DE102007040069A1

DE102007040069A1 - Fermentation process, useful to produce ethanol from fermentable raw materials e.g. sugarcane, comprises separating fermented mash, after the fermentation, into clear and thick phases, by centrifuging; and recycling fermented product

Info

Publication number: DE102007040069A1
Application number: DE102007040069A
Authority: DE
Inventors: Erik Franz Dipl.-Ing. Tusel; Yann Christophe Dipl.-Ing. Tusel; Darius Dr. Kazemekas; Hartmut E.A. Dr. Brüschke; Michael Andreae Jäckering
Original assignee: ACS AGROCHEMISCHE SYSTEME GmbH; GFT MEMBRANE SYSTEMS GmbH; Jackering Muehlen- und Nahrmittelwerke GmbH; JAECKERING MUEHLEN und NAEHRMI
Current assignee: ACS AGROCHEMISCHE SYSTEME GmbH; GFT MEMBRANE SYSTEMS GmbH; Jackering Muehlen- und Nahrmittelwerke GmbH; JAECKERING MUEHLEN und NAEHRMI
Priority date: 2007-08-24
Filing date: 2007-08-24
Publication date: 2009-02-26

Abstract

Fermentation process for the production of ethanol from fermentable raw materials, comprises separating the fermented mash, after the fermentation, into a clear phase and thick phase, by centrifuging, where the clear phase is distilled directly, when the thick phase in a vacuum evaporation plant is largely free of ethanol; and recycling the fermented product.

Description

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein verbessertes Verfahren zur Erzeugung von Alkohol durch Vergärung, insbesondere durch Reduzierung des Bedarfs an Prozesswasser und der Erzeugung an Abwasser.The The present invention describes an improved method for Production of alcohol by fermentation, in particular by reducing the need for process water and the production of wastewater.

Die Notwendigkeit, die Emission von CO₂ aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe zu vermindern, hat zu einem zunehmenden Interesse an der Herstellung flüssiger Energieträger, insbesondere Ethanol, aus erneuerbaren Rohstoffen und dessen Einsatz als Treibstoff geführt. Hierbei wird Ethanol durch Vergärung oder Fermentation von geeigneten Kohlehydraten gewonnen. Die verwendeten Rohstoffe wie Zuckerrohr, Zuckerrüben oder Zuckerhirse können direkt den vergärbaren Zucker enthalten, er kann aber auch durch Umwandlung aus Stärke, etwa aus Getreide, Kartoffel oder Maniok, oder aus Lignozellulosen wie Holz, Stroh, oder anderen Pflanzen- und Pflanzenteilen gewonnen werden. Die Vergärung des so gewonnenen Zuckers erfolgt in jedem Falle durch Mikroorganismen wie Hefen oder Bakterien in verdünnten wässrigen Lösungen. Durch den Vergärungsvorgang müssen somit in jedem Fall größere Mengen an Wasser geführt und hinterher vom Ethanol abgetrennt werden, wobei entsprechende Mengen an Abwasser anfallen, die behandelt und/oder beseitigt werden müssen. Insbesondere in den konventionellen Gärverfahren nach dem Stand der Technik entsteht ein hochbelastetes Abwasser, dessen Beseitigung erhebliche Umweltprobleme verursacht.The need to reduce the emission of CO ₂ from the combustion of fossil fuels has led to an increasing interest in the production of liquid fuels, especially ethanol, from renewable resources and its use as fuel. In this case, ethanol is obtained by fermentation or fermentation of suitable carbohydrates. The raw materials used, such as sugar cane, sugar beet or sugar millet, may directly contain the fermentable sugar, but it can also be obtained by conversion from starch, for example from grain, potato or manioc, or from lignocelluloses such as wood, straw or other plant and plant parts. The fermentation of the sugar thus obtained takes place in each case by microorganisms such as yeasts or bacteria in dilute aqueous solutions. As a result of the fermentation process, larger quantities of water must always be fed and subsequently separated off from the ethanol, with corresponding amounts of wastewater being incurred which must be treated and / or disposed of. In particular, in the conventional fermentation processes according to the prior art, a highly polluted wastewater, the elimination causes significant environmental problems.

