DE102014001909A1 - Verfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung biogener Reststoffe von Anlagen zur Stärkeproduktion und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Verfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung biogener Reststoffe von Anlagen der Stärkeproduktion durch Einsatz der Reststoffe in eine Nassfermentation, durch Konzentration des gesamten Nährstoffpotentials in Form von Stickstoff, Phosphor, Kalium und Schwefel in einer aus den Fermentationsrückständen gewonnenen Düngemittelfraktion, und durch Bereitstellung des entschwefelten Biogases für die energetische Verwertung, dadurch gekennzeichnet, dass als Nassfermentation die Hefefermentation zur Bioethanolgewinnung und/oder die Methanfermentation zur Biogasgewinnung genutzt werden, dass die anfallenden biogenen Reststoffe aus dem Stärkeproduktionsprozess, wie Pülpen, Abfallstärke, Abfallgluten, Rückstände aus der Reinigung der Einsatzstoffe, Schlempen aus der vorgeschalteten Ethanoldestillation, Filterstäube, wässrige Medien aus der periodischen Anlagenreinigung und/oder Schlämme aus der betrieblichen Abwasserbehandlung, einem Suspendierprozess unterzogen werden, dass unter Einsatz von Zusatzstoffen mit Trockenmassegehalten von wenigstens 25% in der Biosuspension ein Trockenmassegehalt zwischen 12 und 18% eingestellt wird, dass die erzeugte Biosuspension einem aeroben Hydrolyseprozess unterzogen wird, dass das aus der Biosuspension erzeugte Hydrolysat einem anaeroben Fermentersystem aus wenigstens einem hydraulisch und teilweise durchmischtem Fermenter mit anfangs eingesetzter und sich stetig reproduzierender Spezialkultur zugeführt wird, dass das in den verwerteten Einsatzstoffen enthaltene Potential an Pflanzennährstoffen als Gemisch aus der festen Phase der Fermentationsrückstände und den aus der Hemmstoffentfrachtung der Biofiltrate resultierenden flüssigen Waschmedien mit hohen Gehalten an Ammonium und Schwefelverbindungen gewonnen wird und dass das entschwefelte, getrocknete und verdichtete Biogas zur gekoppelten Gewinnung von elektrischer und thermischer Prozessenergie genutzt wird.

Description

• Anwendungsgebiet
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung biogener Reststoffe von Anlagen zur Stärkeproduktion und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Eine derartige technische Lösung wird zur Erhöhung der Entsorgungssicherheit, zur Kostensenkung, zur Schadstoff-Emissionsminderung und zur Erhöhung der Unabhängigkeit von der fossilen Energieversorgung in der Stärkeindustrie benötigt.
• Stand der Technik
• Moderne Produktionsstätten zur Gewinnung von Stärke aus stärkehaltigen Rohstoffen, wie Mais, Weizen, Roggen, Kartoffeln, Maniok, Tapioka, Cassava, werden weltweit mit ähnlicher Verfahrenstechnik betrieben. Das größte Potential an organischer und damit energiereicher Biomasse stellt im gesamten Reststoffspektrum einer Stärkefabrikationsstätte die anfallende Pülpe dar. Im getrockneten Zustand ist dieser Reststoff ein gut verträgliches, energiereiches, proteinhaltiges und lagerfähiges Tierfuttermittel, das jedoch angesichts steigender Energiepreise kaum noch mit alternativen Eiweißfuttermitteln, wie Sojaschrot oder Rapspresskuchen, konkurrieren kann. Im feuchten Anfallzustand wird Stärkepülpe in den meisten Fällen als Zusatzfuttermittel eingesetzt. Dabei wird in Kauf genommen, dass wegen der Infektionsgefahr dieses hervorragenden Nährbodens für Mikroorganismen eine starke Abhängigkeit von den abnehmenden Tierzüchtern und von einer verlässlich funktionierenden Transportlogistik besteht. Die nicht für Futterzwecke geeigneten organischen Reststoffe müssen im Allgemeinen als Abfall entsorgt werden, obwohl sie ebenfalls über beachtliche energetische Potentiale und Pflanzennährstoffgehalte verfügen. Parallel hierzu wird die Stärkeproduktion in beachtlichem Umfang durch steigende Energiepreise belastet, an deren Kompensation wegen des Wettbewerbsdruckes ein ausgeprägtes Interesse besteht. Trotz dieser Situation ist bisher in der industriellen Praxis kein Beispiel dafür bekannt gemacht worden, gemäß dem die überwiegend feucht anfallenden biogenen Reststoffe aus der Stärkeproduktion einer stofflichen und energetischen Verwertung zugeführt worden wären.
