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Vorliegende
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbau gärhemmender Stoffe aus einem
Fluid, ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol, insbesondere aus
Molke, sowie eine Anordnung von Bioreaktoren zu Durchführung des
Verfahrens zur Herstellung von Ethanol aus Molke.
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Aus
dem Stand der Technik ist bekannt, dass Ethanol aus saccharidhaltigen
Stoffen, insbesondere Zucker bzw. Glukose, gewonnen werden kann.
Dabei sind Getreide, Zuckerrüben,
Kartoffeln und Molke als Glukoselieferanten bekannt, die sich zur
Ethanolherstellung eignen. Aber auch andere saccharidhaltige Lebensmittel
und vor allem Lebensmittelrückstände können vergoren
werden.
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Problematisch
ist dabei jedoch, dass zum einen gerade in Lebensmittelrückständen aufgrund von
beginnender Zersetzung, hervorgerufen beispielsweise durch Schimmelpilze
oder ähnliches, gärhemmende
Stoffe befinden, die eine Ethanolherstellung aus diesen Produkten
behindern und deshalb unrentabel machen. Auf der anderen Seite ist gerade
die Herstellung von Ethanol aus Molke bis jetzt noch nicht wirtschaftlich,
da die aus der Molke gewonnene Ethanolausbeute für eine kommerzielle Auswertung
nicht ausreicht.
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Aufgabe
vorliegender Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren bereitzustellen,
mit dem gärhemmende
Stoffe leicht entfernt werden können
und das dadurch eine möglichst
einfache und kostengünstige Ethanolherstellung,
insbesondere aus der Molke, gewährleistet.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Abbau gärhemmender Stoffe aus Fluiden
gemäß Patentanspruch
1, ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol gemäß Patentanspruch 13, ein Verfahren
zu Herstellung von Ethanol aus Molke gemäß Patentanspruch 14, sowie
eine Anordnung von Bioreaktoren zur Herstellung von Ethanol aus
Molke gemäß Patentanspruch
29 gelöst.
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Vorliegende
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die geringe Ethanolausbeute
bei der Ethanolherstellung aus saccharidhaltigen Lebensmitteln bzw.
Lebensmittelrückständen, wie
beispielsweise Molke, auf zwei Probleme zurückzuführen ist:
Zum einen sind
bei der Verwendung von Molke als Lebensmittelrückstand, dh. als Abfallprodukt
von Käsereien
Hemmstoffe in der Molke vorhanden, die insgesamt die Ethanolherstellung
stark einschränkten. Zu
diesen Hemmstoffen gehört
insbesondere Kupfer, das eine Vergärung von Molke zu Ethanol fast
unmöglich
macht, aber auch Schimmelpilze, die sich durch eine nicht sofortige
Weiterverarbeitung der Molke ansiedeln. Solche Hemmstoffe sind auch
bei anderen saccharidhaltigen vergärbaren Lebensmitteln, wie beispielsweise
Trauben, oder Gerste vorhanden und müssen für eine Ethanolherstellung aus dem
zu vergärenden
Fluid entfernt werden.
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Dazu
wird das zu vergärende
Fluid mit einer mikrobiotischen Mischung aus photosynthetisch arbeitenden
Mikroorganismen und Licht emittierenden Mikroorganismen beaufschlagt,
die dazu ausgelegt ist, die gärhemmenden
Stofffe abzubauen. Ist die Molke noch nicht stark belastet kann
auch eine Zugabe von Hopfen eine ausreichen bakteriostatische Wirkung
ausüben.
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In
einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird die mikrobiotische Mischung jedoch nicht dem Fluid direkt zugegeben,
sondern die Stoffe aus denen das Fluid hergestellt wird, werden
mit der mikrobiotischen Mischung vorbehandelt. Dies ist insbesondere
bei der Herstellung von Wein oder Bier vorteilhaft, bei denen die
Trauben oder Äpfel
bzw. die Braugerste vor Ansetzen von Most bzw. Maische mit der mikrobiotischen
Mischung behandelt werden. Dadurch können gärhemmende Stoffe, wie beispielsweise
Mehltau, bereits vor dem Gärprozess
entfernt werden und können
auch Most bzw. Maische nicht kontaminieren.
