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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ethanolgewinnung in Brauereien.
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Ethanol
wird in vielen Bereichen der chemischen Industrie verwendet, weiter
kann es als Benzinersatz eingesetzt oder als Additiv fossilen Brennstoffen
zugesetzt werden. Auf Grund der zunehmenden Ressourcenknappheit
von fossilen Energieträgern, sowie aus Umweltgesichtspunkten,
wird die Ethanolgewinnung aus Biomasse zunehmend an Bedeutung gewinnen,
da hier nachwachsende Rohstoffe zur Herstellung verwendet werden.
Bioethanol ist insbesondere als Kraftstoff für den Verkehrssektor
interessant, da Ethanol als Kraftstoff für herkömmliche, nur
gering modifizierte Otto-Motoren eingesetzt werden kann. Mit einem
vermehrtem Einsatz kann somit ein wertvoller Beitrag zur Verringerung
des Schadstoffausstoßes im Verkehrssektor geleistet werden.
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Stand der Technik:
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Die
Ethanolproduktion aus Biomasse besteht aus mehreren Verfahrensschritten:
In
einem ersten Verfahrensschritt werden die pflanzlichen Ausgangsprodukte
(z. B. Getreide, Zuckerrüben, Zuckerrohr, Mais) zerkleinert.
Getreideartige Produkte werden typischerweise über eine
Trockenvermahlung oder Nassvermahlung aufbereitet.
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Der
zweite Verfahrensschritt wird als Maischung bezeichnet. Dabei findet
bei Verwendung von stärkehaltigen Produkten eine Verflüssigung
und anschließend eine Verzuckerung statt, wobei diese Schritte
in der Regel in unterschiedlichen Behältern durchgeführt
werden (siehe: Murthagh; J.E.: „Molasses as a feedstock
for alcohol production" in The Alcohol Textbook, Nottingham, 1995,
27). Zunächst wird im sogenannten Verflüssigungsbehälter
das gemahlene Substrat unter Wasserzugabe erhitzt und in Lösung
gebracht. Danach erfolgt im sogenannten Verzuckerungsbehälter
unter Rühren ein enzymatischer Abbau der Stärke
zu Glukose. Hierzu werden verschiedene Enzyme wie z. B. α-Amylase
oder Glucoamylase eingesetzt, die die hochmolekulare Stärke
zerlegen. Diese befinden sich zum Teil selbst bereits in der Pflanzensubstanz,
werden zur Beschleunigung der Reaktionszeit aber größtenteils
dem Reaktionsgemisch zusätzlich beigesetzt. Bei der Ethanolproduktion
von Rohstoffen, die bereits Zucker enthalten, wie z. B. Zuckerrüben,
kann der enzymatische Verzuckerungsschritt entfallen.
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In
einem dritten Prozessschritt erfolgt in einem Fermentationsbehälter
eine Fermentation bzw. Gärung, bei der der erhaltene Zucker
unter Zugabe von Hefepilzen und unter Luftabschluss in Ethanol, Wasser
und Kohlendioxid umgesetzt wird. Die Reaktion bricht von selbst
ab, wenn der Alkoholanteil auf max. ~14 Vol.-% ansteigt, da dann
der Stoffwechsel der Hefen stoppt und sie absterben. Dadurch müssen nach
der Fermentation noch weitere Prozessschritte erfolgen, um den Alkohol
weiter aufzureinigen, bzw. um Getreiderückstände
abzutrennen. Die Reaktionstemperatur sollte bei der Fermentation
auf ca. 34°C gehalten werden. Da die Reaktion exotherm
verläuft, muss während des Gärprozesses
gekühlt werden. Der Gesamtfermentationsprozess dauert üblicherweise
ca. 30 bis 40 Stunden.
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Anschließend
wird in einem vierten Schritt eine Destillation in einem Destillationsgefäß durchgeführt.
Dabei erfolgt eine Erhöhung des Ethanolgehalts und gleichzeitig
eine Abtrennung des Wasser/Alkoholgemisches von Feststoffen, der
sogenannten Schlämpe, die zur Verkürzung dieser
Fermentationsreaktionszeit in den Fermenter rückgeführt
werden kann.
