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I. Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Alkohol aus Biomasse.
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II. Technischer Hintergrund
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Es sind unterschiedliche Verfahren zur Gewinnung von Alkohol aus Biomasse bekannt.
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Das älteste dieser Verfahren ist die alkoholische Vergärung, bei der die stärkehaltigen Produkte in der Regel zunächst ausreichend zerkleinert werden, dann einer Verzuckerung, anschließend einer Vergärung und in der Folge einer Destillation unterworfen werden.
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Bereits die Herstellung von Bier und Wein beruht auf diesem Grundprinzip, wobei dort jedoch aus Gründen des Geschmackes des Endproduktes nur bestimmte Hefen (Bierhefen bzw. Weinhefen) zum Vergären des Zuckers benutzt werden.
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Will man dagegen Alkohol für andere Zwecke als die Verwendung als Lebensmittel herstellen, beispielsweise für die Verbrennung als Treibstoff, ist der geschmackliche Aspekt nebensächlich und es geht lediglich um die Effizienz, also eine möglichst hohe Ausbeute an Alkohol aus einer vorgegebenen Menge an Biomasse und zwar mit möglichst geringem Aufwand.
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Für den Aufwand ist unter anderem die Prozessdauer verantwortlich, da innerhalb des Prozesses vor allem die Destillation in der Regel bei erhöhter Temperatur ablaufen muss und eine Beheizung erfordert, und mit der Dauer der Beheizung auch der einzubringende Energieaufwand steigt.
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Bierhefen erzeugen aus der vergorenen Maische innerhalb von ca. 48 Stunden 8 Vol.-% bis 10 Vol.-% Alkohol, vor allem Ethanol. Der größte Teil der organischen Masse ist dann zu Alkohol und Kohlendioxid abgebaut.
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Um den Alkohol zu gewinnen, muss er aus der flüssigen Phase abdestilliert werden, was einen sehr hohen Energieaufwand darstellt.
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Der Energieaufwand für die Herstellung von Bioalkohol könnte demnach verringert werden, wenn der Alkoholgehalt in der Lösung vor dem Abdestillieren des Alkohols nicht wie bisher bei 8 bis 10% liegen würde, sondern deutlich höher.
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Dies ist prinzipiell möglich, da bestimmte Hefekulturen bis zu 20 Vol.-% Alkohol vertragen, im Gegensatz zu Bier- und Weinhefen, die in der Regel bei mehr als 10 bis 13 Vol.-% Alkohol ihre Tätigkeit einstellen bzw. sogar absterben.
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Bakteriostatisch ist Alkohol dagegen bereits ab ca. 10 Vol.-%.
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III. Darstellung der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, den in der vergorenen sauren Maische erzielbaren Alkoholgehalt auf deutlich über 10% vor dem Abdestillieren zu steigern.
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b) Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 und 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die meisten Biomassen, beispielsweise Getreide oder Kartoffeln, enthalten soviel Stärke, dass bei fast vollständiger Vergärung der zu Zucker aufgeschlossenen Stärke der erzielbare Alkoholgehalt nur etwas höher als 10 Vol.-liegt.
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Daran ändert auch der Einsatz spezieller Hefen nichts, die bis zu 20 Vol.-% Alkohol vertragen, wenn diesen Hefen kein zusätzlicher Nährstoff in Form von Zucker zugeführt wird.
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Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die alkoholische Vergärung zweistufig durchzuführen:
Da es sich bei der alkoholischen Vergärung von Biomassen in aller Regel um ein chargenweises Verfahren handelt, wird eine erste Charge zu Alkohol vergoren, wie im Stand der Technik bekannt, mit einem Endgehalt von 8–10 Vol.-% Alkohol.