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Versuche
haben gezeigt, dass zudem durch die Zugabe der mikrobiotischen Mischung
zu Most, vor allem aber auch bei der Vorbehandlung von Trauben mit
der mikrobiotischen Mischung, der darauf folgende Gärverlauf
deutlich beschleunigt werden kann, wobei zudem ein rascher Zuckerabbau
und ein rasche Temperaturanstieg bei der Gärung beobachtet wurde. Zudem
konnte durch die Zugabe der mikrobiotischen Mischung verhindert
werden, dass das Gärprodukt
muffig oder schlecht roch.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die in der mikrobiotischen Mischung enthaltenen
photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen Prochlorophyten, Cyanobakterien,
grüne Schwefelbakterien,
Purpurbakterien, Chloroflexusähnliche
Formen, Heliobakterien und Heliobacillusähnliche Formen, sowie Mischungen
aus zwei oder mehr daraus sind und die in der mikrobiotischen Mischung
enthaltenen Licht emittierenden Mikroorganismen Photobakterium phosphoreum,
Vibrio fischeri Vibrio harveyi, Pseudomonas lucifera oder Beneckea
oder Mischungen aus zwei oder mehr daraus sind. Des weiteren kann
es vorteilhaft sein, wenn die mikrobiotische Mischung zudem Pflanzenextrakte,
Enzyme, Spurenelemente, Polysaccharide, Alginderivate und/oder andere
Mikroorganismen einzeln oder in Kombination enthält.
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Das
andere, insbesondere bei der Ethanolherstellung aus Molke bestehende,
Problem liegt darin, dass die in der Molke enthaltene Glukose nicht frei
verfügbar
ist. Man kann also nicht einfach nur der Molke Hefe für einen
Gärprozess
zugeben, sondern die Glukose muss erst aus der Laktose gewonnen werden.
Laktose ist meist aber nur zu einem Prozentsatz von 30–40 % in
der Molke enthalten und besteht darüber hinaus nicht zu 100 % aus
Glukose, sondern auch aus Galaktose. Galaktose ist zwar auch ein
Monosaccharid, kann aber nicht zu Ethanol vergärt werden, wodurch die Ethanolausbeute
weiter reduziert wird.
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Erfindungsgemäß wird deshalb
ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem in einem ersten Schritt solche
Hemmstoffe, wie beispielsweise Kupfer, aus der Molke entfernt werden.
In einem sich anschließenden
Schritt wird, die in der Molke vorhandene Laktose in Glukose und
Galaktose aufgespalten, wobei die Galaktose nicht wie ein Abfallprodukt
behandelt wird, sondern wird, wie ein weiteres besonders bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
zeigt, mit Hilfe eines bestimmten Hefestamms, den sogenannten Kluyveromyces,
in Glukose umgewandelt.
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Erst
dann wird in einem dritten Schritt ein Gärmittel, insbesondere Hefe
oder Bakterien, zugegeben, um die jetzt vergleichsweise hohe Konzentration
an Glukose in Ethanol umzuwandeln.
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Da
wie oben beschrieben insbesondere Kupfer als Ethanolherstellungshemmstoff
identifiziert wurde, wird Kupfer in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
mittels Elektrolyse aus der Molke entfernt.
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Eine
weitere Einschränkung
ist, dass bei der Gärung
zu Ethanol auf den Prozentsatz von Ethanol in der Gärlösung geachtet
werden muss, da ein zu hoher Alkoholgehalt den Gärprozess negativ beeinflusst.
Deshalb wird, wie ein weiteres vorteilhaftes Ausführungsbeispiel
zeigt, der Alkoholgehalt auf einem bestimmten Niveau, vorzugsweise
unter 12 %, gehalten. Dazu kann vorzugsweise überschüssiges Ethanol aus der Gärlösung mittels
Membranfilterung abgeführt
werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das erfindungsgemäße Verfahren in einem Bioreaktor
stattfindet. Dabei können
die drei Hauptschritte des Verfahrens hinterein ander in dem gleichen
Bioreaktor ausgeführt
werden. Dazu muss jedoch zwischen den einzelnen Schritten der Bioreaktor
für den
nächsten Schritt
vorbereitet werden.
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Da
dies umständlich
ist, kann wie ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt, das Verfahren
auch in vorzugsweise drei hintereinander angeordneten Bioreaktoren
stattfinden, wobei ein Umrüsten
der einzelnen Bioreaktoren aufgrund der ihnen fest zugewiesenen
Verfahrensschritte entfällt.
