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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus
vergärbarem Substrat und einen Ethanolreaktor zur Durchführung
eines derartigen Verfahrens.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bereits seit langem bekannt, Ethanol
durch alkoholische Gärung zur gewinnen. Dabei wird durch
Hefen oder Bakterien Zucker bzw. Glucose in Ethanol und Kohlendioxid umgewandelt.
Als Glucoselieferanten kommen beispielsweise Getreide, Zuckerrüben,
Kartoffeln, Molke oder sonstige vergärbare Stoffe, wie
beispielsweise saccharidhaltige Lebensmittel und Lebensmittelrückstände
in Frage. Da die enzymatischen Reaktionen bei der alkoholischen
Gärung im Stand der Technik bereits hinlänglich
beschrieben sind, soll hier auf die einzelnen Schritte der alkoholischen
Gärung (Glykolyse, anschließende Umsetzung des
Pyruvats zu Acetaldehyd und dessen Umsetzung zu Ethanol) nicht eingegangen
werden.
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Bei
der alkoholischen Gärung im großtechnischen Maßstab
kann es durch Auftreten von gärhemmenden Stoffen zu einer
Behinderung der Gärung oder auch ein zu einer Rückreaktion
kommen, bei der Ethanol wieder zu Acetaldehyd umgesetzt wird, so dass
die Rentabilität der Anlage verringert wird. Um eine derartige
Hemmung der Vergärung zu verhindern, ist bei herkömmlichen
Anlagen ein erheblicher verfahrenstechnischer Aufwand erforderlich,
um die für die Vergärung erforderlichen Prozessparameter einzustellen.
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Demgegenüber
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung
von Ethanol und einen Ethanolreaktor zu schaffen, mit denen die
Herstellung von Ethanol vereinfacht ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol gemäß den
Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. durch einen Ethanolreaktor nach
Patentanspruch 15 gelöst.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren wird das vergärbare
Substrat zunächst mechanisch und biologisch aufbereitet
oder konditioniert, wobei diese Aufbereitung von der Art des Substrats
abhängig ist. Das aufbereitete Substrat wird einem Ethanolreaktor zugeführt,
der die alkoholische Gärung betreibenden Mikroorganismen,
beispielsweise Hefen oder Bakterien enthält. Während
der Vergärung werden dem Substrat Gärhilfsstoffe
zugeführt, die einen Anteil an einer mikrobiotischen Mischung
bestehend aus photosynthetischen und lichtemittierenden Mikroorganismen
enthalten. Diese Gärhilfsstoffe verhindern das Entstehen
gärhemmender Stoffe oder bauen diese gärhemmenden
Stoffe weitestgehend ab, so dass die eingangs beschriebene Gärhemmung
nicht oder zumindest in stark verringertem Umfang auftritt. Durch diese
Gärhilfsstoffe kann auch die Rückreaktion des Ethanols
zu Acetaldehyd weitest gehend verhindert werden, so dass die Umsetzung
sehr effektiv erfolgen kann.
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Das
bei der Gärung entstehende Ethanolgas wird über
Kopf abgezogen und kondensiert. Das verbleibende Auszugssubstrat
wird aus dem Ethanolreaktor abgezogen und entfeuchtet, so dass es
einer weiteren Verwendung zugeführt werden kann.
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Der
energetische Aufwand zur Durchführung der Vergärung
ist besonders gering, wenn der Ethanolreaktor bei einem Unterdruck
betrieben wird. Dieser Unterdruck ist so gewählt, dass
die Verdampfungstemperatur im Reaktor bei etwa 60° bis
75°C liegt.
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Zur
mechanischen Aufbereitung wird das Substrat beispielsweise zerkleinert,
so dass es als mehlartige Substanz vorliegt.
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Die
biologische Aufbereitung oder Konditionierung kann vorsehen, einen
Teilstrom des Substrats mit der mikrobiotischen Mischung zu beaufschlagen
und dabei je nach Art des Substrats die Umwandlung zu Glucose unterstützende
Mikroorganismen, beispielsweise Pilze oder Bakterien zuzuführen.
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Die
biologische Aufbereitung kann des Weiteren eine bakterielle Hydrolyse
enthalten, bei der das Substrat mittels Bakterien verflüssigt
wird. Diese zur bakteriellen Hydrolyse eingesetzten Mikroorganismen
sind so ausgewählt, dass sie den im Substrat enthaltenen
Zucker oder die Stärke nicht angreifen.
