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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem Altbackwaren, die sich aus verschiedenen Sorten von Brot und Gebäck (mit Stärke aus mindestens zwei unterschiedlichen Pflanzenarten) sowie milcheiweißhaltigem Gebäck zusammensetzen, nahezu vollständig weiter verwertet werden. Hierbei wird einerseits Ethanol, das z. B. als Industriealkohol oder als Energieträger verwendbar ist, gebildet. Andererseits wird eine Schlempe gebildet, die sich als Nährstoff für Bakterien oder Tiere eignet.
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Stand der Technik
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Die Herstellung von Ethanol aus Biomasse ist ein in seinen Grundzügen gut bekanntes Verfahren, das beispielsweise in der
DE 10 2006 040 567 A1 (Anmelderin: Bayer Technology Services GmbH; Anmeldetag: 30.08.2006) beschrieben ist. Hierbei wird eine Reihe von Verarbeitungsschritten an Agrarprodukten vollzogen, beginnend mit der Zerkleinerung der Biomasse. Anschließend erfolgt, abhängig von der Art der verwendeten Biomasse, ein Schritt zur Stärkeverflüssigung und -verzuckerung. Unlösliche Feststoffbestandteile oder nicht fermentierbare Zucker werden aus der Biomasse abgetrennt, bevor Hefegärung ausgeführt wird. Anschließend wird die Hefe von der vergorenen Masse abgetrennt und das Ethanol gewonnen. Hierbei können verschiedene Agrarprodukte wie Getreidesorten, Zuckerrüben oder Zuckerrohr zum Einsatz kommen. Diese Agrarprodukte werden üblicherweise für die menschliche Ernährung produziert. Trotz gelegentlich anfallender Überproduktion besteht die Gefahr, dass Verwertungsketten zur Ethanolproduktion diese Nahrungsmittel bzw. Nahrungsmittelgrundstoffe systematisch dem Markt entziehen. Es können sich zumindest regional nachteilige Auswirkungen auf die Verfügbarkeit von Nahrungsmitteln ergeben, wenn diese Agrarprodukte in großem Maßstab zur Herstellung von Ethanol, z. B. als Benziner- oder -zusatz, verwendet werden. Die Bereitstellung entsprechender zusätzlicher Anbauflächen kann ungünstige klimatische Folgen haben.
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Eine gewisse Verwandtschaft zu derartigen Verfahren weisen zum Teil auch Verfahren zur Gewinnung von Aufschlussprodukten aus Cerealien, z. B. für die Herstellung von Bierwürze für Brauzwecke, auf. Beispiele für derartige Verfahren sind in der
DE 2 320 425 (Anmelderin: C. H. Boehringer Sohn; Anmeldetag: 21.04.1973) beschrieben. Hierbei kommen Enzyme wie die α-Amylase, die β-Glucanase, die Amyloglycosidase und saure Proteasen zum Einsatz. Es werden jeweils geeignete pH-Werte und Temperaturen für die Enzymaktivität eingestellt. Um gute Ausbeuten von Ethanol zu erhalten, ist es erforderlich, die Ausgangssubstanzen fein zu zermahlen. Das Bierwürzepulver wird schließlich in einem Sprühtrocknungsverfahren hergestellt.
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Ein anderer Ansatz wird in der
DE 196 31 180 C1 (Inhaberin: Dietrich Reimelt KG, Müller-Brot GmbH; Anmeldetag: 02.08.1996) verfolgt. Hierbei sollen in mehreren Verfahrensschritten alte Backwaren zur Herstellung von Hefe eingesetzt werden. Dazu wird in einem ersten Verfahrensschritt das Ausgangsmaterial enzymatisch hydrolysiert, wozu bei einem pH-Wert von 5,0 bis 6,0 und bei einer Temperatur von 60 °C die Enzyme α-Amylase und Amyloglucosidase verwendet werden. Es folgt die Zugabe einer Protease und danach eine Beendigung der Enzymtätigkeit durch eine Erwärmung auf 100 °C. Anschließend werden die Versäuerung mit Milchsäurebakterien durchgeführt und danach die aerobe oder anaerobe Umsetzung mit Hefe. Die so vermehrte Hefe wird durch Dekantation abgetrennt Die Restfraktion wird der Sauerteigherstellung zugeleitet. Ähnliche Verfahrensschritte finden sich auch in der
DE 198 35 269 A1 (Anmelderin: Müller-Brot GmbH; Anmeldetag: 04.08.1998). Die hierbei gewonnenen Ballaststoffe werden getrocknet und gemahlen und je nach Bedarf zur Wiederverwendung in der Brotherstellung geröstet. Gegebenenfalls in einem anaeroben Hefevermehrungsschritt gebildetes Ethanol wird durch Destillation von dem Flüssigsauer abgetrennt. Das Verfahren umfasst demnach die enzymatische Verflüssigung, Verzuckerung oder Hydrolyse durch Säure, Raffination und die Auftrennung in eine Sirup-Fraktion oder eine Fraktion zur Hefeproduktion und eine Fraktion, die vollständig der Herstellung von Sauerteig dient.
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Auch in der Patentschrift
DE 36 01 479 C1 (Inhaberin: B. Wendeln jr. GmbH; Anmeldetag: 20.01.1986) wird Restbrot verwendet um daraus im Bäckereibetrieb weiterverwertbare Aufarbeitungsprodukte herzustellen. Beispielsweise soll ein als „Brotsirup“ bezeichnetes Süßungsmittel mit Aromabestandteilen oder anderen Beimischungen zur Geschmacksverbesserung von Lebensmitteln hergestellt werden. Auf eine aufwändige Reinigung des mit enzymatischer Behandlung in einem Reaktor erhaltenen Produkts soll bei den angegebenen Verfahrensschritten verzichtet werden können. Nach einem Zerkleinerungsschritt des Restbrots wird dieses dem mit Enzymen versetzten Wasser bis zu einem etwa gleichteiligen Mischungsverhältnis sukzessive zugesetzt und unter ständigem Rühren über mehrere Stunden reifen gelassen. Es werden verschiedene Bedingungen hinsichtlich des pH-Wertbereichs und der Temperatur für die auch im zuvor genannten Stand der Technik beschriebenen Enzyme angegeben. Neben der Erzeugung eines Zuckeranteils können dabei auch Proteine durch Zugabe von Proteasen für die enzymatische Hydrolyse in ihre Aminosäurebestandteile zerlegt werden. Im weiteren Verfahrensverlauf ist ein Versäuerungsschritt bei einem pH-Wert von 4,0 oder weniger vorgesehen, mit dem die Enzymtätigkeit beendet werden kann.
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In der Patentschrift
DE 102010005818 A1 (Antragsteller: Verbio Vereinigte Bioenergie Ag, Eingetragen am 27.01.2010) wird ein energetisch optimiertes Verfahren zum Betrieb einer Bioethanolgewinnungsanlage beschrieben, bei welcher die anfallende Schlempe in eine Biogasanlage eingeleitet wird. Die Energieeinsparung entsteht dadurch, dass die Schlempe aus der Bioethanolgewinnung nicht entsorgt oder als Futtermittel getrocknet werden muss. Dieser patentierte Prozess ist zudem dadurch gekennzeichnet, dass Flüssigkeit aus dem Ablauf der Biogasanlage in den Fermentationsprozess der Bioethanolgewinnungsanlage zurückgeführt werden soll, woraus sich eine Einsparung an Frischwasser ergibt.
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Die Patentschrift
DE 102006040567 A1 (Anmelder: Bayer Technology Services GmbH, Anmeldetag 30.08.2006) beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung von Ethanol aus Biomasse, welche insbesondere Roggen umfasst und ist dadurch gekennzeichnet ist, dass vor der eigentlichen Fermentation nicht-fermentierbare Zucker (z.B. Glucane) abgetrennt und nicht wie in dem zu patentierenden Verfahren zur Verwertung von Altbackwaren enzymatisch abgebaut werden. Zudem werden Hefen nach der Fermentation separiert und entweder einer neuer Fermentation zugeführt oder als Tierfutter dem Verfahren ausgeschleust.
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Die Patentschrift
US 2011/0039318A1 (Erfinder: Larry L. Lehr, Veröffentlicht am 13.02.2011) beschreibt ein Verfahren, in welchem Kohlenhydrate aus industriellen Lebensmittelabfällen sowie menschliche und tierische Abfälle mittels Stärke und Sacharide spaltende Enzyme in ein durch Hefe zu Alkohol vergärbares Substrat überführt werden. Aus der bis zu 10% Alkohol enthaltende Maische wird anschließend durch Destillation Ethanol gewonnen, suspendierte Feststoffe bleiben zurück. Die enzymatische Aufspaltung von Proteinen, in diesem Fall in Form von Fleischabfällen, nicht weiter erläutert.
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Aufgabenstellung
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Eine Verwertung von alten Backwaren, die aus verschiedenen Gründen der menschlichen Ernährung nicht mehr unmittelbar zugeführt werden können, ist unter anderem wünschenswert, weil es sich bei diesen stärkereichen Ausgangsstoffen bereits um vergleichsweise qualitativ hochwertige und energiereiche Substanzen handelt. Die Backwaren haben bereits einen aufwendigen Herstellungsprozess durchlaufen. Anderseits ist zu berücksichtigen, dass derartige Backwaren oft an Sammelstellen über längere Zeiträume hinweg aufbewahrt und unter kaum nachvollziehbaren Bedingungen gelagert wurden. Daher ist die Qualität der Backwaren hinsichtlich einer Eignung für den weiteren Verzehr in der Regel nicht mehr bestimmbar und es müssten zumindest aufwendige Qualitätskontrollen und Sortierverfahren durchgeführt werden. Eine Auftrennung in essbare Bestandteile und möglicherweise verdorbene Bestandteilen ist kaum zuverlässig durchführbar. Nach einem Aspekt besteht die Aufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, die Backwaren möglichst energieeffizient einer weiteren Nutzung zuzuführen. Nach einem weiteren Aspekt sollen die Endprodukte möglichst unbedenklich weiterverwendet werden können.
