DE102007002129A1

DE102007002129A1 - Zusammensetzungen verwendbar als Gärsubstrat

Info

Publication number: DE102007002129A1
Application number: DE200710002129
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. Bohn; Robin Dr.-Ing. Sircar
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2008-07-17

Abstract

Die Erfindung betrifft Zusammensetzungen, verwendbar als Gärsubstrat, bestehend aus Prozessrückständen der Biodieselgewinnung, sowie ein Verfahren zur Verarbeitung der Zusammensetzungen. Vorschlagen werden Mischungen aus Schleimstoffen (Soapstock), Destillationsrückständen (Mong-Phase) und Fettphasen, die für die Biogaserzeugung durch Vergärung genutzt werden können. Weiterhin wird ein Verfahren beschrieben, bei dem die vorgenannten Zusammensetzungen für das Anmaischen von vorzerkleinerten Biomassen mit hohem Trockenmassenanteil genutzt werden. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens beschreibt eine Verbindung der Biodieselanlage mit der Biogasanlage, wobei durch Stoffflüsse bzw. Energieflüsse Heizwärme in die Biogasanlage eingetragen wird.

Description

Die Erfindung betrifft Zusammensetzungen verwendbar als Gärsubstrat bestehend aus Prozessrückständen der Biodieselgewinnung sowie ein Verfahren zur Verarbeitung der Zusammensetzungen.
Stand der Technik
Die Richtlinie 2003/30/EG des Europäischen Parlaments fördert die Verwendung von Biokraftstoffen oder anderen erneuerbaren Kraftstoffen und sieht vor, dass in Mitgliedstaaten der Europäischen Union bis Ende 2010 auf Biokraftstoffe mindestens ein Anteil von 5,75% aller Otto- und Dieselkraftstoffe für den Verkehrssektor entfällt. Vor dem Hintergrund derartiger Initiativen ist davon auszugehen, dass in Europa die Produktionskapazitäten für Treibstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen wie Biodiesel weiter ausgebaut werden.
Für die Herstellung von sogenanntem Biodiesel werden Pflanzenöle in einem katalytischen Umesterungsprozess mittels Methanol zu dieselähnlichen Kraftstoffen (Methylester) umgewandelt. Weiteres Nebenprodukt dieser Umsetzungsreaktion ist Glyzerin. Olivenöl, Sonnenblumenöl, Sojaöl, Palmöl, Leinöl oder Distelöl sind Beispiele für geeignete Pflanzenöle. In Europa wird vorwiegend Rapsöl als Ausgangsstoff für die Biodieselherstellung verwendet.
Das Pflanzenöl wird durch Auspressen, Extraktion oder vergleichbare Verfahren aus Ölsaaten gewonnen. Bei den mechanischen Aufschlussverfahren gilt es zwischen Kaltpressverfahren und den Fertigpresstechniken bei erhöhten Temperaturen zu unterscheiden. Der nach dem Pressvorgang verbleibende Feststoffrückstand – der sogenannte Presskuchen – kann roh bzw. raffiniert ggf. als Futter für Nutztiere verwendet werden. In DE 10 2004 031 647 wird die Verwendung von Fermentationsprodukten aus Rapspresskuchen als proteinreiches Lebensmittel beschrieben. Bei den Fertigpressverfahren treten bei höheren Temperaturen jedoch Denaturierungsvorgänge auf, die die Qualitätseigenschaften des Lebens- bzw. Futtermittels mindern und dadurch die Verwendungsmöglichkeiten in diesem Bereich stark einschränken.
Zur Steigerung der Ölausbeuten kommen mitunter extraktive Verfahren zur Anwendung. Als Extrationsmittel ist Hexan gebräuchlich. In den Feststoffrückständen – dem sogenannten Extraktionsschrot – verbleiben mehr oder weniger hohe Anteile an Extraktionsmittelresten, was eine Nutzung im Food-Bereich im Allgemeinen ausschließt oder zumindest stark erschwert.
Da die aus dem Aufschlussprozess gewonnene Flüssigfraktion neben dem gewünschten Pflanzenöl Verunreinigungen enthält, erfolgt vor dem Umesterungsprozess eine vorgelagerte Reinigung. In diesem obligatorischen Behandlungsschritt werden die als Schleimstoffe bezeichneten Verunreinigungen in einer wässrigen Spülphase (Soapstock) abgetrennt. Der Soapstock enthält u. a. Phosphatide, Tocopherole, Sterole, Wachse, verschiedene Farbträger wie z. B. Chlorphyll, Carotin sowie freie Fettsäuren. Eine Entsorgung dieser Rückstände über die öffentliche Kanalisation ist nicht zulässig.
