DE102007033988A1 - Producing purified starch comprises grinding cereals containing starch in an air vortex mill to starch flour, separating bran from the flour and subsequently separating proteins from the flour - Google Patents

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Abstract

Producing purified starch comprises grinding cereals containing starch in an air vortex mill to starch flour, so that 90% of the flour particles possess a particle size of 150-250 mu m, separating bran from the flour and subsequently separating proteins from the flour. Independent claims are included for: (1) a purified starch obtained by the above method; (2) producing ethanol comprising fermenting the purified starch by microorganisms to a fermentation broth, optionally after the liquefaction of the starch, producing a mash by separating microorganisms from the fermentation broth and separating ethanol from the mash; (3) producing a first sugar solution comprising preparing or providing starch milk, thermal liquefying the starch of the starch milk, cleaving the starch to obtain mono, di- and/or oligosaccharides, separating fats, oils and proteins from the starch milk, and recovering the first sugar solution as permeate of a first membrane filtration of the starch milk; (4) producing a second sugar solution comprising preparing or providing pentosan fractions of starch milk, optionally concentrating the pentosan fractions, cleaving cellulose and/or hemi-cellulose of the pentosan fractions, preferably under acid additives, separating fats, oils and proteins from the pentosan fractions, recovering the second sugar solution as permeate of a third membrane filtration of the pentosan fraction; (5) a sugar solution obtained by the above method; (6) a fermentation procedure for producing ethanol, comprising providing the first or second sugar solution, carrying out the fermentation to produce a fermentation broth, separating microorganisms from the fermentation broth to produce a mash, purifying the mash by membrane filtration to a permeate; and (7) a distillation method comprising carrying out a distillation for producing a distillation product vapor, condensing a first distillation product vapor partial stream in a vapor compressor, operating a heat exchanger with the compressed partial stream to obtain heat for operating the distillation and to obtain a condensate as return flow for the distillation, and/or purifying a second distillation product vapor partial stream in a permeation- or pervaporation layer to obtain a purified distillation product and a depleted distillation product vapor partial stream, where the depleted distillation product vapor partial stream is condensed in a vapor compressor and used in a heat exchanger to obtain heat for operating the distillation and to obtain a condensate as return flow for the distillation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol, Gluten, Kleie, Hefe und Kohlendioxid aus Getreide. Insbesondere betrifft die Erfindung verbesserte Verfahren zur Herstellung von Ethanol, Gluten, Kleie, Hefe und Kohlendioxid aus Getreide.The The invention relates to a process for the production of ethanol, gluten, Bran, yeast and carbon dioxide from cereals. In particular, it concerns the invention improved processes for the production of ethanol, Gluten, bran, yeast and carbon dioxide from cereals.

Die Fermentierung (Vergärung) zur Darstellung von Alkoholen aus dem Rohstoff Getreide ist eines der ältesten biotechnologischen Verfahren und wird u. a. für die Herstellung alkoholischer Getränke, wie Bier und Wein, eingesetzt. Industriell genutzter Alkohol kann durch die Fermentation von Getreide dargestellt werden. Entsprechende Alkohole, insbesondere Ethanol, werden als Ausgangsstoff für die Herstellung von pharmazeutischen Produkten und Rezepturen, kosmetischen Produkten und zur Synthese einer Reihe von Chemikalien verwendet.The Fermentation (fermentation) for the preparation of alcohols from the raw material grain is one of the oldest biotechnological Method and is u. a. for the production of alcoholic Beverages, such as beer and wine, used. Industrially used alcohol can be represented by the fermentation of cereals. Appropriate Alcohols, especially ethanol, are used as starting material for the manufacture of pharmaceutical products and formulations, cosmetic Products and used to synthesize a range of chemicals.

Als Energieträger ist Ethanol seit langem bekannt, war jedoch aufgrund der im Vergleich zur Gewinnung von fossilen Energieträgern höheren Verfahrenskosten in der Vergangenheit nicht wirtschaftlich nutzbar. Durch die Verknappung der fossilen Erdölreserven und die im Kyoto-Abkommen geforderte CO2-Reduzierung hat die mögliche Nutzung von Bioethanol als Energieträger neue Bedeutung erlangt. Ökonomische sowie ökologische Interessen fordern eine Verbesserung der bestehenden Verfahren zur Herstellung von Ethanol sowie einen effizienten Einsatz der vorhandenen Biomasse im großen Umfang.Ethanol has long been known as an energy carrier, but was not economically viable in the past due to the higher process costs compared to the extraction of fossil fuels. Due to the shortage of fossil oil reserves and the reduction in CO 2 demanded by the Kyoto agreement, the potential use of bioethanol as an energy source has gained new importance. Economic as well as ecological interests demand an improvement of the existing processes for the production of ethanol as well as an efficient use of the existing biomass on a large scale.

Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Herstellung von Alkoholen aus Biomasse. Da völlig unterschiedliche Ausgangsstoff (Glucose, Stärke oder Cellulose) für diese Verfahren verwendet werden, u. a. Zuckerrohr, Zuckerrübe, Getreide, etc. unterscheiden sich auch die Verfahren zur Gewinnung des Bioalkohols stark voneinander. Auch bei Verwendung identischer Ausgangsstoffe gibt es unterschiedliche technologische und biologische Verfahrenskonzepte.was standing There are many methods of making alcohols in the art from biomass. Because completely different starting material (Glucose, starch or cellulose) for these procedures can be used, u. a. Sugar cane, sugar beet, cereals, etc. also differ the methods for the production of the bioalcohol strong of each other. Also when using identical starting materials There are different technological and biological process concepts.

In herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus Getreide durch Fermentation wird üblicherweise:

  • (a) zunächst das Getreide vermahlen,
  • (b) das gemahlene Getreide in Wasser suspendiert und mit Mikroorganismen, insbesondere Hefen, versetzt,
  • (c) die so erhaltene Fermenterbrühe wird fermentiert, und anschließend wird
  • (d) Ethanol durch thermische Trennung aus der Fermenterbrühe aufkonzentriert.
In conventional processes for the production of ethanol from cereals by fermentation is usually:
  • (a) first grind the grain,
  • (b) suspending the ground grain in water and adding microorganisms, in particular yeasts,
  • (c) the fermenter broth thus obtained is fermented, and then
  • (d) ethanol is concentrated by thermal separation from the fermenter broth.

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.The Separation of the ethanol is usually carried out by distillation. In this case, the residue residue is stillage, which is usually concentrated and as a fertilizer or after drying as a proteinaceous Feed is used.

Beispiele für entsprechende Fermentationsverfahren und für einzelne Verfahrensschritte sind AT 398981 , DE 29 44 483 C2 , DE 30 07 138 C2 und US 6569653 B1 Examples of corresponding fermentation processes and for individual process steps are AT 398981 . DE 29 44 483 C2 . DE 30 07 138 C2 and US Pat. No. 6569653 B1

Die bei den üblichen Verfahren anfallende Schlempe ist sehr proteinhaltig, die allgemein zu Futtermittel aufgearbeitet und verwendet wird, Schlempe kann nur bedingt als Dünger eingesetzt werden. Die Herstellung des Futtermittels, insbesondere die Trocknung der Schlempe bedeutet jedoch einen hohen Energieaufwand, der etwa 50% der Energie umfasst, die das gesamte Herstellungsverfahren einer Standardanlage für Bioethanol benötigt.The in the usual process resulting vinasse is very containing protein, which is generally processed into feed and used is, can be used only conditionally as a fertilizer. The Production of the feed, in particular the drying of the stillage However, it requires a lot of energy, which is about 50% of the energy which covers the entire manufacturing process of a standard plant needed for bioethanol.

CO2 ist ein klimaschädliches Gas, dessen Freisetzung vermieden werden sollte, eine wirtschaftliche Nutzung wäre sinnvoll. Das Treibhausgas-Emissionshandelsgesetz vom 8. Juli 2004 macht die Vermeidung und Reduktion von CO2 betriebswirtschaftlich sinnvoll.CO 2 is a climate-damaging gas whose release should be avoided, economic use would make sense. The Greenhouse Gas Emissions Trading Act of 8 July 2004 makes the avoidance and reduction of CO 2 economically sensible.

Das bei einer Fermentation anfallende CO2 wird allgemein an die Umwelt abgeben, nachdem die Gase gereinigt und von umweltproblematischen Begleitstoffen getrennt wurden. Die Nutzung der mit CO2 angereicherten Luft z. b. durch Gartenbaubetriebe, ist nur bedingt möglich gewesen.The resulting in a fermentation CO 2 is generally released to the environment after the gases have been cleaned and separated from environmentally problematic impurities. The use of enriched with CO 2 air zb by horticultural operations, has been possible only conditionally.

Das Gesamtverfahren nach dem Stand der Technik benötigt sehr große Mengen an Wasser, insbesondere für die Einmaischung werden pro Tonne verwendeten Getreides bis zu 3,5 m3 Frischwasser benötigt, dieses Wasser muss zum Teil kosten- und energieintensiv aufgearbeitet werden.The overall method of the prior art requires very large amounts of water, in particular for the mashing per tonne of grain used up to 3.5 m 3 of fresh water needed, this water must be worked up in part cost and energy intensive.

Bei allen nach dem Stand der Technik üblichen Verfahren stellt sich somit das Problem, dass der Energieverbrauch sehr hoch ist, dass die Kosten für Enzyme und Hilfsstoffe sehr hoch sind, dass kurze Reinigungsintervalle für die Anlage benötigt werden, dass für die Fermentation der Fermenterbrühe und das Gewinnen des Ethanols eine lange Verweilzeit benötigt wird, was dazu führt, dass die Anlage insgesamt apparativ sehr aufwendig wird, da sehr große Mengen von Flüssigkeiten und Feststoffen bewegt werden müssen. Anlagengrößen für Tageskapzitat von über 100 m3/Ethanol sind daher nur unter erheblichen Aufwand zu realisieren. Es war deshalb die Aufgabe der Erfindung, den oben beschriebenen Nachteilen abzuhelfen oder sie zu verringern. Insbesondere war es die Aufgabe der Erfindung, den Energie- und Wasserbedarf einer Ethanol- Herstellung zu verringern, ohne die Ethanol-Ausbeute oder die Verfahrensdauer wesentlich zu beeinträchtigen.In all conventional methods according to the prior art, the problem arises that the energy consumption is very high, that the costs for enzymes and auxiliaries are very high, that short cleaning intervals are required for the plant, that the fermenter broth is fermented, and Obtaining the ethanol a long residence time is required, which means that the system is a total of equipment very expensive, since very large amounts of liquids and solids must be moved. System sizes for daily capacity of more than 100 m 3 / ethanol can therefore be realized only with considerable effort. It was therefore the object of the invention to remedy the disadvantages described above or to reduce them. In particular, it was the object of the invention to reduce the energy and water requirements of an ethanol production, without significantly affecting the ethanol yield or the duration of the process.

Erfindungsgemäß wurde nunmehr gefunden, dass das Verfahren zur Ethanolherstellung insgesamt energie- zeit- und kostensparender durchgeführt werden kann, wenn eine auf bestimmte Weise gereinigte Stärke als Fermentationsedukt verwendet wird. Dementsprechend wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen gereinigter Stärke angegeben, umfassend die Schritte:

  • i) Mahlen von stärkehaltigem Getreide in einer Luftwirbelmühle zu einem Stärkemehl, so dass 90% der Partikel des Mehls eine Partikelgröße von 150–250 μm, vorzugsweise 180–220 μm und besonders bevorzugt von 190–210 μm besitzen,
  • ii) Abtrennen von Kleie vom Mehl, und anschließend
  • iii) Abtrennen von Proteinen vom Mehl.
According to the invention, it has now been found that the method of ethanol production can be carried out on the whole energy-time and cost-saving, when a certain-purified starch is used as fermentation educt. Accordingly, according to the invention, there is provided a process for preparing purified starch comprising the steps of:
  • i) grinding starchy cereal in a fluidized air mill into a cornstarch such that 90% of the particles of the flour have a particle size of 150-250 μm, preferably 180-220 μm and particularly preferably 190-210 μm,
  • ii) separating bran from the flour, and then
  • iii) separating proteins from the flour.