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Erfindungsbeschreibung
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von zwei Flüssigfraktionen unter Verwendung von milcheiweißhaltigen Backwaren und von Prozesswasser nach Anspruch 1 gelöst.
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In dem Verfahren verwendete milcheiweißhaltige Backwaren umfassen verschiedene Sorten Brot und Gebäck mit Stärkebestandteilen aus mehreren unterschiedlichsten Pflanzenarten. Milcheiweißhaltige Gebäcke sind in reicher Vielfalt im Handel vorhanden, z. B. in der Form von Hefezopf und Plundergebäck. Zur Herstellung der Backwaren können sowohl Bäckerhefe als auch Sauerteig oder Backpulver als Treibmittel verwendet worden sein. Ein Bestandteil der Backwaren ist insbesondere Altbrot, das üblicherweise am zweiten Tag nach der Herstellung nicht mehr als Frischbrot verkauft werden kann. Zu den Backwaren zählen auch verschiedene Sorten von Kleingebäck, Feingebäck, Salzgebäck, Dauergebäck, Pizza, Kuchen oder Torten. Die Backwaren können allerdings auch Produkte von Bäckereien umfassen, die nach der Herstellung Qualitätsmängel aufweisen, z. B. eine zu scharf gebackene Kruste oder eine verklumpte Krume oder Füllung haben, so dass diese Backwaren nicht dem Verkauf oder sogar dem Verzehr zugeführt werden können. Derartige Reste von Backwaren, die auch aus Verkaufsstellen oder Restaurantbetrieben gesammelt werden können, sind oft an der Oberfläche bereits angetrocknet, wobei die Kruste wasserabweisende Eigenschaften besitzt. Von dem Gebäck werden vorzugsweise eihaltige Gebäcke oder Gebäcke mit Wurst oder Schinken abgetrennt, wenn eine Fraktion, die aus den Backwaren herzustellen ist, an Wiederkäuer verfüttert werden soll. Backwaren mit Bestandteilen, die für Wiederkäuer ungeeignet sind, können separat in einem parallelen Prozess insbesondere mit ansonsten äquivalenten, erfindungsgemäßen Verfahrensschritten weiterverarbeitet werden. Es ist auch eine Verwertung als proteinangereichertes Futtermittel für nicht-Wiederkäuer, wie Schweine, oder als Nährsubstrat für methanproduzierende Bakterien möglich.
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Je nach ihrer Herkunft umfassen die Backwaren Stärke von mindestens zwei Pflanzenarten. Die verwendeten Brotsorten können aus verschiedenen Mehlsorten hergestellt worden sein, wie z. B. Weizen, Gerste, Hafer, Roggen, Buchweizen, Hirse, Reis, Mais, Hülsenfrüchte oder Kartoffeln. Es können auch andere stärkehaltige Agrarprodukte oder Naturprodukte, wie z. B. Kastanien oder Wurzeln, die Stärke oder Stärkebeimischungen für die Herstellung des Brotes bzw. der Backwaren liefern. Weiterhin können die Backwaren Samen wie Gewürze oder Nüsse enthalten. Das Gemisch der Backwaren umfasst wenigstens 4 % milcheiweißhaltiges Gebäck. Das Milcheiweiß kann z. B. in Form von Milch, Sahne, Butter oder Joghurt als Zutat für die Herstellung der Backwaren eingebracht worden sein. Es können auch Backwaren mit wenigstens 20 % milcheiweißhaltigem Gebäck oder ausschließlich milcheiweißhaltige Backwaren in dem vorteilhaften Verfahren verarbeitet werden, um eine Schlempe mit einem Eiweißgehalt herzustellen, der höher ist als der Eiweißgehalt einer Schlempe aus rein pflanzlichen Backwaren. Durch das milcheiweißhaltige Gebäck erfolgt eine Anreicherung mit Proteinen, Peptiden bzw. essentiellen Aminosäuren, wodurch der Nährwert der Mischung gesteigert wird. Insbesondere wird das Verhältnis von Lysin zu den weiteren enthaltenen, essentiellen Aminosäuren verbessert, insbesondere im Vergleich zur Verwertung von milcheiweißfreien Backwaren erhöht.
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In einem ersten Verfahrensschritt wird die Kruste, die in der Regel nach dem Backvorgang noch nicht angeschnitten wurde, gebrochen. Weil die Backwaren auch Bestandteile mit einem hohen Feuchtegrad umfassen können, wie beispielsweise Sahne oder Buttercremefüllungen von Torten, erfolgt eine Zerkleinerung der Backwaren durch Scherung in Bestandteile <10cm. Hierbei kann z. B ein Brot in einem Zerteilungsschritt durch mehrere Scherungsmesser in mehrere Stücke zerteilt werden. Die Backwaren gelangen in einen Auffangbehälter. In einem ersten Schritt erfolgt bei der Zerkleinerung und, insbesondere bei der Einbringung in den Auffangbehälter, bereits eine Durchmischung der Backwaren. Zusätzlich kann die Durchmischung auch mit einem Rührwerk unterstützt werden. Mit der Scherungszerteilung wird eine Bildung oder eine Verfestigung der Backwaren in Klumpen vermieden. Andererseits lässt die Scherungsteilung Kerne bzw. Samen, die in Spezialbroten oder Kuchen enthalten sein können, weitgehend unbeschädigt und führt damit zumindest zu einer Verminderung einer Freisetzung darin möglicherweise enthaltener Bitterstoffe.
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Die Struktur der Backwaren wird in der Scherungszerkleinerung aufgebrochen. Das Eindringen von Prozesswasser in die Poren, die durch Treibmittel bei der Herstellung der Backwaren gebildet wurden, wird an den Bruchkanten bzw. Schnittkanten der Backwaren erleichtert. Die Zerkleinerung der Backwaren erfolgt mit einem Schredder. Die Backwaren können alternativ hierzu durch ein Messerschneidwerk zerhackt werden. Eine Zerteilung der Backwaren ist auch mit einem Walzenschneidwerk möglich. Häufig wird dabei in einer Rotationsbewegung mindestens eine Klinge durchs Schnittgut geführt. Die Backwaren werden zu einer Körnung von weniger als 10 cm Durchmesser verarbeitet. Mit einem Schredder können die Backwaren auch in Stücke in einem Größenbereich zwischen 0,6 cm und 3,0 cm zerteilt werden. Größere Stücke von Backwaren können von einer größenselektiven Rückhaltevorrichtung wie einem Gitter oder einem Rost zurückgehalten und einer wiederholten Scherungszerkleinerung zugeführt werden. Eine maximale Größe der einzelnen Stücke kann durch die Zwischenräume des Rosts, mit dem ein Scherungsmesser zusammenwirkt, festgelegt werden. Vorzugsweise wird zumindest die Hälfte des Gewichts der verwendeten Backwaren in der Zerkleinerung auf einen vorgegebenen Größenbereich gebracht. In einem zweiten Prozessschritt wird Prozesswasser zu den durchmischten Backwaren hinzugegeben. Dabei ist es möglich, die Durchmischung der Backwaren mittels Einströmdüsen für das Prozesswasser weiter zu verbessern und insbesondere das Benetzen der Backwaren mit dem Prozesswasser zu beschleunigen. Diese Methode eignet sich insbesondere für größere Stücke von Backwaren. Die Durchmischung der Backwaren mit dem Prozesswasser kann aber auch dadurch erfolgen, dass die Backwaren in ein mit Prozesswasser befülltes Behältnis eingebracht werden. Insbesondere bei Backwaren mit einem hohen Anteil an sehr kleinen Teilen werden damit Verfestigungen vermieden. Die Benetzung der zerteilten Stücke der Backwaren kann z. B. mit den Schaufeln eines Rührwerks, das die Bruchstücke der Backwaren in das Prozesswasser drückt, beschleunigt werden. Das Prozesswasser besteht überwiegend aus Trinkwasser. Das Prozesswasser kann auch mit Regenwasser, insbesondere gefiltertem Regenwasser, angemischt werden, um Trinkwasservorräte zu schonen. Das Prozesswasser umfasst weiterhin einen Anteil eines Säuerungsmittels, wie z. B. Essig, Milchsäure oder Zitronensäure, das dem Prozesswasser einen pH-Wert zwischen pH 5 und pH 7 gibt. Ein weiterer Bestandteil des Prozesswassers ist mindestens eine Stärkepolymere abbauende Enzymsubstanz. Der eingestellte pH-Wert des Prozesswassers entspricht dem Aktivitätsbereich der Enzymsubstanz. In der Regel wird der pH-Wert des Prozesswassers kontrolliert und auf die erforderliche Wertigkeit angepasst, bevor eine Mischung des Prozesswassers mit den Backwaren erfolgt. Als Enzymsubstanzen für den o.g. zweiten Verfahrensschritt werden Enzyme eingesetzt, die Stärkepolymere in niedermolekulare Bestandteile, wie Monomere, Oligomere oder Polysaccharide, abbauen. Hierfür haben sich beispielsweise die Enzyme α-Amylase und β-Glucanase bewährt. Die β-Glucanase dient als Nebenaktivität für die Zersetzung bestimmter chemischer Bindungstypen. Ihre Zugabe kann die Einwirkzeit für eine ausreichende Zersetzung der Backwaren günstig beeinflussen.
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Die Backwaren sollen von dem Prozesswasser vollständig durchdrungen werden. Das Prozesswasser dringt bei dem Durchmischen sowohl in die Kruste oder Rinde des Brotes als auch in die Krume, das Innere des Brotes, ein. Auch die weiteren Bestandteile der Backwaren werden von dem Prozesswasser durchsetzt. Die Krümel werden in dem Prozesswasser zu einer teigartigen Masse gebunden. Eine vollständige Durchsetzung der Backwaren mit Prozesswasser kann mit einem Massenverhältnis der Backwaren zu dem Prozesswasser von kleiner als 2:1 erreicht werden. Die Ausbildung einer flüssigkeitsgesättigten breiartigen Masse durch Zugabe einer ausreichenden Menge von Prozesswasser erleichtert die Durchmischung und die Fermentierung der Backwaren.