• Von einer stofflichen und energetischen Verwertung der anfallenden Reststoffe könnte gesprochen werden, wenn unter Verzicht auf das thermische Trocknen mittels Nassfermentation neben dem vollständigen Erhalt der Pflanzennährstoffe aus den wenigstens 15% trockener Biomasse in den feuchten Pülpen Biogas mit einem Heizwert von wenigstens 900 kWh/t, davon wenigstens 360 kWh/t Elektroenergie, gewonnen würden. Bekannte technische Lösungen beschränken sich auf die Verwertung von Bioschlämmen aus der Abwasserbehandlung mittels Methanfermentation, womit nur vergleichsweise geringe Anteile des tatsächlich verfügbaren Potentials genutzt werden. Sowohl die praktisch ununterbrochen anfallenden Reststoffe als auch der nahezu konstante Energiebedarf hinsichtlich Elektroenergie, Wärmeenergie und Kälteenergie, sowie Motorkraftstoffen bilden nahezu ideale Voraussetzungen für die Nutzung von Verfahren der Methanfermentation zur Energiegewinnung aus regenerativen Quellen und zur gleichlaufenden Verwertung der anfallenden Fermentationsreste für die Düngemittelgewinnung. Deshalb hat es auch nicht an Versuchen gefehlt, den Stand der Technik dahin weiterzuentwickeln, dass unter Nutzung der biogenen Reststoffe insbesondere Beiträge zur Senkung des fossilen Energiebedarfs einer Stärkefabrik geleistet werden können. Die Besonderheiten der biogenen Reststoffe aus der industriellen Stärkeproduktion Vorteile bestehen in der Feinkörnigkeit und in der Stetigkeit des Anfalls dieser Reststoffe. Als Barrieren für den Einsatz dieser Reststoffe in biotechnologischen Verwertungsanlagen gelten ganz offensichtlich die beachtlichen Gehalte an Proteinen und/oder Rohfasern, die vermeintlich einer Monofermentation, ob im Rahmen einer Hefefermentation zur Ethanolgewinnung oder einer Methanfermentation zur Biogasgewinnung entgegen stehen.
• Die DE 3627253 C2 (1986) beschreibt beispielsweise ein Verfahren zur biologischen Behandlung von organische Stoffe enthaltenden Substraten, wobei die zentrale Behandlungsstufe für die feststoffabgereicherte Phase eines Biosubstrates und der in nachfolgenden Behandlungsschritten verflüssigten feststoffreichen Phasen des Biosubstrates ein Hydrolyse-Reaktor für den aeroben Abbau der im Biosubstrat enthaltenen organischen Stoffe ist. Zu der Behandlung der dabei anfallenden Hydrolysegase, die bekanntermaßen auch Fettsäuredämpfe aus der aeroben Spaltung von ausgewählten Phasen der eingetragenen Biostoffe enthalten, gibt die beschriebene Lösung jedoch keine Hinweise. Die aus dem Hydrolysereaktor ausgetragenen Substrate gelangen zu einem Teil ohne weitere Vorbehandlung in die Hydrolysestufe zurück.
• Die übrigen feststoffreichen Phasen werden nach mehreren Zwischenbehandlungen von verbleibenden ungelösten Bestandteilen abgetrennt und der weiteren fermentativen Behandlung entzogen. Die behauptete Eignung für die Verwertung von bekanntermaßen feststoffreichen Produktionsresten aus der Stärkefabrikation ist mangels dafür verfügbarer adaptierter Methanbakterienkulturen und mangels kulturerhaltender Fermentationstechnik für die offenbarte technische Lösung nicht gegeben.