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Das
mechanisch und/oder biologisch aufbereitete Substrat wird in einem
Mischer mit der mikrobiotischen Mischung vermischt, die einen Anteil
an die Zellmembran-schützenden oder DNA-reparierenden Stoffen
enthält.
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Erfindungsgemäß wird
es bevorzugt, wenn während der Vergärung die Gärhilfsstoffe über
eine Membran zugeführt werden.
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Diese
Gärhilfsstoffe können mit einer bei der Gärtemperatur
nicht verdampfenden Trägerflüssigkeit vermischt
sein, der noch ein Anteil gärhemmende Stoffe abbauender
Mikroorganismen oder sonstiger Zuschlagstoffe beigemischt ist.
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Diese
Mikroorganismen können auch die vorgenannte mikrobiotische
Mischung enthalten.
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Das
Verfahren lässt sich besonders effektiv durchführen,
wenn diese Trägerflüssigkeit im Kreislauf gefahren
wird.
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Die
biologische Umsetzung kann weiter verbessert werden, wenn die genannten
Gärstoffe chemisch, physikalisch oder biologisch, beispielsweise durch
Beaufschlagung mit Ultraschall aktiviert werden. Durch diese Aktivierung
werden beispielsweise Enzyme gebildet, die den Abbau gärhemmender Stoffe
beschleunigen.
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Der
erfindungsgemäße Ethanolreaktor hat einen geschlossenen
Reaktorbehälter, an dem ein Substratzulauf, ein Ethanolgasabzug
und ein Austragssubstratabzug vorgesehen sind. Im Reaktorbehälter
ist des Weiteren eine einen Gärraum begrenzende oder in
einem Gärraum angeordnete Mischeinrichtung vorgesehen, über
die das Substrat vom Substratzulauf zum Austragssubstratabzug förderbar
ist. Der Ethanolreaktor ist mit einem die Gärhilfsstoffe und
die Trägerflüssigkeit aufnehmenden Gärhilfsstoffraum
ausgeführt, der über eine für die Gärhilfsstoffe
durchlässige Membran vom Gärraum getrennt ist.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel kann der Reaktorbehälter
mit einer drehbaren Siebtrommel ausgeführt sein, deren
Umfangswandung mit der Membran bespannt ist und in der Einbauten
oder ein Rührwerk zum Fördern und Mischen des
Substrats vorgesehen ist. Diese Siebtrommel taucht abschnittsweise in
den Gärhilfsstoffraum ein, so dass kontinuierlich Hilfsstoffe über
die Membran in den Gärraum geführt werden.
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Bei
einem alternativen Ausführungsbeispiel sind im Reaktor
zwei den Gärraum begrenzende Membranen vorgesehen, wobei
eine fußseitige Membran den Gärhilfsstoffraum
vom Gärraum abtrennt und kopfseitig eine für das
Ethanolgas durchlässige Gasmembran vorgesehen ist.
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Zur
Zuführung der Gärhilfsstoffe taucht die Membran
in den Gärhilfsstoffraum ein.
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Für
die Membranzuführung der Gärhilfsstoffe kann ein
Holzwerkstoff oder ein Holzersatzstoff verwendet werden.
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Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Fließschema einer Anlage zur Herstellung von Bioethanol;
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2 einen
Längsschnitt durch einen Ethanolreaktor der Anlage aus 1;
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3 einen
Querschnitt des Ethanolreaktors aus 2;
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4 und 5,
den 2 und 3 entsprechende Ansichten von
Einbauten des Ethanolreaktors;
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6 einen
Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel
eines Ethanolreaktors;
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7 einen
Querschnitt durch den Ethanolreaktor aus 6 und
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8 ein
Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Anlage.
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Mit
der in 1 dargestellten Anlage kann Ethanolgas aus vergärbarem
Substrat 1, beispielsweise Getreide hergestellt werden.
Dieses Getreide kann durchaus auch belastet sein, beispielsweise durch
Schimmel oder Feuchtigkeit, so dass es für den menschlichen
Gebrauch nicht mehr geeignet ist. Das einen hohen Organikanteil
enthaltende Eingangssubstrat 1 wird als Rohmasse 2 einer
mechanischen Voraufbereitung 3 zugeführt, wobei
das Eingangssubstrat zu einer mehlartigen Masse zerkleinert wird.
Diese Zerkleinerung kann über einen Walzenbrecher, eine
Getreidemühle, Schneidmühlen oder Hammermühlen
oder dergleichen erfolgen.