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Die Durchmischung der mit Prozesswasser durchsetzten Backwaren kann weiterhin mit einem Rührwerk erfolgen. Das Rührwerk ist in einem Mischbehälter angeordnet. Das Rührwerk umfasst schaufelartige Elemente, mit denen die Mischung in dem Behälter zumindest bereichsweise verschoben werden kann. Die Masse aus den Backwaren wird mehrdimensional umgewälzt oder umgeschichtet. Weiterhin wirkt das Rührwerk insbesondere auf zusammenhängende Bestandteile der Mischung ein und fördert deren Auflösung in einen homogenen Brei. Das Rührwerk kann auch als ein Rotationsmesser ausgebildet sein, das eine Schnittkante aufweist. Eine Messerklinge am Rührwerk kann eine schnellere Zerteilung der Mischung von Backwaren in dem Prozesswasser bewirken. Die Durchmischung kann weiterhin mit einer Fördereinrichtung verbessert werden. Eine Fördereinrichtung verbringt einen Teil der Mischung von Backwaren und Prozesswasser von einem ersten Ort zu einem zweiten Ort. Diese Verbringung kann durch eine Schnecke oder einer Pumpe erfolgen. Der erste Ort kann hierbei ein erster Behälter wie ein Mischbehälter sein. Der zweite Ort kann z. B. ein zweiter Behälter, wie ein Fermentationsbehälter, ein Verflüssigungsbehälter oder ein Destillationsbehälter sein.
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Für die Aktivität der Enzyme an den Backwaren und in den Backwaren wird eine Prozesstemperatur zwischen 70 °C und 100 °C benötigt. Vorzugsweise wird eine Temperatur des Prozesswassers von ca. 80 °C eingestellt. Das Prozesswasser wird hierbei an einem Wärmetauscher vorgewärmt. Der Wärmetauscher führt dem Prozesswasser Wärme, die z. B. von einem fremdartigen Prozess abzuleiten ist, zu. Mit dem Wärmetauscher oder mit einer Heizung wird das Prozesswasser auf eine Temperatur zwischen 60 °C und 90 °C vorgewärmt, um damit Mikroorganismen in einem Pasteurisierungsprozess abzutöten. Mikroorganismen werden durch das vorgewärmte Prozesswasser bei der Einmischung der Backwaren schnell abgetötet oder zumindest in ihrer Zahl stark reduziert. Mikroorganismen wie Milchsäurebakterien, krankheitserregende Bakterien, z. B. Salmonellen oder Schimmelpilzsporen oder andere hitzeresistente Bakteriensporen, können in den Backwaren enthalten sein. Derartige Mikroorganismen oder Keime können sich insbesondere während der Lagerung von Altbrot oder während des Transports zur Weiterverarbeitung auf möglicherweise unhygienischen Transportwegen stark vermehren. Derartige Mikroorganismen oder Keime können pathogene Wirkungen entfalten, wenn nicht sorgsam behandelte Verwertungsprodukte der Backwaren z. B. von Tieren aufgenommen werden. Manche der Mikroorganismen können sich unter den Lebensbedingungen eines Enzymbehandlungsprozesses vermehren und auch giftige Ausscheidungen erzeugen, wenn sie nicht frühzeitig einer Pasteurisation unterzogen werden. Die nährstoffreiche Umgebung und die günstigen Temperaturverhältnisse können den Stoffwechsel und die Vermehrung von schädlichen Keimen zusätzlich anregen. Derartige ungünstige Veränderungen der Mischung, die auch als ein weiteres Verderben der Backwaren bezeichnet werden können, lassen sich durch die pasteurisierende Prozesstemperatur in dem o.g. 2. Verfahrensschritt unterdrücken.
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Die Zerteilung der Backwaren verbessert die Benetzung der härteren Krusten der Backwaren und des weicheren Innenbereich der Backwaren mit Prozesswasser. Das Prozesswasser wird mit den Enzymsubstanzen, die bei den gewählten Prozessbedingungen aktiviert sind, von den Backwaren aufgesaugt. Die von dem Prozesswasser durchtränkten Backwaren werden auch im Innenbereich enzymatisch abgebaut. Der Zusammenhalt in den Backwaren wird aufgelöst. Die Zersetzung der Backwaren setzt unmittelbar bei der Durchmischung mit dem Prozesswasser ein. Die Aktivität der Enzyme fördert den weiteren Zerfall der Zerteilungsstücke der Backwaren ohne Verzögerung. Die Verflüssigung der Masse kann durch weiteres Vermengen mit einem Rührwerk zusätzlich beschleunigt werden. Ein derartiger Prozessschritt kann auch als Homogenisierung der Mischung bezeichnet werden.
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Weitere Verfahrensschritte beeinflussen die Zersetzung der Backwaren in dem Gemisch mit dem Prozesswasser günstig. So wird der pH-Wert des Gemischs, der einerseits durch den Säuregrad der verwendeten Backwaren und andererseits durch die Zersetzung der Backwaren veränderlich ist, durch kontrollierte Zugabe eines Säuerungsmittels oder durch kontrollierte Zugabe eines Neutralisationsmittels zu der Mischung in einem Bereich maximaler Aktivität des Enzyms stabilisiert. Der pH-Wert wird auf einen Sollwert eingestellt und fortlaufend kontrolliert.
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Vor der Einbringung weiterer Enzymsubstanzen in dem 3. Prozessschritt wird ein pH-Bereich angestrebt, der niedriger als pH 8 ist. Die Einstellung des pH-Wertes erfolgt durch kontrollierte Zugabe eines Säuerungsmittels oder durch kontrollierte Zugabe eines Neutralisationsmittels. Als Säuerungsmittel können z. B. Phosphorsäure oder Schwefelsäure verwendet werden. Als Neutralisationsmittel können Kalilauge, Natronlauge Ammoniaklösung, Kalziumoxid oder andere lebensmitteltaugliche Neutralisationsmittel verwendet werden. Des Weiteren muss die Temperatur der Mischung fortwährend kontrolliert werden und vor der Zugabe einer weiteren Enzymsubstanz auf den Aktivitätsbereich, vorzugsweise auf ein Aktivitätsmaximum der Enzymsubstanz, mittels Wärmetauscher unter Verwendung einer Temperatursteuerung, angepasst werden.
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Gemäß Anspruch 1 werden in dem folgenden 3. Prozessschritt mindestens zwei weitere Enzymsubstanzen in die Mischung eingebracht, wobei es sich um mindestens eine Enzymsubstanz zur Freisetzung von Zucker und eine Enzymsubstanz zur Senkung der Viskosität, sowie Erhöhung der Konvektion handelt. Folgende in den nachfolgenden Absätzen aufgeführten Enzymsubstanzen können hierfür eingesetzt werden:
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Durch Einbringung der zuckerfreisetztenden Enzymsubstanz in die Mischung wird der Anteil von Zucker in der Mischung, zusätzlich zu dem Zuckergehalt aus den Backwaren, noch weiter erhöht. Der im Folgenden beschriebene enzymatische Prozess verbessert hierbei die Zuckerfreisetzung aus den Stärkeabbauprodukten. Als Enzym eignet sich hierfür eine Glucoamylase. Die Glucoamylase wird in einer wässrigen, temperierten Lösung zugesetzt. Vor dem Zusatz der Glucoamylase zur Mischung erfolgt eine Anpassung des Temperaturregelbereichs der Mischung.
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Bei Backwaren, die einen hohen Anteil an Cellulose enthalten, wie z. B. Vollkornbackwaren, kann die Verwertung durch Zugabe weiterer Enzymsubstanzen noch mehr verbessert werden. Oft enthalten derartige Backwaren auch einen erhöhten Proteinanteil. Die Verdaulichkeit des Proteinanteils wird durch den Abbau der Proteine erhöht.
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Der Abbau erfolgt mittels einer weiteren in die Mischung eingebrachten Enzymsubstanz in Form einer Protease. Als Proteasen werden Gruppen von proteinabbauenden Enzymen verstanden. Die Protease wird in einer Lösung zu der Mischung von Backwaren hinzugegeben. Diese Lösung kann vorgewärmt sein auf eine Temperatur, die einem Aktivitätsmaximum der Protease entspricht, sowie einen pH-Wert aufweisen, der für die Aktivität der Protease günstig ist. Die Umgebungsbedingungen eines pH-Werts und einer Temperatur der Mischung bestimmen zumindest teilweise das Milieu, in dem ein Enzym wirkt. Das Milieu kann auch derart angepasst werden, dass sich eine günstige Aktivität der Protease bei einer gleichzeitig günstigen Aktivität der weiteren zugegebenen Enzymsubstanzen einstellt. Die Verwendung einer Protease kann sich weiterhin günstig auf eine Unterdrückung von Schaumbildung in einem Gärprozess oder in einer Destillation auswirken, verringert die Viskosität und erhöht die Konvektion. In Ergänzung zur Zugabe der Protease ist es auch möglich, eine Schaumbildung durch Zugabe von schaumunterdrückenden Substanzen, wie z. B. Silikonöl oder Kernseife, zu verbessern. Schaumbildung kann sich nachteilig durch ein Überquellen der Mischung aus dem Behälter auswirken.
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Das Verfahren kann noch weiter verbessert werden, indem neben einer Protein abbauenden Enzymsubstanz, weitere Enzymsubstanzen in die Mischung eingebracht werden. Hierzu werden Enzymsubstanzen verwendet, die durch Abbau molekularer Einheiten in der Mischung die Verflüssigung der Mischung fördern, die Viskosität verringern und die Konvektion erhöhen. Eine verringerte Viskosität ist beispielsweise vorteilhaft für das Entweichen von Gasblasen aus der alkoholischen Gärung. Für den 3. Prozessschritt eignen sich noch folgende weitere Enzymsubstanzen:
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Die Pektinase dient zur Aufspaltung der Pektinmittellamelle in der pflanzlichen Zellwand und fördert so die Auflösung von Bestandteilen, die z. B. in der Form von Früchten oder Trockenfrüchten in der Mischung der Backwaren enthalten sein können.