• Weiterhin wird mit der DE 4000834 C2 (1990) eine technische Lösung zur Biomethanisierung von organischen Reststoffen von Brauereien bekannt gemacht, die prinzipiell auch für Reststoffe der Stärkefabrikation angewendet werden könnte. Sie sieht vor, den anfallenden Abwässern die üblichen Reststoffe aus dem unmittelbaren Produktionsprozess zuzusetzen und das nun extrem hoch organisch belastete Abwasser einem mehrstufigen Fermentationsprozess zu unterziehen. Das offenbarte Verfahren bedient sich dabei kaskadenförmig angeordneter Schlaufenreaktoren, die zumindest teilweise mit Füllkörpern gefüllt sind und durch komprimierte Prozessgase vollständig gemischt werden. Der erkannten Notwendigkeit einer hydrolytischen Vorbehandlung in einer ersten Fermentationsstufe wird erklärtermaßen durch chemische, enzymatische und fakultativ durch aerobe bis anaerobe Maßnahmen entsprochen. Offensichtlich im Interesse der energetischen Erschließung der überwiegend lignocellulose- und proteinhaltigen Pülpeinhaltsstoffe sollen diese vorzugsweise nach einer Zerkleinerung auf < 1,0 mm eingesetzt werden. Das beschriebene Verfahren unterstellt die Möglichkeit, den anfallenden Gärresten der letzten anaeroben Behandlungsstufe mittels Ultrafiltration ein Reinwasser entziehen zu können, das jedoch zugleich Quelle eines zusätzlichen Entgasungsprozesses sein soll. Eine Nachfaulstufe soll zur weiteren Feststoffreduktion und eine aerobe Nachbehandlungsstufe zur Geruchseliminierung und Stickstoffreduktion genutzt werden. Der theoretische Ansatz dieses Vorschlages widerspricht in mehrfacher Hinsicht vielfach bestätigten praktischen Erfahrungen und konnte folgerichtig keinen Eingang in die moderne Stärkeproduktionstechnik finden. So ist es bekanntermaßen grundsätzlich nicht möglich, in vollständig durchmischten Fermentern eine für die Verwertung der lignocellulose- und proteinreichen Einsatzstoffe geeignete spezielle Bakterienkultur ausreichend stabil verfügbar zu erhalten. Das anerkannte Erfordernis der Vorhydrolyse von Biosuspensionen mit Stärkeproduktionsreststoffen ist hingegen durch Enzymzugabe oder durch anaerobe Behandlung nur zu erfüllen, wenn Zusatzstoffkosten keine Rolle spielen, oder wenn großvolumige zusätzliche Anaerobsysteme verfügbar sind.
• In der vorgeschlagenen technischen Lösung dient die aerobe Stickstoffreduktion der Gärreste nach dem mehrstufigen Fermentationsprozess ausschließlich der Gewinnung von gering belastetem Abwasser bei Inkaufnahme der Rückführung der reduzierten Stickstofffracht in die Atmosphäre. Hingegen sollen Eluate aus einzelnen Fermentationsstufen zur Steuerung optimaler C-N-P-Verhältnisse in den jeweiligen Gärsubstraten in andere Fermentationsstufen zurückgeführt werden. Damit wird eine entscheidende Voraussetzung für die Aufrechterhaltung eines nachhaltigen Fermentationsprozesses unbeachtet gelassen, gemäß der eine Entfrachtung des geschlossenen Fermentationssystems von Stickstoff- und Schwefelverbindungen zur Vermeidung des Entstehens toxischer Konzentrationen dieser Verbindungen im Gärsubstrat unverzichtbar ist. Das ist vor allem deshalb beachtlich, da in Form der Pülpen aus der Stärkeproduktion protein- und damit stickstoff- und schwefelreiche Substrate in den Fermentationsprozess eingeführt werden.
• Die DE 4226087 A1 (1992) beschreibt u. a. ein Verfahren zur biologischen Aufbereitung organischer Substanzen, insbesondere zur anaeroben biologischen Hydrolyse zur anschließenden Biomethanisierung. Der offenbarte technische Vorschlag versucht die Aufgabe zu lösen, die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren einfacher und effizienter auszugestalten und insbesondere ein Steuerungskonzept bereitzustellen, durch das der pH-Wert, die Feststoffkonzentration und die Feststoffverweilzeit unabhängig voneinander einstellbar sind. Die wesentlichen Mittel dieser technischen Lösung bestehen darin, dass in einer ersten anaeroben Hydrolysestufe die überwiegend gelösten organischen Bestandteile einer Biosuspension und in einer zweiten Anaerob-Stufe eine feststoffreiche Fraktion der zu behandelnden Biosuspension hydrolytisch versauert werden, damit in einer dritten Behandlungsstufe beide Hydrolysate der Methanisierung unterzogen werden können. Auch mit diesen Vorschlägen ist es aus mehreren Gründen nicht möglich, den Prozess der stofflichen und energetischen Verwertung von Stärkeproduktionsreststoffen mit der erforderlichen energetischen Effizienz und Stabilität zu führen. Weder kann mit den vorgeschlagenen Prozeduren der tatsächliche und zeitlich gegebenenfalls auch wechselnde Reststoffstrom einer Stärkefabrik wegen der erforderlichen pH-Wert-Steuerung nachhaltig behandelt werden, noch steht die noch vor der Methanisierungsstufe aus dem Anaerobprozess auszuschleusende Feststofffraktion für die weitere energetische Nutzung zur Verfügung.