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Ein
Teilstrom
4.1 dieses mechanisch aufgeschlossenen Substrats
wird über eine Materialweiche oder eine Schieberanordnung
13 einem
Rührkessel
5 zugeführt, in dem eine Impfung
und Adaption des Substrats erfolgen. Dabei wird aus einem Vorlagebehälter
7 über
eine Substratverschiebe- und Dosiereinrichtung
6, beispielsweise
eine Zentrifugal- und/oder Verdrängerpumpe und über
eine weitere Schieberanordnung
13 eine Mischung von Mikroorganismen
zugeführt, die beispielsweise einen Anteil an einer mikrobiotischen
Mischung, bestehend aus photosynthetischen und lichtemittierenden
Mikroorganismen enthält, wie sie in der Anmeldung
WO 02/49971 A1 beschrieben
sind. Diese mikrobiotische Mischung wird unter dem Namen reacre
® vertrieben und ist aus dem Stand
der Technik bekannt, so dass hinsichtlich der Wirkweise und der
Zusammensetzung dieser Mischung keine weiteren Erläuterungen erforderlich
sind.
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Neben
dieser mikrobiotischen Mischung sind noch weitere Mikroorganismen
zugegeben, die an die Art des Substrats 1 adaptiert sind.
Diese zusätzlichen Mikroorganismen sind beispielsweise
so ausgewählt, dass sie die im Substrat enthaltene Stärke zu
Zucker (Glucose) umbauen. Dabei können Pilze, Bakterien,
Hefen oder sonstige geeignete Mikroorganismen eingesetzt werden.
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Nach
der intensiven Durchmischung des Teilstroms 4.1 mit den
Mikroorganismen im Rührkessel 5 wird das adaptierte
Substrat 5.1 aus dem Rührkessel 5 abgezogen
und über eine weitere Dosiereinrichtung 6 als
adaptiertes Substrat 7.3 dem Teilstrom 4 des Substrats
zugemischt. Prinzipiell ist es auch möglich, wie mit dem
Bezugszeichen 7.1 angedeutet, die Mischung von Mikroorganismen
bei Umgehung des Rührkessels 5 direkt dem Teilstrom 4.1 bzw. 5.1 zuzumischen.
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Das
in der vorbeschriebenen Weise mit Mikroorganismen geimpfte und adaptierte
Substrat kann dann über eine Schieberanordnung 13 als
Substratstrom 7.4 einem weiteren Rührkessel 8 oder
als Teilstrom 7.5 (7.3, 4) einer Mischstrecke 9.4 zugeführt
werden.
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Der
Rührkessel 8 ist vorzugsweise als Hydrolysebehälter
durchgeführt, in dem das adaptierte Substrat bakteriell
hydrolisiert wird. Die Verweilzeit in diesem Hydrolysebehälter
beträgt zwischen 10 bis 72 Stunden und ist abhängig
von der Zusammensetzung des Substrats und den zugegebenen Zuschlagstoffen.
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Das
hydrolisierte Substrat 8.2 wird dann gemeinsam mit oder
alternativ zum Stoffstrom 7.5 der Mischstrecke 9.4 zugeführt.
Diese Mischstrecke 9.4 kann beispielsweise durch einen
Schneckenmischer ausgeführt sein. Dieser Mischstrecke 9.4 wird
gemäß der Darstellung in 1 ein als
Biostabilisator wirkendes Reaktionsmit tel 9.3 zugeführt.
Dies kann beispielsweise eine Mikroorganismenmischung sein, die Zellmembran
schützende Substanzen und DNA reparierende Stoffe frei
setzt, so dass die anschließende Vergärung mit
hohem Umsetzungsgrad durchgeführt werden kann. Diese Mikroorganismenmischung ist
wieder in Abhängigkeit von der Art des Eingangssubstrats 1 ausgewählt
und kann ebenfalls einen Anteil der eingangs beschriebenen mikrobiotischen
Mischung enthalten. Dieser Zusatzstoff/Reaktionsmittel wird aus
einem Vorlagebehälter 9 über eine Dosiereinrichtung 6 in
einem gerührten Vorlagebehälter 9.2 gefördert
und dort durchmischt und über eine weitere Dosiereinrichtung 6 als
Stoffstrom 9.3 der Mischstrecke dosiert.
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Das
am Ausgang der Mischstrecke 9.4 anliegende Substrat- und
Reaktionsmittelgemisch 10 wird dann einem Ethanolreaktor 11 (Fermenter)
zugeführt. Dieser Ethanolreaktor 11 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel
als liegender Reaktor ausgeführt.
