DE102009024423A1 - Verfahren zur energetischen abfallfreien Verwertung von pflanzlichen Rohstoffen, insbesondere von Zuckerrüben oder Süßkartoffeln, die in Energieträger wie Ethanol und Methan und in Düngemittel umgewandelt werden - Google Patents

Verfahren zur energetischen abfallfreien Verwertung von pflanzlichen Rohstoffen, insbesondere von Zuckerrüben oder Süßkartoffeln, die in Energieträger wie Ethanol und Methan und in Düngemittel umgewandelt werden Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur energetischen abfallfreien Verwertung von pflanzlichen Rohstoffen, insbesondere von Zuckerrüben oder Süßkartoffeln, die in Energieträger wie Ethanol und Methan und in Düngemittel umgewandelt werden. Erfindungsgemäß werden die pflanzlichen Rohstoffe einer Hydrolyse zugeführt, aus der die zuckerhaltigen Anteile entnommen und zu Ethanol fermentiert und die nicht oder nur teilweise zu Ethanol abbaubaren Reststoffe einer anaeroben Vergärung zugeführt werden, wonach das in der anaeroben Vergärung entstandene Biogas einem Blockheizkraftwerk zur Energie- und Stromerzeugung zugeleitet und die nicht vergärbaren Feststoffe einer Kompostierung sowie die Flüssigbestandteile einer Trennstufe zur Abscheidung von Wasser zugeführt werden, wobei sowohl die bei der Ethanolfermentation als auch der Biogasgewinnung und aus der Trennstufe entstehende nicht verwertbare CO-Abluft in einem Biomassereaktor eliminiert wird.

Description

  • Energietechnische sowie ökologische Gesichtspunkte fordern die in pflanzlichen Rohstoffen enthaltenen Energien möglichst vollständig zur Energieerzeugung auszunutzen und andererseits entstehenden Abfall sowie die Erzeugung von umweltschädigenden Gasen zu minimieren. Erste Schritte hierzu wurden bereits bei der Müllentsorgung durch eine gesetzlich verankerte Pflicht zur Mülltrennung unternommen, die es ermöglicht, beispielsweise Kunststoffe und Metalle oder Papier und Pappe zu recyceln. Organische Reststoffe einschließlich Garten- und Lebensmittelabfällen wurde in jüngster Vergangenheit entweder kompostiert oder verbrannt. Die Müllverbrennung hat den Nachteil, dass Brennstoffe sowie eine bisweilen aufwendige Abgasreinigung benötigt werden.
  • In der DE 198 57 870 A1 ist daher zur vollständigen und schadstofffreien Konversion von biogenem Material in Energieträger wie Wasserstoff, Gas, Methanol, elektrischem Strom, ohne Anwendung einer Pyrolyse und/oder Verbrennung das anfallende Material durch Sortieren, Mischen, Zerkleinern, Entwässern und Pelletieren vorzubehandeln, das erhaltene Abpresswasser in einem Fermenter zu vergären, wodurch Biogas, insbesondere Methan und Flüssigdünger entstehen. Der erhaltene pelletierte Biomüll soll in einem Wasserdampfreaktor bei 750°C bis 820°C in einem geschlossenen System mit überhitztem Wasserdampf zu Wasserstoffgas und CO bzw. umweltneutralem CO2 umgesetzt werden. Das Wasserstoffgas wird nach einer Gasreinigung in Brennstoffzellen in elektrischen Strom umgewandelt oder katalytisch zu Methanol konvertiert oder direkt in vorhandenen Gas- und Dampfturbinen in elektrischen Strom und in Prozessdampf- bzw. Prozesswärme umgewandet. Reststoffe aus dem Fermenter lassen sich zu Dünger weiter verarbeiten.