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Dabei
ist ein erster Bioreaktor vorzugsweise mit einer Elektrolyseeinrichtung
ausgestattet, so dass eine Entfernung von Kupfer aus der Molke ermöglicht wird.
Dazu kann auf eine spezielle Ausstattung des Bioreaktors zurückgegriffen
werden. Ein besonders bevorzugter Bioreaktor besteht nämlich aus einem
beschichteten Behälter
und einem beschichteten Füllkörper, wobei
die Beschichtungen so gewählt sind,
dass beim Anlegen eines elektrischen Feldes der Bioreaktor selbst
als Elektrolysevorrichtung wirkt. Besonders vorteilhaft haben sich
dabei eine photokatalytische Beschichtung des Bioreaktors und eine
Aktivkohlebeschichtung des Füllkörpers erwiesen.
Beim Anlegen des elektrischen Feldes dient dann der Füllkörper als
Anode und die Kupferionen setzten sich an der Aktivkohleschicht
ab.
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In
diesen ersten Bioreaktor wird beispielsweise Molke aus einer Käserei eingeleitet
und das störende
Kupfer daraus entfernt. Ist die Molke stark belastet, beispielsweise
da sie bereits eingelagert war, kann hier der Molke auch die mikrobiotische
Mischung zugegeben werden. Ist die Molke nur wenig belastet oder
frisch kann der Molke auch vor dem Einleiten in den ersten Bioreaktor
Hopfen zugegeben werden, vorzugsweise 100 g Hopfen pro Hektoliter Molke,
so dass zum einen eine bereits vorhandene Belastung gemindert oder
zumindest gebremst wird, zum anderen sichergestellt werden kann,
dass eine solche Belastung gar nicht erst auftritt.
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Die
so vorbereitete Molke wird dann in einen zweiten Bioreaktor überführt, in
dem die in der Molke enthaltene Laktose mittels Laktase in Glukose
und Galaktose aufgespalten wird. Dazu können des weiteren Kluyveromyces-Hefen
in dem zweiten Bioreaktor vorgesehen sein, die zum einen ebenfalls
eine Aufspaltung von Laktose in Glukose und Galaktose bewirken,
zum anderen aber auch dazu fähig
sind, Galaktose in Glukose umzuwandeln. In einem dritten Bioreaktor,
in den die Glukosemischung eingeleitet wird, sind Mikroorganismen,
insbesondere Hefen oder Gärbakterien
vorhanden, die eine Umwandlung von Glukose mittels alkoholischer
Gärung
in Ethanol bewirken. Das so produzierte Ethanol wird dann vorzugsweise
mittels einer Membran aus der Glukosemischung abgeschieden.
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Besonders
bevorzugt ist eine Bioreaktorenanordnung, bei der die einzelnen
Bioreaktoren mit einer photokatalytisch wirksamen Schicht beschichtet sind,
und ein oder mehrere Aussparungen zum Durchtritt der Molke in das
Innere des Bioreaktors aufweisen. Außerdem ist es vorteilhaft,
wenn in dem Bioreaktor ein Füllkörper mit
Aktivkohle vorhanden ist, der die Reaktionsoberfläche vergrößert, wobei sich
an dem Füllkörper bevorzugt
Kupfer abscheidet oder Mikroorganismen für die Ethanolherstellung ansiedeln
und Enzyme immobilisiert werden können. Ganz besonders vorteilhaft
ist eine Ausführungsform der
Bioreaktoren, bei der sich eine längsstreifenförmige photokatalytische
Beschichtung mit einer längsstreifenförmigen Diamantbeschichtung
abwechselt.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsbeispiele und
Vorteile sind in den Unteransprüchen
definiert.
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Im
folgenden werden besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
an Hand von Figuren noch näher
erklärt.
Dabei sind die Figuren rein exemplarisch und sollen nicht dazu verwendet
werden, den Rahmen der Patentansprüche auf die gezeigten Ausführungsbeispiele
einzuschränken.