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Zur
weiteren Aufreinigung des durch Destillation erhaltenen Ethanols
schließt sich in der Regel eine Rektifikation in einem
Rektifikationsbehälter an. Diese beinhaltet mehrere, weitere
Destillationsschritte, wobei bei 78,3°C das Alkohol-/Wassergemisch
als azeotropes Gemisch weiter aufgereinigt wird. Durch Rektifikation
ist ein Ethanolgehalt von ca. 96 Vol.-% erzielbar. Anschließend
kann durch eine weitere Trocknung z. B. über ein Molekularsiebverfahren eine
Alkoholreinheit von über 99 Vol.-% erreicht werden.
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Dem
gegenüber steht der klassische Bierbrauprozess, der sich
in folgende Verfahrensschritte unterteilt:
Zunächst
erfolgt eine Zerkleinerung des Malzes, vorzugsweise in einer Nass-
Trocken- oder Hammermühle und eine anschließende Überführung
unter Wasserzugabe in einem Maischebottich. Dort erfolgt ein Erhitzen
auf ca. 45–75°C über ein sogenanntes Dekokortionsverfahren
durch einen Mischvorgang mit auf 100°C erhitzter Maische,
die aus der Maischepfanne erhältlich ist. Durch diesen
Prozess erfolgt ein Lösen und ein anschließendes
Verzuckern der Maische. Im nächsten Schritt wird im Läuterbottich
die Vorderwürze vom sogenannten Treber, d. h. von Feststoffen,
wie z. B. Spelzen, und Proteinen aus dem Malz, getrennt. Dieser
kann z. B. als Futtermittel eingesetzt werden. Die Vorderwürze
wird in einem Vorlaufbehälter zwischengelagert, bevor sie
im Würzekessel mit Hopfen gekocht wird. Die so entstandene
Stammwürze wird in den sogenannten Whirlpool überführt
in dem Eiweis- und Trubstoffen abgeschieden werden, bevor sie als
blanke Würze gekühlt und in den Fermenter überführt
wird. Nach Vermischen mit Hefe und findet dort unter Kühlen
die alkoholische Gärung statt. Im Vorfeld werden sehr geringe
Mengen der blanken Würze abgetrennt und für die
Hefeanzucht verwendet, die für den Fermentationsprozess
nötig sind. Nach dem Gärprozess wird das Bier gefiltert
und in Vorratstanks bei einer Temp. um 0°C eingelagert.
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Aufgabe der Erfindung:
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung eines
Verfahrens zur Herstellung von Bioethanol, bei möglichst
niedrigen Investitionskosten. Eine weitere Aufgabe ist das Bereitstellen
eines Verfahrens, das das Betreiben in Hinblick auf einen verringerten
Wasser- und/oder Stromverbrauch wirtschaftlicher macht.
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Kurze Beschreibung der Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von
Ethanol aus Biomasse bei dem die erfindungsgemäßen
Aufgaben dadurch gelöst werden, dass ein oder mehrere Anlagenteile einer
Bierbrauanlage für eine Bioethanolproduktion verwendet
werden. Dies hat zum Vorteil dass z. B. bei einer nicht voll belasteten
Brauereianlage Ethanol anstelle von Bier hergestellt wird, und somit
die Auslastung der Anlage erhöht werden kann. Diese kann somit
wirtschaftlicher betrieben werden, da Anlagenstillstandszeiten minimiert
werden. Im Vergleich zu zwei vollständig getrennt ablaufenden
Verfahren zum Bierbrauen und zur Bioethanolproduktion sind dadurch
auch in Summe Einsparungen an den Investitionskosten für
die Anlagen möglich. Weiter sind dadurch Einsparungen im
Wasser- und/oder Stromverbrauch möglich.
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Die
Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass mindestens einer der Verfahrensschritte: Zerkleinerung
(A), Maischung (B), Fermentation (C) oder Destillation (D), die
das Verfahren zur Ethanolgewinnung aus Biomasse umfassen, in einer
Bierbrauanlage durchgeführt wird.