Die beschriebenen Behandlungsschritte stellen Vorbehandlungsverfahren dar. Im eigentlichen Biodieselherstellungsprozess wird raffiniertes Pflanzenöl mit Methanol in Gegenwart von reaktionsbeschleunigenden Additiven zu Methylester und Glyzerin umgesetzt. Nach der Separation des Methylesters wird die mit Glyzerin angereicherte Phase unter Anwendung thermischer Trennprozesse wie Destillation oder Rektifikation aufbereitet. Bei den betrachteten thermischen Trennprozessen stellt das Glyzerin die flüchtige Komponente dar und geht in die Gasphase über. Im Sumpf der Destillations- bzw. Rektifikationskolonne verbleiben die schwer flüchtigen Bestandteile. Dieser Destillationsrückstand – auch Mong-Phase genannt – setzt sich vorwiegend aus Salzen und Seifen zusammen und ist ebenfalls für eine Mitbehandlung in Kläranlagen für häusliche Abwässer nicht geeignet.
Die sogenannte Fettphase stellt ein weiteres Abfallprodukt der Biodieselherstellung dar, die bei der Methanolrückgewinnung anfällt. Zunächst wird die methanolhaltige Phase aus dem Umesterungsprozess destillativ aufgeschlossen. Im Kolonnensumpf verbleibt eine glyzerinhaltige Fraktion (Glyzerinwasser), welches anschließend mittels Fettabscheider von den Fettbestandteilen befreit wird. Nach Verfahren gemäß DE 196 22 601 können diese fetthaltigen Abscheiderinhalte (Fettphase) zu einem Biokraftstoff für motorbetriebene Blockheizkraftwerke aufbereitet werden. Derartige Verfahren sind jedoch störanfällig und mit einem hohen Aufwand verbunden.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass es für Rückstände aus der Biodieselherstellung einschließlich der vorgelagerten Behandlungsschritte zur Pflanzenölgewinnung gegenwärtig keine ökonomisch vertretbare und ökologisch hochwertige Verwertungsmöglichkeiten bzw. Entsorgungswege gibt.
Aufgabenstellung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache und praktikable Methode für eine effiziente und nachhaltige Verwendung der entsorgungspflichtigen Rückstände aus der Biodieselherstellung bereitzustellen. Hierbei sollen die Rückstände möglichst in ihrer Gesamtheit als Einzelsubstrate oder in Mischungen einer Verwertungsschiene zugewiesen werden. Ferner soll die Erfindung ermöglichen, dass die Rückstände direkt und somit ohne weitergehende Aufbereitungsschritte verarbeitet werden können. Unter Beachtung des Grundsatzes der Nachhaltigkeit soll der Nutzwert der Einsatzstoffe erhöht und hierdurch die Gesamtwertschöpfung gesteigert werden.
Gegenstand der Erfindung sind Zusammensetzungen aus Schleimstoffen (Soapstock) aus der Pflanzenölraffination, Destillationsrückstände (Mong-Phase) aus der Biodieselproduktion sowie ggf. weiteren Fluiden, die Phytomasse oder Zoomasse gelöst oder partikulär in Suspension enthalten, wobei auf den Gehalt an Schleimstoffen mindestens 40 Masseprozent bezogen auf die Gesamtmasse der Mischung entfällt.
In überraschender Weise konnte gezeigt werden, dass derartige Mischungen hervorragende Gärsubstrate für die Erzeugung von heizwertreichen, methanhaltigen Gasen darstellen. Gegenüber der Vergärung der betreffenden Monosubstrate weisen die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen deutlich geringere Redoxpotenziale auf, wodurch der bakterielle Gärprozess optimal ablaufen kann. Gleichzeitig wird ein Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff zu Phosphor von etwa 80 zu 250 zu 4 zu 0,5 bis 1 eingestellt, so dass eine ausreichende und ausgewogene Nährstoffversorgung gegeben ist. Die erfindungsgemäßen Zusammensetzungen zeichnen sich weiterhin durch einen verminderten Gehalt an Hemmstoffen aus, wodurch insbesondere die Mong-Phase einer Vergärung zugänglich gemacht wird. Bei Verwendung von Gärsubstraten gemäß der beschriebenen Zusammensetzungen bilden sich im Vergleich zur Vergärung der betreffenden Monosubstrate insgesamt deutlich stabilere Biozönosen aus.
Eine besondere Ausführungsform enthält Zusammensetzungen in folgenden Mengenverhältnissen:

