserten Verfahren zur Herstellung von Ethanol in größerem Umfang aus Biomasse.
Aufgrund der landwirtschaftlichen Überkapazitäten der Europäischen Union ist vor allem die Verwendung von Getreide, insbesondere Roggen für die Herstellung von Bioethanol interessant. Ein wesentlicher, die Herstellkosten eines Verfahrens bestimmenden Faktor ist der Stärkegehalt. Der Stärkegehalt von Weizen ist mit 67,5 Gew. % am höchsten, gefolgt von Triticale mit 66,5 Gew. % und Gerste mit 66,1 Gew. %. Roggen verfügt über einen Stärkeanteil von 64,6 Gew. % und hat aufgrund seiner Kornform, der geringeren Korngröße sowie des höheren Gehalts an nicht vergärbaren Pentosanen eine geringere Ethanolausbeute. Roggen weist einen relativ hohen Proteingehalt auf, der einerseits negativ auf die Ethanolherstellung, andererseits aber positiv auf das Distillers' Dried Grains with Solubles (DDGS) wirkt. Jedoch liegen noch keine Erfahrungen mit Roggen-DDGS vor und es ist folglich am Markt als Futtermittel noch nicht etabliert. Die Aussichten für eine mögliche Markteinführung werden positiv eingeschätzt. Bei der Erzeugung von Ethanol aus Roggen entstehen etwas höhere Konversionskosten als bei Weizen oder Triticale. Diese höheren Kosten resultieren aus der Anwendung viskositätssenkender Enzyme, um der Verschleimung im Konversionsprozess zu begegnen und dem höheren Dampfbedarf bei der DDGS-Trocknung. Eine Schlemperückführung ist nur nach Maßgabe der Einmaischkonzentration möglich und schwankt damit in Abhängigkeit von der Viskosität. Der Rohstoff muss gegebenenfalls im Hinblick auf sein Viskositätsverhalten vor der Verwendung getestet werden. Für die Verwendung von Roggen spricht zudem dass auf typischen Roggenstandorten nur bedingt andere Getreidearten angebaut werden können. Triticale gehören zu diesen Pflanzen, allerdings wird geschätzt, dass nur etwa 50 % der Roggenanbaufläche für diese Getreideart wirtschaftlich nutzbar sind. Wegen seiner geringen Ansprüche an Düngung und Pflege und des derzeitigen Überangebotes steht dieser als kostengünstiger Rohstoff für die Herstellung von Bioethanol zur Verfügung.
Im Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Herstellung von Alkoholen aus Biomasse bekannt. Da völlig unterschiedliche Biomassen als Ausgangsstoff für diese Verfahren verwendet werden, unter anderem Zuckerrohr, Zuckerrübe, Getreide, etc. unterscheiden sich auch die Verfahren zur Gewinnung des Bioalkohols stark voneinander. Auch bei Verwendung identischer Ausgangsstoffe gibt es unterschiedliche Verfahrensführungen.
Die bekannten fermentativen Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus Biomasse, insbesondere Getreide weisen folgende Schritte auf:

(a) Die Biomasse wird zerkleinert;
(b) Mikroorganismen werden zur Biomasse zugegeben und eine Fermentation wird durchgeführt; und
(c) Das Ethanol wird von der Biomasse abgetrennt.

Die Abtrennung des Ethanols erfolgt üblicherweise durch Destillation. Dabei fällt als Reststoff Schlempe an, die üblicherweise konzentriert und als Dünger oder nach Trocknung als proteinhaltiges Futtermittel verwendet wird.
Jeder einzelne dieser Verfahrensschritte ist im Stand der Technik in vielen Ausführungen (z.B. DE 3007138 A1 , DE 10321607 A1 , RU 2102 480 ) beschrieben.
In DE 3007138 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol durch Fermentieren eines kohlehydrathaltigen Substrats in einem oder mehreren Gärungsbehältern beschrieben. Nach der Fermentation wird die Gärflüssigkeit destilliert, rektifiziert und gegebenenfalls zu wasserfreiem Alkohol entwässert. Dabei wird die Gärungsflüssigkeit in mindestens eine Hefekonzentratströmung und eine hefefreie Strömung aufgeteilt. Die Hefekonzentratströmung wird in den Gärungsbehälter zurückgeführt und die hefefreie Phase durch Destillation in eine ethanolreiche und eine Restströmung (Schlempe) aufgeteilt. Die Restströmung wird wiederum teilweise dem Gärungsbehälter zugeführt. Die Vorteile des in der DE 3007138 A1 beschriebenen Verfahrens liegen darin, dass die hefefreie Strömung in einem einfachen Verdampfer unter Verwendung von einer oder wenigen Destillierstufen verarbeitet werden kann, indem man sie teilweise in eine ethanolreiche erste Dampfströmung und in eine erste flüssige Bodenströmung aufteilt. Die Dampfströmung wird einer Anlage zur Herstellung der gewünschten Ethanolqualität zugeführt. Die Bodenströmung wird teilweise in den Gärungsbehälter zurückgeführt und teilweise einer Abtriebseinheit zugeführt, in der dieser Teil in eine ethanolreiche zweite Dampfströmung und in eine zweite flüssige Bodenströmung, die ethanolarm ist aufgeteilt wird. Die Ethanolreiche Dampfströmung kann zusammen mit der ersten ethanolreichen Dampfströmung für die Gewinnung von Ethanol beispielsweise in einer Rektifikationskolonne genutzt werden. Bei dem in der DE 3007138 A1 beschriebenen Verfahren wird zwar die Abtrennung der Hefe nach der Fermentation beschrieben, allerdings nicht die der Fermentation vorausgehenden, für eine Abtrennung von Hefe erforderlichen Schritte.
Bei der Erzeugung von Ethanol aus Biomasse insbesondere Getreide, wie beispielsweise Weizen, Roggen oder Tritikale, und hier insbesondere bei Roggen sind vor der Fermentation Trennschritte erforderlich, ohne die eine Hefeabtrennung nicht oder nur erschwert durchgeführt werden kann. Zudem kann es in einigen Fällen wirtschaftlich sein, die Hefekonzentratströmung nach der Gärungseinheit zumindest teilweise auszuschleusen und durch geeignete Schritte ein wertvolles Futtermittel zu erzeugen. Dabei wäre vorteilhaft, dass im Laufe des Verfahrens das Ethanol aus der Hefen und weiteren Feststoffbeiprodukten aus der Verarbeitung der Getreide so effektiv wie möglich zu trennen, zuerst um die Ausbeute der Ethanolgewinnung zu optimieren, darüber hinaus um die Kosten einer Trocknung des gewonnenen Futtermittels zu minimieren.