Dabei ist das Mahlen des Getreides in einer Luftwirbelmühle von besonderer Bedeutung. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass für die energiesparende Durchführung eines Fermentationsverfahrens die schonende Vermahlung von Getreide besonders förderlich ist. Wenn die Feinstruktur der Stärkepartikel des gemahlenen Getreides derjenigen des ungemahlenen Getreides nahe kommt, kann eine besonders gute Fermentation und Abtrennung des Ethanols von der Fermenterbrühe bzw. Maische erreicht werden. Beste Ergebnisse für eine schonende Vermahlung wurden mit einer Luftwirbelmühle erzielt.there is the milling of the crop in an air vortex mill of special meaning. Surprisingly, it has turned out that for the energy-saving implementation of a Fermentation process the gentle grinding of cereal especially is beneficial. If the fine structure of the starch particles of the ground cereal close to that of the unground cereal comes, can be a particularly good fermentation and separation of the Ethanols of the fermenter broth or mash can be achieved. Best results for a gentle grinding were with achieved an air vortex mill.

Als Getreide im Sinne dieser Erfindung werden insbesondere Weizen, Mais oder Tritikale verwendet. Die Verwendung von Weizen ist besonders bevorzugt. Die Kleie wird vorzugsweise mit einer Siebanlage abgetrennt. Zum Abtrennen de Proteine wird die gemahlene Stärke vorzugsweise mit Wasser eingemaischt und die Proteine durch Sieben abgetrennt und optional getrocknet. Die abgetrennten Proteine werden vorzugsweise zu Gluten weiterverarbeitet.When Cereals in the context of this invention are in particular wheat, maize or Tritikale used. The use of wheat is particularly preferred. The bran is preferably separated with a sieve. To the Separating the proteins preferably makes the ground starch mashed with water and the proteins separated by sieving and optionally dried. The separated proteins are preferably processed into gluten.

Erfindungsgemäß wird weiter ein eigentliches Verfahren zur Herstellung von Ethanol angegeben, das die mit dem oben beschriebenen Aufreinigungsverfahren herstellbare Stärke verwendet. Das Verfahren umfasst die Schritte:

  • iv) Bereitstellen gereinigter Stärke,
  • v) Fermentieren der in Schritt iv) bereitgestellten Stärke durch Mikroorganismen zu einer Fermenterbrühe, gegebenenfalls nach Verflüssigen der Stärke,
  • vi) Herstellen einer Maische durch Abtrennen von Mikroorganismen aus der Fermenterbrühe,
  • vii) Abtrennen von Ethanol aus der Maische.
According to the invention, an actual process for the production of ethanol is further specified which uses the starch which can be prepared by the above-described purification process. The method comprises the steps:
  • iv) providing purified starch,
  • v) fermenting the starch provided by step iv) by microorganisms to a fermenter broth, optionally after liquefying the starch,
  • vi) producing a mash by separating microorganisms from the fermenter broth,
  • vii) separating ethanol from the mash.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren konnte überraschende Vorteile erreicht werden: Durch die Verwendung von Luftwirbelmühlen, die die natürliche Feinstruktur der Stärke, des Proteins und der Kleie erhalten, können Teilchengrößen von 200 μm erreicht werden. Die Beibehaltung der natürlichen Struktur der Stärke, der Kleie wie der Proteine erlaubt es eine Abtrennung der Kleie und Proteine von der Stärke bevor eine enzymatische oder thermische Behandlung des Substrates durchgeführt werden muss. Es ergeben sich insbesondere Vorteile bei der Fermentation; hier wurden wesentlich kürze Fermentationszeiten erreicht, herkömmliche Verfahren benötigen Fermentationszeiten von 60 Stunden für einen Fermentationszyklus, durch das erfindungsgemäßen Verfahren wurde eine Fermentationszeit von unter 40 Stunden erreicht, dadurch konnte der apparative Aufwand erheblich eingeschränkt werden. Es konnte der Einsatz von Enzymen reduziert werden, die Kosten für die Wasseraufbereitung wurde gesenkt, Frischwasser wird nicht benötigt, Abwässer haben keine nennenswerte Belastung und können an Verbraucher abgeben werden. Erfindungsgemäß konnte weiterhin überraschend erreicht werden, dass durch die Abtrennung aller Nebenprodukte vor der thermischen Aufbereitung keine Schlempe mehr anfällt, wodurch wesentliche Vorteilen bei der Destillation erreicht werden. Der wässrige Rückstand der Destillation und Rektifikation enthält als Hauptbestandteil organische Verbindungen, die thermisch oder anderweitig verwendet werden können.By the inventive method could be surprising Advantages can be achieved: By using air vortex mills, the natural fine structure of the starch, the Protein and the bran obtained can be particle sizes be achieved by 200 microns. The retention of the natural structure the starch, the bran as well as the proteins allows it Separation of bran and proteins from starch carried out an enzymatic or thermal treatment of the substrate must become. This results in particular advantages in the fermentation; considerably shorter fermentation times were achieved here, conventional processes require fermentation times of 60 hours for a fermentation cycle, through the The process according to the invention became a fermentation time reached of less than 40 hours, thereby the apparatus required be significantly restricted. It could be the use of Enzymes are reduced, the cost of water treatment was lowered, fresh water is not needed, sewage have no significant burden and can be passed on to consumers be given. According to the invention could continue surprising be achieved by separating all by-products the thermal treatment no longer produces any sludge, whereby substantial advantages are achieved in the distillation. The aqueous residue of the distillation and rectification contains as main ingredient organic compounds that can be used thermally or otherwise.

Vorteile ergeben sich bei einer Destillation zum Abtrennen des Ethanols im Wesentlichen durch Energie- und Zeitersparnis sowie eine erhebliche Einsparung bei der Aufarbeitung der Nebenprodukte (Kleie, Proteine, Hefe).advantages result in a distillation to separate the ethanol in the Essentially through energy and time savings as well as a considerable saving in the processing of by-products (bran, proteins, yeast).

Das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere wenn das eigentliche Verfahren der Ethanolherstellung kombiniert wird mit dem Verfahren zum Herstellen gereinigter Stärke, erlaubt somit auf vorteilhafte Weise die Herstellung von Ethanol, Gluten, Kleie, Hefe und Kohlendioxid aus Getreide.The inventive method, in particular when the actual process of ethanol production is combined with the method for producing purified starch thus advantageously producing ethanol, gluten, bran, Yeast and carbon dioxide from grain.

Die Nebenprodukte Protein, Kleie und die aus der Festphase der Schlempe erhaltene Hefe sind als Futtermittel einsetzbar und qualitativ hochwertiger, als Futtermittel die nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt werden, da die Nebenprodukte erfindungsbedingt einer geringen thermischen Belastung ausgesetzt wurden.The By-products of protein, bran and those from the solid phase of the vinasse Yeast obtained can be used as feed and of high quality, as feed the methods known in the art be prepared because the by-products due to a low thermal load were exposed.

Vorzugsweise wird das Getreide zunächst vor der Zerkleinerung durch Zugabe von Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, einer Quellung unterzogen. Das Getreide wird dann in gequollenem Zustand gemahlen, da sich die Kleie in diesem Zustand gut abtrennen lässt, die Kleie wird durch Siebe abgetrennt.Preferably The grain is first passed through before shredding Addition of liquid, preferably water, a swelling subjected. The grain is then ground in a swollen state, since the bran can be separated well in this state, the bran is separated by sieves.

Luftwirbelmühlen versetzen das Mahlgut in extreme Turbulenzen und durch Prallwirkung von Partikel auf Partikel sowie durch Prallwirkung mit dem Werkzeug wird das Mahlgut durch Impulsübertragung zerkleinert. Das Mahlgut wird durch Luftwirbel aufgenommen und beschleunigt, die Rotation der Luft wird durch die hohe radiale Beschleunigung und die hohen Bahngeschwindigkeit des drehenden Werkzeugs induziert. Eine hohe Luftmenge führt das zerkleinerte Getreide effizient ab und ermöglicht eine geringe thermische Belastung des Getreides.Air vortex mills cause the material to be ground into extreme turbulence and, as a result of the impact of particles on particles, as well as by impact with the tool, the material to be ground is comminuted by impulse transmission. The regrind is made by Luftwir The rotation of the air is induced by the high radial acceleration and the high path speed of the rotating tool. A high volume of air efficiently removes the crushed grain and allows a low thermal load on the grain.

Die Vermahlung des Getreides mit Luftwirbelmühlen ermöglicht die Abtrennung der Proteine bevor die Verflüssigung, Verzuckerung unter Zuge von Enzymen eingeleitet wird, die Proteine werden durch Dekantieren abgetrennt und getrocknet, wodurch eine Stärkemilch und Gluten erhalten werden.The Milling the grain with air vortex mills allows the separation of the proteins before liquefaction, saccharification initiated by enzymes, the proteins are transmitted through Decanting is separated and dried, creating a starch milk and gluten.

Die in der Stärkemilch enthaltenen Kohlehydrate werden in herkömmlicher Weise enzymatisch verflüssigt, verzuckert und anschließend fermentiert.The Carbohydrates contained in the starch milk are used in conventional Enzymatically liquefied, saccharified and then fermented.

Äquivalente Mengen Ethanol zur eingesetzten Stärke werden während der Fermentation, durch die Hefen, die allgemein zum Starten der Fermentation zugegeben werden, gebildet. Die Fermentation kann nach einem der im Stand der Technik bekannten Verfahren durchgeführt werden. Die Fermentation kommt zum Stillstand, wenn alle fermentierbaren Kohlenhydrate vergoren sind. Nach der Beendigung der Fermentation werden die Mikroorganismen und insbesondere die Hefe separiert und zu Futterhefe aufgearbeitet.equivalent Amounts of ethanol to the starch used during the fermentation, by the yeasts, which is generally used to start the Fermentation can be added, formed. The fermentation can after one of the methods known in the art become. The fermentation comes to a halt when all fermentable carbohydrates are fermented. After completion of the fermentation, the microorganisms become and especially the yeast separated and worked up to forage yeast.

Das bei der Fermentation entstehende CO2 stammt aus erneuerbaren Rohstoffen und weist nur geringe Verunreinigungen mit anderen Gasen auf gegenüber konventionell erzeugtem CO2. Es kann aus der Fermenterabluft aufgefangen, in herkömmlicher Weise separiert und kondensiert werden.The CO 2 produced in the fermentation comes from renewable raw materials and has only slight contamination with other gases compared to conventionally generated CO 2 . It can be collected from the fermenter exhaust air, separated in a conventional manner and condensed.

Durch die Fermentation und die anschließende Abtrennung der Hefe wird eine Maische erhalten. Der in der Maische vorhandene Alkohol wird vorzugsweise destilliert und rektifiziert, dabei können die bekannten Verfahren zur Destillation und Rektifikation eingesetzt werden. Die Entwässerung des abgetrennten Ethanols erfolgt vorzugsweise durch Membransiebe. Durch die erfindungsgemäße Abtrennung der Kleie und der Proteine entstehen in der Fermentation weniger Alkoholnebenbestandteile zum Ethanol. Dies führt zu einem qualitativ hochwertigen Rohalkohol und reduziert damit den Destillations- und Rektifikationsaufwand. Der Wirkungsgrad von eingesetzter Energie zu gewonnenem Ethanol wird, durch das Verfahren der Verwendung einer fast gänzlich von Feststoffen befreiten Maische, verbessert.By the fermentation and subsequent separation of the yeast a mash is received. The alcohol in the mash is preferably distilled and rectified, can thereby the known methods for distillation and rectification used become. The drainage of the separated ethanol takes place preferably by diaphragm sieves. By the invention Separation of bran and proteins occurs during fermentation less alcohol side-effects to ethanol. this leads to to a high quality raw alcohol and thus reduced the distillation and rectification effort. The efficiency of used Energy is recovered to ethanol by the method of use a mash almost completely freed from solids, improved.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das durch die Destillation, Rektifikation und Dehydrierung erhaltene Wasser rezirkuliert und dem Prozess wieder zugeführt werden.To the inventive method can by the distillation, rectification and dehydration water obtained recycled and returned to the process.