Soapstock (Schleimstoffe) 65 bis 85 Masseprozent

Destillationsrückstand (Mong-Phase) 10 bis 20 Masseprozent

Fettphase 0 bis 5 Masseprozent
Neben Schleimstoffen, die aus dem Raffinationsprozess von Rapsöl gewonnen werden, eignen sich generell auch Rückstände aus der Raffination anderer Pflanzenöle.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden neben den genannten Basiskomponenten weitere Flüssigsubstrate zu einer Mischung vereinigt. Hierfür kommen grundsätzlich alle Fluide in Frage, die gärfähige Phyto- oder Zoomasse enthalten. Zu den in Frage kommenden Einsatzstoffen zählen beispielsweise Glyzerin bzw. die glyzerinhaltigen Phasengemischen aus der Biodieselproduktion. Zur Sicherstellung der vorteilhaften Substrateigenschaften wird der Gesamtgehalt dieser optional einsetzbaren Zusatzkomponenten auf 20 Masseprozent begrenzt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Verarbeitung der vor genannten Zusammensetzungen in einem herkömmlichen Gärprozess, bei dem das Gemisch vor dem Eintrag in den Fermenter zum Anmaischen von Gärsubstraten mit hohen Trockensubstanzanteilen verwendet wird. Hierdurch können auch Substrate mit Trockenmassegehalten von mehr als 15 Masseprozent wie Gülle, Klärschlamm, Schlempe, Molke, Silagen (Gras, Mais u. a.), Küchenabfälle oder Mycelschlämme einer Vergärung zugänglich gemacht werden. Gegenüber einer Befeuchtung des Gärsubstrates mit Wasser werden auf diese Weise Verdünnungseffekte vermieden.
Vor dem Anmaischen wird das Rohsubstrat zerkleinert. Für den Zerkleinerungsvorgang werden möglichst langsam laufende Apparate wie Trommel-, Schnecken- oder Hammermühlen eingesetzt, um den Schwermetallabrieb der Zerkleinerungsorgane zu verringern.
Durch die in der Erfindung vorgeschlagene Anmaischung können die bei der Ölsaatenverarbeitung anfallenden Feststoffrückstände (Presskuchen bzw. Extraktionsschrot) gemeinsam mit den Schleimstoffen (Soapstock) und den Destillationsrückstande (Mong-Phase) einer Vergärung zugeführt werden. Hierdurch erhöht sich der energetische Nutzungsgrad, da nicht nur das Pflanzenöl, sondern auch die Ölsaatrückstände energetisch verwertet werden.
Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verarbeitung der vor genannten Zusammensetzung ist die Kopplung von Biodieselherstellung und Biogaserzeugung. Die bei der Biodieselherstellung anfallenden Prozessrückstände (Sopastock, Mong-Phase und Fettphase) werden mittels Überleitungen direkt der Biogasanlage zugeführt. Da die Rückstände aus der Biodieselherstellung erhöhte Temperaturen aufweisen, muss für die Durchführung des Biogasprozesses keine Heizwärme aufgebracht werden. In einem weiteren optionalen Schritt wird überschüssige Wärme aus dem Biodieselherstellungsprozess mittels Wärmetausch ausgekoppelt und zur Erwärmung des Gärsubstrates auf Temperaturen in einem Bereich von 50°C bis 60°C verwendet. In diesem Temperaturregime erfolgt der anaerobe Vergärungsprozess durch thermophile Bakterienstämme. Abgesehen von dem Vorteil einer beschleunigten Substratumsetzung im thermophilen Temperaturbereich spricht die unter diesen Bedingungen vorherrschende Hygienisierungswirkung für eine derartige Betriebsweise. Nach der Behandlung im Fermenter liegen somit hygienisierte Gärreste vor. Letzteres verbessert die Verwertungsmöglichkeiten der Gärrückstände insbesondere im Falle einer beabsichtigten landwirtschaftlichen Verwertung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102004031647 [0004]
- DE 19622601 [0008]