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Anschließend wird jedoch der Alkohol nicht sofort nach der alkoholischen Gärung, also Fermentation, abdestilliiert, sondern die bereits vergorene, sauere Maische wird in eine wässrige, alkoholreiche Phase (Efluent) und in ein feste Phase mit geringerem Alkoholgehalt getrennt, z. B. mittels Dektantieren. Die wässrige Phase (Efluent) wird in einer zweiten Stufe erneut zum Anmaischen (= Verflüssigen neuer Biomasse und deren enzymatischer Aufschluss) verwendet. Dadurch wird nochmals Süßmaische, also Nährstoff für die Hefen, zugeführt, insbesondere nochmals in der gleichen Menge, und mit Hilfe der gleichen oder neu zugegebener Hefen bis zu einem Alkoholgehalt von 18 bis 20 Vol.-% weiter vergoren werden kann.
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Erst dann erfolgt ein Abdestillieren des Alkohols, wodurch der Energieaufwand für das Abdestillieren bezogen auf die Alkoholmenge deutlich geringer wird, sich nämlich annähernd halbiert.
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Um dies mit den vorhandenen Apparaturen und Behältern durchführen zu können, wird vor dem zweiten Gärschritt, also der erneuten Zuführung von Süßmaische, vorzugsweise eine Abtrennung des (alkoholarmen) Feststoffes von der sauren Maische durchgeführt, um die Menge, die dem zweiten Gärungsschritt unterworfen wird, vor der Zuführung von erneuter Süßmaische zu reduzieren.
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Da der abgetrennte Feststoff zwar arm an Alkohol ist, aber dennoch nicht völlig frei von Alkohol, kann man diesen Feststoff nach dem zweiten Gärschritt und vor dem Abdestillieren des Alkohols der sauren Maische auch wieder zuführen, um beim Destillieren auch den geringen, im Feststoff enthaltenen Alkoholanteil mit abdestillieren zu können.
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Vom konkreten, körperlichen Ablauf des Verfahrens wird somit die erste und zweite Gärstufe in unterschiedlichen Gärbehältern durchgeführt, um trotz der chargenweisen Bearbeitung einen quasi-kontinuierlichen Prozess zu erreichen.
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Da die Hefen, die bis zu 20 Vol.-% Alkohol vertragen, zum Teil eine geringere Alkoholausbeute erzielen und/oder langsamer arbeiten als z. B. Bier- oder Weinhefen, die nur einen geringeren Alkoholgehalt vertragen, kann es auch sinnvoll sein, die beiden Gärungsstufen mit unterschiedlichen Hefen zu betreiben:
Dann werden für die erste Gärungsstufe möglichst schnell arbeitende Hefen verwendet, während man für den zweiten Gärungsschritt Hefen verwendet, die eine möglichst hohe Alkoholausbeute erzielen oder z. B. C5-Zucker zu Ethanol vergären können.
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Dabei werden die Hefen und gegebenenfalls auch vorhandenen Bakterien des ersten Gärungsschrittes vor der erneuten Zugabe von Süßmaische durch die erneute Konditionierung bei höheren Temperaturen im Prozessschritt Verflüssigung/Verzuckerung abgetötet.
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Dann stehen die abgetöteten Hefen und Bakterien des ersten Gärungsschrittes als Stickstoffquelle im zweiten Gärungsschritt zur Verfügung.
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c) Ausführungsbeispiele
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Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigt:
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1: Ein Ablaufschema der Bioethanolgewinnung nach dem Stand der Technik,
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2: eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Verbesserung und
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3: den Praxisablauf der erfindungsgemäßen Verbesserung.
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Zunächst soll anhand der 1 der bekannte Bioethanol-Gewinnungsprozess nach dem Stand der Technik erläutert werden.
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Die Darstellung in der 1 zeigt die Behandlung nur einer einzigen Charge, während in der Praxis – wie anhand der 3 erläutert werden wird – mehrere Chargen zeitversetzt parallel behandelt werden, um trotz der chargenweisen Behandlung einen quasi-kontinuierlichen Prozess zu realisieren.
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Gemäß 1 wird die angelieferte Biomasse zunächst in einem Biomasse-Behälter 1 gesammelt und zwischengespeichert.