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Die 2 bis 5 zeigen
ein erstes Ausführungsbeispiel eines derartigen Ethanolreaktors 11.
Gemäß 2 hat dieser Ethanolreaktor 11 einen im
Wesentlichen gasdicht verschlossenen Reaktorbehälter 11.1 (Zylinder),
der die verfahrenstechnischen Vorrichtungen aufnimmt. Dieser Reaktorbehälter 11.1 ist
mit einem Substratzulauf ausgeführt, über den
das Substrat-/Reaktionsmittelgemisch 10 zugeführt
wird. Des Weiteren ist ein Ethanolgasabzug vorgesehen, über
den bei der Vergärung entstehendes Ethanolgas 11.12 gezogen
wird. Nach der Vergärung verbleibendes Austragssubstrat 10.2 wird über
einen Austragssubstratabzug aus dem Ethanolreaktor 11 abgezogen.
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Im
Reaktorbehälter 11.1 ist eine Siebtrommel 11.2 drehbar
gelagert, die über einen elektromotorischen Antrieb 11.4 (siehe 4)
angetrieben wird. Der Außenumfang der Siebtrommel 11.2 ist
mit einer Membranfolie bespannt, die zwischen zwei Lochsiebverkleidungen
angeordnet ist, so dass sie gegen mechanische Überlastung
geschützt ist. Die Membranfolie ist so ausgelegt, dass
sie für das während der Vergärung entstehende
Ethanolgas 11.12 und für die der Vergärung
zugeführten Gärhilfsstoffe 11.5 durchlässig
ist. Letztere sind in einem fußseitig im Reaktorbehälterraum
ausgebildeten Gärhilfsstoffraum aufgenommen. Diese Gärhilfsstoffe 11.5 sind
in einer Trägerflüssigkeit, beispielsweise Silikonöl
suspendiert, das während der Vergärung nicht verdampft.
Die Membran ist so ausgelegt, dass sie für die Trägerflüssigkeit
undurchlässig ist. Gemäß der Darstellung
in den 2 und 3 können während der
Vergärung die Gärhilfsstoffe 11.5 durch
die Membran hindurch in das Innere der Siebtrommel 11.2 und
somit in den Gärraum eintreten.
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Der
Füllspiegel des Substrats 10 im Gärraum ist
etwa so eingestellt, dass er etwa die Hälfte des Siebtrommeldurchmessers
entspricht. Die Länge der Siebtrommel entspricht dabei
etwa dem 6- bis 9-fachen des Siebtrommeldurchmessers, wobei diese Abmessungen
jeweils substratabhängig gewählt sind.
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Wie
den Darstellungen in den 4 und 5 entnehmbar
ist, kann die Siebtrommel 11.2 mit Einbauten 11.21 versehen
sein, die ähnlich wie Rührstachel wirken und die
bei der Drehung der Siebtrommel 11.2 dafür sorgen,
dass das zu vergärende Substrat durchmischt und vom Substratzulauf
pfropfenförmig in Richtung zum Austragssubstratabzug gefördert
wird. Bei dem in den 4 und 5 dargestellten
Ausführungsbeispiel sind diese Einbauten 11.21 etwa
kreuzförmig ausgeführt, wobei mehrere dieser Einbauten
entlang der Länge L der Siebtrommel verteilt sind, so dass
mehrere Kammern mit einer Axiallänge von L1 ausgebildet
werden, die aufeinander folgend von dem Substrat 10.1 bei
intensiver Durchmischung durchströmt werden.
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Der
Siebtrommelantrieb 11.4 (siehe 4) kann
als Aufsteckgetriebemotor oder Kettenantrieb oder auf sonstige Weise
mit Drehzahlregelung ausgeführt sein. Je nach Substratzusammensetzung kann
die Drehzahl beispielsweise zwischen 0,5 bis 3 Umdrehungen pro Stunde
betragen. Der Antrieb für die Siebtrommel 11.2 kann
auch mit umkehrbarer Drehzahl ausgeführt sein, so dass
die Förderrichtung kurzzeitig umgedreht werden kann.
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Die
Eintauchfläche der Siebtrommel wird – wie in 3 angedeutet – nach
jeder Umdrehung oder Teilumdrehung der Siebtrommel 11.2 neu
positioniert, wobei diese Eintauchfläche jeweils um den Winkel 11.4 versetzt
ist, so dass jeweils ein anderer Flächenabschnitt F1 in
den Gärhilfsstoffraum eintaucht und die zuvor in den Gärhilfsstoff 11.5 eingetauchte
Fläche im Gärraum angeordnet ist, so dass die
Verteilung des Gärhilfsstoffes optimiert ist.