In der RU 2102480 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die Hefe nach der Fermentation abgetrennt, teilweise wieder der Fermentation zugeführt und teilweise ausgeschleust wird. Allerdings wird der zur Ethanolgewinnung eingesetzte stärkehaltige Rohstoff durch eine Vollvermahlung zerkleinert, wobei eine Abtrennung der Feststoffe nach der Verzuckerung erfolgt. Hierdurch entsteht zum einen der Nachteil, dass die Trocknung der abgetrennten Feststoffe wegen des höheren Feuchtigkeitsgehalts aufwendig ist, zum anderen führt aber auch die Abtrennung zu Zuckerverlusten und somit letztendlich zu einer geringeren Ethanolausbeute bezogen auf die eingesetzte Rohstoffmenge. Die Abtrennung der Hefe erfolgt per Sedimentation, wird aber nicht genauer beschrieben.
In der DE10321607 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus Roggen- oder Weizenschlempe beschrieben, bei dem sowohl die in Partikelform vorliegende als auch lösliche globuläre Eiweißstoffe im Vorfeld der Alkoholabtrennung abgetrennt werden. Die Abtrennung der löslichen globulären Eiweißstoffe erfolgt dabei durch Denaturierung mittels Lewis-Säuren und anschließender Abtrennung mittels Mikro- oder Ultrafiltration. Bei diesem Verfahren wird die Hefe nach der Fermentation vollständig ausgeschleust. Nachteilig sind dabei die erhöhten Betriebskosten durch Verwendung von Lewis-Säuren, der durch die benötigte Vollvermahlung bedingte, erhöhte Energieaufwand zur Trocknung der partikelförmigen Eiweiße, wenn man diese als Futtermittel verwenden möchte. Hinzu kommen ggf. Verluste an verzuckerbarer Stärke durch die Abtrennung lösliche globulärer Eiweißstoffe. Fraglich ist auch, ob der Wartungsaufwand des beschriebenen Verfahrens durch Verwendung von Mikro- oder Ultrafiltationsanlagen reduziert werden kann.
Eine Abtrennung nicht fermentierbarer Kohlenhydrate (z.B. Pentosane und Glucane) wird bei den bisher genannten Veröffentlichungen nicht beschrieben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein wirtschafltiches Verfahren zur Herstellung von Bioethanol, aus Biomasse, bevorzugt Getreide, insbesondere auf Basis von Roggen, bereitzustellen, bei dem keine aufwändige Mahlung bzw. Denaturierung der Schlempe erforderlich ist, bei dem die wertvollen Futterhefen nach der Fermentation abgetrennt und rückgeführt werden können, und bei dem neben dem Hauptwertstoff Ethanol auch wertvolle Futterhefen möglichst ohne aufwändige Trocknung gewonnen werden können. Eine besondere Herausforderung stellt die Abtrennung der Hefe nach der Fermentation bei gleichzeitig möglichst hoher Ethanolausbeute dar.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass unlösliche Feststoffbestandteile und nicht fermentierbare Kohlenhydrate, im Folgenden als NFS (non-fermentable sugar) bezeichnet, abgetrennt werden und die so gereinigte Süssmaische in einer Fermentation, im Folgenden als Hauptfermentation bezeichnet, zu Alkohol vergoren wird. Überraschenderweise wurde festgestellt, das bei Verwendung von Getreide, insbesondere bei Verwendung von Roggen als Rohstoff eine Abtrennung der Hefe nach der Fermentation vor allem durch höhermolekulare, nicht fermentierbare Kohlenhydrate (z.B. Pentosane und Glucane) nicht oder nur unter deutlich erschwerten Bedingungen möglich ist und dass eine Abtrennung der nicht fermentierbare Kohlenhydrate vor der Fermentation, die Abtrennung der Hefen nach der Hauptfermentation aus der ethanolhaltigen Schlempe ermöglicht, um diese wieder der Fermentation zuzuführen und/oder auszuschleusen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus Biomasse, bei dem die Biomasse zerkleinert wird, die verbleibende Biomasse einer Fermentation zugeführt wird und das Ethanol aus dem Produkt der Fermentation gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass unlösliche Feststoffbestandteile und/oder Nicht-Fermentierbare Zucker aus der Biomasse vor der Fermentation und/oder Hefe nach der Fermentation abgetrennt werden.
Bevorzugt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus Biomasse mit folgenden Schritten:

a. Zerkleinerung der Biomasse
b. Optional Stärkeverflüssigung und Verzuckerung
c. Abtrennung von unlöslichen Feststoffbestandteile und/oder Nicht-Fermentierbare Zucker aus der Biomasse
d. Fermentation
e. Abtrennung der Hefe
f. Ethanol Gewinnung.

Im Folgenden werden die einzelnen Verfahrensabschnitte im Detail erläutert. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird in 1 illustriert.
Die Zerkleinerung der Biomasse erfolgt üblicherweise durch vollständige Mahlung oder fraktionierende Mahlung. Zunächst wird das vorab gereinigte Getreide einer Mahleinheit zugeführt, um die darin enthaltenen Stärkepartikel verfügbar zu machen. Die mittlere Partikelgröße bei der Mahlung liegt üblicherweise von 0,1 bis 2 mm, bevorzugt von 0,1 bis 1 mm. Getreidefraktionen mit geringem Stärkegehalt (Schalenfraktion) und hohem Anteil an viskositätssteigernden Stoffen, wie beispielsweise Pentosane und Glucane (Kleiefraktion) werden dabei vorzugsweise abgetrennt (fraktionierende Mahlung). Zur Zerkleinerung der Getreidekörner und zur Abtrennung der Schalenfraktion werden dem Stand der Technik entsprechende Apparaturen eingesetzt (z.B. Kombination aus Doppelwalzenstühlen mit Korbsichter ggf. mit vorgeschalteter Schmirgelschleifmaschine).
Bei manchen Rohstoffen wie beispielsweise Zuckerrohr oder Zuckerrübe ist Schritt b) d. h. Stärkeverflüssigung und Verzuckerung optional. Bei Getreide sind Stärkeverflüssigung und Verzuckerung wiederum erforderlich.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens ist die Biomasse Getreide, insbesondere Roggen, und das Verfahren weist folgende Schritte auf:

a. Zerkleinerung der Biomasse
b. Stärkeverflüssigung und Verzuckerung
c. Abtrennung von unlöslichen Feststoffbestandteilen und/oder Nicht-Fermentierbare Zuckern aus der Biomasse
d. Fermentation
e. Abtrennung der Hefe
f. Ethanol Gewinnung.