• Außerdem fehlen jegliche Voraussetzungen für die Begrenzung der Gehalte an Stickstoff- und Schwefelverbindungen im Gärsubstrat auf Konzentrationen unterhalb der Toxizitätsschwelle, wenn dem System proteinreiche Pülpen aus der Stärkeproduktion zugeführt werden sollen.
• Die DE 19613397 C2 (1992) beschreibt ein Verfahren zur biologischen Reinigung von Abwasser, das sich insofern vom damals verfügbaren bekannten Stand der Technik unterscheidet, dass die aufzubereitende Biosuspension in Form eines Abwassers zunächst einer Phasentrennung unterzogen wird, wobei lediglich die feststoffreiche Phase dem Fermenter direkt zugeführt wird. Die feststoffarme Phase aus dieser Prozessstufe soll einer Ammoniak-Strippung zugeführt werden, obwohl im Falle der Pülpen aus der Stärkeproduktion das Stickstoffinventar bekanntermaßen zunächst überwiegend in Proteinform vorliegt und daraus Ammonium erst durch den anaeroben Fermentationsprozess gebildet wird. Gemäß der vorgeschlagenen technischen Lösung dient der beschriebene Versuch der Stickstoffausschleusung mit Sicherheit nicht der Vermeidung der Stickstoffanreicherung bis zu toxischen Konzentrationen im Fermentationsprozess. Die aerobe Hydrolyse des Ablaufs aus der Ammoniak-Strippung hat damit nahezu keinen Einfluss auf die erforderliche Auflösung des Lignocelluloseverbundes und auf die Erschließung des Energiepotentials der mit den Stärkeproduktionsreststoffen eingetragenen lignocellulosehaltigen Pülpen aus der Stärkeproduktion.
• Mit der DE 19615551 C2 (1996) wird u. a. eine technische Lösung beschrieben, die der mehrstufigen Behandlung von Biomassen zur Erzeugung von Biogas dient. Das entwickelte Verfahren soll der Lösung der Aufgabe dienen, mit einem minimalen Aufwand an Investitions- und Betriebskosten einen maximalen Abbau der Zellinhalte der biologischen Abfallstoffe zu erreichen. Bei kurzen Verweilzeiten der Biomasse im anaeroben Milieu muss ein wirtschaftlich nutzbares Gasgemisch aus Methan und Kohlendioxid gewinnbar sein, wobei die Biogasmenge zu maximieren und die nachzuverrottende Gärkompostmenge zu minimieren ist. Dazu soll das Einsatzgut zunächst von nicht biologisch abbaubaren Begleitstoffen durch Siebung und Metallabscheidung befreit sowie durch Nachzerkleinerung aufbereitet werden. Danach soll die einsetzende Versäuerung durch Zwischenpufferung des zu behandelnden Gärsubstrates in einem Vorhydrolysebehälter intensiviert werden. Zum Zwecke der Vergrößerung der Angriffsflächen für die Mikroorganismen ist vorgesehen, die Auflösung der Zellstrukturen durch Ultraschallbehandlung zu bewirken.