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Von dort aus wird die notwendige Menge an Biomasse zusammen mit Wasser (Frischwasser oder Prozesswässer aus den nachgelagerten Prozessschritten) auf den notwendigen Verflüssigungsgrad in einem Verflüssigungsbehälter 2 gebracht und ausreichend durchmischt.
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Diese sogenannte süße Maische wird anschließend im Saccharisierungsbehälter 3 einer Saccharisierung mittels zugegebener Enzyme unterworfen.
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Hierfür wird die Süßmaische in der Regel auf 50% C erwärmt und diese Temperatur über etwa 90 Minuten gehalten. Dabei wird Stärke zu Glucose aufgeschlossen.
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Meist wird dabei durch Zugabe von Schwefelsäure der pH-Wert auf kleiner als 4,0 eingestellt, da unter diesen Bedingungen die Enzyme ihre höchste Aktivität entfalten und die höchste Ausbeute an Glucose erzielt wird.
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Anschließend wird diese Süßmaische auf 32°C abgekühlt und in den Fermentationsbehälter 3 gegeben.
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Zuvor werden jedoch etwa 15% der Süßmaische abgezweigt und in separaten Behältern zur Hefevermehrung für die Hefe der nächsten Charge eingesetzt.
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Im Fermentationsbehälter
4 wird der Zucker, also die Glucose, unter alkoholischer Vergärung mittels der dort zugegebenen Hefe in Ethanol und Kohlendioxid umgewandelt gemäß folgender Gleichung:
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Bei einer optimalen Gärtemperatur von 50°C ist nach ca. 48 h die gesamte in der ursprünglichen süßen Maische vorhandene Zucker in Alkohol und Kohlendioxyd umgewandelt.
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Dabei entstehen pro Mol Glucose zusätzlich 92 kJ Energie, so dass zur Einhaltung der optimalen Gärtemperatur eine permanente Kühlung erforderlich ist.
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Das entstehende Kohlendioxyd steigt im Fermentationsbehälter 4 nach oben und wird dort abgesaugt, wobei die nachfolgende Reinigung des Kohlendioxyds für die vorliegende Erfindung ohne Bedeutung ist.
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Die vergorene, saure Maische wird anschließend in eine erste Destillierkolonne 5a – auch Maischekolonne genannt – gepumpt, wo in einem ersten Destillationsschritt ein Rohalkohol mit einem Alkoholgehalt von 60% bis 80% erzeugt wird.
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Dieser wird in eine zweite Destillierkolonne 5b überführt, die auch Rektifikationskolonne genannt wird und in der in einem zweiten Destilliationsschritt der Alkoholgehalt auf 94% bis 95% gesteigert wird.
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Dieser Alkohol wird zur Entfernung der noch darin enthaltenen 5% bis 6% Verunreinigung, meist Wasser, durch ein Molsieb 8 gleitet, wo diese Verunreinigungen abgeschieden und der Alkoholgehalt auf ca. 99,8% verbessert wird, so dass der so aufkonzentrierte Bioalkohol anschließend in einem Alkoholbehälter 6 für den Abtransport über die Weiterverarbeitung gesammelt werden kann.
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Im unteren Bereich der 1 ist die Behandlung des nicht alkoholischen Restes aus der ersten Destillierkolonne 5a dargestellt:
Dieser Rest wird zunächst im Dekanter 7 einer Trennung in eine feste und eine flüssige Phase unterworfen, wobei die feste Phase zusätzlich in einen feuchten Gärrest und einen getrockneten Gärrest unterteilt wird, die unterschiedlich weiterverarbeitet werden, beispielsweise als Tierfutter.
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Die flüssige Phase wird größtenteils wieder dem Saccharisierungsbehälter 3 zugeführt, wobei der dickflüssige Bestandteil abgeschieden und der festen Reststoffphase zugeführt wird.