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Durch eine zugegebene Carbohydrase kann die Aufspaltung von Polysachariden oder Oligosacchariden in einfache Zucker wie Glucose verbessert werden, wodurch die Viskosität gesenkt werden kann und der Zucker durch Hefen leichter umwandelbar wird.
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Arabanasen können verwendet werden, um weitere Zuckerarten, die durch Hefe schwer verwertbar sind, freizusetzen und entsprechende Polysaccharidketten aufzulösen und damit gestützte Strukturen aufzubrechen.
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In ähnlicher Weise können auch Strukturen von Glucanpolysacchariden durch Zugabe einer Glucanase hydrolisiert und in kleinere Einheiten zerlegt werden. Hierfür eignet sich insbesondere eine β-Glucanase.
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Auch eine Cellulase kann eingesetzt werden, um auf in der Mischung enthaltene Cellulose einzuwirken und zur Auflösung von deren Struktur beizutragen. Damit können die in der Cellulose gebundenen Zuckermoleküle ebenfalls freigesetzt und einer weiteren Verwertung zugeführt werden.
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Weiterhin können in der Mischung Xylane enthalten sein, ein weiteres in Pflanzen enthaltenes Polysaccharid. Beim Aufschluss dieser Polysaccharide werden verschiedene Zuckerarten freigesetzt, die ebenfalls zumindest teilweise von der Hefe abbaubar sind. Das hierfür verwendete Enzym wird als Xylanase bezeichnet.
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Eine weitere Gruppe von Enzymen, mit denen die Auflösung von Partikeln in der Mischung verbessert werden kann, lässt sich unter dem Sammelbegriff der Hemicellulasen zusammenfassen. Diese Hemicellulasen wirken überwiegend auf Bestandteile pflanzlicher Zellwände und fördern somit den Abbau von Ballaststoffen, die insbesondere in Getreiden und hier überwiegend in Vollkornprodukten vorliegen. Diese Ballaststoffe werden auch als Schleimstoffe bezeichnet, die durch die Hemicellulasen aufgeschlossen und so für die Fermentation nutzbar gemacht werden können.
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Der freigesetzte Zucker dient als Nährstoff für Hefe. Vor der Einbringung der Hefe in die Mischung wird allerdings noch das Milieu in der Mischung hinsichtlich der für die Hefe günstigen Lebensbedingungen angepasst. Hierzu wird eine Temperatur auf einen Wert < 40 °C in der Mischung eingestellt. Der pH-Wert wird durch Zugabe eines Säuerungsmittels auf einen Wert kleiner bzw. saurer als pH 5 angepasst. Durch Ausschluss von Luftsauerstoff werden die Bedingungen für die alkoholische Gärung der Mischung festgelegt. Der Behälter mit der Mischung wird zumindest nach Einbringung einer Hefekultur in die Mischung verschlossen. Die Hefe kann durch ein Rührwerk gleichmäßig in der Mischung verteilt werden. Kohlendioxid, das als Stoffwechselprodukt der Hefe entsteht, wird aus dem Behälter abgeleitet. Dieses Kohlendioxid wird wiederverwendet, um vor dem Einsetzen der Gärung Reste von Sauerstoff durch Einleitung von Kohlendioxid in den Behälter auszutreiben. Die bei der Abkühlung der Mischung auf die Aktivitätstemperatur der Hefe abgeführte Wärme wird dazu verwendet werden, Prozesswasser für einen zweiten Verfahrensansatz vorzuwärmen.
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Die Menge des bei der Gärung sich bildenden Kohlendioxids ist mit einem Strömungsmessgerät bestimmbar. Aus der in einem Zeitraum entweichenden Kohlendioxidmenge können Rückschlüsse auf den Fortgang der Gärung gezogen werden. Wenn die Gärung zum Ende kommt, d. h. die Erzeugung von Kohlendioxid stark abfällt, enthält die vergorene Mischung einen Alkoholgehalt von typischerweise 10 - 18 %. Hierbei handelt es sich überwiegend um Ethanol. Nach einer ausreichenden Vergärung der Mischung wird die Gärung beendet. Eine ausreichende Vergärung ist z. B. dann erreicht, wenn die Zuckerbestandteile der Mischung abgebaut sind oder ein Alkoholanteil in der Mischung enthalten ist, der die Aktivität der Hefe bzw. deren Stoffwechsel in der Mischung weitgehend zum Erliegen bringt. Die Vergärung kann allerdings auch dadurch beendet werden, dass die Temperatur der Mischung durch Zufuhr von Wärmeenergie über einen Wert von 40 °C angehoben wird. Die Hefe stellt bei Temperaturen über 45 °C ihre Aktivität ein.
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Während des o.g. enzymatischen Aufschlusses der Backwaren erfolgt wie bereits beschrieben eine erste Erhitzung der Backwaren auf Temperaturen von über 60 °C, welche die Mikroorganismen in ihrer vegetativen Form größtenteils zerstören. Andere möglicherweise in der Mischung aus Sporen entstandene Mikroorganismen oder Keime werden in einem weiteren Pasteurisierungsschritt zumindest zu einem überwiegenden Anteil abgetötet. Ein Pasteurisierungsschritt erfolgt mit Temperaturen von bis zu 100 °C. Bei diesem besonders effizienten zweistufigen Pasteurisierungsverfahren zur größtmöglichen Keimreduktion werden ohne den Einsatz von erhöhtem Druck oder von Temperaturen größer als 100 °C auch Sporen von Bakterien abgetötet, die z. B. nach einem ersten Hitzeschock reaktiviert werden. Diese zweistufige Pasteurisierung ähnelt hierbei bezüglich des Ablaufs dem Verfahren der Tyndallisation.
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Das Sieden der Mischung führt weiterhin zum Abdampfen von flüchtigen Substanzen aus der Mischung, insbesondere Ethanol, wobei diese Substanzen als sogenannte ethanolhaltige Fraktion von der Mischung abgetrennt werden. Diese erste Fraktion wird zur Kondensation aus der Dampfphase über einen Wärmetauscher geleitet. Der Wärmetauscher ist hierbei ein Kühler. Die zurückgewonnene Wärme wird dem Verfahren mittels eines als Heizung wirkenden Wärmetauschers anschließend zurückgeführt, u.a. zur Aufheizung des Prozesswassers.
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Die zweite Fraktion, die aus der Auftrennung der vergorenen Mischung hervorgeht, ist zähflüssig und wird im Rahmen der Erfindung als Schlempe bezeichnet. Die zweifache Pasteurisierung entkeimt die zweite Fraktion nahezu vollständig. Die zweite Fraktion ist keimarm, haltbar und eignet sich zu Verwendung als ein hochwertiges Futtermittel. Milchbestandteile aus den Backwaren führen zu einer Proteinanreicherung des Futtermittels, wodurch sich im Vergleich zu schlempeartigen Rückständen aus der unmittelbaren Vergärung von Getreide ein höherwertiges Viehfutter ergibt. Die zweite Fraktion kann allerdings auch als Nährstoff für methanproduzierende Mikroorganismen einer Biogasanlage zugeführt werden. Hierzu eignen sich insbesondere Mischungen, die aufgrund von Verunreinigungen, wie nichtmilchartige tierische Fette und Eiweiße, eine Verwendung als Viehfutter zumindest einschränken.
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Das Futtermittel weist hierbei ein Verhältnis von Protein zu Stärke von wenigstens 11,5 auf (berechnet auf die Trockensubstanz). Die Proteinbestandteile können auch Aminosäuren umfassen, die während des Verfahrens durch zugesetzte Enzyme freigesetzt wurden. Durch die enzymatische Behandlung ist die Schlempe leicht verdaulich. Eine Keimfreiheit der Schlempe ist insbesondere dann zu beachten, wenn die Schlempe an Wiederkäuer verfüttert werden soll, die z. B. in der Milchproduktion zur Herstellung von Rohmilchkäse stehen. Hierbei ist ein möglicher Eintrag von Clostridien in die Milch genau zu überwachen und bereits durch das Futtermittelherstellungsverfahren zu unterbinden. Aufgrund des Proteinanteils in der Schlempe kann außerdem in einer Tierfütterung eine Zufütterung von eiweißhaltigem Futterzusatz, z. B. Sojaextraktionsschrot, zur Erhöhung des Proteingehalts des Futters verringert werden.
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Nachfolgend werden vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens dargelegt, die für sich gesehen, sowohl einzeln als auch in Kombination, ebenfalls erfinderische Aspekte offenbaren können.
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Es können folgende Temperaturen und pH-Werte in den Behältern für die enzymatischen Reaktionen eingestellt werden:
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Die Glucoamylase ist in einem Temperaturbereich zwischen 60 °C und 80 °C besonders aktiv. Insbesondere ein Temperaturbereich zwischen 65°C und 75°C ergab eine gute Zersetzung der Mischung. Weiterhin wird vorzugsweise vor der Zugabe der Glucoamylase zur Mischung ein pH-Wert-Regelbereich auf das Aktivitätsoptimum der Glucoamylase auf einen pH-Wert zwischen pH 3,0 und pH 6,0 angepasst. Die Enzymaktivität kann durch Begrenzung eines pH-Wert-Regelbereichs auf pH 3,5 bis pH 5,0 weiter gesteigert werden, sodass die Zuckerfreisetzung in einer kürzeren Zeit erfolgt. Ein Temperaturregelbereich oder ein pH-Wert Regelbereich, der durch mindestens 60% von 100% maximaler Aktivität einer Enzymsubstanz bestimmt ist, eignet sich besonders als Regelbereich, um eine ausreichende Enzymaktivität zu erhalten. Ein entsprechend größerer Regelbereich für Temperaturen begünstigt z. B. den Übergang zwischen verschiedenen Verfahrensschritten aus energetischer Sicht. Die Enzymeffizienz kann noch mehr verbessert werden, mit einem Regelbereich der Temperatur oder des pH-Werts, in dem die Enzymaktivität auf über 80% bezogen auf das Maximum der Aktivität der Enzymsubstanz gehalten wird. Damit ist es andererseits möglich, eine geringere Enzymmenge einzusetzen. Die Energieeffizienz des gesamten Verfahrens wird weiter erhöht. Die Temperatur und der pH-Wert der Mischung können vor der Zugabe der Enzymsubstanz angepasst werden. Zur besseren Wirkung der Enzymsubstanz werden die Temperatur und der pH-Wert zumindest innerhalb eines Regelbereichs stabilisiert.