Die Erfindung betrifft demgemäss insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus Getreide, umfassend die Schritte:

  • a) Quellenlassen des Getreides,
  • b) Mahlen des gequollenen Getreides in einer Luftwirbelmühle, so das 90% der Partikel des Mahlgutes eine Teilchengröße von 200 μm erreichen,
  • c) Abtrennen der Kleie vom Mahlgut mit einer Siebanlage,
  • d) Abtrennen von Proteinen durch einen Dekanter und Trocknen der Proteine,
  • e) Fermentieren der von Kleie und Proteinen abgereicherten Stärke mit einem Mikroorganismus, vorzugsweise einer Hefe, und
  • f) Abtrennen des Mikroorganismus,
  • g) wobei das durch die Fermentation entstandene CO2 in aufgefangen und ggf. gereinigt und verflüssigt wird,
  • h) Abtrennen von Ethanols aus der in Schritt f) erhaltenen Ethanol/Wasser-Lösung, vorzugsweise durch Destillation und
  • i) optional Absoluieren des erhaltenen Ethanols durch ein Pervaporationsverfahren.
The invention accordingly relates in particular to a process for the production of ethanol from cereals, comprising the steps:
  • a) sourcing the cereals,
  • b) grinding the swollen cereal in an air fluidizing mill so that 90% of the particles of the ground material reach a particle size of 200 μm,
  • c) separating the bran from the material to be ground with a sieve,
  • d) separating proteins by a decanter and drying the proteins,
  • e) fermenting the starch depleted of bran and proteins with a microorganism, preferably a yeast, and
  • f) separating the microorganism,
  • g) wherein the CO 2 produced by the fermentation is collected and optionally purified and liquefied,
  • h) separating ethanol from the ethanol / water solution obtained in step f), preferably by distillation and
  • i) optionally, absoluting the obtained ethanol by a pervaporation method.

In Fermentationsverfahren, insbesondere zum Herstellen von Ethanol in einem erfindungsgemäßen Verfahren wie oben beschrieben, ist das Herstellen geeigneter Zuckerlösungen als fermentierbare Ausgangsstoffe ein wiederkehrendes Problem. Als Nachteil herkömmlicher Zuckerlösungen wird insbesondere angesehen, dass ein hoher Anteil nicht verwertbaren Abfalls bei der Fermentation und ein hoher Anteil an Schlempe bei einer anschließenden Destillation anfällt. Eine weitere Aufgabe war es deshalb, Zuckerlösungen als Ausgangsstoffe für Fermentationen und vorzugsweise anschließende Destillationen sowie entsprechende Fermentations- und Destillationsverfahren anzugeben, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden oder verringert werden können.In Fermentation process, in particular for the production of ethanol in a method according to the invention as above is the preparation of suitable sugar solutions as fermentable starting materials a recurring problem. As a disadvantage conventional sugar solutions in particular considered that a high proportion of non-recyclable waste the fermentation and a high proportion of stillage in a subsequent Distillation is obtained. Another task was therefore sugar solutions as starting materials for fermentations and preferably subsequent distillations and corresponding fermentation and to provide distillation processes with which the disadvantages of Prior art can be avoided or reduced.

Erfindungsgemäß wird deshalb ebenfalls Verfahren zum Herstellen einer ersten Zuckerlösung bereitgestellt, umfassend die Schritte:

  • aa) Herstellen oder Bereitstellen einer Stärkemilch,
  • ab) thermisches Verflüssigen der Stärke der Stärkemilch,
  • ac) Spalten der Stärke zum Gewinnen Mono-, Di- und/oder Oligosacchariden,
  • ad) Abtrennen von Fetten, Ölen und Proteinen aus der in Schritt ac) erhaltenen Stärkemilch, und
  • ae) Gewinnen der ersten Zuckerlösung als Permeat einer ersten Membranfiltration der in Schritt ac) und/oder ad) erhaltenen Stärkemilch.
Therefore, according to the invention, there is also provided a method for producing a first sugar solution, comprising the steps:
  • aa) producing or providing a starch milk,
  • ab) thermally liquefying the starch of the starch milk,
  • ac) columns of starch for obtaining mono-, di- and / or oligosaccharides,
  • ad) separating fats, oils and proteins from the starch milk obtained in step ac), and
  • ae) obtaining the first sugar solution as permeate of a first membrane filtration of the starch milk obtained in step ac) and / or ad).

Die erste Zuckerlösung ist weitgehend frei von schwer vergärbaren Bestandteilen und eignet sich daher besonders, das Anfallen einer Destillations-Schlempe zu vermeiden oder zu verringern. Die erste Zuckerlösung ist bei geeigneter Ausführung des Verfahrens steril. Zudem fallen bei der Herstellung der ersten Zuckerlösung keine schwer zu entsorgenden Abfälle an; stattdessen können die abgetrennten Fette, Öle und Proteine als Futtermittel verwendet werden.The first sugar solution is largely free of hard-to-ferment ingredients and is therefore particularly suitable for avoiding or reducing the onset of a distillation stillage. The The first sugar solution is sterile if the method is suitable. In addition, the production of the first sugar solution does not result in waste that is difficult to dispose of; instead, the separated fats, oils and proteins can be used as feed.

Bevorzugt ist dabei ein Verfahren, bei dem erste Zuckerlösung einen Anteil von nicht mehr als 0.01 Gew.-% Stärke enthält, wobei die erste Zuckerlösung besonders bevorzugt stärkefrei ist.Prefers Here is a method in the first sugar solution Contains not more than 0.01% by weight of starch, wherein the first sugar solution is particularly preferably starch-free is.

Insbesondere bevorzugt umfasst die erste Zuckerlösung einen Anteil von 15–25 Gew.-% Glucose, besonders bevorzugt von 18–22 Gew.-% Glucose. Solche Zuckerlösungen lassen sich besonders leicht und rückstandsfrei zur Ethanolgewinnung vergären.Especially Preferably, the first sugar solution comprises a proportion of 15-25% by weight of glucose, more preferably from 18-22 Wt .-% glucose. Such sugar solutions are particularly easy fermented residue-free for ethanol production.

Zum weiteren Verringern des Anteils nicht zu Zuckerlösung umgesetzter Stärkemilch-Bestandteile und zum Vergrößern der Zuckerausbeute ist es bevorzugt, einen ersten Retentat-Teilstrom der ersten Membranfiltration der in Schritt ac) zu spaltenden Stärkemilch zum Durchführen von Schritt ac) zuzugeben. Vorzugsweise werden von der in die Membranfiltration eingesetzten Stärkemilch 25–30 Vol.-%, bevorzugt 27 Vol.-%, als Retentat-Teilstrom zum Durchführen von Schritt ac) zurückgeführt.To the further reducing the proportion not converted to sugar solution Starch milk ingredients and to enlarge the sugar yield, it is preferred, a first retentate substream the first membrane filtration of the starch milk to be cleaved in step ac) for performing step ac). Preferably are from the starch milk used in the membrane filtration 25-30% by volume, preferably 27% by volume, as retentate substream for performing step ac).

Ebenfalls erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen einer zweiten Zuckerlösung bereitgestellt, umfassend die Schritte:

  • ba) Herstellen oder Bereitstellen einer Pentosanfraktion einer Stärkemilch,
  • bb) optional Aufkonzentrieren der Pentosanfraktion,
  • bc) Spalten von Zellulose und/oder Hemicellulose der Pentosanfraktion, vorzugsweise unter Säurezusatz und besonders bevorzugt unter Säurezusatz in einem Entspannungsverdampfer,
  • bd) Abtrennen von Fetten, Ölen und Proteinen aus der in bd) erhaltenen Pentosanfraktion, und
  • be) Gewinnen der zweiten Zuckerlösung als Permeat einer dritten Membranfiltration der in Schritt bc) und/oder bd) erhaltenen Pentosanfraktion.
Also according to the invention, a method is provided for producing a second sugar solution, comprising the steps:
  • ba) preparing or providing a pentosan fraction of a starch milk,
  • bb) optionally concentrating the pentosan fraction,
  • bc) columns of cellulose and / or hemicellulose of the pentosan fraction, preferably with addition of acid and particularly preferably with addition of acid in a flash evaporator,
  • bd) separating fats, oils and proteins from the pentosan fraction obtained in bd), and
  • be) recovering the second sugar solution as permeate a third membrane filtration of the obtained in step bc) and / or bd) Pentosanfraktion.

Die zweite Zuckerlösung ist ebenfalls weitgehend frei von schwer vergärbaren Bestandteilen und eignet sich daher besonders, das Anfallen einer Destillations-Schlempe zu vermeiden oder zu verringern. Dies ist insbesondere vorteilhaft, weil die zum Herstellen der zweiten Zuckerlösung eingesetzte Pentosan-Fraktion einen hohen Anteil an sich nicht oder nur schwer vergärbarer Substanzen, insbesondere Zellulose und/oder Hemizellulose enthält. Die zweite Zuckerlösung ist bei geeigneter Ausführung des Verfahrens steril. Zudem fallen bei der Herstellung der zweiten Zuckerlösung keine schwer zu entsorgenden Abfälle an; stattdessen können die abgetrennten Fette, Öle und Proteine als Futtermittel verwendet werden.The Second sugar solution is also largely free from heavy fermentable components and is therefore particularly suitable avoid or reduce the onset of distillation stillage. This is particularly advantageous because the for producing the second Sugar solution pentosan fraction used a high Proportion of substances which are not or hardly fermentable, in particular Cellulose and / or hemicellulose contains. The second sugar solution is sterile with a suitable embodiment of the method. moreover none in the preparation of the second sugar solution difficult to dispose of waste; instead you can the separated fats, oils and proteins as feed be used.

Bevorzugt ist dabei ein Verfahren, bei dem zweite Zuckerlösung einen Anteil von nicht mehr als 0.01 Gew.-% Stärke enthält, wobei die erste Zuckerlösung besonders bevorzugt stärkefrei ist.Prefers is a process in the second sugar solution one Contains not more than 0.01% by weight of starch, wherein the first sugar solution is particularly preferably starch-free is.

Insbesondere bevorzugt umfasst die zweite Zuckerlösung einen Anteil von 15–25 Gew.-% Glucose, besonders bevorzugt von 18–22 Gew.-% Glucose. Solche Zuckerlösungen lassen sich besonders leicht und rückstandsfrei zur Ethanolgewinnung vergären.Especially Preferably, the second sugar solution comprises a portion from 15-25% by weight of glucose, more preferably from 18-22 Wt .-% glucose. Such sugar solutions are particularly easy fermented residue-free for ethanol production.

In einem besonders bevorzugten Verfahren wird ein Retentat-Teilstrom der ersten Membranfiltration der in Schritt bc) zu spaltenden Pentosanfraktion zum Durchführen von Schritt bc) zugegeben. Durch diese Verfahrensgestaltung kann die Ausbeute an Zuckerlösung gemessen an der Gesamtmenge eingesetzter Stärkemilch und Pentosan-Fraktion vorteilhaft erhöht werden. Vorzugsweise werden von der in der ersten Membranfiltration eingesetzten Stärkemilch 1–5 Vol.-%, bevorzugt 3 Vol.-%, als Retentat-Teilstrom zum Durchführen von Schritt bc) zurückgeführt.In A particularly preferred method is a retentate substream the first membrane filtration of the pentosan fraction to be cleaved in step bc) Performing step bc) is added. Through this process design the yield of sugar solution can be measured by the total amount used starch milk and pentosan fraction advantageous increase. Preferably, from in the first Membrane filtration used starch milk 1-5 Vol .-%, preferably 3 vol .-%, as a retentate substream for performing from step bc).