In der Stärkeverflüssigung werden die im Getreidemehl enthaltenen Stärkepartikel verflüssigt, d.h. in Dextrine umgewandelt und die Maischeviskosität durch Enzyme (46) gesenkt. Hierzu wird das beim Anmaischen verwendete Wasser mit Enzymen versetzt und anschließend mit dem Mehl unterhalb der Verkleisterungstemperatur, d.h. bei einer Temperatur von 20-80 °C, vorzugsweise jedoch 40-60 °C vermischt. Die Verkleisterungstemperatur bei Getreide liegt von 50 bis 80°C, bei Weizen von 53 bis 65 und bei Roggen von 55 bis 70°C. Dabei wird ein Anmaischeverhältnis von 1-3 kg Wasser/kg Mehl, bevorzugt jedoch von 1,5-2,5 kg Wasser/kg Mehl angestrebt. Nach der Vermischung wird die Maische auf Temperatur oberhalb der Gelatinisierungs- bzw. Verkleisterungstemperatur und somit auf eine Temperatur von 50-100 °C, vorzugsweise jedoch auf eine Temperatur von 70-100 °C erhitzt. Dies kann wahlweise durch Direktdampfeinspeisung oder indirekt, bevorzugt aber direkt erfolgen. Die zur Verflüssigung verwendeten Enzyme können der entsprechenden Fachliteratur entnommen werden (Norbert Schmitz (Hrsg.) Bioethanol in Deutschland Schriftenreihe nachwachsende Rohstoffe Band 21 ; 2003; Landwirtschaftsverlag GmbH; 48165 Münster). Als mögliche Enzyme kommen beispielsweise Amylasen, Xylanasen, Glucanasen oder Cellulasen (z.B. die Handelsprodukte BAN 480 L, Novozym 50024, Liquozyme SC) in Frage. Die Verflüssigung erfolgt bei pH-Werten zwischen 3 und 8, vorzugsweise zwischen 5 und 6 und besonders bevorzugt zwischen 5,3 und 5,7. Die entstandene Maische hat üblicherweise einen Trockensubstanzgehalt (TS) von 20-40 Gew.-%, vorzugsweise 30-35 Gew.-%. Der Trockensubstanzgehalt wird durch Zugabe von Prozeßwasser (6) und Schlempe (5) eingestellt. Die Stärkeverflüssigung kann in einem oder mehreren hintereinander geschalteten Apparaten erfolgen. Die Verweilzeit ist abhängig von der eingesetzten Menge Enzym und liegt üblicherweise zwischen 0,5 und 5 h, vorzugsweise zwischen 1 und 3 h. Die Erhitzung kann wahlweise durch Direktdampfeinspeisung oder indirekt, bevorzugt aber direkt erfolgen.
Nach der Verflüssigung erfolgt üblicherweise eine Abkühlung der Maische auf 40-70 °C entweder mittels eines Wärmetauschers oder durch Entspannungsverdampfung unter Vakuum.
Im Anschluss erfolgt eine Verzuckerung der Maische, d.h. die Umwandlung in eine Süßmaische. Dabei werden die Dextrine in Glukose umgewandelt, die dann in der Fermentation zu Ethanol vergoren werden kann. In der Verzuckerung nicht umgesetzte Dextrine werden in der Fermentation noch zu vergärbarer Glukose umgewandelt. Die Verzuckerungsreaktion findet üblicherweise bei Temperaturen zwischen 30 und 70 °C vorzugsweise zwischen 60 und 65 °C statt. Die Verweilzeit ist abhängig von der eingesetzten Menge Enzym und liegt üblicherweise zwischen 15 und 40 h vorzugsweise 20 und 30 h eingestellt. Der pH-Wert liegt üblicherweise zwischen 3 und 7, vorzugsweise zwischen 5 und 6 und besonders bevorzugt zwischen 5,3 und 5,7. Die Verzuckerung kann in einem oder mehreren hintereinander geschalteten Rührkesseln (Rührkesselkaskade) oder in einem Rohrreaktor mit oder ohne Einbauten erfolgen. Bei der Verzuckerung werden geeignete Verzuckerungsenzyme (Glucoamylase, z.B. das Handelsprodukt Spirizyme Fuel) verwendet (47). Zur pH-Einstellung und zur Phosphor-Versorgung der später zugegebenen Hefezellen kann Phosphorsäure (48) zudosiert werden. Zur Einstellung des pH-Wertes kommen neben Phosphorsäure auch andere Säuren, wie z.B. Schwefelsäure, in Frage.
Im Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens folgt die Aufbereitung der Süßmaische durch Abtrennung von ungelösten Feststoffbestandteilen, um zum einen die nötige Verweilzeit der nachfolgenden Fermentationsreaktion zu minimieren und zum anderen die Hefeabtrennung nach der Fermentation zu ermöglichen. Die Abtrennung erfolgt vorzugsweise mechanisch z.B. mittels Separatoren oder Dekantern. Die Menge der anfallenden und einen Großteil der ungelösten Feststoffbestandteile enthaltenden Konzentratphase entspricht je nach Art der Vermahlung (Fraktionierende oder Vollvermahlung) etwa 2-70 Gew.-% der zugeführten Maische. Im Falle einer fraktionierenden Vermahlung liegt dieser Anteil unter 40 Gew.-%. Der Feuchtegehalt dieser Konzentratphase beträgt üblicherweise von 30 bis 95 Gew.%.
Zur Minimierung der Zuckerverluste kann es von Vorteil sein, die abgetrennten ungelösten Feststoffe einer ein- oder mehrstufigen Wasserwäsche zuzuführen, wobei ein Waschverhältnis vorzugsweise von 0,5 kg Wasser: 1 kg Konzentratphase – 5 kg Wasser: 1 kg Konzentratphase eingestellt wird. Die mit, ggf. aus dem Prozess wieder gewonnenen Wasser gewaschenen ungelösten Feststoffbestandteile werden vorzugsweise gesammelt und zur DDGS-Trocknung transportiert. Der mit Zucker beladene Überlauf wird vorzugsweise zum Teil zum Anmaischen in die Stärkeverflüssigung rezykliert. Der andere Teilstrom dient vorzugsweise zur Einstellung der Zuckerkonzentration in der Fermentation. Dabei wird die Zuckerkonzentration üblicherweise so abgestimmt, dass etwa 10 Gew.-% Ethanol bei der Gärung erreicht werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die abgetrennten, ungelösten Feststoffe zusammen mit NFS einer Nebenfermentation zugeführt. Auf diese Weise können Zuckerverluste ebenfalls minimiert werden.
Nach der Abtrennung ungelöster Feststoffbestandteile erfolgt vorzugsweise die Abtrennung nicht fermentierbare Kohlenhydrate (NFS). Dabei wird die NFS-Phase üblicherweise mechanisch durch Dekantieren oder Filtrieren, bevorzugt Dekantieren, abgetrennt. Die im Überlauf austretende restliche Maische (11) wird der Fermentation (im folgenden als Hauptfermentation (14) bezeichnet) zugeführt.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens wird die NFS-Phase einer parallel zum Hauptfermentation betriebenen Nebenfermentation zugeführt, wobei diese Nebenfermentation den Restzucker umwandelt und die Ausbeute der Ethanolgewinnung erhöht. Üblicherweise werden die Strömmenge zur Hauptfermentation und die Strommenge zur Nebenfermentation im Verhältnis 0,5:1- 20:1 bevorzugt aber im Verhältnis 1:1-10:1 aufgeteilt,
Zur mechanischen Abtrennung der NFS-Phase werden üblicherweise die nach dem Stand der Technik bekannten Apparate wie beispielsweise Dekanter oder Separatoren verwendet.