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Das Schaubild der 1 zeigt ferner, dass die bei der exothermen Fermentation im Fermentationsbehälter 4 anfallende Wärme zumindest teilweise zum Aufheizen der Maische im Saccharisierungsbehälter 3 benutzt wird.
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2 zeigt in einer Prinzipdarstellung, wie sich die erfindungsgemäße Vorgehensweise gegenüber dem bekannten Prozessablauf unterscheidet.
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Erfindungsgemäß wird die dem Fermentationsbehälter 4a entnommene Sauermaische nicht sofort der Destillation zugeführt, sondern in eine alkoholarme feste Phase und eine alkoholreiche flüssige Phase separiert, was meist mit mechanischen Mitteln wie etwa dem Dekanter 7 geschieht.
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Der flüssige alkoholreiche Anteil davon wird – meist unter Zwischenlagerung in einem Sammelbehälter – in einem zweiten Fermentationsbehälter 4b mit neuer zusätzlicher Süßmaische versetzt sowie mit geeigneten Hefen (der gleichen oder einer anderen Hefekultur wie im ersten Fermentationsbehälter 4a), so dass nun in einem zweiten Gärungsschritt die Glucose der zugegebenen neuen Süßmaische ebenfalls zu Alkohol vergoren wird.
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Dadurch entsteht eine saure Maische, deren Alkoholgehalt etwa doppelt so hoch liegt wie nach dem ersten Gärungsschritt, also nach dem ersten Fermentationsbehälter 4a.
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Erst diese hoch konzentrierte saure Maische wird nun in die Destillierkolonne 5 gegeben, wobei der zuvor abgeschiedene alkoholarme feste Anteil der Sauermaische wieder zugeführt wird, um die dort enthaltenen geringen Alkoholanteile ebenfalls auszudestillieren.
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In der Praxis laufen jedoch die Behandlungen der einzelnen Chargen zum Teil zeitlich versetzt nebeneinander in einem von vielen Fermentationsbehältern ab, um einen quasi-kontinuierlichen Prozess zu bewirken, wie in 3 dargestellt.
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Dabei muss zwischen der Anlaufphase der Anlage und der Konstantphase der Anlage unterschieden werden, die im Schaubild der 3 dadurch gekennzeichnet sind, dass die Abläufe während der Anlaufphase mit durchgezogenen Pfeilen dargestellt sind, während in der Konstantphase noch zusätzlich die Abläufe der klein gestrichelten Pfeile hinzukommen.
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Zunächst muss grundsätzlich vorausgeschickt werden, wie die zeitlichen Verhältnisse bei den einzelnen Fermentationsbehältern 4A1, 4A2 bzw. 4B1, 4b2 der beiden Fermentationslinien liegen:
Jeder einzelne dieser Fermentationsbehälter benötigt zunächst bis zur vollständigen Füllung eine Füllzeit von 8 h. Die alkoholische Gärung nach Abschluss der vollständigen Füllung dauert 48 h.
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Das anschließende Entleeren eines Fermentationsbehälters benötigt wiederum 8 h. Danach muss ein solcher Fermentationsbehälter – bevor er erneut gefüllt werden kann – gereinigt werden, wofür ebenfalls wiederum 8 h veranschlagt werden.
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Zum einen bedeutet dies, dass ein vollständiger Zyklus eines Fermentationsbehälters 72 h dauert, d. h. drei volle Tage.
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Zum anderen bedeutet dies, da die einzelnen Fermentationsbehälter einer Fermentationslinie immer aus dem gleichen Saccharisierungsbehälter 3a bzw. 3b nacheinander gefüllt werden, so dass das Füllen – und ebenso das Entleeren – der einzelnen Fermentationsbehälter z. B. 4A1, 4A2... immer um 8 h versetzt nacheinander erfolgt.
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Es wird zunächst die Anlaufphase beschrieben:
Aus den Saccharisierungsbehältern 3a bzw. 3b werden die einzelnen Fermentationsbehälter 4A1, 4A2...4A9 hintereinander mit süßer Maische – und zwar parallel für beide Fermentationslinien A und B parallel unter Zugabe der geeigneten Hefekulturen – gefüllt und dort der Gärungsprozess durchlaufen.