Besonders bevorzugt sind solche Verfahren zum Herstellen einer ersten oder zweiten Zuckerlösung, bei denen der Stärkemilch in Schritt ac) und/oder der Pentosanfraktion in Schritt bc) Verzuckerungsenzyme zugesetzt werden. Die Verzuckerungsenzyme unterstützen vorteilhaft das Spalten der Stärke, Zellulose- und/oder Hemizellulose-Bestandteile zu leichter fermentierbaren Zuckern.Especially preferred are those methods for producing a first or second sugar solution in which the starch milk in step ac) and / or the pentosan fraction in step bc) saccharification enzymes be added. The saccharification enzymes support Advantageously, splitting the starch, cellulose and / or Hemicellulose constituents to more easily fermentable sugars.

Zum Herstellen der Stärkemilch in Schritt aa) der Hauptstrom und/oder zum Herstellen einer Pentosanfraktion in Schritt ba) der Nebenstrom wird besonders bevorzugt eine in einem Dreiphasen-Dekanter gereinigten Stärkemilch verwendet. Solche Hauptstrom- und Nebenstromfraktionen einer Stärkemilch lassen sich mit herkömmlichen Dreiphasen-Dekantern leicht herstellen. Der Ausdruck "Hauptstrom" bezeichnet dabei eine Stärkemilch mit folgender Zusammensetzung (Durchschnitts-Angaben, in Gew.-%): 31% Stärke, 0,8% Proteine, 0,3% Fette, 0,1% Pentosane, 0,2% Salze und Mineralien, 0,2% Zellulose, Rest Wasser. Der Ausdruck "Nebenstrom" bezeichnet dabei eine Pentosanfraktion mit folgender Zusammensetzung: (Durchschnitts-Angaben, in Gew.-%): 5% Stärke, 2% Proteine, 0,3% Fette, 1% Pentosane, 0,3% Salze und Mineralien, 2% Zellulose, Rest Wasser.To the Making the starch milk in step aa) of the main stream and / or for producing a pentosan fraction in step ba) of Side stream is particularly preferably one in a three phase decanter used purified starch milk. Such mainstream and By-pass fractions of a starch milk can be with easily produce conventional three-phase decanters. Of the The term "main stream" refers to a starch milk with the following composition (average data, in% by weight): 31% starch, 0.8% proteins, 0.3% fats, 0.1% pentosans, 0.2% salts and minerals, 0.2% cellulose, balance water. The expression "Nebenstrom" refers to a Pentosanfraktion with the following Composition: (average data, in% by weight): 5% starch, 2% proteins, 0.3% fats, 1% pentosans, 0.3% salts and minerals, 2% cellulose, balance water.

Ferner bevorzugt ist es, wenn eine gereinigte Stärke wie oben beschrieben in einem wässrigen Lösungsmittel aufgenommen und anschließend wie oben beschrieben in einem Dreiphasen-Dekanter aufgereinigt wird zum Gewinnen gereinigter Stärkemilch und/oder einer Pentosanfraktion. Die oben beschriebene erfindungsgemäße gereinigte Stärke ist besonders vorteilhaft gereinigt von schwer fermentierbaren Bestandteilen und unterstützt so das Vermeiden von Schlempe bei einer Destillation und das Vermeiden von Abfällen bei der Herstellung der leicht fermentierbaren Zuckerlösung.It is furthermore preferred if a purified starch is taken up in an aqueous solvent as described above and then in a three-phase decanter as described above is purified to obtain purified starch milk and / or a Pentosanfraktion. The purified starch of the present invention described above is particularly advantageously purified from constituents which are difficult to ferment, thus assisting the avoidance of stillage in a distillation and the avoidance of waste in the production of the easily fermentable sugar solution.

Besonders bevorzugt wird ein zweiter Retentat-Teilstrom der ersten Membranfiltration der in Schritt bc) zu spaltenden Pentosanfraktion zum Durchführen von Schritt bc) zugegeben. Dabei werden bevorzugt von 100 t der gesamten in die Membranfiltration eingesetzten Pentosanfraktion 30 t zum Durchführen von Schritt bc) zurückgeführt.Especially a second retentate substream of the first membrane filtration is preferred the pentosan fraction to be cleaved in step bc) for carrying out from step bc). In this case, preferably of 100 t total pentosane fraction used in membrane filtration 30 t for performing step bc) is returned.

Mit den erfindungsgemäß hergestellten oder herstellbaren Zuckerlösungen kann ein besonders vorteilhaftes Fermentationsverfahren durchgeführt werden. Das Fermentationsverfahren, vorzugsweise zum Herstellen von Ethanol, umfasst dabei die Schritte:

  • ca) Bereitstellen einer ersten oder zweiten Zuckerlösung wie oben beschrieben,
  • cb) Durchführen der Fermentation zum Herstellen einer Fermenterbrühe,
  • cc) Abtrennen von Mikroorganismen aus der Fermenterbrühe zum Herstellen einer Maische,
  • cd) Reinigen der in Schritt cc) erhaltenen Maische durch Membranfiltration zu einem Permeat.
With the sugar solutions prepared or prepared according to the invention, a particularly advantageous fermentation process can be carried out. The fermentation process, preferably for the production of ethanol, comprises the steps:
  • ca) providing a first or second sugar solution as described above;
  • cb) carrying out the fermentation to produce a fermenter broth,
  • cc) separating microorganisms from the fermenter broth to produce a mash,
  • cd) purifying the mash obtained in step cc) by membrane filtration to a permeate.

Das so erhaltene Permeat ist vollständig oder weitgehend frei von schlempebildenden Bestandteilen und deshalb besonders geeignet zum Durchführen einer Destillation, insbesondere zur Ethanolgewinnung.The thus obtained permeate is completely or largely free of malodorous constituents and therefore particularly suitable for carrying out a distillation, in particular for ethanol production.

Ein Teil der in Schritt cc) abgetrennten Mikroorganismen der in Schritt ca) bereitgestellten Zuckerlösung wird vorzugsweise zum Durchführen von Schritt cb) zugeführt, und ein anderer Teil der in Schritt cc) abgetrennten Mikroorganismen wird vorzugsweise zu einem Mikroorganismen-Trockenprodukt getrocknet. Auf diese Weise kann die Menge an nicht fermentierten Stoffen weiter verringert werden.One Part of the microorganisms separated in step cc) in step ca) provided sugar solution is preferably for Performing step cb) supplied, and a other part of the microorganisms separated in step cc) preferably dried to a microorganism dry product. In this way, the amount of non-fermented substances can continue be reduced.

Besonders bevorzugt ist es, in einem Hauptstrom-Fermentationsverfahren eine erste Zuckerlösung wie beschrieben zu fermentieren, in einem Nebenstrom-Fermentationsverfahren eine zweite Zuckerlösung wie beschrieben zu fermentieren wird, und die jeweils in Schritt cd) erhaltenen Permeate zu vereinigen. Auf diese Weise können beide Fermentationen optimal zum Erreichen einer hohen Fermentationsprodukt-Ausbeute (insbesondere Ethanol-Ausbeute) gesteuert werden.Especially it is preferred in a mainstream fermentation process a ferment the first sugar solution as described, in a secondary sugar fermentation process, a second sugar solution as described will ferment, and in each case in step cd) obtained permeates. That way you can Both fermentations optimal for achieving a high fermentation product yield (In particular ethanol yield) are controlled.

Ein erfindungsgemäß bevorzugtes Destillationsverfahren umfasst die Schritte:

  • da) Durchführen einer Destillation zum Herstellen eines Destillationsproduktdampfes,
  • db) Komprimieren eines ersten Destillationsproduktdampf-Teilstroms in einem Brüdenverdichter, Betreiben eines Wärmetauschers mit dem komprimierten Teilstrom zum Gewinnen von Wärme zum Betreiben der Destillation und zum Gewinnen eines Kondensats als Rücklauf für die Destillation, und/oder
  • dc) Aufreinigen eines zweiten Destillationsproduktdampf-Teilstroms in einem Permeations- oder Pervaporationsschritt zum Gewinnen eines gereinigten Destillationsproduktes und eines abgereicherten Destillationsproduktdampf-Teilstroms, wobei der abgereicherte Destillationsproduktdampf-Teilstrom in einem Brüdenverdichter komprimiert und in einem Wärmetauscher zum Gewinnen von Wärme zum Betreiben der Destillation und zum Gewinnen eines Kondensats als Rücklauf für die Destillation eingesetzt wird.
A preferred distillation method according to the invention comprises the steps:
  • da) carrying out a distillation to produce a distillate product vapor,
  • db) compressing a first distillation product vapor substream in a vapor compressor, operating a heat exchanger with the compressed substream to recover heat to operate the distillation and recover a condensate as the reflux for the distillation, and / or
  • dc) purifying a second distillation product vapor substream in a permeation or pervaporation step to recover a purified distillation product and a depleted distillate vapor substream wherein the depleted distillate vapor substream is compressed in a vapor compressor and heated in a heat exchanger for recovering distillation and Recovery of a condensate is used as reflux for the distillation.

Mit dem erfindungsgemäßen Destillationsverfahren, bei dem insbesondere ein Permeat eines erfindungsgemäßen Fermentationsverfahrens destilliert werden kann, wird vorteilhaft viel Wärme zurückgewonnen, so dass nur eine minimale Beheizung der verwendeten Destillationsvorrichtung benötigt wird. Ferner können die Betriebsbedingungen des Permeations- oder Pervaporationsschrittes dem jeweils durch Destillation zu gewinnenden Produkt optimal angepasst werden.With the distillation process according to the invention, in which in particular a permeate of an inventive Fermentation process can be distilled, is advantageous recovered a lot of heat, leaving only a minimal Heating the distillation apparatus used needed becomes. Furthermore, the operating conditions of the permeation or Pervaporationsschrittes each to win by distillation Product be optimally adapted.

Bei einer Ethanol-Destillation mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Destillationsverfahrens weist der Destillationsproduktdampf einen Ethanolgehalt von vorzugsweise zumindest 80 Gew.-%, besonders bevorzugt zumindest 85 Gew.-% auf und besonders bevorzugt 85–90 Gew.-%.at an ethanol distillation by means of an inventive Distillation method, the distillation product vapor one Ethanol content of preferably at least 80 wt .-%, more preferably at least 85% by weight, and more preferably 85-90% by weight.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele näher beschrieben, ohne dass die Beispiele den Schutzbereich der Ansprüche einschränken:The Invention will be described below with reference to the embodiments described in more detail, without the examples, the scope restrict the claims:

Wie in 1 gezeigt, wird das Getreide, das vorzugsweise in einem Silo gelagert wird, in das Verfahren eingebracht. Das Getreide wird in einer Luftwirbelmühle gemahlen und die Kleie durch Abscheidung entfernt. Proteine werden dekantiert und abgeschieden.As in 1 shown, the grain, which is preferably stored in a silo, introduced into the process. The grain is ground in an air vortex mill and the bran removed by deposition. Proteins are decanted and separated.

Durch dieses Vorgehen wird eine Stärkemilch erhalten, das die gesamten verwertbaren Kohlehydrate des Getreides enthält. Die nicht alkoholbildenden Bestandteile sind somit vor dem Fermentationsprozess separiert. Diese Stärkemilch wird mit Enzymen verflüssigt und verzuckert.By this procedure will give a starchy milk which is the contains total usable carbohydrates of the crop. The non-alcohol-forming components are thus before the fermentation process separated. This starch milk is liquefied with enzymes and saccharified.

Diese Stärkemilch dient als Substrat für eine Fermentation, zum Starten der Fermentation werden Hefe und Nährstoffe zugegeben.This starch milk serves as a substrate for a fermentation, to start the fermentation Yeast and nutrients added.

Die Fermentation erzeugt eine alkoholische Maische, aus der nach Beendigung der Fermentation die entstanden Hefe abgeschieden und separiert wird. Dadurch wird ein Futtermittel erhalten, das sehr gut für die Fütterung von Tieren, insbesondere Kühen, Schweinen, Pferden, Hühnern etc. verwendet werden kann.The Fermentation produces an alcoholic mash, from the after completion the fermentation the separated yeast is separated and separated. This will provide a feed that is very good for the feeding of animals, especially cows, Pigs, horses, chickens etc. can be used.