Die vorliegende Erfindung beschreibt somit einen verbesserten Prozess für die Herstellung von Ethanol, das eine weitgehende Rückführung des vom Ethanol abgetrennten Wassers in den Prozess vor der Vergärung erlaubt und somit die zu entsorgende Abwassermenge erheblich vermindert. Es gestattet ferner, den Gehalt an vergärbaren Substraten während der Fermentation auf einem niedrigen Niveau zu halten, sodass die vergärbaren Stoffe praktisch vollkommen umgesetzt werden, ohne dass die Vergärung durch den produzierten Alkohol inhibiert wird. Gleichwohl ist der Ethanolgehalt der fermentierten Maische ausreichend hoch, so dass auch seine Abtrennung und Aufkonzentrierung ohne erhöhten energetischen Aufwand erfolgen kann.The The present invention thus describes an improved process for the Preparation of ethanol, which is a substantial return of the separated from the ethanol Water allowed in the process before fermentation and thus the to be disposed of wastewater significantly reduced. It allows furthermore, the content of fermentable Substrates during keep the fermentation at a low level, so that the fermentable Substances are virtually completely implemented without fermentation by the produced alcohol is inhibited. Nevertheless, the ethanol content is the fermented mash sufficiently high, so that its separation and concentration without increased energetic Effort can be made.

Das Verfahren gestattet es, die Vergärung bei hoher Konzentration an mikrobieller Biomasse und kontinuierlich in kurzer Zeit durchzuführen, hierdurch wird nicht nur der apparative Aufwand verringert, auch die Gefahr von Fremdinfektionen in den Fermenter und die Entstehung von unerwünschten Nebenprodukten wird reduziert. Durch die Rückführung von Hefe wird nicht nur die hohe Konzentration an mikrobieller Biomasse im Fermenter gewährleistet, durch das dadurch bedingte verminderte Hefewachstum erhöht sich auch die Ausbeute an Ethanol.The Method allows fermentation at high concentration of microbial biomass and continuously in a short time, This not only reduces the expenditure on equipment, but also the risk of foreign infections in the fermenter and the emergence of unwanted by-products is reduced. Through the return of Yeast will not only have the high concentration of microbial biomass in the fermenter ensures Due to the resulting reduced yeast growth increases also the yield of ethanol.

Im Folgenden wird das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung beschrieben. Vor dem Eintritt in den Fermenter werden Substrate, die aus zuckerhaltigen Rohstoffen stammen, filtriert, um ungelöste Feststoffe, wie Fasern, abzutrennen. Die Stärke aus stärkehaltigen Rohstoffen wird nach den dem Fachmann bekannten Verfahren verzuckert, auch hier werden vor der Verzuckerung alle ungelösten Feststoffe durch Zentrifugieren, Filtern oder durch Membranfiltration oder durch eine Kombination dieser Verfahren abgetrennt, das gleiche gilt für Substrate, die durch die Verzuckerung zellulosehaltiger Rohstoffe gewonnen wurden. Die Fermentation erfolgt in einem oder mehreren Durchlauffermentern, die in einer dem Fachmann bekannten Weise aufgebaut und betrieben werden.in the The following describes the method of the present invention. Before entering the fermenter are substrates made from sugary Raw materials, filtered to remove undissolved solids, such as fibers, separate. The strenght from starchy Raw materials are saccharified according to the methods known to those skilled in the art, Again, all the undissolved solids are removed by centrifugation before saccharification. Filtering or by membrane filtration or by a combination Separated by this method, the same applies to substrates by the Saccharification of cellulosic raw materials. The fermentation takes place in one or more continuous fermenters, which in one constructed and operated in a manner known to those skilled in the art.

Nach der Fermentation wird eine Maische mit einem Gehalt an Ethanol von 4 bis 14 Gew.-%, bevorzugt 6 bis 12 Gew.-% und einen Trockensubstanzgehalt (TS-Gehalt) an Hefe von 5 bis 10%, vorzugsweise 5 bis 8% erhalten. Diese Maische wird zunächst in der dem Fachmann bekannten Weise in einer Zentrifuge in einen praktisch hefefreien Klarlauf und in eine Dickphase, welche einen TS-Gehalt an Hefe von 18 bis 22% aufweist, getrennt.To The fermentation is a mash containing ethanol from 4 to 14 wt .-%, preferably 6 to 12 wt .-% and a dry matter content (TS content) of yeast from 5 to 10%, preferably 5 to 8%. This mash will first in the manner known to those skilled in a centrifuge in a virtually yeast-free clear-run and in a thick phase, which one TS content of yeast from 18 to 22%, separated.