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Bevorzugte,
erfindungsgemäße Ausführungsformen beinhalten:
Ein
Verfahren nach Anspruch 1, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
eine Aufreinigung beinhaltet ist, die zumindest einen der Schritte
(E) Rektifikation oder (F) Absolutierung umfasst, wodurch eine Ethanolreinheit
von mindestens 98 Vol.-%, bevorzugt von mindestens 99,8 Vol.-% erzielt
wird.
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Ein
Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass der Vermahlungsschritt (A) eine Trockenvermahlung umfasst,
die in einer Nass-Schrotmühle durchgeführt wird.
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Ein
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass nach der Fermentation (C) eine Destillation (D) erfolgt, die
in einem zuvor für Schritt (C) verwendeten Fermentationsbehälter stattfindet.
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Ein
Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, das dadurch gekennzeichnet ist,
dass die Maischung (B), die Fermentation (C), sowie die Destillation
(D) in ein und demselben Behälter erfolgen.
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Abbildung:
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1 zeigt
eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte eines Prozesses
zur Bioethanolproduktion und jeweils korrespondierende Behälter,
in denen die Verfahrensschritte durchgeführt werden.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung:
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Ethanolgewinnung
aus Biomasse umfasst die Verfahrensschritte: Vermahlung (A), Maischung
(B), Fermentation (C), und Destillation (D), wobei zumindest einer dieser
Schritt in einer herkömmlichen Bierbrauanlage durchgeführt
wird. Weiter schließt sich in einer bevorzugten Ausführungsform
eine Rektifikation (E) und/oder eine Absolutierung (F) an (siehe 1). Für
den Fall, dass einer oder mehrere Verfahrensschritte nicht einer
herkömmlichen Bierbrauanlage durchgeführt werden,
wird diese in der Art modifiziert, dass der entsprechende Anlagenteil
oder die entsprechenden Anlagenteile der herkömmlichen
Bierbrauanlage hinzugefügt werden. Eine Verbindung der
Anlagenteile kann auf übliche Art und Weise, z. B. über
Rohrleitungen erfolgen, die je nach Bedarf geschaltet werden können.
In der erfindungsgemäßen Ausführungsform
werden alle bei der Bierherstellung erforderlichen Behälter,
wie z. B. Vorlaufbehälter, Würzekessel oder Whirlpool,
die in der Bioethanolproduktion keine Anwendung finden, z. B. über Rohrleitungen überbrückt.
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Im
folgenden werden die einzelnen Verfahrensschritte detailliert beschrieben:
Die
Vermahlung (A) in einer Mühle (1) kann sowohl über
einen Trockenvermahlungsprozess, als auch über einen Nassvermahlungsprozess
erfolgen. Weiterhin ist ein Druckaufschlussverfahren möglich,
bei dem das zu vermahlende Gut bei einem Dampfdruck von ca. 3 bar
gekocht wird, und anschließend durch einen Ausblasprozess
bei Reduktion des Überdrucks zerkleinert wird. Prinzipiell
sind alle Vorrichtungen und Verfahren zur Vermahlung (A) anwendbar,
die in herkömmlichen Bierbrauprozessen eingesetzt werden,
oder die in sonstiger Weise ein geeignetes Mahlgut erzeugen.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst insbesondere die Verwendung von Schrotmühlen
nach den Offenlegungsschriften
DE 197 511 05 A1 , sowie
DE 100 481 76 A1 , die zum
Schroten von Braumaterialien ausgerichtet sind. Weiterhin ist die
Offenlegungsschrift
DE
351 581 6 A1 umfasst, worin eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Erweichen und Nass-Schroten von Baumaterialien offenbart ist.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
das Betreiben von Schrotmühlen, wie sie in einer herkömmlichen
Bierbrauanlage in Form eines Nass-Vermahlungsprozesses betrieben werden,
wobei diese Nass-Schrotmühle auch trocken, d. h. ohne Wasserzusatz,
betrieben weden kann. Der Betrieb einer nass- bzw. trocken betriebenen „Nass-Schrotmühle"
hat den Vorteil, dass im Vergleich zu herkömmlichen Trocken-
bzw. Hammerschrotmühlen, bei vergleichbarer Schrotleistung
eine sehr viel geringere Antriebsleistung nötig ist. Dadurch
kann der Stromverbrauch im Vergleich zu Mühlen, die sonst
in der Bioethanolproduktion eingesetzt werden, deutlich erniedrigt
werden. Durch die abgeschlossene Bauweise der Nass-Schrotmühlen
wird weiter der Austritt von Stäuben minimiert.