• Danach erfolgt die Herstellung einer Biosuspension durch Vermischen des Gärsubstrates mit aktive Biomasse enthaltendem Prozesswasser in einem statischen Mischer. Nun wird die erzeugte Biosuspension bei Temperaturen für den mesophilen Abbauprozess unter Zugabe von Luft einer aeroben Hydrolysebehandlung unterworfen. Dabei soll es trotz des Einbringen von Luft zu einer Schwimm-Sink-Trennung und zur Austreibung von Schwefelwasserstoff kommen. Nun wird die anfallende Flüssigphase mit den enthaltenden organischen Säuren auf Temperaturen für thermophile Kulturen erwärmt und unter Zugabe von weiterem Prozesswasser dem Methanreaktor zugeführt. Die offensichtlich im Hydrolysebehälter anfallende Feststoffphase wird entwässert, einer Nachrotteeinheit zugeführt bzw. erneut hydrolysiert. Bemerkenswert ist der Vorschlag, den Methanisierungsteil so auszulegen, dass die einzelnen Gärbehälter jeweils nur für die Aufnahme einer Tagesmenge des anfallenden Einsatzgutes ausgelegt sind, so dass die postulierte Verweilzeit gewährleistet werden kann, weil Kurzschlussströme sicher vermieden werden. Die schonende vollständige Umwälzung des Gärsubstrates in den Gärbehältern wird unter Vermeidung von so genannten Totzonen durch rezirkuliertes eingepresstes Biogas gewährleistet. Ebenso, wie beim Hydrolysebehälter, werden auch aus dem Methanreaktor die nicht vollständig abgebauten Feststoffe mittels Austragsschnecke abgezogen, entwässert und aerob nachverrottet. Die wässrigen Anteile der Gärreste werden dekantiert, in einem Prozesswassertank gesammelt und von dort als Wärmeträger und Anmaischwasser für den Hydrolyseprozess oder zur Befeuchtung der Nachrotteeinheit und des Biofilters eingesetzt. Das vorgeschlagene Verfahren ist ganz offenichtlich für die Beseitigung biogener Abfallstoffe konzipiert und aus mehreren Gründen nicht für die effiziente stoffliche und energetische Verwertung von Reststoffen der Stärkeproduktion geeignet. Zwar ist eine mehrstufige aerobe Vorhydrolyse der suspendierten Biomassen vorgesehen, jedoch sind weder Maßnahmen zur Vermeidung toxischer Konzentrationen von Stickstoff- und Schwefelverbindungen im Gärmedium vorgesehen, wie sie für den Einsatz von besonders proteinreichen Reststoffen aus der Stärkeproduktion unerlässlich sind. Weiterhin werden die zunächst nicht gelösten Anteile der eingesetzten Biomassen, wie sie insbesondere für Pülpen aus der Stärkeproduktion in Form der Proteine und/oder lignocellulosischen Anteile der Pülpen typisch sind, als Sink- und/oder Schwimmschlämme aus den einzelnen Prozessstufen ausgeschleust und nach einer Entwässerung einer aeroben Verrottung zugeführt. Die aerobe Verrottung benötigt in erster Linie Prozessenergie und führt zum Verlust spürbarer Anteile des enthaltenen Inventars an düngewirksamen Stickstoff- und Schwefelverbindungen.
• Eine spezielle für die Fermentation von lignocellulosischen Biomassen adaptierte Bakterienkultur steht weder zur Verfügung, noch ist deren Einsatz vorgesehen und könnte auch in den jeweils vollständig durchmischten Gärbehältern nicht erhalten und reproduziert werden.
• Die DE 10 2004 030 482 B4 (2004) beschreibt ein Verfahren zur Aufbereitung von Abwässern aus der Bearbeitung und Aufbereitung von organischen Abfällen. Diese technische Lösung enthält u. a. den Vorschlag, zumindest einen Teil der zu verwertenden organischen Einsatzstoffe nicht der Fermentationsstufe, sondern erst der ersten vorzugsweise mechanischen Phasentrennung der anfallenden Gärreste als Flockungsmittel dem so genannten Trübablauf dieser Verfahrensstufe zuzusetzen, um damit einen für die vorgesehenen nachgeschalteten Membran-Filtrationsstufen geeigneten Klarablauf zu erreichen. Der Vorschlag enthält weiterhin den Hinweis, der vorgesehenen Umkehrosmose eine flüssige Phase zuzuführen, die durch Säurezufuhr sowohl die Bildung von sauren Ammoniumverbindungen ermöglicht als auch die Freisetzung von Ammoniak behindert. Schließlich soll der eigentliche Fermentationsprozess vor dem Aufbau toxischer Ammoniumkonzentrationen im Gärsubstrat dadurch geschützt werden, dass durch Zusatz von Umkehrosmose-Permeat als Ansetzwasser bei der Erzeugung einer fermentierbaren Biosuspension eine Konzentrationsverdünnung von Hemmstoffen für den Fermentationsprozess erzielt wird. Auch diese technische Lösung trägt den Anforderungen an die stoffliche und energetische Verwertung von Reststoffen des Stärkeproduktionsprozesses nicht Rechnung, zumal die energiereichen Feststoffphasen der zu verwertenden organischen Abfälle frühzeitig und teilweise ohne jegliche fermentative Behandlung aus dem biotechnologischen Energiegewinnungsprozess ausgeschleust werden.