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Es
zeigen:
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1:
eine schematische Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
vorliegender Erfindung, bei dem drei Bioreaktoren in Reihe hintereinander
geschaltet sind, um das erfindungsgemäße Verfahren zur Ethanolherstellung
aus Molke auszuführen;
und
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2:
eine schematische Zeichnung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
eines Bioreaktors für
das erfindungsgemäße Verfahren.
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3:
eine schematische Zeichnung eines weiteren Ausführungsbeispiels vorliegender
Erfindung, um das erfindungsgemäße Verfahren
zur Ethanolherstellung aus Molke auszuführen.
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1 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
für eine
Anordnung 1 von Bioreaktoren 2a–c für die Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Um
Ethanol aus Molke herzustellen, wird Molke, die sonst als Abfallprodukt
von Käsereien
entsteht, weiterbehandelt. Dazu wird die Molke aus einem Lager-
oder Anliefertank 4 über
eine erste Leitung 6 in die Anordnung 1 von Bioreaktoren 2a–c überführt. Es
ist aber auch möglich
direkt an der Käserei
selbst eine solche Anlage oder zumindest einen Bioreaktor für die Ethanolherstellung
vorzusehen. Dann könnte
die Molke direkt über
die Leitung 6 aus der Käserei
in die Anordnung 1 geleitet werden, ohne dass ein Tank 4 erforderlich
wäre.
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Um
eine bakteriologische Belastung der Molke zu verhindern oder eine
solche zu verringern, kann der Molke in dem Tank 4 Hopfen,
vorzugsweise 100g Hopfen/hl Molke zugegeben werden. Hopfen wirkt
mykotisch selektiv und unterdrückt
die grampositiven Bakterien, wodurch sich in der Molke enthaltene
Fremdkeime nicht weiter vermehren können. Dies bewirkt zudem, dass
vor allem die Zuckerverstoffwechselnden Bakterien, die die Ethanolausbeute aufgrund
der Zuckergehaltreduzierung verringern, in ihrer Vermehrung gehindert
werden. Dabei kann Hopfen als Gesamtstoff zugegeben werden, es ist
jedoch auch möglich
nur die für
die bakteriostatische Wirkung des Hopfens nötigen β – Säuren des Hopfens als Hopfenauszug
der Molke zuzugeben.
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Ist
die Molke bereits stark mit Fremdkeimen belastet, ist es zudem vorteilhaft
der Molke eine mikrobiotische Mischung aus photosynthetisch arbeitenden
Mikroorganismen und Licht emittierenden Mikroorganismen zuzugeben.
Diese mikrobiotische Mischung ist auch dazu geeignet, in der Molke
vorhandene Schimmelpilze zu beseitigen.
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In
einem ersten Bioreaktor 2a wird die Molke von Hemmstoffen
für die
Ethanolherstellung getrennt. Dies kann, insbesondere beim Vorhandensein von
Kupfer, über
Elektrolyse erfolgen. Zudem kann in dem Bioreaktor 2a die
Zugaben der mikrobiotischen Mischung erfolgen. Für die Elektrolyse ist eine
Elektrolysevorrichtung 8 vorgesehen, an der die Kupferionen
an der Anode abgeschieden werden. Die Elektrolysevorrichtung kann
auch als beschichteter Bioreaktor mit Füllkörper ausgebildet sein, bei
dem sich durch eine abwechselnde Beschichtung aus Diamant und bspw.
Titandioxid und einer Aktivkohlebeschichtung des Füllkörpers ein
elektrisches Feld bildet. Der Füllkörper kann
die Form einer Spindel aufweisen, die wiederum die Beschichtung
aus Aktivkohle besitzt. Eine schematische Darstellung eines solchen Bioreaktors
mit Füllkörper wird
detailliert in 2 beschrieben.
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Da
dieses elektrische Feld jedoch recht schwach ist, sollte für ein gutes
Ergebnis eine externe Stromquelle für die Elektrolyse verwendet
werden. Dazu wird ein schwacher Strom zwischen 400 und 600 mA, bzw.
0,3–2,6
V, vorzugsweise 1,9 V, angelegt, und der Füllkörper als Anode verwendet.
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Da
die Kupferionen nicht frei in der Molke vorhanden sind, sondern
an die schon in der Molke enthaltenen für die Aufspaltung von Laktose
in Glukose und Galaktose verantwortlichen Laktaseenzyme gebunden
sind, ist es sinnvoll diese Enzyme wieder zurück zu gewinnen, um nicht unnötig viele
Enzyme im darauf folgenden Verfahrensschritt der Laktoseaufspaltung
einsetzen zu müssen.