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Ein
weiterer Vorteil der Verwendung von herkömmlichen Schrotmühlen,
die sonst zur Bierherstellung verwendet werden, bei in einer erfindungsgemäßen
Bioethanolproduktion liegt in der Tatsache, dass bei solch einer
kombiniert betriebenen Anlage geringere Investitionskosten anfallen,
als dies bei zwei getrennt betriebenen Anlagen der Fall wäre.
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Die
Maischung (B) kann erfindungsgemäß in einem herkömmlichen
Maischebottich (2i), sowie einer Maischepfanne (2ii)
durchgeführt werden, die aus dem Bierbrauprozess bekannt
sind. Dabei wird zunächst in (2i) bei einer Temperatur
von ca. 80–90°C ein physikalischer Verflüssigungsschritt durchgeführt.
Zum Erreichen dieser Temperatur wird Maische aus (2ii),
die eine Temperatur von ca. 100°C aufweist, in (2i)
gegeben. Beim Erhitzen quillt die Stärke durch Wasseranlagerung
sehr stark auf, wodurch es beim Erreichen der sogenannten Verkleisterungstemperatur
zu einem drastischen Anstieg der Viskosität der Maische
kommt. Durch Zugabe von Enzymen wie z. B. α-Amylase (Verflüssigungsenzyme)
wird die Stärke innerhalb einer Prozesszeit von ca. 1 Stunde
in niedermolekulare Dextrine zerlegt. Danach ist in der Regel ein
zweiter Verfahrensschritt nötig, bei dem bei Temperaturen
von ca. 60°C in der Maischepfanne (2ii) eine Verzuckerung
zu vergärbaren Zuckern erfolgt. Dies geschieht unter Zugabe
von Verzuckerungsenzymen, wie z. B. β-Amylase, wobei die
Reaktionsdauer üblicherweise ca. 1 Stunde beträgt.
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Ein
Vorteil der Verwendung von herkömmlichen Behältern,
wie dem Maischebottich, und/oder der Maischepfanne, und/oder dem
Läuterbottich, die sonst zur Bierherstellung verwendet
werden, bei in einer erfindungsgemäßen Bioethanolproduktion
liegt in der Tatsache, dass bei solch einer kombiniert betriebenen
Anlage geringere Investitionskosten anfallen, als dies bei zwei
getrennt betriebenen Anlagen der Fall wäre.
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Der
nächste Prozessschritt, die Fermentation (3),
die auch als alkoholische Gärung bezeichnet wird, erfolgt erfindungsgemäß in
einem Fermenter (C). Der Zucker wird unter Hefezusatz und unter
Sauerstoffausschluss in Ethanol, Kohlendioxid und Wasser umgesetzt.
Steigt der Ethanolanteil über ca. 14 Vol.-% an, bricht
der Stoffwechsel der Hefen zusammen und sie sterben ab. Um einen
höheren Ethanolgehalt zu erzielen bzw. um Feststoff- und
Heferückstände abzutrennen, sind weitere Verfahrensschritte nötig,
die später beschrieben werden.
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Als
Hefen können alle beliebigen Hefearten bzw. Hefestämme
eingesetzt werden, die für eine alkoholische Gärung
geeignet sind, das heißt in der Lage sind Zucker in Ethanol
umzuwandeln. Die Erfindung umfasst sowohl Hefen, die in der Brauerei
zur Bierherstellung verwendet werden, als auch andere Hefen, die
speziell zur Produktion von Bioethanol hinzugezogen werden.
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Die
Einstelltemperatur zum Start der Fermentation ist so zu wählen,
dass nach ca. 24 Stunden eine Fermentationstemperatur von ca. 34°C
erreicht wird. Während des weiteren Prozessverlaufs darf
eine Temperatur von 36°C nicht überschritten werden.
Zum Vermischen der Reaktionskomponenten ist ein mechanisches Rühren
bevorzugt. Zur Beschleunigung des Reaktionsstarts ist am Anfang
ein Heizvorgang möglich, aber nicht essentiell nötig.