Das bei der Fermentation entstehende CO2 wird gewaschen und von anderen Gasen gereinigt, es wird in herkömmlicher Weise separiert und kondensiert.The CO 2 produced in the fermentation is washed and purified from other gases, it is separated and condensed in a conventional manner.

Die so gewonnene Ethanol/Wasser-Lösung wird nach einem Stand der Technik üblichen Verfahren in einer Destillationsanlage für die Gewinnung von Rohalkohol eingesetzt. Bei der Destillation entsteht Rohalkohol, welcher durch Rektifikation zu Bioethanol oder Neutralalkohol aufgereinigt wird. Die vollständige Entwässerung wird durch ein Membransiebverfahren geleistet. Die Reinheit des so erhaltenen Produktes kann bis zu 99,6 vol.% betragen.The thus obtained ethanol / water solution becomes a stand the usual technique in a distillation plant used for the extraction of raw alcohol. In the distillation is formed crude alcohol, which by rectification to bioethanol or Neutral alcohol is purified. The complete drainage is done by a membrane sieve method. The purity of the thus obtained product can be up to 99.6 vol.%.

2 zeigt ein weiteres, detaillierteres Fließschema eines erfindungsgemäßen Verarbeitungsverfahrens zur Ethanolgewinnung. 2 shows a further, more detailed flow diagram of an inventive processing method for ethanol production.

Durch einen Dreiphasen-Dekanter wird die Stärkemilch in drei Fraktionen zerlegt, deren eine die Proteine bilden, die in bekannter Weise aufgearbeitet und gereinigt werden können; die in dieser Fraktion noch enthaltenen Stärke wird durch Waschen abgetrennt und im Hauptstrom weiter verarbeitet. Als zweite wird eine Pentosanfraktion abgetrennt, die neben Stärke fast alle Reststoffe, Pentosen, Cellulose und Hemicellulosen enthält und als Nebenstrom weiterverarbeitet wird.By a three-phase decanter will make the starch milk in three Fractions, one of which forms the proteins known in the art Be prepared and cleaned; in the This fraction still contained starch is by washing separated and further processed in the main stream. The second one is a Pentosanfraktion separated, in addition to strength almost contains all residues, pentoses, cellulose and hemicelluloses and processed as a side stream.

Die dritte Fraktion bildet eine 1 gereinigte Stärkemilch, die als Hauptstrom weiter verarbeitet wird. Vor der Vergärung werden sowohl aus dem Haupt- als auch dem Nebenstrom die Feststoffe abgetrennt, so dass in der Destillation nur das so genannte Lutterwasser anfällt, das zum größten Teil zum Anteigen des Mehls und zur Verdünnung wieder im Prozeß benutzt wird.The third fraction forms a 1 purified starch milk, the as the main stream is processed further. Before fermentation Both the main and the side stream become the solids separated, so that in distillation only the so-called Lutterwasser accumulates, for the most part to Anteigen of the flour and used again for dilution in the process becomes.

Verarbeitung des HauptstromesProcessing of the main stream

Die durch den Dreiphasen-Dekanter abgetrennte Stärkemilch wird zur Verflüssigung und Lösung der Stärke in einer Serie von Wärmetauschern in mehreren Stufen aufgeheizt, wobei ihre Viskosität mit der Temperatur zunächst stark ansteigt, durch ein Maximum geht und wieder abfällt. Die Stärkemilch wird in Zwischenbehältem über einen Zeitraum von 0,5 bis 3 h, vorzugsweise 1 bis 1,5 h bei einer Temperatur zwischen 80 bis 90°C, vorzugsweise 85°C gehalten, bis die Viskosität hinreichend erniedrigt ist. In einer zweiten Stufe wird sie dann auf eine Temperatur von 85 bis 115°C, vorzugsweise 102 bis 105°C, gebracht und über eine Zeitspanne von 0,5 bis 3 h, vorzugsweise 40 bis 80 min, bei dieser Temperatur gehalten, wobei sie sterilisiert wird und alle Mikroorganismen abgetötet werden. Die Beheizung der letzten Stufe des Wärmetauschers erfolgt mit Dampf, die im Prozeß davor befindlichen Wärmetauscher werden zur Wärmerückgewinnung mit dem bereits verflüssigten heißen Stärkemilch beheizt, die dabei gekühlt wird. Sowohl vor dem Eingang in die Stufe der ersten Wärmetauscher als auch in den Zwischenstufen und vor der letzten Stufe können geeignete Verflüssigungsenzyme zugesetzt werden. Nach der Verflüssigung wird die auf 30 bis 40°C, vorzugsweise etwa 35°C, abgekühlten Stärkelösung gegebenenfalls zur Erniedrigung des Gehalts an Trockensubstanz verdünnt und es werden geeignete Verzuckerungsenzyme zugefügt. Die Lösung wird über einen Zeitraum von 1 bis 20 h, vorzugsweise 2 bis 10 h in Behältern unter Rühren gelagert, bis der Verzuckerungsprozeß abgeschlossen ist. Die Dauer des Verzuckerungsprozesses hängt von der Art und Konzentration der eingesetzten Enzyme ab. In einer Zentrifuge werden die noch in der verzuckerten Stärkelösung enthaltenen Fette und die und sowie die restliche Eiweißstoffe abgetrennt und aus dem Prozeß ausgeschleust.The Starch milk separated by the three-phase decanter becomes for liquefaction and solution of starch heated in a series of heat exchangers in several stages, being their viscosity with the temperature first rises sharply, goes through a maximum and drops again. The starch milk is transferred into Zwischenbehältem a period of 0.5 to 3 h, preferably 1 to 1.5 h at a Temperature maintained between 80 to 90 ° C, preferably 85 ° C, until the viscosity is sufficiently lowered. In a second stage, it is then at a temperature of 85 to 115 ° C, preferably 102 to 105 ° C, and transferred a period of 0.5 to 3 hours, preferably 40 to 80 minutes at held at this temperature, being sterilized and all Microorganisms are killed. The heating of the last Stage of the heat exchanger takes place with steam in the process before located heat exchangers are used for heat recovery with the already liquefied hot starch milk heated, which is cooled. Both in front of the entrance in the stage of the first heat exchangers as well as in the intermediate stages and before the last stage, suitable liquefaction enzymes be added. After liquefaction, the on 30 to 40 ° C, preferably about 35 ° C, cooled Starch solution, if appropriate for lowering the Content of dry matter diluted and it will be suitable Added to saccharification enzymes. The solution is over a period of 1 to 20 hours, preferably 2 to 10 hours in containers stored with stirring until the saccharification process is complete is. The duration of the saccharification process depends on the Type and concentration of the enzymes used. In a centrifuge are still contained in the saccharified starch solution Fats and the and and the remaining proteins separated and removed from the process.

In einer anschließenden ersten Membranfiltration werden die Verzuckerungsenzyme sowie die nicht vollständig abgebauten Stärkebruchstücke und Oligosaccharide zurückgehalten, die als Permeat erhaltenen gereinigte und sterile Zuckerlösung weist einen Glucose-Trockengehalt von vorzugsweise 18–22 Gew.-% auf und wird, gegebenenfalls nach einer Zwischenlagerung, zur Hauptstrom- Fermentation geführt.In a subsequent first membrane filtration are the Verzuckerungsenzyme and not completely degraded Starch fragments and oligosaccharides retained, the purified and sterile sugar solution obtained as permeate has a glucose dry content of preferably 18-22 wt .-% up and, if necessary after intermediate storage, to the main Fermentation led.

Das Retentat der Membranfiltration wird in zwei Teilströme aufgeteilt. Ein erster Teilstrom wird in den Eingang der Verzuckerung zurückgeführt, um die Konzentration der Enzyme in diesem Verfahrensschritt zu erhöhen und die Verzuckerung in optimaler Zeit mit einem minimalen Zusatz an frischen Enzymen durchzuführen. Das Retentat der Membranfiltration enthält neben Enzymen und Bruchstücke der Ausgangsstärke zusätzlich noch Pentosane und Hemicellulosen, die durch die eingesetzten Verzuckerungsenzyme nicht oder nur teilweise aufgespalten werden. Um eine Aufkonzentrierung dieser Stoffe durch die Rückführung in die Verzuckerung zu vermeiden, wird ein zweiter Teilstrom des Retentats der ersten Membranstufe, gegebenenfalls nach einer Zwischenlagerung, in den Nebenstrom geführt.The Retentate membrane filtration is divided into two streams divided up. A first partial stream is added to the inlet of the saccharification attributed to the concentration of enzymes in this process step to increase and the saccharification in optimal time with a minimal addition of fresh enzymes perform. Contains the retentate of membrane filtration in addition to enzymes and fragments of the starting strength in addition, pentosans and hemicelluloses, which are due the used saccharification enzymes are not or only partially split. To a concentration of these substances by the return to avoid the saccharification, a second partial flow of Retentats of the first membrane stage, optionally after an intermediate storage, led into the sidestream.

Die Fermentation der sterilen Zuckerlösung des Hauptstromes erfolgt in geschlossenen Rührbehältern an sich bekannter Bauart. Sie sind mit einem Kühlmantel zur Abfuhr der bei der Fermentation entstehenden Wärme sowie mit Anschlüssen zur Reinigung und Sterilisation, zur Zufuhr des Substrates, von Nährlösung, Druckluft, frischer und zurück geführter Hefemilch sowie zur Abführung der vergorenen Maische und des entstehenden Kohlendioxids versehen. Letzteres wird in einer Kolonne mit Wasser gewaschen, bevor es in die Atmosphäre entlassen oder einer weiteren Nutzung zugeführt wird.The fermentation of the sterile sugar solution of the main stream is carried out in closed stirred tanks of known type. You are with one Cooling jacket for removing the heat generated during fermentation and with connections for cleaning and sterilization, for supplying the substrate, nutrient solution, compressed air, fresh and recycled yeast milk and for the removal of the fermented mash and the resulting carbon dioxide. The latter is washed in a column with water before it is released into the atmosphere or sent to further use.

Mehrere Fermenter können sowohl in Reihe als auch parallel betrieben werden. Durch eine geeignete Betriebsweise und Selektion der Hefe kann bei einer Temperatur zwischen 28 und 35°C, vorzugsweise bei 32°C gearbeitet werden, mit einer hohen Konzentration der Hefe, vorzugsweise durch den Einsatz flockulierender Hefen und deren Rückführung. Dadurch kann nicht nur die Fermentationszeit verkürzt werden, es wird auch die Bildung primärer und sekundärer Nebenprodukte unterdrückt und eine höhere Ausbeute und Reinheit des Endproduktes erreicht.Several Fermenters can be operated both in series and in parallel become. By proper operation and selection of the yeast can at a temperature between 28 and 35 ° C, preferably be operated at 32 ° C, with a high concentration the yeast, preferably by the use of flocculating yeasts and their repatriation. This not only shortens the fermentation time become, it also the education primary and secondary By-products suppressed and a higher yield and purity of the final product achieved.