Dazu wird der angelegte Strom abgeschaltet und eine Spannungsumkehr
initialisiert, worauf sich die Enzyme von dem Füllkörper lösen, während die Kupferionen noch
am Füllkörper bleiben.
Wird zur gleichen Zeit die so behandelte Molke aus dem ersten Bioreaktor 2a über eine
weitere Leitung 10 entfernt, befinden sich in der Molke
die Laktaseenzyme, aber keine bzw. verschwindend wenige Kupferionen.
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Kommt
die Molke direkt aus der Käserei,
hat sie meist eine Temperatur von 45 °C–55 °C. Für die Elektrolyse spielt die
Temperatur keine Rolle, so dass der Bioreaktor 2a nicht
mit einer Temperaturkontrolleinheit ausgerüstet werden muss.
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Zusätzlich kann
die Molke im Bioreaktor 2a noch aufkonzentriert werden.
Das heißt, überschüssiges Wasser
wird aus der Molke entfernt, so dass eine hohe Laktosekonzentration
erreicht wird.
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Ist
die Molke aufbereitet, wird sie über
die zweite Leitung 10 in einen weiteren Bioreaktor 2b geleitet.
Dort findet eine Aufspaltung von Laktose in ihre beiden Bestandteile
Glukose und Galaktose statt. Vorzugsweise geschieht dies bei einer
Temperatur von 30 °C
bis 35 °C.
Ist die Molke nicht schon auf diese Temperatur abgekühlt, weil
sie beispielsweise direkt aus der Käserei kommt, oder noch zu kalt,
muss dem Bioreaktor 2b ein Kühl- bzw. Heizaggregat (hier nicht
dargestellt) vorgeschaltet oder in den Bioreaktor integriert sein,
das die Molke vor der Aufspaltung der Laktose auf die gewünschte Temperatur
bringt. Weiterhin kann auch in dem Bioreaktor selbst ein Temperaturfühler (hier
nicht dargestellt) angeordnet sei, der die Reaktionstemperatur ständig überwacht.
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Für die Laktoseaufspaltung
selbst sind Enzyme – die
sogenannte Laktase – zuständig, die
vorteilhafterweise in einem in dem Bioreaktor aufgenommen in einem
Behälter 12 beinhalteten
Füllkörper immobilisiert
sind. Ein genauer Aufbau des Bio reaktors wird in 2 beschrieben.
Der Füllkörper vergrößert zum
einen die Reaktionsfläche
und zum anderen stellt er eine einfache Möglichkeit bereit, auch bei
der Verwendung von nur einem einzigen Bioreaktor durch einfachen
Austausch der Füllkörper von
dem Bioreaktor für
Schritt B – also
der Aufspaltung von Laktose – auf
einen Bioreaktor für
Schritt C – Ethanolherstellung – umzurüsten.
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Als
Enzym wird Laktase verwendet, das vorteilhafterweise durch Kluyveromyces- Hefen bereitgestellt
wird. Der große
Vorteil an der Verwendung von Kluyveromyces- Hefen ist, dass durch die von ihnen
bereitgestellte Laktase nicht nur eine Aufspaltung von Laktose in
Glukose und Galaktose erreicht wird, sondern auch eine Umwandlung
von Galaktose in Glukose möglich
ist. Dies ist für
die Ethanolherstellung von entscheidendem Vorteil, da dadurch der Glukosegehalt
und damit die Menge des Ethanol gesteigert wird.
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Vorteilhafterweise
werden weniger als 10 mg/l Enzyme, optimalerweise 1 mg/l Enzyme
der Molke zugegeben. Während
einer vorteilhaften Dauer von 8 bis 10 Stunden, spalten dann die
Enzyme Laktose zu Glukose und Galaktose auf. Während weiterer 14–16 Stunden
erfolgt dann auch die Umwandlung von Galaktose in Glukose.
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Als
Ergebnis erhält
man eine relativ hochkonzentrierte Glukosemischung, die zur weiteren
Bearbeitung in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine
dritte Leitung 14 in einen weiteren Bioreaktor 2c überführt wird.