Aufgrund des exothermen Reaktionsverlaufes der Fermentation ist
im Verlauf der Reaktion eine Kühlung erforderlich, die
so ausgelegt sein muss, dass die Beibehaltung einer Temperatur von
ca. 34°C (auf keinen Fall über 38°C)
im Fermenter bestehen bleibt.
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Die
Erfindung umfasst eine Prozesskontrolle des Reaktionsverlaufs. Diese
umfasst eine Prozesskontrolle durch Probenentnahme während
des Reaktionsverlaufs, als auch eine Online-Messung innerhalb des
Fermenters. Über eine Prozesskontrolle kann eine Aussage
getroffen werden, zu welchem Zeitpunkt die Fermentationsreaktion
zu Ende ist, um den Bioethanolherstellungsprozess mit möglichst
geringem Zeitaufwand durchzuführen. Weiter kann eine Störung
des Reaktionsverlaufs, wie z. B. eine Kontamination mit Milchsäurebakterien
frühzeitig erkannt werden.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform ist eine Prozesskontrolle, bei
der der Ethanolgehalt des Reaktionsgemisches festgestellt wird.
Nach den ersten 24 Stunden sind ca. 50% des Zuckers vergoren. Der Ethanolgehalt
liegt dann bei ca. 5 Vol.-%. Nach der Gesamtgärzeit, die
ca. 30 bis 40 Stunden beträgt, steigt dieser auf ca. 14
Vol.-%. Bei einem Ethanolgehalt von ca. 14 Vol.-% ist die Reaktion
zu Ende.
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Eine
weitere Art der Prozesskontrolle kann über die Messung
des pH-Werts erfolgen. Am Anfang einer Fermentation liegt dieser
bei ca. 5,2. Nach 24 Stunden sinkt er auf 4,6 bis 4,8 ab. Im weiteren
Verlauf der Fermentation sinkt der pH-Wert weiter auf ca. 4,2 bis
4,5, während er zum Ende der Gärung wieder um
ca. 0,2 Einheiten steigt. Über diesen Parameter ist auch
eine Kontrolle bezüglich der Infektion mit Milchsäurebakterien
möglich, da in diesem Falle der pH-Wert auf unter 4,0 sinken
würde.
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Als
Fermenter (3) kann erfindungsgemäß ein Fermenter
einer herkömmlichen Anlage zum Bierbrauen verwendet werden.
Das hat den Vorteil, dass bei solch einer kombiniert betreibbaren
Anlage geringere Investitionskosten anfallen, als dies bei zwei
getrennt betriebenen Anlagen der Fall wäre.
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Die
Fermentierungsvorrichtung ist z. B. in
EP 1 688 478 A1 beschrieben.
Die Vorrichtung weist innenliegende Heiz/Kühlflächen
auf, wobei eine beheiz/kühlbare Kontaktfläche
vorgesehen ist, die zumindest teilweise Unebenheiten aufweist. Ein
Rührwerk und/oder eine Temperierungseinheit sind enthalten,
wobei zumindest ein Teil der Temperierungseinheit im Rührwerk
integriert sein kann. Die Kontaktfläche zum Innenraum des
Fermenters ist doppelwandig und wird mit einem Temperierungsmedium beaufschlagt.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird der Fermenter (3)
so betrieben, dass sowohl die Fermentation (C), als auch die Maischung
(B) darin durchgeführt werden. In dieser Ausführungsform
kann sowohl auf den Maischebottich (2i) als auch auf die Maischepfanne
(2ii) verzichtet werden. Der Fermenter (3) ist
so gestaltet, dass während des Maischungsschritts (B) eine
Heizung erfolgt, während bei der Fermentation (C) eine
Kühlung erfolgen kann. Die Temperierungsflächen
an (3) sind so dimensioniert, dass eine ausreichende Temperierung
möglich ist. Insbesondere die Kühlleistung während
der Fermentation (B) muss ausreichend gegeben sein, da bei zu hohen
Temperaturen die Hefen zumindest teilweise absterben und so die
Geschwindigkeit des Gärprozesses erniedrigt wird. Dies
ist aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu vermeiden. Die Temperierungsflächen
in (3) können sich am Gefäßrand
befinden, oder auch als Einbau im Behälter und/oder in der
Rühreinheit integriert sein. Diese Heizflächen können
so angeordnet sein, dass durch den erzeugten Dichteunterschied eine
Umwälzung erzeugt oder zumindest unterstützt wird
und ein Rührwerk entfallen kann.