Zur Verbesserung der Trennung werden vorzugsweise Flockungsmittel (38: Flockungsmittel) zugegeben.
Als Flockungsmittel können beispielsweise sowohl anionische als auch kationische Flockungsmittel eingesetzt werden. Als besonders geeignet erwiesen sich Acrylamide mit stark kationischem Copolymer (z.B. Praestol 853 BC; Fa. Stockhausen GmbH & Co KG), Acrylamide mit schwach kationischem Copolymer (z.B. Praestol 611 BC; Fa. Stockhausen GmbH & Co KG), Acrylamide mit schwach kationischem Copolymer (z.B. Praestol 853 BC; Fa. Stockhausen GmbH & Co KG), Copoylmer Acrylamid mit Acrylat (schwach anionisch; z.B. Praestol 2520 von Stockhausen GmbH & Co KG) und mittel anionisches Acrylamid Copolymer mit Acrylat (z.B. Praestol 2540 von Sockhausen GmbH & Co KG). Die Einmischung des Flockungsmittles erfolgt üblicherweise als 0,01- 1 %-ige Lösung in Wasser. Dabei werden vorzugsweise 10-1000 ppm bezogen auf Feststoff zudosiert. Durch die Verwendung von Flockungsmitteln wird die Abtrennung der NFS-Phase deutlich verbessert. Die Sedimentationsgeschwindigkeit wird deutlich erhöht (Faktor 10-50). Außerdem wird es hierdurch möglich NFS-Phase und unlösliche Feststoffbestandteile in einem einzigen Schritt abzutrennen. Folglich werden vorzugsweise die unlöslichen Feststoffbestandteile zusammen mit der NFS-Phase der Nebenfermentation zugeführt.
Für die Fermentation wird üblicherweise die Maische auf Temperaturen zwischen 25 und 50 °C vorzugsweise zwischen 30 und 45 °C abgekühlt. Die Abkühlung der Maische kann sowohl vor als auch nach der NFS-Abtrennung, bevorzugt jedoch nach der NFS-Abtrennung erfolgen.
In der Fermentationsphase erfolgt die Vergärung von Glukose zu Ethanol. Die Hauptfermentation kann kontinuierlich oder diskontinuierlich, vorzugsweise jedoch kontinuierlich betrieben werden. Die Betriebstemperatur liegt bei 25-50 vorzugsweise bei 30-42 °C. Die notwendige Verweilzeit ist abhängig von der eingesetzten Hefemenge, und liegt üblicherweise zwischen 10 und 30 h. Dabei wird üblicherweise ein Ethanolgehalt über 10 Gew.-% erreicht. Der Hefegehalt liegt bei Fermentationsbeginn üblicherweise zwischen 0,3-0,9 Gew.-%. Der Zuckerendgehalt ist i.d.R. kleiner 0,1 Gew.-%. Der pH-Wert liegt vorzugsweise bei 4-6.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens erfolgt nach der Hauptfermentation die Abtrennung der Hefen. Diese kann mechanisch mit aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Beispiel mittels Dekanter oder Separator erfolgen. Dabei wird die Maische üblicherweise in zwei Fraktionen unterschiedlicher Dichte aufgeteilt. Bei der schweren Phase handelt es sich um die sog. Hefemilch mit 10-30 Gew. % TS (20 Gew.-% TS). Diese wird vorzugsweise teilweise wieder der Fermentation zurückgeführt und zur Gewinnung von Hefe teilweise ausgeschleust. Die leichte Phase hat üblicherweise einen Trockensubstanzgehalt von 0-10 Gew. % TS. Zur Verbesserung der Hefeabtrennung können Flockungshilfsmittel eingesetzt werden. Als mögliche Flockungsmittel sind z. B. Bentonit, Kieselsol und Gelantine oder schwach bis stark anionische Copolymere aus Acyrlamid und Natriumacrylat in verschiedenen Kombinationen anwendbar. Durch die Verwendung von Flockungsmitteln wird zum einen die Sedimentationsgeschwindigkeit um Faktoren von 1-10 und zum anderen das Sedimentvolumen deutlich verringert (30-100 Vol. % im Vergleich zum Sedimentvolumen ohne Flockungsmittel). Die Menge des eingesetzten Flockungsmittels beträgt dabei bevorzugt 10-100000 ppm bezogen auf Feststoff.
Die bei der Hefeabtrennung anfallende hefereiche Phase (Hefemilch) hat üblicherweise einen Alkoholgehalt von ca. 6-10 Gew.-%, was einen Alkoholverlust bedeuten würde. Der in der Hefemilch enthaltene Alkohol wird in einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens in einer Rektifikationskolonne abgetrennt. Anschließend erfolgt üblicherweise die Hefetrockung mit dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren.
Die Gewinnung des Ethanols aus bei der Fermentation anfallenden Schlempe erfolgt in der Regel destillativ. Die fermentierte Maische wird vorgewärmt. Und anschließend in der Entgasungskolonne entgast. Um Alkoholverlust zu minimieren, wird der in Spuren im Gasstrom enthaltene Alkohol in Abluftwäscher ausgewaschen und dem Maischestrom wieder zugemischt.
In der Maischekolonne wird der Alkohol unter Vakuum ausgetrieben. Durch Vakuum aber auch durch die nach der Fermentation durchgeführte Hefeabtrennung kann die Kolonne bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen betrieben werden, wodurch die Foulinggefahr gesenkt werden kann.
Das Sumpfprodukt, die sogenannte Schlempe, wird der Schlempeeindampfung zugeführt. Die Kopfbrüden werden kondensiert und als Rücklauf auf die Maischkolonne aufgegeben. Ein flüssiger Seitenabzug, sogenannter Roh-Alkohol, wird direkt in die Azeotropkolonne für weitere Konzentrierungs- und Reinigungsschritte gegeben. Von der Azeotropkolonne wird eine Fuselöl-Fraktion als Seitenstrom abgezogen, im Seitenstromkondensator kondensiert und in einen Dekanter geleitet. Die wässrige Phase dieses Trennschrittes wird in die Azeotropkolonne zurückgeführt. Das aufkonzentrierte Fuselöl wird ausgeschleust. Der Destillat besteht aus einem Alkohol-Wasser-Gemisch mit annähernd azeotroper Zusammensetzung. Das Destillat aus der Azeotropkolonne wird in die Entwässerungskolonne gegeben. In dieser Kolonne wird mit Cyclohexan als Schleppmittel reines Ethanol (ca. 99,7%) als Sumpfprodukt abgezogen.