Claims

Zusammensetzungen verwendbar als Gärsubstrat, dadurch gekennzeichnet, dass sie Schleimstoffe (Soapstock) aus der Pflanzenölgewinnung bzw. -raffination, Destillationsrückstände (Mong-Phase) aus der Biodieselherstellung sowie gegebenenfalls weitere Fluide aus Phytomasse oder Zoomasse gelöst oder partikulär in Suspension enthalten und der Gehalt an Schleimstoffen mindestens 40 Masseprozent bezogen auf die Gesamtmasse der eingesetzten Stoffe beträgt.
Zusammensetzungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Fluide aus Phytomasse oder Zoomasse einen Gehalt von maximal 20 Masseprozent bezogen auf die Gesamtmasse der eingesetzten Stoffe enthalten.
Zusammensetzungen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eingesetzten Stoffe in Mengenverhältnissen von Soapstock (Schleimstoffe) 65 bis 85 Masseprozent Destillationsrückstand (Mong-Phase) 10 bis 20 Masseprozent Fettphase 0 bis 5 Masseprozent

enthalten sind.
Zusammensetzungen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Glyzerin und/oder glyzerinhaltige Phasengemische aus der Biodieselherstellung enthalten sind.
Verfahren zur Verarbeitung einer Zusammensetzung gemäß Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vermengung mit vorzerkleinerter überwiegend als Feststoff vorliegender Biomasse in einer Mischvorrichtung derart erfolgt, dass der Trockenmassegehalt der austretenden Mischung maximal 15 Masseprozent beträgt und anschließend die Mischung in einem Fermenter unter fortlaufender Durchmischung einem Vergärungsprozess unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Destillationsrückstand (Mong-Phase) und gegebenenfalls weitere Stoffwandlungsprodukte aus einer benachbarten Biodieselanlage über wärmeisolierte Überleitungen direkt und/oder über Zwischenspeicher in die Mischvorrichtung eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Wärmeaustauscher Prozesswärme aus einer benachbarten Biodieselanlage ausgekoppelt wird und zur Erwärmung des in den Fermenter eintretenden Stoffstromes genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Fermenter eintretende Stoffstrom auf Temperaturen im Bereich von 30°C bis 40°C oder auf Temperaturen im Bereich von 50°C bis 60°C erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vorzerkleinerte Feststoffrückstände aus der Pflanzenölgewinnung bzw. -raffination der Mischvorrichtung zugeführt werden.