Wie eingangs bereits erwähnt,
können
auch die Bioreaktoren 2b und 2c integral ausgebildet
sein. In diesem würde
jetzt ein Austausch der Füllkörper vorgenommen
werden, um den Bioreaktor auf den Gärprozess umzurüsten.
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Der
Bioreaktor 2c ist mit einem Füllkörper 16 ausgestattet,
der als für
die Gärung
verwendete Mikroorganismen Hefe oder Bakterien enthalten kann. Da
beide Gärprozesse
nicht bei gleichen Temperaturen stattfinden, ist zwar ein gleichzeitiges
Vorhandensein der zwei Mikroorganismenarten im Füllkörper möglich, aktiv sind jedoch nur
die Mikroorganismen, für
die die entsprechende Temperatur angelegt ist. So findet eine alkoholische
Gärung
mittels Hefen bei einer Temperatur von weniger als 25°C, vorzugsweise
zwischen 8°C
und 10°C,
statt, während
die Gärung
mit Hilfe von Bakterien, insbesondere Thermoanaerobacter ethanolicus,
bei 60 °C
bis 65°C
stattfindet. Um die Temperatur genau zu steuern, kann dem Bioreaktor 2c ein
Kühl- oder Heizaggregat
(hier nicht dargestellt) vorgeschaltet oder in ihn integriert sein.
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Ebenso
kann eine Temperaturmessvorrichtung vorhanden sein, die kontrolliert,
ob die Temperatur den Anforderungen entspricht.
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Die
Gärmikroorganismen
sind durch den Füllkörper 14 in
dem Bioreaktor 2c immobilisiert, der gleichzeitig eine
vergrößerte Reaktionsfläche zur Verfügung stellt.
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Da
der Gärprozess
durch eine zu hohe Alkoholkonzentration gehemmt wird, muss das schon produzierte
Ethanol aus dem Bioreaktor 2c entfernt werden. Dies kann
vorteilhafterweise über
eine hier nicht dargestellte Diffusionsmembran geschehen. Es ist
aber auch der Einsatz einer speziellen Destillationsmembran vorstellbar,
die jedoch relativ teuer ist. Idealerweise sollte die Alkoholkonzentration
12 % nicht übersteigen.
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Das
hergestellte Ethanol kann anschließend über eine weitere Leitung 18 einem
Lagertank 20 zugeführt
werden.
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2 zeigt
eine Prinzipdarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Bioreaktors
der aus einem Behälter 22 und
einem Füllkörper 24 besteht.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist der Behälter 22 zylinderförmig ausgebildet,
er kann jedoch auch beliebige andere Formen aufweisen. Die Seitenwände des
Behälters 22 sind
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
aus Edelstahl hergestellt und partiell mit einer photokatalytisch
wirkenden Beschichtung 26 versehen sein. Diese Beschichtung 26 kann an
der Innenumfangswand des Behälters 22 und/oder – wie in 2 gezeigt – an der
Außenwand 28 ausgebildet
sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Behälter 22 aus
V4A – Stahl
hergestellt und mit einer Titandioxid-Beschichtung versehen. Anstelle
dieses Titandioxids kann auch Indiumzinnoxid oder dergleichen verwendet
werden. Die Außenwand 28 des
Behälters 22 ist
mit einer Vielzahl von Durchbrüchen 30 versehen,
so dass die umzuwandelnde Molke ins Innere des Behälters 22 gelangen
kann. Diese Durchbrüche 30 können beispielsweise
gestanzt sein, wobei es von Vorteil ist, wenn dann die Stanzgrate
nach Innen vorstehen. Die untere Stirnfläche 32 des Behälters kann
verschlossen sein, so dass das Einströmen der Molke in den Behälter 22 im
Wesentlichen in Radialrichtung erfolgt. Die obere Stirnfläche kann
ebenfalls verschlossen sein. In dem Fall, in dem die obere Fläche oberhalb des
Flüssigkeitsspiegels
liegt, kann auf ein Verschließen
verzichtet werden.