Das Destillat der Entwässerungskolonne wird gekühlt und in einen Dekanter geleitet, in dem zwei flüssige Phasen getrennt werden:
Die organische Phase wird als Rücklauf zurück in die Entwässerungskolonne gegeben, wohingegen die wässrige Phase in die Cyclohexankolonne gegeben wird. In der Cyclohexan-Aufarbeitungskolonne wird das Wasser vom Schleppmittel getrennt und verlasst die Kolonne als Sumpfprodukt zur Abwassersammlung. Ein Seitenstrom wird in die Entwässerungskolonne geleitet, der das rückgewonnene Schleppmittel enthält. Leichtsieder werden nach Bedarf mit dem Kopfstrom der Cyclohexan-Aufarbeitungskolonne entfernt.
Verluste an Schleppmittel werden durch externe Zuführungen ersetzt.
Alternativ zu den rein destillativen Verfahren ist aber auch Kombination aus Rektifikation und Membranverfahren (z.B. Umkehrosmose, Dampfpermeation oder Pervarporation) und/oder Adsorption denkbar.
Letztere werden dabei bevorzugt zur Ethanoltrocknung eingesetzt.
Die Alkohol-Entwässerung mittels Adsorption erfolgt beispielsweise nach dem Pressure-Swing-Adsorption-Verfahren (PSA). Als Adsorbens werden vorwiegend Zeolithe eingesetzt. Dieses alternative Verfahren hat einen leicht höheren Energiebedarf als das vorangehend beschriebene Heteroazeotrop-Verfahren mit Wärmeintegration. Allerdings ist hier kein weiterer Trennhilfsstoff erforderlich, was insbesondere im Hinblick auf die Herstellung von Futtermittel als Koppelprodukt der Bioethanolherstellung von Vorteil ist.
In einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens wird aus der Zuckerproduktion stammender Dicksaft und/oder Melasse (41) zusammen mit der von NFS befreiten Maische (12) der Hauptfermentation (14) und/oder zusammen mit der NFS-Phase der Nebenfermentation (13) zugeführt. Diese Möglichkeit stellt eine interessante Verwertung von Nebenprodukten der Zuckerherstellung dar. Der Dicksaft kann dabei zum einen zur Absenkung der Viskosität und zum anderen zur Einstellung des Zuckergehaltes der zu fermentierenden Maische verwendet werden.
Zur Vermeidung von Ausbeuteverlusten wird in einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens die bei der Abtrennung von NFS separierte Phase, hierbei handelt es sich um ein Gemisch aus NFS und eingeschlossener Zuckerlösung, einer parallel zur Hauptfermentation betriebenen Fermentation, im Folgenden als Nebenfermentation bezeichnet, zur Vermeidung von Ausbeuteverlusten zugeführt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens werden die bei der Feststoffabtrennung separierten ungelösten Feststoffbestandteile der Nebenfermentation zugeführt. Der Vorteil besteht darin, dass die zur Vermeidung von Zuckerverlusten erforderliche Wasserwäsche entfallen kann.
Die Vergärung in der Nebenfermentation kann kontinuierlich oder diskontinuierlich, vorzugsweise jedoch kontinuierlich betrieben werden. Die Betriebstemperatur liegt bei 25-50 vorzugsweise bei 30-42 °C. Die notwendige Verweilzeit ist abhängig von der eingesetzten Hefemenge, und liegt üblicherweise zwischen 10 und 30 h. Dabei wird üblicherweise ein Ethanolgehalt bis > 10 Gew.-% erreicht. Der Hefegehalt liegt bei Fermentationsbeginn: üblicherweise zwischen 0,3-0,9 Gew.-%.
Der Zuckerendgehalt ist i.d.R. < 0,1 Gew.-%. Der pH-Wert liegt üblicherweise bei 4-6.
Die bei der Fermentation anfallende Schlempe kann ebenfalls nach erfolgter Ethanolabtrennung und Trocknung zusammen mit der bei der Zerkleinerung anfallenden Kleie und der vor der Fermentation abgetrennten ungelösten Feststoffe als wertvolles Futtermittel (DDGS: Distillers' Dried Grains with Solubles) verwendet werden.
Die Hauptaufgabe der Schlempeeindampfung ist das Aufkonzentrieren der Schlempe aus der Destillation. In dieser Teilanlage wird die Aufkonzentrierung der Schlempe durch ein- oder mehrstufiges Eindampfen durchgeführt, wobei wegen des hohen Energiebedarfs in der Regel immer ein mehrstufiger Prozess bevorzugt wird.
Zur weiteren Reduzierung des Energieverbrauchs kann mitunter auch Abwärme aus dem Prozess, z.B. aus der DDGS-Trocknung genutzt werden. Je nach Art der Verwendung (Futtermittel oder Brennstoff) wird Schlempe bis auf einen TS-Gehalt (TS: Trockensubstanz) von 15-60 Gew.-%, bevorzugt jedoch bis auf einen TS-Gehalt von 25-50 Gew.-% aufkonzentriert. Der Grad der Aufkonzentrierung richtet sich nach der Art des zur Bioethanolerzeugung eingesetzten Rohstoffes. In der Regel werden jedoch möglichst hohe TS-Gehalte angestrebt. Durch Zuhilfenahme von Fließhilfsstoffen, die bei der Schlempeeindampfung oder aber auch weiter stromaufwärts im Prozess (z.B. in der Fermentation) zugesetzt werden kann die Fließfähigkeit der aufkonzentrierten Schlempe und somit auch der Aufkonzentrierungsgrad erhöht werden. Das abgetrennte Wasser wird als sog. Prozesswasser wieder in das Verfahren eingeschleust, wodurch der Bedarf an Frischwasser verringert wird.
Das bei der Schlempeeindampfung anfallende Konzentrat wird zusammen mit der bei der Mahlung abgetrennten Kleie mit einem dem Stand der Technik entsprechenden Verfahren getrocknet. Dabei entsteht eine sog. Trockenschlempe (DDGS). Einzelheiten der Erzeugung von Trockenschlempe sind Beispielsweise in der Zeitschrift „Die Branntweinwirtschaft" Mai 1976, Seiten 138 bis 141 beschrieben.
Durch die vor der Fermentation durchgeführten Trennschritte wird die Abtrennung wertvoller Futterhefen nach der Fermentation möglich. Die bei der Abtrennung nicht fermentierbarer Kohlenhydrate anfallende NFS-reiche Phase wird in einem separaten Fermentationsschritt ggf. mit ungelösten Feststoffbestandteilen vergoren. Mit dem beschriebenen Verfahren kann in einer besonderen Ausführungsform auch aus der Zuckerproduktion stammender Dicksaft und/oder Melasse zu Ethanol verarbeitet werden.