• Das in der Zeitschrift Brauerei-Forum, Ausgabe 9/2006, unter dem Titel „Treber vergären zu Biogas" beschriebene Verfahren sieht den Zusatz von bis zu etwa 15% Biertreber zu anderen Reststoffen der Pflanzenproduktion und der Lebensmittelindustrie vor. Ein solches Verfahren sollte wegen der qualitativen Ähnlichkeit von Braureststoffen und Reststoffen aus der Stärkeprodduktion auch für Pülpen geeignet sein. In der beschriebenen Verfahrenskette sind Verfahrensschritte für die Vermeidung von Aufkonzentrationen von so genannten Hemmstoffen im Fermentationsprozess nicht vorgesehen. Das Einsatzstoffgemisch wird zunächst eine Stunde lang bei 70°C hygienisiert und danach unter Einsatz von Versäuerungsbakterien hydrolysiert. Das erzeugte Hydrolysat wird anschließend in Methanfermentern behandelt.
• Nach der Beschreibung der angewendeten Technik kommt es zu keinerlei Medien-Rezirkulation, wobei die anfallenden Gärreste entweder unbehandelt düngetechnisch genutzt werden oder in einer eigenen Abwasserbehandlungsanlage zu vorflutfähigem Abwasser und zu einem feststoffreichen Rottestoff aufbereitet werden.
• Die DE 10 2007 004 135 A1 (2007) benennt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Vergärung von Biomassen und soll ausdrücklich auch für die Verwertung von organischen Reststoffen aus dem Brauprozess geeignet sein, wobei es bei einer tatsächlich bestehenden Eignung auch für die Verwertung der feuchten Reststoffe aus der Stärkeproduktion nutzbar sein müsste. Der entwickelte Vorschlag sieht dazu die Nutzung eines dem Anaerob-Fermentersystem nachgeschalteten Stapelbehälters für die anfallenden Gärreste vor, wo dem Gärrest membrantechnisch ein Teil der wässrigen Phase entzogen werden soll, um die verbleibende teilweise entwässerte Substanz in den Fermentationsprozess erneut zurückzuführen. Dieser Vorschlag enthält weder eine Lösung für den Einsatz und die nachhaltige Reproduktion einer adaptierten Kultur für die lignocellulosehaltigen Reststoffe noch Maßnahmen zur Vermeidung von Überfrachtungen der Fermentationsstufe mit Stickstoff- und Schwefelverbindungen, deren Bildung bei Einsatz von in hohem Maße proteinhaltigen Reststoffen aus dem Stärkeproduktionsprozess unvermeidlich ist. Die an sich als hilfreiche Maßnahme vorgesehene mehrfache Behandlung zumindest eines Teils der eingesetzten Feststofffraktion führt mangels gezielter hydrolytischer Behandlungen keinesfalls zu den erforderlichen Energieausbeuten.
• Die DE 20 2008 014 330 U1 (2008) beschreibt eine Vorrichtung zur Energieversorgung einer Brauerei, mit der u. a. Mittel zur Hydrolyse und Vergärung von Brauereireststoffen bezeichnet werden. Eine derartige technische Lösung muss wegen der Ähnlichkeit der anfallenden Reststoffe gleichermaßen für eine Stärkeprodduktionsstätte geeignet sein. Die mit dem erfindungsgemäßen Vorschlag zu lösende Aufgabe besteht allerdings in einer Verbesserung der Energieversorgung. Dies soll in erster Linie mit der Kopplung von verschiedenen Techniken zur Gewinnung von elektrischer und thermischer Energie aus regenerativen Quellen erreicht werden. Der Vorschlag sieht bevorzugt die getrennte Hydrolyse für jeden der verfügbaren Einsatzstoffe vor, ohne Angaben zur Art der Hydrolyse aufzuzeigen.