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Im
Innenraum des Behälters 22 ist
ein auswechselbarer Füllkörper 24 aufgenommen,
der, wie in der Aufrissdarstellung gezeigt, eine spiralförmige Struktur
auf weist. Dieser Füllkörper 24 besteht
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
aus einem Träger 34,
der beispielsweise ein spiralförmig
gewendeltes Edelstahlblech sein kann. Auf diesem hier gezeigten
schraubenlinienförmig
gewendelten Träger 34 aus
Edelstahl ist beidseitig ein Schaummaterial, beispielsweise ein
PU-Schaum aufgebracht, der mit Aktivkohle und ggfs. Nano-Composite-Material
beschichtet oder versetzt ist. Durch den PU-Schaum wird ein Porensystem
gebildet, dessen Wandungen mit Aktivkohle beschichtet sind, so dass
eine große Stoffaustauschfläche zur
Verfügung
gestellt wird.
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Konkret
besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Träger 34 aus
einem zwei bis drei Millimeter starkem VA-Gitterkörper, wobei
die wendelförmige
Struktur durch zwei Gitterflächen
gebildet ist, zwischen denen ein halbharter, offenzelliger PU-Schaum
mit Aktivkohlebeschichtung eingebracht ist. Die auf der nach unten
gerichteten Seite der Wendel angeordneten Gitterstäbe 36 sind
mit einer photokatalytischen Oberfläche versehen, die Maschenweite
beträgt
an diesen nach unten weisenden Großflächen ca. 10–12 mm. An den die nach oben
weisende Großfläche der
Wendel bildenden Gitterstäben
ist keine Beschichtung vorgesehen. Die Maschenweite beträgt hier
etwa 25 bis 30 mm.
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Die
eingangs genannten Mikroorganismen und Enzyme können zentral über einen
Dosierschlauch in das Zentrum des spiralförmigen Füllkörpers 24 eingebracht
werden. Es ist jedoch auch möglich,
diese Mikroorganismen und Enzyme mit Nano-Composite-Materialien bereits bei der
Herstellung des Füllkörpers 24 ins
Porensystem einzubringen. Sehr Erfolgs versprechend waren Versuche,
bei denen die Mikroorganismen bzw. Enzyme und Nano-Composite-Materialien
in Chitosan gelöst
und diese mit den Nano-Composite-Materialien versetzte Mischung
dann – beispielsweise
durch Tränken – auf den
Füllkörper aufgebracht
wird, so dass ein kontinuierliches Zuführen von Mikroorganismen bzw.
Enzymen entfällt
und lediglich in regelmäßigen Abständen ein
Austausch des Füllkörpers 24 erforderlich
ist.
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Der
PU-Schaum ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel auf der nach
unten weisenden Seite der Wendel mit einem gelartigen Material aus Chitosan
beschichtet. In diesem Chitosan sind die Nano-Composite-Materialien
eingebettet, welche jeweils ein piezoelektrisches Keramik-System
aus PZT-Kurzfasern mit photokatalytischen Beschichtungen darstellt.
Ferner sind für
die Gärung
verantwortliche Mikroorganismen bzw. Laktase produzierende Kluyveromyces-Hefen
mit eingebettet.
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Der
Behälter 22 ist
sowohl an seiner Innenfläche
als auch an seiner Außenfläche mit
der photokatalytisch wirksamen Schicht 26 – also beispielsweise
dem Titandioxid – beschichtet.
Diese Schicht ist an der Innenfläche,
d. h. an der dem Füllkörper 34 zugewandten
Seite vollständig
aufgetragen, während
an der Außenfläche das
Titandioxid in Form von Streifen 26 aufgebracht ist, zwischen
denen Bereiche verbleiben, die mit einer Diamantbeschichtung 38 versehen sind.
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Eine
derartige Diamantbeschichtung 38 lässt sich synthetisch herstellen,
indem Methan und Wasserstoff sowie eine geeignete Trägersubstanz
aus beispielsweise Niob, Silizium oder Keramik in einer Vakuumkammer
auf Temperaturen bis etwa 2000° erhitzt
werden. Es kommt dann zu einer Reaktion, bei der sich ein Diamantgitter
auf der Trägersubstanz ausbildet.
Diese Beschichtung 38 wird dann auf der Außenwand 28 des
Behälters 22 aufgebracht,
so dass mit einer photokatalytisch wirksamen 26 und mit einer
Diamantschicht 38 versehene Bereiche nebeneinander liegen.