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Als
nächster Prozessschritt erfolgt eine Destillation (D) in
einem Destillationsbehälter (4). Dabei wird das
Fermentationsgemisch erhitzt, wobei bei 78,3°C ein Wasser/Ethanolgemisch
als Azeotrop siedet und an einer anderen Stelle kondensiert, die
sich entweder im Destillationsbehälter (4) befindet,
oder mit ihm verbunden ist. Dabei wird eine Erhöhung des Ethanolgehalts
des resultierenden Kondensats erzielt.
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Der
Destillationsbehälter (4) ist so gestaltet, dass
er im unteren Teil eine Rührvorrichtung aufweist und eine
Heizvorrichtung aufweist, die zumindest teilweise in dem Rührwerk
enthalten sein kann. Im oberen Teil des Destillationsgefäßes
erfolgt eine Kondensation des azetropen Gemisches. In einer Ausführungsform
des Destillationsgefäßes erfolgt im oberen Teil
des besagten Gefäßes eine aktive Kühlung.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Kondensation
des azeotropen Gemisches lediglich auf Grund der Tatsache, dass über
Wärmeleitung der Gefäßwandenergie an
die äußere Umgebung weitergegeben wird.
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Die
Destillation (D) wird in einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung in einem separaten Destillationsbehälter
durchgeführt, der sich normalerweise nicht in einer herkömmlichen
Anlage zum Bierbrauen befindet. Die Überführung
des Wasser/Alkohol/Hefegemisches von (C) in (D) erfolgt zum Beispiel über
Rohrleitungen.
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Eine
weitere, erfindungsgemäße Ausführungsform
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Fermentation (C) und die Destillation
(D) in ein und demselben Behälter erfolgen. Über
diese Kombination kann im Vergleich zu einer herkömmlichen
Bioethanolanlage sowohl Spülwasser als auch Energie eingespart
werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass dadurch geringere Investitionskosten
anfallen, als dies bei zwei getrennten Behältern der Fall
wäre.
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Der
gemeinsame Behälter ist bevorzugt der Fermentationsbehälter
(3), d. h. in der Brauerei ist somit keine Umrüstung
in Hinblick auf einen neuen Destillationsbehälter (4)
notwendig. In der bevorzugten Ausführungsform erfolgt über
die Temperierungseinheit von (3) nach der Kühlung
bei Prozessschritt (C), ein Heizen bei Prozessschritt (D). Die Kühlung
im oberen Teil von (3) beim Destillationsschritt (D) kann passiv
erfolgen, da herkömmliche Fermenter im Bierbrauprozess
oft nicht für gleichzeitiges Heizen und Kühlen
ausgelegt sind.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird der Fermenter (3) über
den Einbau von einem oder mehreren zusätzlichen Temperierungskreisläufen
derartig modifiziert, dass er bei Prozessschritt (D) im unteren
Teil heizen kann und im oberen Teil gleichzeitig kühlen
kann.
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Eine
weitere Ausführungsform von (3) ist modular aufgebaut,
in der Art dass der obere Teil ausgetauscht werden kann, so dass
nach der Fermentation (C) für die Destillation (D) ein-
oder mehrere neue Aufsätze verwendet werden, der zum Beispiel
eine aktive Kühleinrichtung enthalten, die separat betrieben
werden können. Weiter kann die Gesamthöhe des
Behälters dadurch vergrößert werden,
was für den Destillationsschritt (D) vorteilhaft ist.
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Eine
weitere Ausführungsform des Fermenters ist das Vorhandensein
einer separaten Heizfläche im Bereich der Spiegeloberfläche,
die z. B. in Form von innenliegenden Pilow-Heizflächen
realisiert werden kann. Damit ist eine besonders effektive Alkoholdestillation
möglich.
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Alle
Ausführungsformen haben zum Ziel, dass der Fermentationsbehälter
(3) sowohl für den Bierbrauprozess als auch für
die Bioethanolproduktion eingesetzt werden kann.