• Den nach den Hydrolysestufen anfallenden wässrigen Substraten werden anschließend die festen Phasen entzogen und vom weiteren biotechnologischen Prozess ferngehalten. Der Fermentationsstufe sollen nur die vergleichsweise energiearmen feststoffentfrachteten Medien zugeführt werden, ohne einen Hinweis zu geben, wie die in den Gärsubstraten gelösten Stickstoff- und Schwefelverbindungen aus dem Einsatz der proteinreichen Reststoffe vor einer Aufkonzentration im Fermentationsprozess behandelt werden sollen.
• Die DE 10 2008 060 140 A1 (2008) beschreibt ein Biertreberhydrolyseverfahren, das bei entsprechender Eignung prinzipiell wegen der stofflichen Ähnlichkeit des Biertrebers mit den Pülpen aus dem Stärkeproduktionsprozess auch für die Stärkeproduktion geeignet sein müsste. Es sieht vor, die verfügbaren protein- und lignocellulosereichen Reststoffe zunächst mit Abwasser und Schlamm zu vermischen und einem ersten Hydrolyseprozess zuzuführen. Das erzeugte Hydrolysat soll dann in einer Phasentrennung in eine feststoffreiche und in eine feststoffarme Fraktion getrennt werden, wobei die feststoffreiche Fraktion unter Laugeeinsatz einem Feststoffaufschluss unterworfen wird. Das aus dem Laugenaufschluss entstehende Medium wird danach erneut einer Phasentrennung zugeführt und die dabei gewonnene feststoffreiche Fraktion in einem zweiten Hydrolyseprozess erneut einem Laugenaufschluss unterworfen. Nach erneuter Phasentrennung soll die feststoffarme Fraktion einer dritten Hydrolysestufe zugeführt werden, während die feststoffreiche Fraktion gegebenenfalls mit anderen biogenen Reststoffen getrocknet und für eine anschließende Verbrennung kompaktiert wird. Das aus der dritten Hydrolysestufe anfallende Substrat soll schließlich einem Vergärungsprozess zugeführt werden. Eine spezielle Starterkultur, die vorzugsweise aus parallelen Anlagen entnommen oder speziell in Kleinanlagen gezüchtet werden muss, soll bereits in der ersten Hydrolysestufe, die zudem bevorzugt bei 60°C zu betreiben ist, zum Einsatz kommen. Ganz offensichtlich wird von anaeroben Hydrolyseprozessen gesprochen, bei denen die aktiven Bakterienkulturen die erforderlichen Versäuerungsenzyme selbst bilden. Für die mit den Reststoffen eingesetzten Fette, Proteine und Kohlenhydrate wird die hydrolytische Vorbehandlung an sich nicht benötigt, bestenfalls für die beschleunigte Prozessführung in der Fermentationsstufe.
• Das regelmäßige Neutralisieren der mehr oder weniger sauren Hydrolysate aus den einzelnen Hydrolysestufen durch Laugenzugabe führt nicht erkennbar zu dem Ergebnis, dass die insbesondere mit den Reststoffen eingesetzten lignocellulosischen Stoffanteile für den anschließenden Fermentationsprozess aufgeschlossen werden. Diese energiereichen Anteile aus den eingesetzten Reststoffen finden sich mit hoher Sicherheit in der auszuschleusenden feststoffreichen Fraktion nach der zweiten Hydrolysestufe und tragen mit deutlich über 70% Feuchtegehalt nach einer energieaufwendigen Trocknung kaum zum Energiegewinn für den Stärkeproduktionsprozess bei. Selbst bei Verfügbarkeit einer den Hydrolyseprozess unterstützenden Startkultur kann diese bei den genannten Temperaturen von 60°C den Methanisierungsprozess in der nachgeschalteten Fermentationsstufe kaum wirksam unterstützen, weil die dort erforderlichen Mikroorganismen entweder im Temperaturbereich zwischen 30 und 40°C als mesophile Kultur oder im Temperaturbereich zwischen 48 und 55°C als thermophile Kultur bekanntermaßen andere Zusammensetzungen aufweisen.