Diese Bereiche 26, 38 verlaufen in Längsrichtung
des Behälters 22.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
entspricht die Breite der Streifen 26 etwa dem Abstand
von vier lochförmigen Durchbrüchen 30,
während
die Breite der Bereiche 38 wesentlich kleiner ist und etwa
dem Abstand zwischen zwei benachbarten Durchbrüchen 30 entspricht.
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Im
Zusammenwirken mit der katalytischen Beschichtung des Behälters
22 und
der vorbeschriebenen Beschichtung und der darin vorhanden Aktivkohle
des wendelförmigen
Füllkörpers
24,
stellt sich ein vergleichsweise starkes elektromagnetisches Feld
ein. Die entstehende Potentialdifferenz liegt an den mit der Diamantbeschichtung
38 versehenen
Bereichen an, die dann als Diamantelektroden wirken. Diese Spannung
kann dafür
eingesetzt werden, die in der Molke enthalten Kupferionen an der
als Anode wirkenden Elektrode abzuscheiden. Zusätzlich kann auch eine externe
Stromquelle vorhanden sein, die die Elektrolyse von Kupfer aktiv
unterstützt.
Einzelheiten über
das durch die Beschichtung entstehende elektromagnetische Feld sind
in der älteren
Anmeldung
DE 103 30 959.4 offenbart,
so dass diesbezügliche
weitere Erläuterungen
entbehrlich sind.
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3 zeigt
schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel
vorliegender Erfindung, bei dem Ethanol aus Molke gewonnen wird.
Aus einem Tank 31 mit Rohmolke, der Hopfen in einem Verhältnis von vorzugsweise
100g/hl zugegeben wird, wird die Molke in einen aeroben Schlaufenreaktor 32,
der oben bereits beschriebenen Art eingeleitet. Ist die Molke stark
belastet kann in dem aeroben Schlaufenreaktor der Molke die eingangs
beschriebene mikrobiotische Mischung 33 zugegeben werden.
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Des
weiteren kann in dem Schlaufenreaktor einen Demineralisierung der
Molke stattfinden. Insbesondere Kalium, aber auch Salze, wie beispielsweise
NaCl beeinflussen die Gärung
und können
diese teilweise stark behindern.
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Die
so behandelte Molke wird dann in ein Pufferbecken 34 überführt, in
dem Molke aus dem Schlaufenreaktor gesammelt wird, um für den weiteren
Prozess zur Verfügung
zu stehen. Dabei kann Molke aus verschiedensten Molkereien zusammengeführt werden,
so dass vorteilhafterweise zudem eine Stabilisierung der Molke erfolgt.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn in dem Pufferbehälter eine Molke
mit einem bestimmten Laktosegehalt vorhanden ist. Dazu kann die
eingeleitete Molke entweder verdünnt
oder aufkonzentriert werden.
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In
einem weiteren Behälter 35,
wird der pH-Wert der Molke auf den für die nachfolgende Enzymbehandlung
nötigen
Wert zwischen pH 5–7,5, insbesondere
pH = 5,8–6,3
angehoben. Die Enzymbehandlung und die Aufspaltung von Laktose und Galaktose
in Glukose ist bereits oben beschrieben worden.
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Nachfolgend
werden in einer Membranfiltrationsanlage 36 noch etwagig
vorhanden Kleinstteile aus der Molke entfernt, um ein besonders
gutes Gärergebnis
zu erzielen.
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Die
so vorbehandelte Molke – eigentlich
inzwischen das glukosehaltiges Fluid – wird nun in ein Gärbehälter 37 überführt, in
dem Gärhefe,
die vorzugsweise in einem Hefefermenter 38 vorbehandet wurde,
zugegeben wird. Nach der Gärung
erfolgt in einem weiteren Behälter 39 die
Hefeabsetzung, um Ethanol in möglichst
reiner Form zu erhalten. Daraufhin wird das so erhaltene Ethanol
in einen weiteren Behälter 40 überführt, in
dem die letzten Reste von Hefe und Zucker zu Ethanol vergoren werden.
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Offenbart
ist ein Verfahren zum Abbau gärhemmender
Stoffe in einem Fluid das saccharidhaltige Stoffe enthält, wobei
in das Fluid eine mikrobiotische Mischung, insbesondere eine Mischung
aus photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen und Licht emittierenden
Mikroorganismen, eingebracht ist, die dazu ausgelegt ist, die gärhemmenden
Stoffe abzubauen.