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Gemäß dem
Querschnitt in 3 treten die Gärhilfsstoffe
vom fußseitigen Gärhilfsstoffraum durch die Membran
hindurch in den Gärraum ein (Stoffstrom 11.5),
wobei die Membran – wie oben beschrieben – so
ausgelegt ist, dass die Trägerflüssigkeit nicht
mit eingetragen wird und somit im Gärhilfsstoffraum verbleibt.
Das bei der Vergärung entstehende Ethanolgas 11.12 wird
durch die Membran hindurch über den Ethanolgasabzug abgezogen.
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Die 6 und 7 zeigen
ein anderes Ausführungsbeispiel eines Ethanolreaktors 11.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Reaktorbehälter 11.1 im
Prinzip ähnlich wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel
ausgeführt. Anstelle einer Siebtrommel ist der Reaktorbehälter
jedoch über zwei Membranen 11.2a und 11.2b in
Längsrichtung unterteilt, so dass ein Gärraum
gebildet wird, in dem ein Rührwerk angeordnet ist. Dieses
kann beispielsweise als Stachelrührwerk mit einer Vielzahl
von in Axialrichtung zueinander angeordneten Rührstacheln 11.12 oder
Rührblättern ausgeführt sein, die eine Kurzschlussströmung
zwischen dem Eintrag und dem Austrag verhindern und für
eine innige Vermischung des Substrats sorgen. Wie mit dem Doppelpfeil 14.4 angedeutet,
ist auch dieses Rührwerk in der Drehrichtung umkehrbar
und drehzahlvariabel ausgeführt, so dass die Förderrichtung
und die Durchmischung auf einfache Weise gesteuert werden kann.
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Die
Zuführung der Gärhilfsstoffe 11.5 erfolgt wiederum
aus dem Gärhilfsstoffraum, dem diese mit der Trägerflüssigkeit
aufgenommen sind. Der Hilfsstoffraum ist über die Membran 11.2B vom
Gärraum abgetrennt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist
die Membran in der Darstellung gemäß 7 etwa
kreisbogenförmig gekrümmt ausgebildet und taucht
in den Gärhilfsstoffraum ein. Wie beim zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispiel ist diese Membran 11.2b für
die Gärhilfsstoffe durchlässig und für
die Trägerflüssigkeit undurchlässig.
Der maximale Füllspiegel innerhalb des Reaktorbehälters 11.1 liegt oberhalb
der Achse des Rührwerks, so dass die Durchmischung optimal
ist. Das bei der Vergärung entstehende Ethanolgas 11.12
tritt über die obere Membran 11.2a in einem Kopfraum
ein und von diesem über den Ethanolgasabzug aus dem Ethanolreaktor 11 aus.
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Die
obere Gasmembran 11.2a ist so ausgelegt, dass sie für
Ethanolgas 11.12 und Wasserdampf durchlässig ist,
andere Gasverbindungen, wie beispielsweise Methangas und Fuselstoffe
werden jedoch im Gärraum zurückgehalten.
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Wie
insbesondere 1 entnehmbar ist, können
die Gärhilfsstoffe im Kreislauf gefahren werden, so dass
eine kontinuierliche Zuführung gewährleistet ist.
Dabei wird aus dem Gärhilfsstoffraum ein Stoffstrom 11.6,
bestehend aus der Trägerflüssigkeit und dem Gärhilfsstoff
abgezogen und über die Dosiereinrichtung 6 und
eine Ventilanordnung 13 einem Impfbehälter 11.7 zugeführt.
Zum Ausgleich der der Vergärung zugeführten Gärhilfsstoffe
werden diesem Impfbehälter 11.7 über
eine weitere Dosiereinrichtung 6 aus einem Vorlage- und
Reaktionsbehälter 11.8 frische Gärhilfsstoffe
zugeführt, so dass die Lösung (Trägerflüssigkeit/Gärhilfsstoff)
auf einer vorbestimmten Konzentration gehalten wird. Im Impfbehälter 11.7 erfolgt
eine Aktivierung der Gärhilfsstoffe auf physikalischem,
chemischem oder biologischem Wege. Je nach Substratzusammensetzung
kann diese Aktivierung durch Laser, Ultraschall und/oder Scherkräfte,
beispielsweise Rühren, Schütteln, erfolgen.