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Vor der Zugabe der Protease zur Mischung wird insbesondere der pH-Wert der Mischung auf einen Wert zwischen pH 5,5 und pH 8,5 eingeregelt. Weiterhin kann die Temperatur der Mischung auf eine Temperatur in dem Bereich von 35 °C bis 65 °C angepasst werden. Vorzugsweise wird ein Temperaturregelbereich von 45°C bis 60°C vorgegeben, um die Wirkung der Protease in kürzerer Zeit zu erhalten.
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Für die Pektinase, Carbohydrase, Arabanase, Beta-Glucanase, Cellulase, Xylanase und Hemicellulase wird vorzugsweise ein pH-Wert in dem Bereich zwischen pH 3,8 und pH 6,5 in der Mischung eingestellt. Der pH- Wert kann in dem entsprechenden Zielbereich automatisch eingeregelt werden. Außerdem wird eine Temperatur in dem Temperaturbereich zwischen 45°C und 65 °C vorgegeben. Der Temperaturbereich kann automatisch eingeregelt werden. Vorzugsweise wird die Temperatur zwischen 50°C und 60°C stabilisiert, um eine möglichst gute Aktivität der ausgewählten Enzymsubstanz zu ermöglichen. Das Milieu für die Enzymaktivität wird vor oder während der Zugabe der Enzymsubstanz angepasst. Die Zugabe der Enzymsubstanz in die Mischung erfolgt vorzugsweise als wässrige Lösung. Die Verteilung der Enzymsubstanzen in der Mischung wird durch Verrühren mit einem Rührwerk vergleichmäßigt.
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Es werden in dem Verfahren vorzugsweise nur Enzyme verwendet, die als Futtermittelzusätze gesetzlich erlaubt sind. Bei der Herstellung von Nährstoffen für Mikroorganismen zur Methanerzeugung können allerdings auch mit gentechnisch veränderten Mikroorganismen erzeugte Enzyme verwendet werden, um den Abbau von Partikeln oder makromolekularen Strukturen in der Mischung weiter zu steigern.
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In einem weiteren vorteilhaften Verfahrensschritt kann vor der alkoholischen Gärung unter Luftabschluss der Hefeanteil in der Mischung erhöht werden. Eine zugegebene Menge von Zuchthefe für die alkoholische Gärung lässt sich in der Mischung vermehren. Für die Vermehrung kann die Mischung mit Luft in Kontakt stehen, sodass die Vermehrung aerob erfolgt. Insbesondere durch Zufuhr von Luft in die Mischung, beispielsweise durch Einströmung von Druckluft über Düsen, lässt sich die aerobe Vermehrung der Hefe in der Mischung beschleunigen. Das Wachstum und die Aktivität der Hefe kann auch durch Zugabe von Hefenährsalzen zu der Mischung gesteigert werden. In einem Hefevermehrungsansatz oder einem Hefevermehrungsschritt des Verfahrens wird eine Kultur von Hefe für die weitere Verwendung, z. B. in weiteren Verfahrensansätzen, zumindest vorübergehend unter günstigen Wachstumsbedingungen gehalten. Besondere Hefekulturen, die z. B. zum Abbau von Zuckern genetisch verändert wurden, sodass sie auch Arabinose oder Xylose zu Ethanol vergären können, lassen sich ebenfalls nutzen und vermehren. Hiermit ist es beispielsweise möglich, einen Anteil aus einer derartigen Mischung mit vermehrten Hefen aus einem ersten Ansatz einem zweiten Verfahrensansatz für die alkoholische Gärung zuzusetzen und einzumischen.
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Zur besseren Kontrolle des Verfahrens können einerseits der pH-Wert und andererseits die Temperatur der Mischung regelmäßig überprüft werden. Mit mindestens einer Sonde, die einen Sensor in die Masse aus Backwaren und Prozesswasser einbringt, können Messungen an dem Milieu vorgenommen werden. Die Messwerte werden einer Steuerung zugeführt. Die Messungen können an verschiedenen Punkten eines Behälters erfolgen, um eine möglichst gleichmäßige Einstellung eines pH-Werts und einer Temperatur zu ermöglichen. Die Steuerung kann beispielsweise ein Rührwerk ansteuern und dieses bei nachweislichen Inhomogenitäten der Mischung betätigen. Weiterhin kann in dem Verfahren mit einem Säuerungsmitteldosierer bzw. einem Neutralisationsmitteldosierer in Verbindung mit der Steuerung ein entsprechendes Säuerungsmittel oder Neutralisationsmittel der Mischung zugegeben werden. Die Zugabe kann kontinuierlich erfolgen, bis ein Sollwert eines pH-Werts in der Mischung erreicht ist. Änderungen können auch schrittweise vorgenommen werden, wobei in jedem Schritt ein bestimmtes Volumen eines Säuerungsmittels in die Masse aus Backwaren und Prozesswasser eingebracht wird. Durch eine schrittweise Erhöhung oder Anpassung der Temperatur während des Verrührens der Mischung kann ein Überschießen der Temperatur gegenüber dem Sollwert vermieden werden. Es ist möglich, in mehreren aufeinanderfolgenden Schritten gleichzeitig die Temperatur und den pH-Wert einem Zielbereich, wie einem erwünschten Aktivitätsbereich einer Enzymsubstanz, zuzuführen.
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Die alkoholische Gärung kann ausgeführt werden, bis ein bestimmter Alkoholgehalt in der Mischung entstanden ist. Die Gärung kann unterbrochen werden, wenn ein bestimmter Zuckeranteil in der Mischung durch die Hefe abgebaut wurde. Nach Beendigung der Gärung erfolgt die Auftrennung der Mischung in eine erste und eine zweite Fraktion. Die Auftrennung kann durch eine Filterung erfolgen, wobei die erste Fraktion eine Fraktion mit geringer Viskosität und die zweite Fraktion eine Fraktion mit höherer Viskosität ist. Auch kann nach einer Grobfiltration ein Abtrennen des Ethanols durch ein Molekularsieb erfolgen. Der Ethanolgehalt der Mischung wird dabei im Wesentlichen in die Fraktion mit der geringeren Viskosität überführt. Die Auftrennung der Fraktionen kann auch durch eine Destillation erfolgen. Bei der Destillation wird ein ethanolhaltiger Anteil aus der Mischung durch Wärmezufuhr verdampft und anschließend kondensiert. Die Temperatur der Mischung bei der Destillation tötet Mikroorganismen in der Mischung ab. Auch nach einer Filterung kann eine Erwärmung der ersten Fraktion und der zweiten Fraktion erfolgen, wobei insbesondere die Mikroorganismen in der Fraktion mit höherer Viskosität abgetötet werden. Maßnahmen zur Abtötung von Mikroorganismen durch Wärme nach der alkoholischen Gärung der Mischung werden auch als zweiter Pasteurisationsschritt bezeichnet.
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Ein Vorteil des Verfahrens besteht in einer hohen Energieeffizienz, mit der bei der Weiterverwertung der Backwaren Produkte mit einem hohem Energiegehalt gewonnen werden. So kann eine Prozesstemperatur zumindest teilweise durch Prozesswärme angepasst werden, die in einem der Verfahrensschritte zurück gewonnen wurde. Beispielsweise ist bei der Absenkung der Temperatur der Mischung auf die Aktivitätstemperatur der Hefe, ausgehend von enzymatischen Aktivitätstemperaturen, ein Entzug von Wärme erforderlich. Die von einem Kühlmittel abgeführte Wärme kann in einem Wärmetauscher auf Prozesswasser übertragen werden und einem zweiten, parallel geführten Verfahrensprozess zugeführt werden. Anderseits kann Prozesswasser auch mit Hilfe der Abwärme vorgewärmt und in einem wärmeisolierten Behältnis aufbewahrt werden, bis ein Verfahrensschritt die Zufuhr von Prozesswasser erfordert. Die Verwendung derartig rückgewonnener Prozesswärme steigert die Energieeffizienz des Verfahrens. Das Verfahren kann auch in einer komplexen Energiegewinnungsanlage integriert werden, wie z. B. eine Biogasanlage. Derartige Kraft-Wärmeanlagen, die Biomasse z. B. in Methan umwandeln und das Methan weiter zur Stromgewinnung in einem Generator verwenden, erzeugen Abwärme, die zur Steigerung der Effizienz in dem vorliegenden Prozess verwertet werden kann. Die Abwärme einer Kraft-Wärmeanlage kann zur Aufwärmung von Prozesswasser oder zur Stabilisierung der Temperatur einer Mischung aus Prozesswasser und Backwaren dienen. Die Kopplung an eine Kraft-Wärmeanlage ist besonders vorteilhaft für den Wärmebedarf bei der Destillation. Das Abdampfen des Alkohols ist ein energieintensiver Prozess. Im Dauerbetrieb kann so z. B. über ein Jahr hinweg eine planbare Menge an Abwärme, z. B. aus einem Energiewandlungsprozess, wie in einer Biogasanlage, effizient verwertet werden. Eine Wärmeableitung z.B. durch Kühlflüssigkeit, in die Umwelt kann zumindest vermindert werden. Bei Biogasanlagen sind insbesondere Vorgaben zur Nutzung der Abwärme nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz vorgeschrieben. Vorzugsweise sollte eine ca. 60%ige Wärmerückgewinnung sichergestellt werden.