Durch die Abtrennung der Hefe nach der Fermentation können neben der Gewinnung eines zusätzlichen Futtermittels auch deutliche Vorteile in der Destillation und der Verarbeitung der Reststoffe erzielt werden, da die Verschmutzungsneigung der Apparate deutlich reduziert und somit auch das Potenzial zur Wärmeintegration deutlich besser genutzt werden kann.
Ferner kann durch die Rückführung der Hefen ein ansonsten zum Anzüchten von Hefen erforderlicher zusätzlicher Fermentationsschritt entfallen. Hierdurch wird auch die Ethanolausbeute erhöht.
Das erfindungsgemäße Verfahren liefert in einer bevorzugten Ausführungsform neben dem Hauptwertstoff Ethanol noch zwei unterschiedliche Futtermittel, nämlich DDGS (Distillers' Dried Grains with Solubles) und Hefe.
Erfindungsgemäß weist das Verfahren besondere Vorteile bei der Herstellung von Ethanol ausgehend von Getreide, und insbesondere von Roggen als Biomasse auf:

– hohe Ausbeute bei der Alkoholgewinnung durch Minimierung der Verluste,
– Gewinnung einer Trockenfraktion als Nebenprodukt, die als Futtermitteln oder als Brennstoff verwertbar ist,
– Optimierung des Energieverbrauchs.

Abbildungen:
In den folgenden Abbildungen werden besondere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, ohne sich darauf zu begrenzen.
1: Fraktionierte Mahlung, 2-schrittige Spelzen- und NFS-Abtrennung, 2-straßige Fermentation (Haupt- und Nebenfermentation, zwei Futtermittel (Hefe und DDGS), Heferecycling
Der Stärkehaltige Rohstoff wird zunächst einer Fraktionierenden Mahlung unterzogen, wobei Getreidefraktionen mit geringem Stärkeanteil (Schalenfraktion) und hohem Anteil an viskositätssteigernden Stoffen wie beispielsweise Pentosane und Glucane (Kleiefraktion) abgetrennt werden. Anschließend erfolgt das Anmaischen des bei der Mahlung erhaltenen Mehls. Hierzu wird aus dem Prozess zurück gewonnenes Wasser (z.B. Schlempe) verwendet. Die Maische wird anschließend verflüssigt und verzuckert. Danach erfolgt die Abtrennung ungelöster Feststoffbestandteile. Diese werden zusammen mit den bei der fraktionierenden Mahlung anfallenden Schalen und Kleie einer DDGS-Trocknung zugeführt. Im Anschluss an die Abtrennung ungelöster Feststoffbestandteile erfolgt die Abtrennung nicht fermentierbarer Zucker bevorzugt unter Zuhilfenahme eines Flockungsmittels. Die an nicht fermentierbarem Zucker reiche Phase wird einer Nebenfermentation, die verbleibende Maische der Hauptfermentation zugeführt und der darin enthaltene Zucker zu Alkohol vergoren. Die im Produkt der Hauptfermentation enthaltene Hefe wird teilweise abgetrennt, wobei die abgetrennte Hefe teilweise der Fermentation wieder zugeführt und teilweise zur Gewinnung von Futterhefe ausgeschleust. Die nach der Hefeabtrennung verbleibende und die bei der Nebenfermentation anfallende ethanolhaltige Schlempe wird einer weiteren Aufarbeitung zwecks Gewinnung des Ethanols zugeführt.
2: Fraktionierte Mahlung, 1-schrittige Spelzen- und Schleimabtrennung, 2-straßige Fermentation, zwei Futtermittel (Hefe und DDGS), Heferecycling
Im Unterschied zum vorangehend beschriebenen Verfahren werden die ungelösten Feststoffbestandteile ebenfalls der Nebenfermentation zugeführt.
3: Fraktionierte Mahlung, Spelzen- und Schleimabtrennung, 2-straßige Fermentation, zwei Futtermittel (Hefe und DDGS), Heferecycling
Die darstellte Variante trägt der Tatsache Rechnung, dass bei Verwendung von Flockungsmitteln sowohl die Abtrennung ungelöster Feststoffbestandteile als auch die der nicht Fermentierbaren Zucker in einem Schritt erfolgen kann.
4: Fraktionierte Mahlung, Spelzen- und Schleimabtrennung, 2-straßige Fermentation, zwei Futtermittel (Hefe und DDGS), Heferecycling
Im Vergleich zu vorheriger Variante (3) wird bei dieser Variante noch Dicksaft aus der Zuckerherstellung als Rohstoff für die Ethanolgewinnung verwendet. Durch gezielte Beimischung zur Haupt- oder Nebenfermentation, kann die Viskosität gesenkt und ein für die Fermentation optimaler Zuckergehalt eingestellt werden. Die Beimischung von Dicksaft ist auch bei den Verfahrensvarianten der 1 u. 2 denkbar.
Ausführungsbeispiele
Beispiel 1: Spelzen, Schleim- und Hefeabtrennung
Folgender Versuch beschränkt sich auf die Schritte Verflüssigung, Verzuckerung, Spelzen-/NFS-Abtrennung, Fermentation und Hefeabtrennung da die fraktionierende Mahlung für sich genommen keine technische Neuerung ist. Entsprechend wurde handelsübliches Roggenmehl verwendet.
Beim Anmaischen wurden 83 kg Roggenmehl und 166 kg Wasser, welches bereits die zur Verflüssigung erforderlichen Enzyme enthielt (Novocymes 50024: 50 μl/kg Mehl; Liquozyme SC DS: 200 μl/kg Mehl) bei 55 °C vermischt. Durch Zugabe von einer 2-Mol% Schwefelsäurelösung wurde ein pH-Wert von 5,5 eingestellt.
Anschließend erfolgte die Verflüssigung bei 85 °C und einer Verweilzeit von 1 h. Nach Abkühlung auf 55 °C erfolgte die Verzuckerung. Als Verzuckerungsenzyme wurden Novozyme 50024 (500 μl/kg Mehl) und Spirizyme Fuel (500 μl/kg Mehl) verwendet.
Nach der Verzuckerung wurden die in der Maische enthaltenen unlöslichen Feststoffbestandteile in einem Dekanter abgetrennt. Dabei fielen 19,1 kg Konzentrat an, die mit Waschwasser im Verhältnis 1:1 gewaschen wurden. Die feststoffreiche Fraktion betrug etwa 8 % bezogen auf den Strom an Süßmaische.
Nach der Wäsche erhielt man 13 kg Konzentrat, welches zusammen mit der Kleie der DDGS-Trocknung zugeführt wurde.
In der anschließenden NFS-Abtrennung wurde mittels Dekanter 18,3 kg eines schleimartigen Konzentrat (NFS-Phase) mit einem Feuchtegehalt von 66,4 Gew. % abgetrennt.