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Wie
in 1 angedeutet, kann der Impfbehälter 11.7 auch
durch Umschalten der Ventilanordnung 13 umgangen werden.
Die aktivierte Lösung wird dann in einem Wärmetauscher 11.10 auf
die Vergärungstemperatur (60–65°C) erwärmt
und dann als erwärmte Lösung 11.11 (aktiviert)
oder ohne Aktivierung (11.6) dem Ethanolreaktor zugeführt.
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Das
abgezogene Ethanolgas 11.12 wird einem Kondensator (Gaskühler) 11.13 zugeführt
und darin von seiner Vergärungstemperatur (60–65°C) auf
ca. 25–30°C abgekühlt und kondensiert.
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Das
Kühlmedium wird in einer Kühlmediumerzeugung 11.14 bereit
gestellt, diese Kühlung kann beispielsweise durch eine
Luft-/Wasserkühlung (Kühltisch) oder bei höheren
Außentemperaturen (> 30°C)
durch eine Kälteerzeugungsanlage über Kompressor
und Verdampfer erfolgen.
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Das
verflüssigte Ethanol 11.15 wird dann in einem
Vorlagetank 11.16 gesammelt und kann einer Weiterverwendung
als Brennstoff oder einer weiteren Aufkonzentrierung zugeführt
werden. Der Vorlagetank 11.16 wird über eine Vakuumstation 11.17 auf
einen Unterdruck gehalten, wobei über diese Vakuumstation 11.17 und
eine Abgasleitung 11.18 Abgase über einen Aktivkohlefilter
ins Freie abgeleitet werden.
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Das
nach der Vergärung aus dem Ethanolreaktor abgezogene Austragssubstrat 10.2 wird über eine
Dosiereinrichtung 6 einer Entfeuchtungseinrichtung, beispielsweise
einer Presse 12 zugeführt und entfeuchtet. Die
dabei anfallende Flüssigphase 12.1 kann als organisch
hochbelastetes Restwasser einer Biogasanlage zugeführt
werden, in der die Organik zu Biogas umgesetzt wird. Das dabei entstehende, von
Organik weitestgehend befreite Abwasser kann in einer Abwasseraufbereitung
aufbereitet und in eine Kanalisation eingeleitet werden.
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Gemäß dem
in 8 dargestellten Blockdiagramm kann zur Biogaserzeugung
und zur Abwasseraufbereitung (Verfahrensschritte 30, 40, 50, 60, 70)
jeweils eine besonders zusammengestellte mikrobiotische Mischung
zugeführt werden, die den jeweiligen Verfahrensschritt
unterstützt.
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Der
bei der Entfeuchtung anfallende Presskuchen 12.2 enthält
einen hohen Anteil an cigninhaltigen Stoffen und kann beispielsweise
in pelletisierter Form als Futtermittel verwendet werden. Prinzipiell kann
dieser Feststoff auch als Brennstoff weiter verwertet oder kompostiert
werden.
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Hinsichtlich
weiterer Einzelheiten des Verfahrens sei auf die beigefügte
Bezugszeichenliste verwiesen, in der die einzelnen Verfahrensschritte nochmals
erläutert sind.
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Offenbart
sind ein Verfahren zur Bioethanolherstellung und ein Ethanolreaktor
zur Durchführung dieses Verfahrens. Erfindungsgemäß werden
während der Vergärung des Substrats Gärhilfsstoffe
zugeführt, die die Umsetzung des Substrats in Ethanolgas
unterstützen.
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- 1
- Eingangssubstrate
mit hohem Organanteil
- 2
- Eintrag
Rohmasse oder Mischgut in Voraufbereitung (3)
- 3
- Voraufbereitung
bestehend aus folgenden möglichen Elementen welche sich
zur Behandlung und Aufschluss der Inputsubstrate (2) eignen,
z. B.:
– Walzenbrecher
– Getreidemühle
– Schneidemühlen
und Hammermühlen, etc.
- 4
- Aufgeschlossenes
Substrat
- 4.1
- Aufgeschlossenes
Substrat in Adaption (5)
- 5
- Rührkessel
mit Mischer I
- 5.1
- Austrag
des Reaktionsmittels (adaptiertes Substrat) (7.2)
- 6
- Substratverschiebe-
und Dosiereinrichtung in Form von Fördermittel wie z. B.: Zentrifugal-
und/oder Verdrängerpumpen, Saug-/Druckeinrichtungen etc.