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Anschließend werden – wiederum für beide Fermentationslinien A und B parallel – die einzelnen Fermentationsbehälter wiederum zeitversetzt um jeweils 8 h nach Ende der alkoholischen Gärung in den Vorlagebehälter 9 entleert.
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In diesem beträgt der Alkoholgehalt in der dortigen sauren Maische 8% bis 10%.
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Diese saure Maische aus dem Vorlagenbehälter 9 wird nun zunächst in die erste und dann in die zweite Destillierkolonne 5a, b gegeben, und durchläuft anschließend noch das Molsieb 8, so dass der erzeugte Alkohol letztlich einen Reinheitsgrad von 99,8% besitzt.
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Diese Anlaufphase entspricht also dem normalen Bioethanolprozess mit der Besonderheit, dass zwei Fermentationslinien A und B parallel, meist auch auf zwei getrennten Saccharisierungsbehältern 3a, b heraus betrieben werden.
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Dies bedingt unter anderem, dass vor allem die erste Destillationskolonne 5a geeignet sein muss, auch eine Maische mit unter 10% Alkoholgehalt zu destillieren.
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Sobald im ersten Durchgang der erste Fermentationsbehälter 4A.1 fertig vergoren ist, wird er entleert, und zwar nicht hin den Vorlagebehälter 9, sondern in den Dekanter 7 zur Fest-Flüssig-Trennung.
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Die alkoholreiche flüssige Phase wird vom Dekanter 7 aus dem Flüssigkeits-Sammelbehälter 10 zugeführt, in den auch die nicht alkoholischen flüssigen Reste aus den Destillierkolonnen 5a, b und dem Molsieb 8 zurückgeführt werden sowie von anderen Aggregaten wie etwa dem nicht dargestellten CO2-Wäscher.
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Für das zweite Befüllen der Fermentationsbehälter 4B.1, 4B.2 der Fermentationslinie 4B wird der süßen Maische im Saccharisierungsbehälter 3b die saure Maische aus dem Sammelbehälter 10, also der unteren Fermentationslinie A, zugegeben, so dass von da ab die obere Fermentationslinie B mit Maische gefüllt wird, die sowohl Glucose als auch bereits 8% bis 10% Alkohol enthält.
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Die Übergangsphase zwischen Anlaufphase und Konstantbetrieb ist beendet und der Konstantbetrieb erreicht, sobald alle, hier neun, Fermentationsbehälter 4B.1 bis 4B.9 mit dieser sowohl Glucose als auch Alkohol enthaltenden Maische gefüllt sind.
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Der feste Anteil aus dem Dekanter 7 wird dem Vorlagebehälter 9 zugeführt, da in diesem Dekanterkuchen noch geringe Mengen Alkohol enthalten sind, die ebenfalls in den Destillierkolonnen 5a, b genutzt werden sollen.
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In der Praxis fließt also aus der unteren Fermentationslinie A normalerweise niemals saure Maische direkt in den Vorlagebehälter 9, sondern in der Regel immer in den Dekanter 7.
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Die dargestellte Verrohrung zum Vorlagenbehälter 9 ist jedoch notwendig, um im Notfall die beiden Fermentationslinien A und B unabhängig voneinander einstufig vergären und konventionell betreiben zu können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Biomassebehälter
- 2
- Verflüssigungsbehälter
- 3a, b
- Saccharisierungsbehälter
- 4A, B
- Fermentationsbehälter
- 5a, b
- Destillierkolonne
- 6
- Alkoholbehälter
- 7
- Dekanter
- 8
- Mol-Sieb
- 9
- Vorlagebehälter
- 10
- Flüssigkeits-Sammelbehälter
- 11
- Verbindungsleitung
- A, B
- Fermentationslinie