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Wenn das Verfahren zur Produktion von Ethanol im Bereich von ca. 100.000 I pro Jahr eingesetzt wird, ist eine kontinuierliche Ausführung des Verfahrens vorteilhaft. Eine kontinuierliche Ausführbarkeit lässt sich beispielsweise durch Verwendung einer Sequenz von Behältern für Verfahrensschritte realisieren. Hierbei kann z. B. mindestens ein Mischbehälter zum Einsatz kommen. Backwaren werden zerkleinert in den ersten Mischbehälter eingebracht und mit Prozesswasser gemischt. In einem zweiten Mischbehälter oder einem Verflüssigungsbehälter können weitere Enzyme zugesetzt werden. Ein dritter Behälter kann als Gärbehälter dienen, in dem Hefe in die Mischung eingebracht und insbesondere anaerob durch die Hefe Zucker zu Ethanol abgebaut wird. Ein weiterer Behälter kann ein Destillationsbehälter sein, der die für eine Destillation erforderlichen Einrichtungen umfasst. Die Masse der Mischung kann in einem kontinuierlichen Verfahren z. B. sequenziell von dem ersten Behälter in die weiteren Behälter gepumpt werden. Die Förderung der Mischung kann auch nach einer Ruhezeit in vorgegebenen Mengenschritten erfolgen. Weiterhin ist in einem kontinuierlichen Verfahren auch eine kontinuierliche Zugabe z. B. von Säuerungsmitteln oder von Enzymen mit den erforderlichen Dosierungen möglich. Jeder Behälter kann mit einem Thermostat auf der Temperatur gehalten werden, die für den Prozess in dem jeweiligen Behälter besonders günstig ist.
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Eine der Fraktionen, die aus der Mischung gewonnen wird, ist die Schlempe. Die Schlempe ist aufgrund der Aufeinanderfolge von mindestens zwei Pasteurisationsschritten weitgehend steril. Die Schlempe kann weiter aufbereitet werden. Es ist möglich, die Schlempe z. B. durch Abdampfen von Wasserbestandteilen einzuengen, deren Viskosität zu erhöhen und deren Gewicht für einen Transport auf diese Weise zu verringern. Die Schlempe kann auch als eine haltbare Trockensubstanz noch weiter aufbereitet werden. Wenn die Schlempe die gewünschte Konsistenz erreicht hat, wird diese in geeignete Portionen verpackt. Vorzugsweise entspricht eine Portion der Tagesration für einen Tierbestand eines Tierhaltungsbetriebs oder einer Mahlzeit bzw. einer Tagesration für ein Tier. Diese Portionen können Großabnehmern wie Mastbetrieben geliefert werden oder auch in den Handel für Kleintierhalter gebracht werden. Die Schlempe weist einen hohen Nährwert auf, der sich mit Bestandteilangaben bezogen auf ein Kilogramm Trockenmasse charakterisieren lässt. Die Schlempe enthält vorzugsweise wenigstens 800 g enzymlösliche organische Substanzen. Der Rohproteinanteil der Schlempe beträgt insbesondere wenigstens 330 g. Die Schlempe kann einen Rohfaseranteil von weniger als 75 g aufweisen. Vorzugsweise weniger als 28 g macht der Stärkeanteil aus, weil ein erheblicher Anteil des ursprünglich in der Mischung enthaltenen Stärkeanteils in Ethanol umgewandelt wurde.
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Die Schlempe kann mit weiteren Zusätzen veredelt werden, um deren Eignung als Futterzusatz von Tieren noch mehr zu verbessern. Es können z. B. einzelne Aminosäuren, wie Lysin, Methionin, Cystein, Threonin oder Tryptophan zugesetzt werden, falls diese im sonstigen Viehfutter in zu geringen Mengen oder in zu unausgewogener Mischung enthalten sind. Es können spezielle Mineralstoffe wie Phosphor, Kalium, Natrium, Calcium, Magnesium oder Schwefel oder Salze zugesetzt werden, nach denen insbesondere bei Wiederkäuern ein besonderer Bedarf bestehen kann. Eine Zugabe von Spurenelementen, wie Kupfer, Mangan, Eisen, Zink oder Selen, zur Schlempe ist gelegentlich wünschenswert. Weiterhin kann auch die Geschmacksqualität der Schlempe z. B. durch Anpassung des pH-Werts verbessert werden. Neutralisierungsmittel können dazu eingesetzt werden, den pH-Wert anzuheben und so möglicherweise schädliche Auswirkungen eines zu sauren Futtermittels auf den Zahnschmelz des Viehs zu verringern. Die Schlempe kann zu einem diätetischen Futtermittel aufbereitet werden, mit dem Mangelerscheinungen bei der Ernährung von verschiedenen Tierarten gezielt kompensiert werden können. Der Gesundheitszustand von Tieren kann durch Zufütterung von speziell aufbereiteter Schlempe verbessert und deren Wachstum oder ggf. Milchproduktion günstig beeinflusst werden.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung kann noch besser verstanden werden, wenn Bezug auf die beiliegenden Figuren genommen wird, die beispielhaft besonders vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten eines erfindungsgemäßen Verfahrens darlegen, ohne die vorliegende Erfindung auf diese einzuschränken, wobei
- 1 ein Standardverfahren zur Verwertung von Backwaren (nicht erfindungsgemäß),
- 2 ein erweitertes Verfahren mit Viskositätsreduktion,
- 3 ein erweitertes Verfahren mit Protein- und Pektinabbau, und
- 4 ein erweitertes Verfahren mit Protein-, Xylan- und intensiviertem β-Glucanabbau von den Backwaren zeigen.
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Figurenbeschreibung
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Erfindungsgemäße Verfahren können grundsätzlich in einem einzigen Behälter für die Mischung der Backwaren mit Prozesswasser und Enzymen sowie für die Hefegärung und die Destillation durchgeführt werden. Allerdings lässt sich der Mengendurchsatz des Verfahrens weiter steigern, wenn für einzelne Prozessschritte unterschiedliche Behälter verwendet werden.
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1 zeigt schematisch eine Standardversion eines Verfahrens, das im Wesentlichen in zwei Behältern, einem Mischbehälter und einem Gärbehälter, ausgeführt wird. In einem ersten Schritt werden Backwaren, die eine Mischung von Restbrot und von milcheiweißhaltigem Gebäck umfassen, mit einem Schredder zerkleinert. Die Stücke der Backwaren weisen eine Körnung von 1 bis 5 cm auf. In einem zweiten Schritt wird in den Mischbehälter mit den Backwaren das Prozesswasser aus einem Vorratsbehälter eingeströmt. Die Einströmung erfolgt auf mehreren Ebenen des Mischbehälters um die Durchmischung zu beschleunigen. Das Prozesswasser wurde vor der Einströmung in den Mischbehälter in dem Vorratsbehälter vorbereitet, indem Trinkwasser mit einer auf die Menge der Backwaren bezogenen Menge von den Enzymen α-Amylase und β-Glucanase versetzt wurde. Weiterhin wurde das Prozesswasser auf eine Temperatur von 75 °C mit Hilfe eines in den Vorratsbehälter integrierten Wärmetauschers vorgeheizt. Durch Zugabe von Milchsäure erfolgte eine Anpassung des pH-Werts des Prozesswassers auf pH 6,5. Das Prozesswasser durchsetzt in dem Mischbehälter die Backwaren und wird von den Poren der Backwaren aufgenommen. Es stellt sich eine Temperatur von 70 °C in dem Mischbehälter ein, die durch eine thermische Isolation des Mischbehälters gehalten wird. In Abhängigkeit von der Dauer des zweiten Schritts bis zur Durchweichung der Backwaren kann die Temperatur in dem Mischbehälter mit einer Zusatzheizung stabilisiert werden. Die eingeweichte, zähe und körnige Masse von Backwaren wird in Zeitschritten mit Hilfe eines Rührwerks umgewälzt. Es erfolgt eine Homogenisierung, wonach einzelne Stücke der Backwaren nicht mehr erkennbar sind. Die Verweildauer in dem Mischbehälter ist abhängig von der Zusammensetzung der Backwaren, von dem Trocknungsgrad des verwendeten Restbrots sowie von der Dauer des Backvorgangs, dem das Restbrot unterworfen war. Es kann auch eine weitere Zugabe von Prozesswasser in den Mischbehälter erforderlich sein, damit sich eine breiige Konsistenz ausbildet. Der Brei wird in einem zweiten Homogenisierungsschritt durch eine Pumpe aus dem Mischbehälter in einen Gärbehälter befördert.