- 7
- Vorlagebehälter
für Reaktionsmittel/Zuschlagstoff
- 7.1
- Umfahrung
Reaktionsbehälter (5)
- 7.2
- reacre-adapt:
In diesem Verfahrensschritt werden die Mikroorganismen (reacre-Bezug)
an das Substrat (4.1) adaptiert.
- 7.3
- Zuführung
des adaptierten Substrats in die Stabilisierungsstufe über
den Weg 7.4
- 7.4
- direkte
Einleitung in den Biostabilisator (9.2) oder direkte über
die Umschaltung (13) in den Mischer (9.4)
- 8
- Rührkessel
mit Mischer II
- 8.1
- gemischtes
adaptiertes Substrat: Mischung zwischen (4) und (7.3).
Die Verweilzeit liegt zwischen 10–72 Stunden. Dies ist
abhängig von der Zusammensetzung.
- 8.2
- Eintrag
in die Mischstrecke (9.4)
- 9
- Zusatzstoff-Reaktionsmittel:
reacre-biostab: Mikroorganismenmischung die Zellmembran schützende
Substanzen und DNA-reparierende Stoffe freisetzt.
- 9.2
- gerührter
Vorlagebehälter
- 9.3
- Zuführung
des Reaktionsmittels (9) in den Mischer (9.4)
- 9.4
- Mischstrecke
für die Substrateingänge 7.5, 8.2 und 9.3
- 10
- Substrat
und Reaktionsmittelgemisch in Fermenter (Bioethanolreaktor 11)
- 10.1
- Durchmischter
Substratdurchlauf welcher durch die Rühreinbauten (11.21)
durchmischt und dadurch nachhaltig eine Kurzschlussströmung
verhindert wird. Dies bedeutet, dass eine klar definierte Durchlauf-
und Aufenthaltszeit des Substrates (10.1) definiert werden
kann.
- 10.2
- Austragssubstrat
- 10'
- max.
Füllspiegel in der Siebtrommel (11.2) entspricht
im Mittel ca. _·ød (± 20%)
- L
- =
Länge Siebtrommel, entspricht ca. dem 6–9-fachen
des ød (ist Substratabhängig)
- L1
- Rührstachelabstand
(L1) entspricht ca. der Füllhöhe (H)
- 11
- Bioethanolreaktor
(gemäss 2–5) Liegender
Reaktor (11.1) ausgebildet als Gärkanalanlage
(Propfenströmer) mit einer innen liegenden rotierenden
Siebtrommel(11.2) welche Einbauten ähnlich Rührstacheln
enthält und welche mit dem Siebkorb verbunden sein können
(4 und 5, Pos. 11.21) oder
wie hier nicht dargestellt, als separat angetriebenes Stachelrührwerk,
oder andere Rühreinrichtungen eingebaut werden, welche
z. B. nicht mit dem Siebtrommelantrieb (11.4) verbunden
sind und über einen separaten Antrieb verfügen.
Durch das Rührwerk wird eine Kurzschlussströmung zwischen
dem Eingang (10) und des Substratausgang (10.1)
nachhaltig verhindert und der Inhalt (10) auf der ganzen
Trommellänge vermischt.
- 11.1
- Gasdichter
feststehender Zylinder zur Aufnahme der Verfahrenstechnischen Vorrichtungen.
- 11.2
- Siebtrommel
mit Lochsiebverkleidung überspannt mit einer Membranfolie
- 11.3
- Antriebsmotor
für Siebtrommel mit Reversierschaltung (11.4)
- 11.3(2)
- Membranfolie
(Hier nicht dargestellt)
- 11.4
- Siebtrommelantrieb
hier beispielhaft dargestellt als Aufsteckgetriebemotor oder Kettenantrieb.
Die bei Siebtrommeln üblichen Tangentialantriebe über
innen liegende Zahnkranz- oder Zahnstangenantriebe sind auch möglich
soweit diese den Explosionsschutzverordnungen entsprechen. Die Drehvorrichtung
ist variabel einstellbar. Die Taktzeit und Anzahl der Umdrehungen
richtet sich nach der Substratzusammensetzung und beträgt
ca. 0.5 bis 3.0 Umdrehungen pro h.
- 11.5
- Lösung
mit Mikroorganismen welche sich im Unterteil des Aussenzylinders
(mit variabler Höhenspiegeleinstellung) befindet und in
welche die Siebtrommel (12.2) auf der Fläche (F1) eintaucht,
damit die Gärhilfsstoffe (11.5) aus der Flüssigkeit
durch die Membrane (11.3) in das Substrat (10) eindringen
ohne das Trägerflüssigkeit miteingetragen wird.