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Alle
oben beschriebenen Modifikationen herkömmlicher beim Bierbrauprozess
eingesetzten Vorrichtungen dienen dem Ziel, eine Kombination des Bierherstellungsprozesses
und der Bioethanolherstellung effizient zu ermöglichen.
Die Investitionskosten, die für diese Modifikationen anfallen,
sind im Vergleich zu den Kosten, die für zwei getrennte
Anlagen bzw. Anlagenteile anfallen, gering. Die erfindungsgemäße
Durchführung des Verfahrens ist also aus wirtschaftlicher
Sicht im Vergleich zu zwei getrennt ablaufenden Anlagen vorteilhaft.
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Eine
weitere, erfindungsgemäße Ausführungsform
ist die Durchführung der Maischung (B) und Fermentation
(C) im Maischebottich (2i) und oder in der Maischepfanne
(2ii). Alle oben genannten Modifikationen von (3)
können analog auf (2i) und (2ii) übertragen
werden.
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Eine
andere Ausführungsform ist die Durchführung der
Maischung (B), der Fermentation (C), sowie der Destillation (D)
in ein und demselben Behälter. Dieser Behälter
kann sowohl der Fermentationsbehälter (3), als
auch der Maischebottich (2i) oder die Maischepfanne (2ii)
sein. Damit ist nochmals zusätzlich eine Einsparung von
Spülwasser, Energie und Investitionskosten möglich.
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Eine
weitere Aufreinigung des Ethanol/Wasser-Gemischs von (4),
umfasst zumindest einen der Schritte Rektifikation (E) und Absolutierung
(F).
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Die
Rektifikation (E) beinhaltet in einer Rektifikationskolonne (5)
mehrere Destillationsschritte, so dass das Ethanol die Rektifikation
mit einer Reinheit von ca. 96 Vol.-% verlässt. Ein höherer
Ethanolgehalt ist durch Rektifikation nicht erreichbar. Diese Rektifikation
(E) erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass (E) der
Destillation (D) direkt nachgeschaltet ist.
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Das
Absolutierungsschritt (F) erfolgt in einem separaten Absolutierungsbehälter
(6) bevorzugt über ein Molekularsiebverfahren.
Alle sonstigen, chemischen oder physikalischen Abtrennungsmöglichkeiten
des Restwassers sind explizit ebenfalls im erfindungsgemäßen
Umfang mit eingeschlossen. Das Molekularsiebverfahren beruht auf
einem Adsorptionsprozess des im Ethanol enthaltenen Restwassers an
dem Molekularsieb. Molekularsiebe können z. B. Zeolite
sein, die sehr kleine Poren aufweisen, in denen Wasser aufgenommen
werden kann. Verfahrenstechnisch besteht eine Molekularsiebanlage
aus zwei oder mehreren Kolonnen, in denen Ethanol im dampfförmigen
Zustand komprimiert durch das Molekularsiebbett gedrückt
wird. Dabei lagern sich die Wassermoleküle durch Absorption
an, während das Ethanol den Prozess ungehindert passiert.
Dadurch können Ethanolreinheiten erzielt werden, die weniger als
500 ppm Wasseranteil aufweisen. Das erfindungsgemäße
Verfahren kann sämtliche Reinigungsschritte des Molekularsiebs
umfassen. Beispielsweise kann eine Regeneration der Kolonne dadurch
erfolgen, dass diese durch Beaufschlagung von entwässertem
Alkohol bei herabgesetztem Partialdruck die angelagerten Wassermoleküle
wieder aus den Poren der Zeolite spült. Das anschließend wasserhaltige
Ethanol kann entweder über eine separate Verstärkungsanlage
aufbereitet, oder zurück in den Rektifikationsprozess geführt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4321328 [0008]
- - US 2007141691 [0008]
- - US 20070144886 [0008]
- - DE 19751105 A1 [0020]
- - DE 10048176 A1 [0020]
- - DE 3515816 A1 [0020]
- - EP 1688478 A1 [0032]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Murthagh;
J.E.: „Molasses as a feedstock for alcohol production"
in The Alcohol Textbook, Nottingham, 1995, 27 [0004]