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Der Gärbehälter weist ein Rührwerk, eine automatisierte pH-Wert- und Temperatursteuerung und ein Dosiergerät für Säuerungsmittel auf. In dem Gärbehälter werden von der automatisierten Steuerung eine pH-Wert-Bestimmung und eine Temperaturmessung in einstellbaren Zeitschritten ausgeführt. Die automatisierte Temperatursteuerung hält die Temperatur der Mischung von 70 °C aufrecht. Mit dem von der Steuerung automatisch betätigten Dosiergerät erfolgt eine Zugabe von Säuerungsmittel in den Gärbehälter, welches den pH-Wert in dem Gärbehälter auf den Sollwert von pH 4,3 absenkt. In dieses saure Milieu der Mischung wird im weiteren Verlauf des Verfahrens das Enzym Glucoamylase von der Steuerung automatisch dosiert zugegeben. Das Enzym wird als eine wässrige Lösung der Mischung zugesetzt, um eine gute Verteilung in der Mischung mit Hilfe des Rührwerks im Gärbehälter möglichst schnell einstellen zu können. Das Enzym Glucoamylase bewirkt die Freisetzung von Zuckern, insbesondere Glucose. Die Zunahme der Zuckerkonzentration in dem Gärbehälter kann sensorisch bestimmt werden, wobei die automatisierte Steuerung die Zeitentwicklung der Zuckerkonzentration aufnimmt und eine Steigung in einer Zuckerkonzentrationsgerade und eine Annäherung an einen Plateauwert ermittelt. Bei einer Sättigung des Zuckergehalts, insbesondere wenn die Zunahme des Zuckergehalts sich abschwächt, wird eine Temperaturänderung ausgehend von 70°C für die Enzymaktivität auf eine Temperatur von 25 °C als Milieutemperatur für Hefe vorgenommen. Die Temperaturänderung im Gärbehälter erfolgt mit einem Wärmeaustauscher, der die hierbei abgeführte Wärme aus dem Gärbehälter zu dem Vorratsbehälter auf das darin enthaltene Prozesswasser überträgt. Das Rührwerk unterstützt die Einstellung einer homogenen Wärmeverteilung in dem Gärbehälter. Weiterhin wird von der automatisierten Steuerung mit Hilfe des Dosiergerätes für Säuerungsmittel der pH-Wert in dem Gärbehälter unter pH 4,3 abgesenkt; es wird pH 4,0 angestrebt. In einem weiteren Verfahrensschritt wird verflüssigte Hefe mit einer Pumpe in den Gärbehälter eingebracht und mit dem Rührwerk in dem Gärbehälter verteilt. Mit der Temperatursteuerung und dem Rührwerk wird ein thermisches Gleichgewicht hinsichtlich der bei der Gärung gebildeten Wärme in der Mischung aufrechterhalten. Der Gärbehälter ist ein verschließbarer Behälter, in den nach Verschluss kein Gas aus der Atmosphäre eintreten kann. Fermentationsgase wie Kohlendioxid oder Dämpfe können aus dem Gärbehälter austreten. Das Fortschreiten der Gärung lässt sich anhand des Flusses des ausströmenden Kohlendioxids kontrollieren. Wenn die Kohlendioxidausströmung aus dem Gärbehälter einen Wert zwischen 20% und 50% der maximalen Ausströmung unterschreitet, wird die Gärung z. B. durch einen zweiten Pasteurisierungsschritt beendet. Hierzu wird die Mischung, die bei der anaeroben Hefefermentation gebildetes Ethanol enthält, zunächst auf eine Temperatur von über 60 °C erhitzt und damit ein zweites Mal pasteurisiert. Es erfolgt nun in dem Gärbehälter der Auftrennungsschritt der Mischung. Die Auftrennung der Mischung in eine erste Fraktion und eine zweite Fraktion erfolgt durch Destillation. Die erste Fraktion ist im Wesentlichen ein Ethanol-Wasser-Gemisch. Die zweite Fraktion umfasst die Rückstände aus der Destillation, die eine viskose, dickflüssige Konsistenz haben.
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Eine typische Zusammensetzung der zweiten Fraktion lässt sich der folgenden Tabelle entnehmen.
Tabelle: Futterwert der erzeugten Schlempe bezogen auf 1 kg
| Bestandteile | In der Frischmasse | In der Trockenmasse |
| Trockenmasse | 360,0 g | 1000 g |
| Rohasche (XA) | 38,5 g | 106,9 g |
| Rohprotein (XP) | 130,8 g | 363,4 g |
| Rohfaser (XF) | 10,6 g | 29,4 g |
| Rohfett (XL) | 21,0 g | 58,3 g |
| Stärke (XS) | 9,1 g | 25,2g |
| Zucker (XZ) | 21,1 g | 58,7 g |
| ELOS (NIRS) Enzymatisch abbaubare Substanzen | 298,8 g | 830,0 g |
| Umsetzbare Energie (Rind) | 4,6 MJ | 12,9 MJ |
| Nettoenergie Laktation | 2,9 MJ | 8,1 MJ |
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In der Tabelle ist der Futterwert der zweiten Fraktion, die auch als Schlempe bezeichnet wird, bezogen auf 1 kg und ohne Zusätze von Futterergänzungsmitteln aufgelistet. Bezogen auf die Masse des verwendeten Wassers wurde das Verfahren mit 0,85 Anteilen von Brotsorten und 0,034 Anteilen sonstiges Gebäck durchgeführt, wobei das sonstige Gebäck Anteile von Zucker, Butter und Milch umfasst. Die Wertigkeit des Futtermittels geht insbesondere aus dem relativ hohen Anteil von enzymatisch abbaubaren Substanzen (ELOS) von 298,8 g in der Frischmasse der Schlempe bzw. 830,0 g in der Trockenmasse der Schlempe hervor. Bemerkenswert ist weiterhin ein guter Anteil an Rohprotein von 130,0 g in der Frischmasse bzw. 363,4 g in der Trockenmasse, der durch eine Erhöhung des Gebäckanteils in den Backwaren noch weiter gesteigert werden kann. Der Energiegehalt der Schlempe lässt sich gut in der Rinderfütterung, insbesondere in der Milchproduktion ausnützen. Der geringe Stärkeanteil von nur 9,1 g in der Frischmasse bzw. 25,2 g in der Trockenmasse zeigt, dass die Backwaren in dem Verfahren hocheffizient enzymatisch umgesetzt wurden.
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Die zweite Fraktion wird durch Zugabe von Futterzusätzen oder Futterergänzungsmitteln wie Vitaminen in ihrem ernährungsphysiologischen Wert noch verbessert. Es erfolgt eine Anpassung des pH-Wertes auf pH 5,5 durch Neutralisation der zweiten Fraktion mit Ammoniak. Die zweite Fraktion wird schließlich als pasteurisierte Schlempe bei einer Temperatur von mindestens 60°C in eine sterile Verpackung verbracht. Die Verpackung wird luftdicht verschweißt. Die Schlempe ist in dieser Verpackung lagerbar und transportierbar. Diese verpackte Schlempe kann z. B. landwirtschaftlichen Tierhaltungsbetrieben für die Milchproduktion oder die Fleischproduktion zugeführt werden.
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Das Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens nach 2 baut auf dem ersten Verfahrensschritt und dem zweiten Verfahrensschritt des Verfahrens von 1 auf. Ein Unterschied besteht allerdings darin, dass die Vorwärmung des Prozesswassers auf 75 °C in dem Vorratsbehälter mittels eines Wärmetauschers, der Abwärme aus einer Kraft-Wärmeanlage nutzt, erfolgt. Ein zusätzlicher Vorteil des Ausführungsbeispiels besteht in dem effizienten Wärmemanagement, bei dem über die einzelnen Verfahrensschritte eine schrittweise Absenkung der Temperatur durchgeführt wird. Besonders effizient ist auch die Steuerung des pH- Wertes, die im Verfahren nur einen Änderungsschritt erfordert und in weiteren Phasen des Verfahrens mit Messungen und Stabilisierungsmaßnahmen auskommt.
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Nach der Homogenisierung der Mischung von Backwaren und Prozesswasser wird die Mischung in einen Verflüssigungsbehälter überführt. In dem Verflüssigungsbehälter soll die Viskosität der Mischung weiter verringert werden, um den Zuckeranteil in der Mischung weiter zu erhöhen und das Entweichen von Gasblasen, die sich während der anaeroben Hefefermentation bilden, zu erleichtern. Desweiteren wird durch die verminderte Viskosität der Mischung die Konvektion während der Destillation erhöht. Ein Anbrennen der Mischung durch Verkohlung in Bereichen des Wärmeeintrags wird effektiv verhindert. Die Fließfähigkeit der Mischung kann durch Zusatz weiterer Enzyme zu der Mischung verbessert werden. Zunächst wird vor der Enzymzugabe bei einer Prozesstemperatur von 70 °C, die automatisiert aufrechterhalten wird, der pH-Wert angepasst. Durch Zugabe von Säuerungspulver mit einem Dosiergerät wird der pH-Wert von pH 6,5 auf pH 4,5 in einem einzigen Änderungsschritt abgesenkt. Während der Zugabe wird mittels eines Rotationsmessers in dem Verflüssigungsbehälter die Durchmischung mit den Enzymen, insbesondere mit Glucoamylase, bewirkt. Das Rotationsmesser zerkleinert weiterhin die Korngröße, insbesondere bei Vollkornanteil in den Backwaren. Das Rotationsmesser erzeugt Strömungen in dem Verflüssigungsbehälter, die das zugegebene Säuerungsmittel und die Enzyme gleichmäßig verteilen. Nachdem die Zuckerbildung in dem Verflüssigungsbehälter einen Plateauwert erreicht hat, werden die Milieubedingungen für weitere Enzymzugaben angepasst. Die Temperatur wird auf 50 °C abgesenkt und der pH-Wert wird auf pH 4,5 weiter stabilisiert. Die Absenkung der Temperatur kann wahlweise durch Zugabe von Wasser oder durch Betätigung einer Kühlung mit einem Kühlmantel im Verflüssigungsbehälter eingestellt werden. Vorzugsweise wird die Wärme mit einem Wärmetauscher abgeführt, um die Lösung nicht weiter zu verdünnen und den pH-Wert zu halten. Nachdem das Milieu eingestellt wurde, werden in dem Verflüssigungsbehälter der Reihe nach Carbohydrasen, wie Arabanase, β-Glucanase, Cellulase, Xylanase und Hemicellulase, zugeführt, um die Zersetzung von stärkeartigen Polymeren zu verbessern. Derartige Polymere kommen z. B. in Pflanzen als Strukturbildner oder Zellwände vor. Diese Enzyme und Nebenaktivitäten verbessern die Viskosität der Mischung z. B. durch Pektinabbau. Flüssigartige Bestandteile in der Mischung werden vermehrt, die Viskosität wird verringert. Freigesetzte Moleküle gehen dabei in Lösung. Die Körnung der Masse wird auf eine mittlere Korngröße von weniger als 1 mm weiter verkleinert. Durch Messung des Zuckergehalts, z. B. der Glucose in der Masse, kann wiederum das Erreichen eines Plateaus bei dem Abbau von Polymeren in der Lösung des Verflüssigungsbehälters gemessen und der Vorgang der Verflüssigung zeitgenau beendet werden. Hierzu wird unter Zugabe von Hefe die Mischung in einen Gärbehälter gepumpt, wobei die Zugabe in Bereiche der Mischung erfolgt, die bereits auf eine Temperatur von weniger als 40 °C abgekühlt sind. Die Gärung wird bei einer Temperatur von 25 °C in dem Gärbehälter durchgeführt. In dem Gärbehälter erfolgt bei dem beibehaltenen pH-Wert von 4,5 die anaerobe Hefefermentation mit der Bildung von Ethanol. Im Weiteren folgt das Verfahren nach der Hefefermentation wiederum dem Auftrennungsschritt der zu dem Verfahren nach 1 beschrieben wurde. Aufgrund der verbesserten Verflüssigung werden Konvektionsströmungen in der Mischung erleichtert und die Gefahr des Anbrennens oder von Verkohlungen durch mögliche Ungleichmäßigkeiten des Wärmeeintrags in die Mischung bei der Destillation verringert. Die Verflüssigung trägt zur Qualitätssicherung der Schlempe bei. Aufgrund der enzymatischen Verflüssigung kann auch ein erforderlicher Wasseranteil in der Mischung geringer gehalten werden, wodurch die Energieeffizienz bei der Destillation verbessert werden kann. Die pasteurisierte Schlempe wird ohne weitere Zusätze als Futtermittel steril verpackt.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens, dessen erster und zweiter Verfahrensschritt wiederum an die ersten Schritte von den Verfahren in den 1 und 2 angelehnt sind. In dem Verfahren nach 3 wird allerdings das Prozesswasser bereits mit den Enzymen α-Amylase und β-Glucanase in dem Mischbehälter bereitgestellt. Die in dem ersten Schritt geschredderten Backwaren werden in dem zweiten Verfahrensschritt in den Mischbehälter eingerührt. Diese Variante der ersten beiden Verfahrensschritte eignet sich insbesondere dann, wenn der Schredder bereits überwiegend kleine Bruchstücke mit einer Größe von weniger 1 cm aus den Backwaren erzeugt. Die Backwaren enthalten wiederum milcheiweißhaltige Bestandteile. Das Einrühren der Backwaren in den wärmeisolierten Mischbehälter wird von einer leichten Temperaturabsenkung von 75 °C auf 70 °C begleitet. Der pH-Wert wurde auf 6,8 voreingestellt und im Verfahrensverlauf stabil gehalten.