  • In der DE 103 27 954 C5 wird ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol und Methan aus Getreide vorgeschlagen, bei dem das Getreide zunächst auf eine Teilchengröße ≤ 1 mm vermahlt und die Kleie in einer Siebanlage vom Mehl getrennt wird, das Mehl in herkömmlicher Weise unter Zugabe von Wasser enzymatisch verflüssigt und verzuckert wird, wodurch eine Maische erhalten wird, aus der dort enthaltene Proteine durch Abkühlung ausgefällt, abgesiebt und getrocknet werden. Das aus der Trocknung erhaltene Substrat lässt sich fermentieren und destillieren, um Ethanol und eine Schlempe zu erhalten, die in eine Fest- und Klarphase getrennt wird. Aus der Klarphase lässt sich ihn einem Hochleistungsmethanreaktor Methan gewinnen.
  • Der steigende Bedarf an Agrokraftstoffen in den Industrieländern, aber auch in den Schwellenländern wie China, zeigt weltweit dramatische Auswirkungen. Beispielsweise Weizen, Mais und Reis als tägliche Grundnahrungsmittel werden für viele Menschen unerschwinglich. Der Anbau von Soja, Mais, Zuckerrohr oder Weizen zur Herstellung von Agrokraftstoffen erfordert große Anbauflächen, die für die Bepflanzung von Grundnahrungsstoffen fehlen. Verschärft wird das Problem noch dadurch, dass viele Bodenflächen durch falsche Bewirtschaftung degradiert sind, wodurch der Gehalt an organischen in Ackerböden sinkt. Vielfach enthält der obere Bodenhorizont von Anbauflächen weniger als 2% Corg..
  • Soweit verstärkt Mais angebaut wird, kommt noch ein erhöhter Wasser- und Düngemittelbedarf hinzu, letzterer insbesondere im Hinblick auf Stickstoff, Phosphor und Kali (NPK-Düngemittel). Die vorstehend geschilderten Probleme führen dazu, dass zukunftsfeste, nachhaltige Biomasse-Strategien mit passgenauen, dezentralen Energieversorgungssystemen, der Gewährleistung großer Ressourceneffizienz und hoher Stoffproduktivität zunehmend an Bedeutung gewinnen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Bioethanol bei gleichzeitiger Nutzung aller Reststoffe ohne Abfallentstehung zu schaffen. Ein CO2-Ausstoß soll hierbei vermieden werden.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Hiernach werden die pflanzlichen Rohstoffe einer Hydrolyse zugeführt, aus der die zuckerhaltigen Anteile entnommen und zu Ethanol fermentiert und die nicht oder nur teilweise zu Ethanol abbaubaren Reststoffe einer anaeroben Vergärung zugeführt werden, wonach das in der anaeroben Vergärung entstandene Biogas einem Blockheizkraftwerk zur Energie- und Stromerzeugung zugeleitet und die nicht vergärbaren Feststoffe einer Kompostierung sowie die Flüssigbestandteile einer Trennstufe zur Abscheidung von Wasser zugeführt werden, wobei sowohl die bei der Ethanolfermentation als auch der Biogasgewinnung und aus der Trennstufe entstehende nicht verwertbare CO2-Abluft in einem Biomassereaktor eliminiert wird.
  • Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen darin, dass erstmalig eine vollständige Verwertung der pflanzlichen Rohstoffe ohne Abfälle und schädliche Abgase bei optimaler Energieausbeute möglich ist. Energetisch nicht verwertbare Reststoffe werden als Humus und Nährstoffe wiederverwertet. Anfallendes Wasser wird im Kreislauf geführt, weshalb auch die Ressource „Wasser” schonend eingesetzt wird.
  • Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • So wird das Ethanol vorzugsweise durch fraktionierte Destillation, insbesondre unter atmosphärischem Druck, extrahiert.
  • Weiterhin vorzugsweise wird die Ethanolfermentation computerunterstützt gesteuert, vorzugsweise mittels eines Simulationsmodels, das auf deterministischen Strukturen und der Fuzzylogik mit mindestens einem, vorzugsweise mehreren der Steuerungsparameter basiert, nämlich der Durchflussrate, der Temperatur, dem pH-Wert, der O2-Konzentration und dem Restenergiegehalt. Zur Fermentation von Glucose zu Ethanol werden nach einer Weiterbildung der Erfindung selektierte Stämme von Saccharomyces cerevisiae verwendet, die jeweils für das Ausgangsmaterial genetisch selektiert werden. Die Fermentation findet weiterhin in einem einstufigen, kontinuierlich arbeitenden Reaktor statt.