Nach Beendigung der Fermentation wird eine Maische mit einem Alkoholgehalt von 6 bis 14%, vorzugsweise 8–12% und einem TS- Gehalt an Hefe zwischen 5 und 8% erhalten. Die Maische wird zentrifugiert, der Klarlauf mit einem Hefegehalt von weniger als 0,5% wird in einer zweiten Membranstufe weiter gereinigt, das nur noch aus Wasser, Alkohol und einigen gelösten Mineralien bestehende Permeat in Zwischentanks gelagert und zur Destillationskolonne geführt. Das Retentat dieser Membranstufe wird zum Eingang der Zentrifuge geführt. Ein Teilstrom der Dickphase aus der Zentrifuge, die Hefemilch, mit einem TS-Gehalt von 18 bis 20% wird zur Abtrennung des Alkohols nach Vorwärmung in einem Vakuumverdampfer bei einer Temperatur von 44 bis 48°C auf einen Restgehalt an Alkohol von weniger als 2% eingedampft, ein zweiter Teilstrom wird direkt in die Fermentation zurück geführt. Der Brüden aus der Eindampfung wird verdichtet und beheizt den Vakuumverdampfer, das Kondensat wird mit dem Klarlauf vereinigt. Ein Anteil der eingedampften Dickphase wird mit Wasser verdünnt und, gegebenenfalls nach Zusatz von Nährstoffen, als Hefemilch in die Hauptstrom-Fermentation zurückgeführt, der andere Anteil wird gesondert weiter eingedampft und getrocknet und bildet als Trockenhefe ein weiteres Nebenprodukt.To Termination of the fermentation becomes a mash with an alcohol content from 6 to 14%, preferably 8-12% and a DM content obtained in yeast between 5 and 8%. The mash is centrifuged, The clear water with a yeast content of less than 0.5% is in one second membrane stage further purified, the only of water, Alcohol and some dissolved minerals permeate stored in intermediate tanks and fed to the distillation column. The retentate of this membrane stage becomes the entrance of the centrifuge guided. A partial flow of the thick phase from the centrifuge, the yeast milk, with a TS content of 18 to 20% is used to separate the Alcohol after preheating in a vacuum evaporator at a temperature of 44 to 48 ° C to a residual content Alcohol of less than 2% evaporated, a second partial stream is returned directly to the fermentation. Of the Vapors from the evaporation is compressed and heated the vacuum evaporator, the condensate is combined with the clear water. A portion of the evaporated thick phase is diluted with water and, optionally after addition of nutrients, as yeast milk returned to the mainstream fermentation, the other portion is separately further evaporated and dried and forms as dry yeast another by-product.

Verarbeitung des NebenstromesProcessing of the secondary flow

Zur Nutzung der in ihr enthaltenen vergärbaren Substanzen wird die durch den Dreiphasen-Dekanter abgetrennte, sehr verdünnte Pentosanfraktion, gegebenenfalls nach einer Zwischenlagerung, vorgewärmt und in einem Entspannungsverdampfer bei einer Temperatur von 70 bis 85°C, vorzugsweise 74 bis 80°C, aufkonzentriert. Der hierbei entstehende Dampf wird durch einen Brüdenkompressor verdichtet und dient zur Beheizung des Verdampfers, das abgekühlte Kondensat wird als Prozeßwasser genutzt.to Use of the fermentable substances contained in it separated by the three-phase decanter, very diluted Pentosanfraktion, optionally after intermediate storage, preheated and in a flash evaporator at a temperature of 70 to 85 ° C, preferably 74 to 80 ° C, concentrated. The resulting steam is through a vapor compressor condenses and serves to heat the evaporator, the cooled Condensate is used as process water.

Der zweite Teilstrom des Retentats aus der ersten Membranfiltration nach der Verzuckerung des Hauptstromes wird mit dem durch Eindampfen vorkonzentrierten Nebenstrom vereinigt und in mehreren Stufen auf eine Temperatur von 110 bis 160°C, vorzugsweise 125 bis 150°C aufgeheizt und für 10 bis 60 min, vorzugsweise 20 bis 40 min, bei dieser Temperatur und einem Druck von 3 bis 6 bar, vorzugsweise 4 bis 5 bar, gehalten. Anschließend wird schlagartig auf einen Druck von 150 bis 250 mbar in einen Entspannungsbehälter entspannt. Der anfallende Dampf wird über einen Brüdenkompressor verdichtet und dient ebenfalls zur Beheizung des vorgeschalteten Eindampfers.Of the second partial stream of the retentate from the first membrane filtration after the saccharification of the main stream with the by evaporation preconcentrated side stream combined and in several stages a temperature of 110 to 160 ° C, preferably 125 to Heated to 150 ° C and for 10 to 60 min, preferably 20 to 40 minutes, at this temperature and a pressure of 3 to 6 bar, preferably 4 to 5 bar held. Then it will be abrupt to a pressure of 150 to 250 mbar in a flash tank relaxed. The resulting steam is via a vapor compressor compressed and also serves to heat the upstream Evaporator,.

Durch die hohe Temperatur und die schlagartige Entspannung wird die in der Nebenstromfraktion enthaltenen Zellulose und Hemicellulose gespalten und es werden auch die durch die Enzyme nicht in Monosaccharide gespaltenen Stärkebruchstücke weiter abgebaut. Durch Zugabe von Säure während der Aufheizung kann dieser Vorgang beschleunigt werden.By the high temperature and the sudden relaxation will be the in the sidestream fraction contained cellulose and hemicellulose and split the enzymes which are not split into monosaccharides are also eliminated Strength fragments further reduced. By adding of acid during heating can this process be accelerated.

Im unteren Teil des Entspannungsbehälters wird eine bereits teilweise verzuckerte sterile Lösung des Nebenstromes mit einem TS Gehalt von 30 bis 35% erhalten. Zur vollständigen Verzuckerung werden Enzyme zugesetzt und die Lösung in Behältern über einen Zeitraum von 1 bis 20 h, vorzugsweise 2 bis 10 h gerührt. Sie wird anschließend zentrifugiert, um Fette und Proteine auszuschleusen. In der, gegebenenfalls nach einer Zwischenlagerung folgenden dritten Membranfiltration wird als Permeat eine sterile Zuckerlösung erhalten, die neben Glucose noch weitere Hexosen und Pentosen enthält und zur Nebenstrom-Fermentation geführt wird. Das Retentat aus der Membranfiltration des Nebenstromes enthält die abgetrennten Verzuckerungsenzyme, es wird zentrifugiert, um nicht vergärbare Feststoffe auszuschleusen, und in die Verzuckerungsbehälter zurück geführt.in the lower part of the relaxation tank will be an already partially saccharified sterile solution of the secondary stream with a TS content of 30 to 35%. To the complete Saccharification is added to enzymes and the solution in Containers over a period of 1 to 20 h, preferably stirred for 2 to 10 h. She will be following centrifuged to remove fats and proteins. In, if necessary after an intermediate storage following third membrane filtration is obtained as permeate a sterile sugar solution, the contains glucose and other hexoses and pentoses and is led to the sidestream fermentation. The retentate from the membrane filtration of the secondary stream contains the separated Verzuckerungsenzyme, it is centrifuged to non-fermentable To disperse solids and into the saccharification containers led back.

Die Fermentation der sterilen Zuckerlösung des Nebenstromes erfolgt in geschlossenen Rührbehältern an sich bekannter Bauart, entsprechend denen der Fermentation des Hauptstromes. Sie sind mit einem Kühlmantel zur Abfuhr der bei der Fermentation entstehenden Wärme sowie mit Anschlüssen zur Reinigung und Sterilisation, zur Zufuhr des Substrates, von Nährlösung, Druckluft, frischer und zurück geführter Hefemilch sowie zur Abführung der vergorenen Maische und des entstehenden Kohlendioxids versehen. Letzteres wird in einer Kolonne mit Wasser gewaschen, bevor es in die Atmosphäre entlassen oder einer weiteren Nutzung zugeführt wird.The fermentation of the sterile sugar solution of the secondary stream takes place in closed stirred tanks of a known type, corresponding to those of the fermentation of the main stream. They are provided with a cooling jacket to dissipate the heat generated during fermentation and with connections for cleaning and sterilization, for supplying the substrate, nutrient solution, compressed air, fresh and recycled yeast milk and the removal of the fermented mash and the resulting carbon dioxide. The latter is washed in a column with water before it is released into the atmosphere or another use is supplied.

Mehrere Fermenter können sowohl in Reihe als auch parallel betrieben werden. Durch eine geeignete Betriebsweise und Selektion der Hefe kann bei einer Temperatur zwischen 28 und 35°C, vorzugsweise bei 32°C gearbeitet werden, mit einer hohen Konzentration der Hefe, vorzugsweise durch den Einsatz flockulierender Hefen und deren Rückführung. Dadurch kann nicht nur die Fermentationszeit verkürzt werden, es wird auch die Bildung primärer und sekundärer Nebenprodukte unterdrückt und eine höhere Ausbeute und Reinheit des Endproduktes erreicht. Bei der Auswahl der Hefen sind solche vorzuziehen, die auch Pentosen zu Alkohol vergären können.Several Fermenters can be operated both in series and in parallel become. By proper operation and selection of the yeast can at a temperature between 28 and 35 ° C, preferably be operated at 32 ° C, with a high concentration the yeast, preferably by the use of flocculating yeasts and their repatriation. This not only the It will also shorten the fermentation time suppressed primary and secondary by-products and a higher yield and purity of the final product reached. In the selection of yeasts are preferable to those can also ferment pentoses to alcohol.

Die Maische wird zentrifugiert, der Klarlauf mit einem Hefegehalt von weniger als 0,5% wird in einer vierten Membranstufe weiter gereinigt, das nur noch aus Wasser, Alkohol und einigen gelösten Mineralien bestehende Permeat in Zwischentanks gelagert und mit der entsprechenden gereinigten Maische des Hauptstromes zur Destillationskolonne geführt. Das Retentat dieser vierten Membranstufe wird zum Eingang der Zentrifuge geführt. Ein Teilstrom der Dickphase aus der Zentrifuge, die Hefemilch, mit einem TS-Gehalt von 18 bis 20% wird zur Abtrennung des Alkohols nach Vorwärmung in einem Vakuumverdampfer bei einer Temperatur von 44 bis 48°C auf einen Restgehalt an Alkohol von weniger als 2% eingedampft, ein zweiter Teilstrom wird direkt in die Nebenstrom-Fermentation zurück geführt. Der Brüden aus der Eindampfung wird verdichtet und beheizt den Vakuumverdampfer, das Kondensat wird mit dem Klarlauf vereinigt. Ein Anteil der eingedampften Dickphase wird mit Wasser verdünnt und als Hefemilch in die Nebenstrom-Fermentation zurückgeführt, der andere Anteil wird mit dem entsprechenden Anteil aus dem Hauptstrom gesondert weiter eingedampft und getrocknet und bildet als Trockenhefe ein weiteres Nebenprodukt.The Mash is centrifuged, the clear water with a yeast content of less than 0.5% is further purified in a fourth membrane stage, that only from water, alcohol and some dissolved minerals existing permeate stored in intermediate tanks and with the corresponding cleaned mash of the main stream led to the distillation column. The retentate of this fourth membrane stage becomes the entrance of the centrifuge guided. A partial flow of the thick phase from the centrifuge, the yeast milk, with a TS content of 18 to 20% is used to separate the Alcohol after preheating in a vacuum evaporator at a temperature of 44 to 48 ° C to a residual content Alcohol of less than 2% evaporated, a second partial stream is returned directly to the sidestream fermentation. The vapor from the evaporation is compressed and heated the vacuum evaporator, the condensate is combined with the clear water. A portion of the evaporated thick phase is diluted with water and recycled as yeast milk into the sidestream fermentation, the other proportion is the corresponding portion of the main stream separately further evaporated and dried and forms as a dry yeast another by-product.

Destillation:Distillation:

Bei der Destillation oder Rektifikation fällt das Produkt am Kopf der Destillationskolonne dampfförmig an, der Dampf wird im Allgemeinen anschließend kondensiert, ein Teil wird als Rücklauf auf den Kopf der Kolonne gegeben, der andere Teil stellt das gewünschte Produkt dar. Der Wärmeinhalt des Kopfdampfes geht meist verloren, seine Temperatur ist geringer als die am Sumpf der Kolonnen, er kann also nicht direkt zur Beheizung der Kolonnen eingesetzt werden. Dem Fachmann ist bekannt, dass in Sonderfällen der Kopfdampf in einem Brüderverdichter komprimiert werden kann, durch die Kompression steigt sein Druck und seine Temperatur auf ein solches Niveau, dass er nunmehr zur Beheizung des Sumpfes der Kolonne dienen kann.at Distillation or rectification, the product falls on Head of the distillation column in vapor form, the steam is generally subsequently condensed, a part is given as reflux to the top of the column, the other part represents the desired product. The heat content the head steam is usually lost, its temperature is lower as the at the bottom of the columns, so he can not directly to the heating the columns are used. The skilled person is aware that in special cases the head steam can be compressed in a Bruderverdichter can, by the compression its pressure and its temperature rise to such a level that he now has to heat the swamp can serve the column.