Die hefehaltige Dickphase wird in zwei Teilströme aufgeteilt, deren Volumenverhältnis in weiten Bereichen, je nach Anforderung des Verfahrens, variiert werden kann. Ein erste Teilstrom wird auf eine Temperatur von 40 bis 50°C, vorzugsweise 42 bis 48°C, vorgewärmt und unter Vakuum bei dieser Temperatur in einer Vakuum-Eindampfanlage eingedampft, ein zweiter Teilstrom wird direkt und ohne Eindampfung in den Fermenter zurückgeführt.The yeast-containing thick phase is divided into two sub-streams whose volume ratio in wide ranges, depending on the requirements of the process can. A first partial flow is at a temperature of 40 to 50 ° C, preferably 42 to 48 ° C, preheated and under vacuum at this temperature in a vacuum evaporation plant evaporated, a second partial flow is directly and without evaporation returned to the fermenter.

Der Rückstand der Eindampfanlage weist noch einen Restgehalt an Ethanol von etwa 2 Gew.-% und einen Feststoffgehalt von 35 bis 50% auf. Ein erster Teilstrom dieses eingedampften ersten Teilstroms der Dickphase nach der Zentrifuge wird mit dem zweiten Teilstrom, der unbehandelten Dickphase, vereinigt. Nach Zugabe von Nährstoffen und gegebenenfalls einer Verdünnung, wird diese Hefemilch in die Fermentation zurückgeführt.Of the Residue the evaporation plant still has a residual content of ethanol of about 2 wt .-% and a solids content of 35 to 50%. A first Partial flow of this evaporated first partial flow of the thick phase after the centrifuge is filled with the second partial stream, the untreated Thick phase, united. After addition of nutrients and if necessary a dilution, This yeast milk is returned to the fermentation.

Ein zweiter Teilstrom der eingedampften Dickphase nach der Zentrifuge wird in einer weiteren Eindampfanlage vom restlichen Alkoholgehalt befreit und getrocknet und liefert als Trockenhefe ein Nebenprodukt der Ethanolherstellung.One second partial stream of the evaporated thick phase after the centrifuge is in a further evaporation of the remaining alcohol content freed and dried and provides as by-product by-product the ethanol production.

Das Verhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Teilstrom der eingedampften Dickphase kann nach den Erfordernissen des Prozesses, z. B. zugunsten einer erhöhten Produktion an Trockenhefe in weiten Bereichen gewählt werden.The ratio between the first and the second partial stream of the evaporated thick phase can according to the requirements of the process, for. B. in favor of increased production of dry yeast be chosen in a wide range.

Der Brüden aus der Eindampfung und Trocknung mit einem Ethanolgehalt zwischen 15 und 40 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 30 und 35 Gew.-%, wird verdichtet und dient zur Beheizung der Eindampfanlage, das Kondensat wird mit dem Klarlauf der Zentrifuge vereinigt und hieraus in den dem Fachmann bekannten Verfahren das Ethanol durch Verdampfen und Destillation abgetrennt und konzentriert. Der alkoholfreie Ablauf der Destillation wird in den Eingang des Prozesses, zum Auswaschen zuckerhaltiger Rohstoffe, zum Anteigen von Stärke oder zur Aufbereitung zellulosehaltiger Rohstoffe, zurückgeführt.Of the vapors from evaporation and drying with an ethanol content between 15 and 40 wt .-%, preferably between 30 and 35 wt .-%, is compacted and serves to heat the evaporation plant, the condensate is with the clear running of the centrifuge united and from there in the specialist known methods, the ethanol by evaporation and distillation separated and concentrated. The alcohol-free course of distillation gets into the entrance of the process, to leach out more sugary Raw materials, for pasting starch or for the processing of cellulose-containing raw materials.

Claims

Fermentation process for the production of ethanol from fermentable raw materials, with a separation of the fermented mash after fermentation in a centrifuge in a clear phase and a thick phase, characterized in that the clear phase is directly distilled, while the thick phase in a vacuum vaporizer largely freed from ethanol and in the fermentation is returned.

Method according to claim 1, characterized in that that a partial flow of the thick phase after the centrifuge without evaporation is returned to the fermentation.

Method according to one of claims 1 and 2, characterized that the vapors the vacuum evaporation plant is compressed into a compressor and for heating the evaporation plant is used.

Method according to claim 3, characterized that the vacuum evaporation system is designed as a multi-stage system and the vapors The individual stages are condensed and condensed separately.