  • Bei der Weiterverarbeitung der Reststoffe mittels einer anaeroben Vergärung unter thermophilen Bedingungen, die in einem ein- oder zweistufigen Verfahren ablaufen kann, wird eine Prozessoptimierung durch eine Rückkopplung der Steuerungen des Fermentationsprozesses und des anaeroben Prozesses über die Restenergie gewährleistet. Zur Steuerung des anaeroben Reaktors mittels eines Prognosemodels werden vorzugsweise die Steuerungsparameter pH-Wert, Temperatur, Methanertrag, Wasserstoffkonzentration, Säurekonzentration und Bindungsformen des Stickstoffes verwendet.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden die anfallenden Gärreste (aus der anaeroben Vergärung) durch Kompostierung zu einem organischen NPK-Düngemittel umgewandelt. Bei Bedarf lassen sich auch im Rahmen der Kompostierung andere pflanzliche Abfälle zumischen. Vorzugsweise findet eine Rückkopplung der Steuerungen der Ethanolfermentation und der anaeroben Fermentation über die vorhandene Restenergie statt. Die Kompostierung wird weiterhin vorzugsweise mittels eines Simulationsmodels gesteuert, das auf einer Fuzzylogik und deterministischen Teilfunktionen mit den Steuerungsparametern Sauerstoffkonzentration, Temperatur, Wassergehalt und Atmungsaktivität basiert.
  • Die Abgase aus der Ethanolfermentation, der Methanfermentation sowie dem Kompostieren werden einem Biomassereaktor zugeleitet, der zumindest im Wesentlichen Algen zur CO2-Eliminierung enthält. Jeweils überschüssige Biomasse des Biomassereaktors wird in die Hydrolysestufe zurückgeführt. Hierdurch wird eine CO2-Neutralität des Gesamtprozesses gewährleistet.
  • Auch organische und/oder mineralische Stoffe aus der Trennstufe sowie das Prozesswasser aus dieser Trennstufe werden vorzugsweise rezyclierend in dem Verfahren verwendet.
  • Weitere Details des anmeldungsgemäßen Verfahrens werden anhand der Zeichnung erläutert, die ein Fließschema zeigt.
  • Die pflanzlichen Rohstoffe, insbesondere Zuckerrüben oder Süßkartoffeln 10 werden, ggf. unter Beimengung von Biomassebestandteile, worauf später noch eingegangen wird, und von Prozesswasser einer Hydrolyse 11 zugeführt. Die zuckerhaltigen Anteile 12 aus dieser Hydrolyse werden anschließend in einer einstufigen Ethanolfermentation 13 verarbeitet, woraus durch fraktionierte Destillation 14 das Bioethanol 15 gewonnen wird. Nicht abbaubare Reststoffe aus der Ethanolfermentation 13 werden zusammen mit Reststoffen aus der Destillation 14 und den Restoffen aus der Hydrolyse als Reststoffe 16 gesammelt und einer zweistufigen Methanfermentation 17 zugeleitet, aus der einerseits das Biogas 18 und andererseits Feststoffe 19 sowie Flüssigstoffe 20 getrennt werden. Das Biogas wird unmittelbar zu dem Betrieb eines Blockkraftwerkes 21 und zur Stromerzeugung 22 verwertet. Die Feststoffe werden einer Kompostierung 23 zugeleitet, aus der organische und mineralische Düngestoffe 24 gewonnen werden. Die Abgase 25, die sowohl aus der Ethanolfermentation 13 als auch aus dem nicht verbrennbaren Biogas 18 und schließlich aus der Kompostierungsstufe 23 stammen, werden einem Algenreaktor 26 mit einer Biomasse 27 zugeleitet, die im Wesentlichen aus Algen besteht. Überschüssige Biomasse 28 wird aus dem Algenreaktor entfernt und der Hydrolysestufe zugeleitet.