Hat der Dampf am Kopf der Kolonnen eine annähernd azeotrope Zusammensetzung, so wird er häufig direkt in eine Dampfpermeationsanlage geleitet. Damit der Dampf die für die Dampfpermeationsanlage optimale Temperatur aufweist, wird die Kolonne häufig bei einem höheren Druck als Atmosphärendruck betrieben. Meist liegt gesättigter Dampf vor, bei bestimmten Membranen kann der Dampf auch überhitzt sein. Auch der Produktdampf der Dampfpermeationsanlage hat im Allgemeinen keine ausreichende Temperatur, um den Sumpf der Kolonnen zu beheizen.Has the steam at the top of the columns is an approximate azeotropic Composition, it is often directly into a steam permeation plant directed. So that the steam for the Dampfpermeationsanlage has optimum temperature, the column is often at operated at a higher pressure than atmospheric pressure. Mostly there is saturated vapor, with certain membranes the steam can also be overheated. Also the product steam the steam permeation unit generally does not have a sufficient temperature, to heat the swamp of the columns.

Es hat sich nun in überraschender Weise gezeigt, dass auch der Produktdampf der Dampfpermeationsanlage durch einen Brüdenverdichter komprimiert und damit seinen Temperatur auf ein solches Niveau gebracht werden kann, dass der Sumpf der Kolonne mit dem Produktdampf beheizt werden kann. Damit ist es möglich, eine Kombination aus einer Destillations- oder Rektifikationskolonne mit einer nachgeschalteten Dampfpermeation mit einem Minimum an Heizenergie zu betreiben und die sonst im Produktdampf erhaltene Wärme zu nutzen.It has now surprisingly revealed that too the product vapor of the vapor permeation plant by a vapor compressor compressed and thus brought its temperature to such a level can be that the bottom of the column heated with the product vapor can be. This makes it possible to have a combination of a distillation or rectification column with a downstream To operate steam permeation with a minimum of heating energy and to use the heat otherwise obtained in the product vapor.

Das nachfolgend beschriebene Verfahren zut Entwässerung oder Absolutierung von Ethanol kann auch verwendet werden für die Abtrennung von Wasser aus anderen, mit Wasser Azeotrope bildenden Komponenten. Diese können die höheren Alkohole wie 2-Propanol, Butanol oder die Pentanole sein, aber auch Ketone wie Butanon, Ester wie Ethylester oder Äther sein. Für den Fachmann ist ferner klar, dass auch ternäre oder höhere Azeotrope in gleicher Weise vorteilhaft mit dem Verfahren entwässert werden können. Ferner ist klar, dass beim Einsatz geeigneter Membranen auch rein organische Mischung getrennt werden können, als Beispiele seien die Abtrennung von Methanol aus Gemischen mit seinen Estern oder mit Aceton genannt, oder die Abtrennung von Aromaten wir Benzol aus seinen Gemischen mit aliphatischen Kohlenwasserstoffen.The below described method of drainage or Absolutierung of ethanol can also be used for the separation of water from others, forming azeotropes with water Components. These can be the higher alcohols such as 2-propanol, butanol or the pentanols, but also ketones such as butanone, esters such as ethyl esters or ethers. For It is further clear to the person skilled in the art that ternary or higher Azeotropic dehydrated in the same way advantageous with the method can be. Furthermore, it is clear that when using suitable Membranes can also be separated purely organic mixture, as examples may be the separation of methanol from mixtures with its Esters or with acetone, or the separation of aromatics we benzene from its mixtures with aliphatic hydrocarbons.

Die Destillationskolonne wird so betrieben, dass am Kopf ein dampfförmiges Ethanol-Wasser-Gemisch annähernd azeotroper Zusammensetzung anfällt. Es hängt von den Erfordernissen an die Reinheit des entwässerten Ethanois ab, wie weit Verunreinigungen entfernt werden müssen. Soll der produzierte Alkohol z. B. als Kraftstoff eingesetzt werden, so ist es häufig ausreichend, nur auf einen Ethanoigehalt von etwa 85 Gew.-% zu destillieren und das restliche Wasser durch die Membraneinheit zu entfernen, andernfalls muss näher an das Azeotrop destilliert werden. Der anfallende Dampf wird in zwei Teilströme aufgeteilt. Ein Teilstrom wird in einem Brüdenverdichter komprimiert und in einem Wärmetauscher, der den Sumpf der Kolonne aufheizt, kondensiert. Das heiße Kondensat wird am Kopf der Kolonne als Rücklauf für die Rektifikation aufgegeben. Der zweite Teilstrom vom Kopf der Kolonne wird in einen Dampfpermeationsanlage geleitet und das Wasser bis zu dem spezifizierten Restgehalt entfernt. Die Betriebsbedingungen der Dampfpermeationsanlage bezüglich Druck und Temperatur sind durch die entsprechenden Betriebsbedingungen vorgegeben, und können über diese in weiten Bereichen gewählt werden. Das entwässerte dampfförmige Produkt wird in einem zweiten Brüdenkompressor verdichtet und beheizt über einen weiteren Wärmetauscher den Sumpf der Kolonne. Der Wärmeinhalt des heißen Kondensats dient zur Vorheizung des Zulaufs zur Kolonne. Auf diese Weise wird die der größte Teil der für den Betrieb der Kolonne benötigte thermische Energie aus dem Kopfdampf der Kolonne zurück gewonnen und genutzt.The distillation column is operated in such a way that a vaporous ethanol-water mixture of approximately azeotropic composition is obtained at the top. It depends on the requirements of the purity of dehydrated ethanois how much impurities must be removed. If the produced alcohol z. For example, as fuel, it is often sufficient to distill only to an ethanoic content of about 85% by weight and to remove the residual water through the membrane unit, otherwise it must be distilled closer to the azeotrope. The resulting steam is divided into two partial streams. A partial stream is compressed in a vapor compressor and condensed in a heat exchanger which heats the bottom of the column. The hot condensate is added at the top of the column as reflux for the rectification. Of the second substream from the top of the column is passed into a vapor permeation unit and the water is removed to the specified residual content. The operating conditions of the Dampfpermeationsanlage with respect to pressure and temperature are given by the corresponding operating conditions, and can be chosen over this in a wide range. The dewatered vaporous product is compressed in a second vapor compressor and heated via another heat exchanger, the bottom of the column. The heat content of the hot condensate is used to preheat the feed to the column. In this way, the majority of the thermal energy required for the operation of the column is recovered from the overhead vapor of the column and used.

Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass beide Teilströme getrennt verdichtet und ihre Drücke und Temperaturen getrennt geregelt werden können. Zwar ist es mögliche, den gesamten Dampf am Kopf der Kolonne in einem Brüdenverdichter zu komprimieren und so die für die Beheizung der Kolonne erforderliche Temperatur zu erreichen, und erst danach in einen Teilstrom für den Rücklauf und einen zweiten für die Dampfpermeationsanlage aufzuteilen. Dann muss die Dampfpermeationsanlage aber bei der für die Beheizung des Kolonnensumpfes erforderlichen Temperatur betrieben werden, was die Freiheit zur Wahl der Betriebsbedingungen stark einschränkt. Ferner erfährt der Dampf beim Durchströmen durch die Dampfpermeationsanlage einen gewissen Druckverlust wodurch seine Temperatur von der des Teilstromes für den Rücklauf abweichen wird. Daher ist eine solche Zusammenschaltung von einer Kolonne, einer Dampfpermeation und einer Brüdenverdichtung weniger bevorzugt.One An essential advantage of the method is that both partial streams compacted separately and their pressures and temperatures separated can be regulated. While it is possible the entire steam at the top of the column in a vapor compressor to compress and so on for heating the column to reach required temperature, and only then into one Partial flow for the return and a second for to divide the steam permeation plant. Then the Dampfpermeationsanlage but at the time required for the heating of the column bottom Temperature operated, giving the freedom to choose the operating conditions severely limits. Furthermore, the steam undergoes the Flow through the Dampfpermeationsanlage a certain Pressure drop whereby its temperature of that of the partial stream for will deviate from the return. Therefore, such an interconnection from a column, a vapor permeation and a vapor compression less preferred.

Erfindungsgemäß weist das Gesamt-Verfahren einen Energiebedarf auf, der sich zusammensetzt aus:

  • 1 Energieverbrauch Destillation/Rektifikation/Dehydrierung: – Dampfbedarf: 1590 kg/t Ethanol × 2,10 MJ/kg = 3339 MJ/t Ethanol – Strombedarf: 490 kWh/t Ethanol × 3,6 MJ/kg = 1764 MJ/t Ethanol Energieverbrauch insgesamt = 5103 MJ/t Ethanol.
  • 2 Energieverbrauch der Nebenproduktproduktion: – Dampfbedarf: 1410 kg/t Ethanol × 2,10 MJ/kg = 2961 MJ/t Ethanol; – Strombedarf: 300 kWh/t Ethanol × 3,6 MJ/kg = 1080 MJ/t Ethanol. Energieverbrauch insgesamt = 3041 MJ/t Ethanol.
  • 3 Als Energieverbrauch des Gesamtprozess ergibt (3.1 und 3.2) sich somit: – Dampfbedarf von 3000 kg/t Ethanol × 2,02 MJ/kg = 6300 MJ/kg – Stromverbrauch von 790 kWh/t Ethanol × 3,6 MJ/kg = 2844 MJ/kg.
According to the invention, the overall method has an energy requirement which is composed of:
  • 1 Energy consumption Distillation / rectification / dehydrogenation: - Steam requirement: 1590 kg / t ethanol × 2.10 MJ / kg = 3339 MJ / t ethanol - Electricity requirement: 490 kWh / t ethanol × 3.6 MJ / kg = 1764 MJ / t ethanol Total energy consumption = 5103 MJ / t ethanol.
  • 2 Energy consumption of by-product production: - steam demand: 1410 kg / t ethanol × 2.10 MJ / kg = 2961 MJ / t ethanol; - Electricity consumption: 300 kWh / t ethanol × 3.6 MJ / kg = 1080 MJ / t ethanol. Total energy consumption = 3041 MJ / t ethanol.
  • 3 As energy consumption of the overall process (3.1 and 3.2) thus results: - Steam demand of 3000 kg / t ethanol × 2.02 MJ / kg = 6300 MJ / kg - Electricity consumption of 790 kWh / t ethanol × 3.6 MJ / kg = 2844 MJ / kg.

Die Produktion aller Produkte benötigt damit einen Energieverbrauch von 9144 MJ/t Ethanol.The Production of all products thus requires energy consumption of 9144 MJ / t ethanol.

Die Energiebilanz herkömmlicher Verfahren ergibt demgegenüber:

  • – Dampfbedarf für die Destillation/Rektifikation, Absolutierung, Trocknung der Getreideschlämpe,
  • – 7000 kg/t Ethanol × 2,10 MJ/kg = 14700 MJ/t Ethanol,
  • – Strombedarf für die Destillation/Rektifikation, Absolutierung, Trocknung der Getreideschlämpe,
  • – 330 kWh/t Ethanol × 3,6 MJ/kg = 1188 MJ/t Ethanol,
The energy balance of conventional methods, on the other hand, gives:
  • Steam requirement for the distillation / rectification, absolution, drying of the grain slurry,
  • - 7000 kg / t ethanol × 2.10 MJ / kg = 14700 MJ / t ethanol,
  • - Electricity required for the distillation / rectification, graduation, drying of the grain slurry,
  • 330 kWh / t ethanol × 3.6 MJ / kg = 1188 MJ / t ethanol,

Dies entspricht einem Gesamtenergieverbrauch von 15888 MJ/t Ethanol.This corresponds to a total energy consumption of 15888 MJ / t ethanol.