Nach der Abtrennung der NFS-Phase wurde die verbleibende Maische einer Fermentation zugeführt. Die Fermentation wurde bei 38 °C und einem pH-Wert von 5,5 und einer Verweilzeit von 20 h betrieben. Dabei wurden 22 g Hefe pro Liter Fermentationsgemisch zugefügt.
Anschließend erfolgte die Hefeabtrennung. Dabei wurden mittels Dekanter 25,3 kg Hefekonzentrat mit einer Restfeuchte von 82 Gew. % abgetrennt.
Beispiel 2: Simulation der Ethanolausbeute mittels Aspen +
Die Ethanolausbeute des erfindungsgemäßen Verfahrens nach 1 wurde mittels einer Simulation mit einer verfahrenstechnischen Software (Aspen+) ermittelt.
Die Simulation dient insbesondere dazu, das Gesamtverfahren mit den relevanten Rückführströmen abzubilden und den Energieverbrauch der einzelnen Verfahrensabschnitte zu ermitteln. Bei der Modellierung des Prozesses wurden Fest-/Fest- und Fest-/Flüssigtrennung mit Splitmodellen abgebildet, wobei die hierzu verwendeten Splitfaktoren teilweise im Stand der Technik bekannt, teilweise experimentell ermittelt wurden oder in einigen Fällen auf Annahmen beruhen. Die Simulation der Verfahrensabschnitte Verflüssigung, Verzuckerung und Fermentation wurden unter der Annahme erfahrungsgemäßer Umsatzgrade durchgeführt. Thermische Trennverfahren, wie beispielsweise Rektifikation oder Verdampfung wurden mit Stufemodellen (z.B. Radfrac) berechnet.
In der Simulation wurden folgende Parameter eingestellt:
Roggenmenge: 3,75 kg/h
Einmaischverhältnis: 2:1
Ethanolkonzentration nach der Fermentation: 10 Gew.-%
Das erfahrungsgemäße Verfahren wurde folgendermaßen simuliert.
Der Roggen wird zunächst einer Mahleinheit zugeführt. Dabei werden schätzungsweise schätzungsweise 0,5 kg/h als Schalen- bzw. Kleienfraktion abgetrennt.
Anschließend wird das Getreide mit im Wesentlichen aus dem Prozess zurückgeführten Wassers eingemaischt. Die Simulation wurde mit einem Einmaischverhältnis von 2 (2 kg Wasser/kg Roggenmehl. Die Temperatur der Maische beträgt 48 °C. Die Verfahrensparameter der Verflüssigung von Roggen sind ebenfalls im Stand der Technik bekannt. So wird eine Temperatur etwa 85 °C ausgewählt, die durch Zumischen von Wasserdampf (0,05 kg Dampf/kg Maische) eingestellt wird. Nach der Verflüssigung erfolgt zunächst eine Abkühlung auf 63 °C mittels Entspannungsversdampfung und danach die Verzuckerung. Zur Verzuckerung werden geeignete Enzyme zugeführt. Dabei werden Dextrine in Zucker umgewandelt. Der Zuckergehalt nach der Verzuckerung beträgt schätzungsweise etwa 20 Gew.-%.
Nach der Verzuckerung erfolgt die Abtrennung ungelöster Feststoffe. Die feststoffreiche Fraktion beträgt schätzungsweise 1,64 kg/h. Die abgetrennten ungelösten Feststoffe werden mit Wasser gewaschen (1 kg Waschwasser/2 kg ungelöste Feststoffe). Das Zuckerhaltige Waschwasser wird im Wesentlichen der Fermentation zugeführt. Durch die Wäsche ist der Zuckeranteil der abgetrennten ungelösten Feststoffe schätzungsweise < 4 Gew.-%.
Im Anschluss an die Abtrennung der ungelösten Feststoffe erfolgt die NFS-Abtrennung. Dabei wird die Süßmaische im Verhältnis 2:1 in einen NFS-armen und einen NFS-reichen Strom aufgeteilt.
Der NFS-arme Strom (ca. 7,1 kg/h) wird der Hauptfermentation zugeführt, während der NFS-reiche Strom der Nebenfermentation zugeführt wird. Bei der Fermentation anfallendes CO₂ wird zur Vermeidung von Ethanolverlusten einer Absorptionskolonne zugeführt. Zur Auswaschung des Ethanols werden etwa 0,74 kg Wasser verwendet. Nach der Fermentation beträgt der Ethanolgehalt etwa 10 Gew.-%. Das Produkt der Nebenfermentation wird der Ethanolgewinnung zugeführt, während nach der Hauptfermentation zunächst Hefe abgetrennt wird. Hierzu wird das Produkt der Hauptfermentation in eine hefereiche und eine hefearme im Verhältnis 1 : 5 Fraktion aufgeteilt. Etwa 70 % der hefereichen Fraktion werden wieder der Fermentation zugeführt, die restlichen 30 % zwecks Gewinnung der Futterhefe ausgeschleust.
Die Hefearme Fraktion (ca. 6,5 kg/h) wird zusammen mit dem Produkt der Nebenfermentation vermischt und der Ethanolgewinnung zugeführt. Diese erfolgt in der Simulation mittels Destillation. In der Maischekolonne werden Alkohol und Wasser bei 300 mbar abgetrennt. Der Sumpf dieser Kolonne, die so genannte Schlempe (schätzungsweise 5 kg/h) wird einer 6-stufigen Verdampfung zugeführt und dort bei unterschiedlichen Drücken (schätzungsweise 0,1-0,5 bar) eingedampft. Die aufkonzentrierte Schlempe (schätzungsweise 1,8 kg/h) wird zusammen mit den Schalen- und Kleiefraktionen aus der Mahlung und den nach der Verzuckerung abgetrennten ungelösten Feststoffen der Trocknung zugeführt. Bei der Trocknung fallen 1,51 kg/h DDGS an. Die bei der Kondensation des abgedampften Wassers anfallende Wärme wird zur Schlempeeindampfung verwendet. Das bei der DDGS-Trocknung und bei der Schlempeeindampfung abgetrennte Wasser, wird wieder im Prozess, z.B. zur Einmaischung, verwendet.
Das Destillat der Schlempekolonne (schätzungsweise 1,8 kg/h) wird der Azeotropkolonne zugeführt. Das Ethanol wird bei schätzungsweise 2 bar in azeotroper Zusammensetzung als Kopfprodukt abgetrennt. Das in Sumpf der Kolonne abgetrennte Wasser (schätzungsweise 0,7 kg/h) wird wieder im Prozess verwendet. Von der Azeotropkolonne wird eine Fuselöl-Fraktion als Seitenstrom abgezogen, im Seitenstromkondensator kondensiert und in einen Dekanter geleitet. Die wässrige Phase dieses Trennschrittes wird in die Azeotropkolonne zurückgeführt. Das aufkonzentrierte Fuselöl (schätzungsweise 7 g/h) wird ausgeschleust. Das Destillat aus der Azeotropkolonne wird in die Entwässerungskolonne gegeben. Diese wird bei einem Druck von schätzungsweise 12 bar betrieben. Dabei wird Wasser unter Verwendung von Cyclohexan als Schleppmittel als Kopfprodukt und reines Ethanol (schätzungsweise 1kg/h mit 99,7 Gew.-%) als Sumpfprodukt abgezogen.