  • Die Flüssigbestandteile 20, ergänzt durch die während der Kompostierung entstehenden Flüssigkeiten werden in einer Trennstufe 29 gesammelt, von wo aus reines Prozesswasser 30, das rezyclierend zurückgeführt wird und die Flüssigkeit zum Betrieb einer optimalen Kompostierung sowie des Algenreaktors entnommen werden. Mit 31 ist die computerunterstützte Prozesssteuerung bezeichnet, bei der die jeweiligen Steuerungsparameter Durchflussrate, Temperatur, pH-Wert, O2-Konzentration, Restenergiegehalt, Methanertrag, Wasserstoffkonzentration, Säurenkonzentration, Bindungsformen des Stickstoffes, Wassergehalt und Atmungsaktivität, wie oben beschrieben erfasst und im Rahmen einer Gesamtsteuerung verarbeitet werden. Das Simulations-Modell für die Ethanolfermentation als auch das Prognosemodell für die Methanolfermentation basieren einheitlich auf deterministische Strukturen und der bekannten Fuzzylogik.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19857870 A1 [0002]
    • - DE 10327954 C5 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zur energetischen abfallfreien Verwertung von pflanzlichen Rohstoffen, insbesondere von Zuckerrüben oder Süßkartoffeln, die in Energieträger wie Ethanol und Methan und in Düngemittel umgewandelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die pflanzlichen Rohstoffe einer (10) einer Hydrolyse (11) zugeführt werden, aus der die zuckerhaltigen Anteile (12) entnommen und zu Ethanol (13) fermentiert und die nicht oder nur teilweise zu Ethanol abbaubaren Reststoffe einer anaeroben Vergärung (17) zugeführt werden, wonach das in der anaeroben Vergärung entstandene Biogas (18) einem Blockheizkraftwerk (21) zur Energie- und Stromerzeugung (22) zugeleitet und die nicht vergärbaren Feststoffe (19) einer Kompostierung (23) sowie die Flüssigbestandteile (20) einer Trennstufe (29) zur Abscheidung von Wasser (30) zugeführt werden, wobei sowohl die bei der Ethanolfermentation (13) als auch der Biogasgewinnung und aus der Trennstufe entstandene nicht verwertbare CO2-Abluft in einem Biomassereaktor (26) eliminiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ethanol durch fraktionierte Destillation (15), vorzugsweise unter atmosphärischem Druck extrahiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ethanolfermentation computerunterstützt gesteuert wird, vorzugsweise mittels eines Simulationsmodels basierend auf deterministischen Strukturen und der Fuzzylogik mit mindestens einem, vorzugsweise mehreren der Steuerungsparameter: Durchflussrate, Temperatur, pH-Wert, O2-Konzentration, Restenergiegehalt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Methanolfermentation computerunterstützt gesteuert wird, vorzugsweise mittels eines Prognosemodells mit den Steuerungsparametern: pH-Wert, Temperatur, Methanertrag, Wasserstoffkonzentration, Säurenkonzentration und Bindungsformen des Stickstoffs.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die anfallenden Gärreste durch Kompostierung zu organischem NPK-Düngemittel umgewandelt werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompostierung weitere pflanzliche Abfälle zugegeben werden.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompostierung mittels eines Simulationsmodells, basierend auf der Fuzzylogik und deterministischen Teilfunktionen mit den Steuerungsparametern Sauerstoffkonzentration, Temperatur, Wassergehalt und Atmungsaktivität gesteuert wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Biomassereaktor zumindest im Wesentlichen Algen enthält.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die überschüssige Biomasse (28) des Biomassereaktors in die Hydrolysestufe (11) zurückgeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die organischen Stoffe und/oder die mineralischen Stoffe (24) aus der Trennstufe sowie das Prozesswasser (30) aus dieser Stufe rezyclierend in dem Verfahren geführt wird.
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