Es zeigt sich, dass der Erfindung zu Grunde liegendem Verfahren 6744 MJ/t Ethanol weniger Energie verbraucht als die dem Stand der Technik üblichen Verfahren. Dies entspricht einer Reduzierung des Energieverbrauchs um 43%. Die Erfindung zur Darstellung von Ethanol aus Getreide benötigt lediglich etwa 57% der Energie, die für die Durchführung herkömmlicher Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus Getreide benötigt werden. Dies belegt die Vorteile der Erfindung des Verfahrens zur Herstellung von Bioethanol, Gluten, Hefe und Kleie.It shows that the underlying process 6744 MJ / t ethanol uses less energy than the state of the art Method. This corresponds to a reduction in energy consumption by 43%. The invention requires the preparation of ethanol from cereals only about 57% of the energy needed to carry out conventional Process needed to produce ethanol from grain become. This demonstrates the advantages of the invention of the method for Production of bioethanol, gluten, yeast and bran.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - AT 398981 [0007] - AT 398981 [0007]
  • - DE 2944483 C2 [0007] DE 2944483 C2 [0007]
  • - DE 3007138 C2 [0007] - DE 3007138 C2 [0007]
  • - US 6569653 B1 [0007] - US 6569653 B1 [0007]

Claims (25)

Verfahren zur Herstellung von gereinigter Stärke, umfassend die Schritte: i) Mahlen von stärkehaltigem Getreide in einer Luftwirbelmühle zu einem Stärkemehl, so dass 90% der Partikel des Mehls eine Partikelgröße von 150 bis 250 μm besitzen, ii) Abtrennen von Kleie vom Mehl, und anschließend iii) Abtrennen von Proteinen vom Mehl.Process for the preparation of purified starch, comprising the steps: i) grinding of starchy Grain in an air vortex mill to a cornstarch, so that 90% of the particles of flour have a particle size from 150 to 250 μm, ii) separating bran from the flour, and then iii) separating proteins from the flour. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend die Verarbeitung der abgetrennten Proteine zu Gluten.The method of claim 1, further comprising the processing the separated proteins to gluten. Gereinigte Stärke, herstellbar nach einem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche.Purified starch, producible after one Method according to one of the preceding claims. Verfahren zur Herstellung von Ethanol, umfassend die Schritte: iv) Bereitstellen gereinigter Stärke nach Anspruch 3, v) Fermentieren der in Schritt iv) bereitgestellten Stärke durch Mikroorganismen zu einer Fermenterbrühe, gegebenenfalls nach Verflüssigen der Stärke, vi) Herstellen einer Maische durch Abtrennen von Mikroorganismen aus der Fermenterbrühe, vii) Abtrennen von Ethanol aus der Maische.A process for producing ethanol, comprising the steps: iv) Provide purified starch according to claim 3, v) fermenting the starch provided in step iv) by microorganisms to a fermenter broth, optionally after liquefying the starch, vi) manufacture a mash by separating microorganisms from the fermenter broth, vii) Separating ethanol from the mash. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ethanol destillativ von der Fermenterbrühe abgetrennt wird.Method according to claim 4, characterized in that that the ethanol is separated by distillation from the fermenter broth becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das abgetrennte Ethanol durch ein Pervaporationverfahren entwässert wird.Method according to one of claims 4 to 5, characterized in that the separated ethanol by a Pervaporation process is drained. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, ferner umfassend das Auffangen von bei der Fermentation freigesetztem CO2.The method of any one of claims 4 to 6, further comprising capturing CO 2 released during the fermentation. Verfahren zum Herstellen einer ersten Zuckerlösung, umfassend die Schritte: aa) Herstellen oder Bereitstellen einer Stärkemilch, ab) thermisches Verflüssigen der Stärke der Stärkemilch, ac) Spalten der Stärke zum Gewinnen Mono-, Di- und/oder Oligosacchariden, ad) Abtrennen von Fetten, Ölen und Proteinen aus der in Schritt ac) erhaltenen Stärkemilch, und ae) Gewinnen der ersten Zuckerlösung als Permeat einer ersten Membranfiltration der in Schritt ac) und/oder ad) erhaltenen Stärkemilch.Method for producing a first sugar solution, comprising the steps: aa) manufacture or provide a Starch milk, ab) thermal liquefaction the strength of the starch milk, ac) columns of Starch for obtaining mono-, di- and / or oligosaccharides, ad) Separate fats, oils and proteins from the in step ac) obtained starch milk, and ae) winning the first Sugar solution as permeate of a first membrane filtration the starch milk obtained in step ac) and / or ad). Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zuckerlösung stärkefrei ist.Method according to claim 8, characterized in that that the first sugar solution is starch free. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zuckerlösung einen Anteil von 15–25 Gew.-% Glucose enthält.Method according to claim 8 or 9, characterized that the first sugar solution accounts for 15-25 Wt .-% glucose. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Retentat-Teilstrom der ersten Membranfiltration der in Schritt ac) zu spaltenden Stärkemilch zum Durchführen von Schritt ac) zugegeben wird.Method according to one of claims 8 to 10, characterized in that a first retentate substream of the first Membrane filtration of the starch milk to be cleaved in step ac) for performing step ac) is added. Verfahren zum Herstellen einer zweiten Zuckerlösung, umfassend die Schritte: ba) Herstellen oder Bereitstellen einer Pentosanfraktion einer Stärkemilch, bb) optional Aufkonzentrieren der Pentosanfraktion, bc) Spalten von Zellulose und/oder Hemicellulose der Pentosanfraktion, vorzugsweise unter Säurezusatz, bd) Abtrennen von Fetten, Ölen und Proteinen aus der in bd) erhaltenen Pentosanfraktion, und be) Gewinnen der zweiten Zuckerlösung als Permeat einer dritten Membranfiltration der in Schritt bc) und/oder bd) erhaltenen Pentosanfraktion.Method for producing a second sugar solution, comprising the steps: ba) producing or providing a Pentosan fraction of a starch milk, bb) optional concentration the pentosan fraction, bc) columns of cellulose and / or hemicellulose Pentosanfraktion, preferably with addition of acid, bd) Separating fats, oils and proteins from that in bd) obtained pentosan fraction, and be) recovering the second sugar solution as permeate a third membrane filtration in step bc) and / or bd) obtained Pentosanfraktion. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zuckerlösung stärkefrei ist.Method according to claim 12, characterized in that that the second sugar solution is starch free. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zuckerlösung einen Anteil von 15–25 Gew.-% Glucose enthält.Method according to one of claims 12 to 13, characterized in that the second sugar solution a Contains 15-25 wt .-% glucose. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Retentat-Teilstrom der ersten Membranfiltration der in Schritt bc) zu spaltenden Pentosanfraktion zum Durchführen von Schritt bc) zugegeben wird.Method according to one of claims 12 to 14, characterized in that a retentate substream of the first membrane filtration the pentosan fraction to be cleaved in step bc) for carrying out Step bc) is added. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Stärkemilch in Schritt ac) und/oder der Pentosanfraktion in Schritt bc) Verzuckerungsenzyme zugesetzt werden.Method according to one of claims 8 to 15, characterized in that the starch milk in step ac) and / or the pentosan fraction in step bc) saccharification enzymes be added. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen der Stärkemilch in Schritt aa) der Hauptstrom und/oder zum Herstellen einer Pentosanfraktion in Schritt ba) der Nebenstrom einer in einem Dreiphasen-Dekanter gereinigten Stärkemilch verwendet wird.Method according to one of claims 8 to 16, characterized in that for producing the starch milk in step aa) the main stream and / or for producing a Pentosanfraktion in step ba) the side stream one in a three phase decanter purified starch milk is used. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine gereinigte Stärke nach Anspruch 3 in einem wässrigen Lösungsmittel aufgenommen und anschließend in einem Dreiphasen-Dekanter aufgereinigt wird zum Gewinnen eines Hauptstromes und/oder eines Nebenstromes.Method according to claim 17, characterized in that that a purified starch according to claim 3 in an aqueous Solvent and then in a three-phase decanter is purified to obtain a main stream and / or a side stream. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Retentat-Teilstrom der ersten Membranfiltration der in Schritt bc) zu spaltenden Pentosanfraktion zum Durchführen von Schritt bc) zugegeben wird.Method according to one of claims 17 to 18, characterized in that a second retentate substream of first membrane filtration of the pentosan fraction to be cleaved in step bc) for performing step bc) is added. Zuckerlösung, herstellbar oder hergestellt nach einem der Ansprüche 8 bis 19.Sugar solution, manufacturable or made according to one of claims 8 to 19. Fermentationsverfahren, vorzugsweise zum Herstellen von Ethanol, umfassend die Schritte: ca) Bereitstellen einer ersten oder zweiten Zuckerlösung nach Anspruch 20, cb) Durchführen der Fermentation zum Herstellen einer Fermenterbrühe, cc) Abtrennen von Mikroorganismen aus der Fermenterbrühe zum Herstellen einer Maische, cd) Reinigen der in Schritt cc) erhaltenen Maische durch Membranfiltration zu einem Permeat.Fermentation process, preferably for the manufacture of ethanol, comprising the steps: ca) providing a first or second sugar solution according to claim 20, cb) Carrying out the fermentation to produce a fermenter broth, cc) Separating microorganisms from the fermenter broth for Making a mash, cd) purifying the product obtained in step cc) Mash by membrane filtration to a permeate. Fermentationsverfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der in Schritt cc) abgetrennten Mikroorganismen der in Schritt ca) bereitgestellten Zuckerlösung zum Durchführen von Schritt cb) zugeführt wird, und ein anderer Teil der in Schritt cc) abgetrennten Mikroorganismen zu einem Mikroorganismen-Trockenprodukt getrocknet werden.Fermentation process according to claim 21, characterized in that a part of the microorganisms separated in step cc) the sugar solution provided in step ca) for performing from step cb), and another part of the in step cc) separated microorganisms to a microorganism dry product be dried. Fermentationsverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Hauptstrom-Fermentationsverfahren eine erste Zuckerlösung nach Anspruch 20 fermentiert wird, in einem Nebenstrom-Fermentationsverfahren eine zweite Zuckerlösung nach Anspruch 20 fermentiert wird, und die jeweils in Schritt cd) erhaltenen Permeate vereinigt werden.Fermentation process according to one of the claims 21 to 22, characterized in that in a mainstream fermentation process a first sugar solution according to claim 20 is fermented, in a secondary sugar fermentation process, a second sugar solution is fermented according to claim 20, and in each case in step cd) obtained Permeate be united. Destillationsverfahren, umfassend die Schritte: da) Durchführen einer Destillation zum Herstellen eines Destillationsproduktdampfes, db) Komprimieren eines ersten Destillationsproduktdampf-Teilstroms in einem Brüdenverdichter, Betreiben eines Wärmetauschers mit dem komprimierten Teilstrom zum Gewinnen von Wärme zum Betreiben der Destillation und zum Gewinnen eines Kondensats als Rücklauf für die Destillation, und/oder dc) Aufreinigen eines zweiten Destillationsproduktdampf-Teilstroms in einem Permeations- oder Pervaporationsschritt zum Gewinnen eines gereinigten Destillationsproduktes und eines abgereicherten Destillationsproduktdampf-Teilstroms, wobei der abgereicherte Destillationsproduktdampf-Teilstrom in einem Brüdenverdichter komprimiert und in einem Wärmetauscher zum Gewinnen von Wärme zum Betreiben der Destillation und zum Gewinnen eines Kondensats als Rücklauf für die Destillation eingesetzt wird.Distillation process comprising the steps: there) Performing a distillation to produce a distillate product vapor, db) Compressing a first distillation product vapor substream in a vapor compressor, operating a heat exchanger with the compressed partial flow for obtaining heat for operating the distillation and recovering a condensate as reflux for the distillation, and / or dc) Purifying a second distillation product vapor substream in a permeation or pervaporation step to obtain a purified distillation product and a depleted distillation product vapor substream, wherein the depleted distillation product vapor substream is in a vapor compressor compressed and in a heat exchanger for winning Heat to operate the distillation and to win a Condensate used as reflux for distillation becomes. Destillationsverfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Destillationsproduktdampf einen Ethanolgehalt von zumindest 80 Gew.-% besitzt.Distillation method according to claim 24, characterized characterized in that the distillation product vapor has an ethanol content of at least 80% by weight.
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