Das Destillat der Entwässerungskolonne (Schätzungsweise 3,7 kg/h) wird im einem Wärmetauscher auf schätzungsweise 140 °C gekühlt und in einen Scheideflasche geleitet, in dem zwei flüssige Phasen getrennt werden:
Die organische Phase (schätzungsweise 3 kg/h) wird als Rücklauf zurück in die Entwässerungskolonne gegeben, wohingegen die wässrige Phase in die Rückgewinnungskolonne gegeben wird.
In der Cyclohexan-Aufarbeitungskolonne (Betriebsdruck schätzungsweise 2 bar) wird das Wasser vom Schleppmittel getrennt und verlässt die Kolonne als Sumpfprodukt (Schätzungsweise 67 g/h) zur Abwassersammlung. Ein Seitenstrom wird in die Entwässerungskolonne geleitet, der das rückgewonnene Schleppmittel enthält. Leichtsieder werden nach Bedarf mit dem Kopfstrom der Cyclohexan-Aufarbeitungskolonne entfernt.
Verluste an Schleppmittel werden durch externe Zuführungen ersetzt.
Die Menge an gewonnenen Ethanol beträgt bei der beschriebenen Simulation schätzungsweise 1 kg/h. Dabei werden schätzungswesie zusätzlich 1,51 kg/h DDGS und 0,11 kg/h Hefe produziert.
Beispiel 3: Energieverbrauch des Gesamtverfahren
Beispiel 2 verdeutlicht, welche Ethanolausbeuten und Verbrauchszahlen mit dem vorgestellten Verfahren erreicht werden können. Der Energieverbrauch des Gesamtverfahrens nach 1 wurde ebenfalls mittels Aspen+ ebenfalls simuliert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ergab aus einer Roggenmenge von 3,75 kg, eine DDGS-Menge von 1,51kg und eine Hefe-Menge von 0,11 kg bezogen auf 1 kg Ethanol.
Hauptenergieverbraucher sind die Verfahrensabschnitte Destillation und Trocknung.

Hier wurden folgende Verbrauchszahlen bezogen auf 1 kg Ethanol ermittelt

Destillation
Dampfverbrauch [MJ/kg]	3,1
Stromverbrauch [MJ/kg]	0,1
Summe [MJ/kg]	3,2
Trocknung
Dampfverbrauch [MJ/kg]	5,4
Stromverbrauch [MJ/kg]	0,1
Summe [MJ/kg]	5,5
Destillation & Trocknung
Dampfverbrauch [MJ/kg]	8,5
Stromverbrauch [MJ/kg]	0,2
Summe [MJ/kg]	8,7

Bei herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Bioethanol aus Getreide, beispielsweise Weizen liegt der spezifische Verbrauch in Trocknung und Destillation zwischen 9,5 und 16 MJ/kg Ethanol.
Hinzu kommt, dass die Ethanolherstellung aus Roggen im Vergleich zu beispielsweise Weizen aufwendiger ist. So ist beispielsweise der Aufwand in der DDGS-Trocknung deutlich höher. Diese Tatsache unterstreicht daher umso mehr die Attraktivität der beschriebenen Erfindung.
Ein zusätzlicher wirtschaftlicher Vorteil ergibt sich zudem dadurch, dass neben Ethanol und dem Futtermittel DDGS auch wertvolle Hefen gewonnen werden können.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus Biomasse, bei dem die Biomasse zerkleinert wird, die verbleibende Biomasse einer Fermentation zugeführt wird und das Ethanol aus dem Produkt der Fermentation gewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, dass unlösliche Feststoffbestandteile und/oder nicht-fermentierbare Zucker aus der Biomasse vor der Fermentation und/oder Hefe nach der Fermentation abgetrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch folgende Schritte: a. Zerkleinerung der Biomasse, b. Optional Stärkeverflüssigung und Verzuckerung, c. Abtrennung von unlöslichen Feststoffbestandteile und/oder Nicht-Fermentierbare Zucker aus der Biomasse, d. Fermentation e. Abtrennung der Hefe f. Ethanolgewinnung
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Biomasse bei der Zerkleinerung auf eine mittlere Teilchengröße von 0,05-2 mm, bevorzugt auf eine mittlere Teilchengröße von 0,1-1 mm und besonders bevorzugt von 0,1-0,7 mm zerkleinert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse Getreide ist und die Biomasse nach der Zerkleinerung mit Wasser vermaischt und einer Verflüssigung und Verzuckerung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Fraktionen mit geringerem Stärkegehalt (Schalenfraktion) und hohem Anteil an viskositätssteigernden Stoffen (Kleifraktion) vor Schritt b) abgetrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Verflüssigung eine Verzuckerung stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem man die nach der Verzuckerung enthaltenen ungelösten Feststoffbestandteile und oder die Nicht-Fermentierbaren Zucker abtrennt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass, bei der Abtrennung der Nicht-Fermentierbare Zucker anionische oder kationische Flockungsmittel, Acrylamide und Copolymere Mischungen, eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass, die Einmischung des Flockungsmittels als 0,01-1 %-ige Lösung erfolgt
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass, 10-1000 ppm Flockungsmittel bezogen auf Feststoff zudosiert werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass, bei der Abtrennung der Heffe anionische oder kationische Flockungsmittel, bevorzugt Bentonit, Kieselsol und Gelatine oder schwach bis stark anionische Copolymere aus Acrylamid und Natriumacrylat in verschiedenen Kombinationen, eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des Flockungsmittels bei der Hefeabtrennung 10-100000 ppm bezogen auf Feststoff beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse Getreide ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse Roggen ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die abgetrennten unlöslichen Feststoffbestandteile und/oder Nicht-Fermentierbare Zucker einer Nebenfermentation zugefügt werden.
Verfahren gemäß irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, nach dem aus der Zuckerproduktion stammende Dicksaft und/oder Melasse der Nebenfermentation und/oder der Hauptfermentation zugeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 12 wobei die ausgeschleuste Hefe und die nach der Hefeabtrennung verbleibende hefearme Fraktion zusammen mit der aus der Nebenfermentation ablaufenden Schlempe einer Ethanolgewinnung, bevorzugt einer Destillation oder Rektifikation zuführt und eine Trockenfraktion erhalten wird, die als Futtermittel oder Brennstoff verwertet werden kann.