Bevorzugt
wird ein Liquid, z. B. ein Silikonöl, welches folgende
Vorteile aufweist: unter Vakuum keine gas- und dampfförmigen
Bestandteile freigesetzt. Der Anmelder behält sich vor
für diese Zusammensetzung und Wirkungsweise bzw. eine separate
Anmeldung zu hinterlegen.
- F1
- Die
Eintauchfläche der Siebtrommel (3) wird
nach jeder Umdrehung oder Teilumdrehung der Trommel (11.2)
neu positioniert und um den Winkel (11.4') versetzt, damit
bei jeder Umdrehung (11.4) die während der Pausezeit
in der Flüssigkeit (11.5) verteilte Fläche
(F1)im Gasraum zu stehen kommt und einen anderen Flächenausschnitt
(F1) neu eingetaucht wird.
- 11.6
- Regenerationskreislauf
für Lösung (11.5)
- 11.7
- Impfbehälter:
Aktivierung von Gärhilfsstoffen, z. B. auf physikalischen,
chemischen oder biologischen Wege. Je nach Substratzusammensetzung
kann die Aktivierung durch Laser, Ultraschall und/oder Scherkräfte
(Rühren, Schütteln) erfolgen.
- 11.8
- Vorlage-
und Reaktionsbehälter
- 11.9
- Regenerierte
Lösung
- 11.10
- Wärmetauscher
zur Erwärmung des Bioreaktors über den Regenerationskreislauf
- 11.10'
- Umfahrungsschaltung
zur Funktion (11.10)
- 11.11
- Zuführung
von Erwärmten und/oder auch regeneriertem (10.9)
Kreislaufwasser (11.6/11.11)
- 11.12
- Ethanolgase
aus dem Stoffgemisch (10) welche durch die Membrane (11.3)
in den Gasraum austreten. Durch die Membrane werden andere Gase
wie z. B. Wasserdampf, sowie weitere Gasverbindungen zurückgehalten.
Dieser Abtrennvorgang ist ausschliesslich nur unter einem Unterdruck
(Vakuum) durchzuführen.
- 11.13
- Gaskühler,
Kondensator. Das Ethanolgas (11.12) wird von ca. 60–65°C
Eintrittstemperatur auf ca. 25–30°C abgekühlt
und kondensiert.
- 11.14
- Kühlmediumerzeugung
zur Kühlung des Kondensators 11.13. Dies geschieht
im Normalfall durch einen vorgehaltene geschlossene Luft/Wasserkühlung
(Kühltische) und bei hohen Aussentemperaturen über
30°C unter Zuschaltung von einer Kälteerzeugungsanlage über
Kompressor und Verdampfer.
- 11.15
- Abgekühltes
und verflüssigtes Ethanol
- 11-6
- Vorlagetank
für Ethanol (11.15)
- 11.17
- Vakuumstation
zur Aufrechterhaltung eines Startunterdrucks und Abführung
von einer geringen Menge von Abgasen. Die effektive Vakuumerzeugung
erfolgt vornehmlich durch das Einengen des Ethanolgasvolumens in
dem Kühler.
- 11.18
- Abgasleitung über
Aktivkohlefilter (Hier nicht dargestellt) ins Freie geleitet.
- 11a
- Die 6 und 7 bezeichnen
ein alternatives Fermentersystem zu Drehtrommelfermenter 11.
In diesem System dreht sich nicht die Trommel, sondern das Rührwerk 11.21a.
Die oben- und untenliegenden Membranen 11.2a stehen fest. Bei
der eingetauchten Membran werden Gärhilfsstoffe in 10.1 transportiert.
Bei der oben liegenden feststehenden, separierenden Membrane wird
die Gasphase bestehend aus Gärgas und Wasserdampf weitergeleitet.
Das
Rührwerk 11.21a durchmischt das Mischgut (10.1),
verhindert nachhaltig eine Kurzschlussströmung zwischen
dem Eintritt (10) und dem Austritt (10.2), sowie entgast
durch Scherkrafteinwirkung die zähklebrige Masse.
- 12
- Pressvorrichtung
zur Klassierung des Austraggutes (10.2) in eine Flüssigphase (12.1)
und eine Festphase (12.2)
- 12.1
- Flüssigphase
als organisch hochbelastetes Presswasser.
- 12.2
- Presskuchen
zum Teil mit hohen Anteilen an cigninhaltigen Stoffen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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