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Nach einer ersten enzymatischen Zersetzung der Backwaren und einer Homogenisierung wird die Mischung in den Verflüssigungsbehälter gepumpt, um darin die weitere Zersetzung und Verflüssigung der Mischung durchzuführen. Dabei erfolgt in dem wärmeisolierten Verflüssigungsbehälter eine leichte Temperaturabsenkung von 70 °C auf 60 °C, während der pH-Wert auf pH 6,8 stabilisiert bleibt. In dem Verflüssigungsbehälter werden Pektin- und Proteinabbauschritte durchgeführt. Zunächst wird eine Protease mit einem Aktivitätsbereich zwischen pH 6,5 und pH 8 eingerührt, um pflanzliche Proteine und Milchproteine zu zersetzen. Damit wird die Auflösung von zellulären Strukturen aus den Backwaren gefördert. In einem nächsten Schritt werden in den Verflüssigungsbehälter weitere Enzyme gegeben. Allerdings erfolgt zunächst eine Absenkung der Temperatur in der Mischung auf 50 °C und eine Absenkung des pH-Werts in der Mischung auf 5,5, um das Milieu der Mischung für die Aktivität der zuzuführenden Enzyme einzustellen. Es erfolgt weiterhin eine dosierte Zugabe eines Enzymgemischs mit einer Menge von 0,2 g bis 1 g pro 1 kg Backwaren. Das Enzymgemisch umfasst die Carbohydrasen Arabanase, β-Glucanase, Cellulase, Xylanase und Hemicellulase in festgelegten Anteilen. Durch die Aktivitäten der Enzyme werden auch pflanzliche Bestandteile aus den Backwaren, die z. B. Gemüseanteile wie Karotten oder Zwiebeln umfassen können, weiter aufgeschlossen. Die Homogenisierung mit Hilfe eines Rührwerks verbessert die feinteilige Konsistenz und vergleichmäßigt die Durchmischung. Anschließend wird die Temperatur der Mischung in dem Verflüssigungsbehälter durch die automatisierte Steuerung auf 70 °C angehoben und der pH-Wert auf 4,3 abgesenkt. Die Mischung ist damit für die Zugabe von dem Enzym Glucoamylase vorbereitet, dessen Hauptaktivität darin besteht Zuckermoleküle, insbesondere Glucose, freizusetzen. Der Zuckergehalt kann wiederum mit einem Sensor kontrolliert werden, um den Abschluss der Zersetzung in dem Verflüssigungsbehälter festzulegen.
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Aus dem Verflüssigungsbehälter wird zunächst eine Teilmenge der Mischung in den Gärbehälter entnommen, auf eine Temperatur von 25 °C abgekühlt und Hefe eingemischt. In dem Gärbehälter erfolgt eine aerobe Vermehrung der Hefe, vorzugsweise dann, wenn besondere Zuchthefen für den Abbau bestimmter Zuckerbestandteile zu Ethanol zum Einsatz kommen. Nach dem aeroben Vermehrungsschritt von Hefen, der unter Zufuhr von Luft in den Gärbehälter erfolgen kann, wird die Luft mit Kohlendioxid aus dem Gärbehälter ausgetrieben. Die weitere Mischung wird nun bei einer Temperatur von 25 °C aus dem Verflüssigungsbehälter in den Gärbehälter überführt und dort mit der vermehrten Hefe vermischt. Die Zuckermoleküle aus der Mischung können zu einem überwiegenden Teil von der Hefe aufgenommen und in Ethanol umgewandelt werden. Die Gärung endet mit der zweiten Pasteurisierung, wonach wiederum der Auftrennungsschritt in die erste Fraktion, die Ethanol enthält, und die zweite Fraktion, die die pasteurisierte Schlempe umfasst, erfolgt. Die pasteurisierte Schlempe wird steril verpackt und als Futtermittel weiter verwertet.
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Das Verfahren nach 4 entspricht in dem ersten Schritt und dem zweiten Schritt weitgehend dem Verfahren aus 3. Allerdings wird der pH-Wert des Prozesswassers ausgehend von pH 6,5 nach Zugabe der Backwaren auf pH 6,8 angehoben bzw. neutralisiert. Nach Homogenisierung und Umpumpen der Mischung in den Verflüssigungsbehälter werden weitere Enzymzugaben durchgeführt, um Proteinabbau, Xylanabbau und intensivierten β-Glucanabbau zu bewirken. Bei der ersten Enzymzugabe wird der pH-Wert konstant auf pH 6,8 gehalten, allerdings wird vor der Zugabe die Temperatur auf 60 °C abgesenkt. Wiederum wird zunächst im neutralel pH-Wertbereich arbeitende Protease zugegeben, um den Proteinabbau zu fördern. Für einen weiteren Abbauschritt wird die Temperatur auf 70 °C angehoben und der pH-Wert mit einer Zugabe von Säuerungsmittel durch ein Dosiergerät auf pH 4,3 abgesenkt. Diese Temperaturanhebung kann auch als ein zusätzlicher Pasteurisierungsschritt bezeichnet werden, der die lebensfähigen Mikroorganismen in der Mischung weiter verringert. Es erfolgt die Zugabe von Glucoamylase zur Freisetzung von Glucose in der Mischung.
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Der damit schon gute Aufschluss in der Mischung wird weiter verbessert durch die Zugabe der Carbohydrasen Arabanase, β-Glucanase, Cellulase, Xylanase und Hemicellulase zu der Mischung bei einer Temperatur von 50 °C und einem pH-Wert von pH 4,3. Weil das Enzymgemisch auch bei Zimmertemperatur zersetzungsaktiv ist, kann eine allmähliche Abkühlung der Mischung zugelassen werden. Nach Abschluss der enzymatischen Zersetzung der Mischung wird die Temperatur auf 25 °C weiter abgesenkt und unter Beibehaltung von pH 4,3 wird die Hefe zugegeben. Die Mischung befindet sich hierbei in dem Gärbehälter, in dem unter Luftabschluss von der Hefe Zucker in Ethanol umgewandelt wird.
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Im Anschluss daran erfolgt wiederum der Auftrennungsschritt zur Abtrennung der Schlempefraktion von dem Ethanol. Die pasteurisierte Schlempe ist nach drei Pasteurisierungsschritten weitgehend keimbefreit und wird in einen Reaktor zur Methanerzeugung eingebracht. Eine solche Verwertung kann insbesondere dann erfolgen, wenn sich die gemischten Backwaren qualitativ oder quantitativ nicht für eine Verwertung als Futtermittel eignen. Zu diesem Zweck kann die Anlage, in der das Verfahren zur Verwertung der Backwaren ausgeführt wird, auch in eine Methanerzeugungsanlage integriert werden. Das erzeugte Methan kann z. B. Erdgas beigemischt oder zur Stromerzeugung genutzt werden.
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Das gewonnene Ethanol kann weiter aufbereitet oder auch als Energieträger in Beimischungen zu Benzin an Tankstellen oder in Verbrennungskraftmaschinen verwendet werden. Das Ethanol kann auch in weiteren Destillationsschritten weitgehend von Wasseranteilen befreit und als chemischer Grundstoff weiterverwertet werden.
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Die zu den einzelnen Verfahrensbeispielen diskutierten Verfahrensaspekte können beliebig zu weiteren erfindungsgemäßen Verfahren miteinander kombiniert werden.
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Mit einem erfindungsgemäßen Verfahren werden Backwaren als qualitativ hochwertiger Ausgangsstoff, der allerdings nicht mehr der menschlichen Ernährung zuführbar ist, umgewandelt, um in einer ersten Fraktion als flüssiger Energieträger und in einer zweiten Fraktion als Nährstoff für Tierfutter zu dienen. Durch den schonenden enzymatischen Abbau werden für den Nährwert wertvolle Bestandteile der Mischung wie Aminosäuren erhalten. Bei Übermengen oder qualitativ minderwertigen Backwaren kann die Schlempe auch als Grundlage zur Herstellung eines gasförmigen Energieträgers dienen. Durch die energieeffiziente Verfahrensführung und die intensive enzymatische Umsetzung der Ausgangssubstanzen ist das Verfahren auch nutzbringend in weitere Prozesse und Anlagensysteme integrierbar.