• Mit der DE 10 2010 005 818 A1 (2010) wird ein energetisch optimiertes Verfahren zum Betreiben einer Bioethanolgewinnungsanlage bekannt gemacht. Ein solches Verfahren gehört insbesondere deshalb zum Suchbereich eines Fachmannes, weil sowohl die Schlempen aus einer Bioethanolgewinnung als auch die Pülpen aus der Stärkeproduktion gleichermaßen wässrige Substrate mit überwiegenden Protein- und Lignocellulosegehalten sind. Im Anfallzustand besitzen die Pülpen einen höheren Trockensubstanzgehalt als die Ethanolschlempen. Der offengelegte Vorschlag macht gemäß der gestellten Aufgabe lediglich Aussagen dazu, dass die im Prozess der Bioethanolgewinnung anfallenden Schlempen einer Methanfermentation zugeführt werden. Dort würden die in den Schlempen enthaltenen gelösten organischen Verbindungen überwiegend zu Biogas umgesetzt und damit die wässrige Phase des Gärrestes wenigstens teilweise für die Substitution des erforderlichen Frischwassers für den Maischeprozess genutzt werden können. Zur Vermeidung einer zusätzlichen Belastung des Maischeprozesses der Ethanolanlage soll dem rückgeführten Gärrest vor dem Wiedereinsatz die feststoffreiche Phase entzogen werden.
• Einer Aufkonzentration von gelöstem Schwefelwasserstoff und Ammonium im rückgeführten Gärrest soll durch entsprechende Abreicherungsschritte vorgebeugt werden. Weitere Hinweise können dem genannten Vorschlag nicht entnommen werden.
• Zusammenfassende Kritik am bekannten Stand der Technik
• Den bisher bekannt gemachten technischen Lösungen haftet der gemeinsame Mangel an, dass eine Monofermentation der biogenen Stärkeprodduktionsreststoffe mit der erforderlichen biotechnologischen Stabilität und ohne beachtliche Zugabe von Verdünnungsstoffen, wie Frisch- oder Abwässer, nicht gewährleistet werden kann. Außerdem sind geeignete Vorschläge für eine wirksame Vorbereitung der energiereichen lignocellulosischen Anteile an den verfügbaren Stärkeproduktionsreststoffen für die Biogasgewinnung bisher nicht offenbart worden. Schließlich ist den bisher veröffentlichten Quellen auch kein nutzbarer Hinweis zu entnehmen, wie den hohen Proteingehalten der Stärkeproduktionsreststoffe und den daraus resultierenden Systembelastungen der als Hemmstoffe für den biotechnologischen Prozess wirkende Stickstoff- und Schwefelverbindungen begegnet werden kann. Folgerichtig hat auch keiner der bisher bekannt gemachten Vorschläge Eingang in die industrielle Stärkeproduktionspraxis finden können.
• Aufgabe der Erfindung
• Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in der Überwindung der Mängel der bekannten technischen Problemlösungen. Insbesondere sollen mit Hilfe der Erfindung bei der Stärkeproduktion technische, logistische, energetische und ökologische Verbesserungen ermöglicht werden, die zu einer nachhaltigen Kostensenkung und zu verbesserten Wettbewerbspositionen führen sollen. Die anzustrebende Unabhängigkeit vom fossilen Energiemarkt einerseits und vom konventionellen Futtermittelmarkt andererseits wird dabei als Voraussetzung für eine stabile und berechenbare Stärkeproduktion betrachtet. Insbesondere soll die ausschließliche stoffliche und energetische Verwertung der in einer Stärkeproduktionsstätte anfallenden biogenen Reststoffe mit hoher energetischer und ökologischer Effizienz möglich sein. Eine hohe Zuverlässigkeit soll durch das Vermeiden von störenden Einflüssen auf den biotechnologischen Prozess gewährleistet werden.
• Beschreibung der Erfindung
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den Lehren aus den Ansprüchen 1 und 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Danach erfolgt die stoffliche und energetische Verwertung biogener Reststoffe von Stärkeproduktionsstätten durch Einsatz dieser Reststoffe in eine Nassfermentation zur Biogasgewinnung. Durch die weitgehende Umwandlung der in den Reststoffen enthaltenen Kohlenstoffverbindungen zu Biogas wird eine beachtliche Aufkonzentration des Nährstoffpotentials, insbesondere in Form von Stickstoff, Phosphor, Kalium und Schwefel, in einer aus den Fermentationsrückständen gewonnenen Düngemittelfraktion bewirkt. Das im Fermentationsprozess gebildete Biogas steht nach einer nahezu vollständigen Entfrachtung von mitgeführtem Schwefelwasserstoff und Wasserdampf für die energetische Verwertung zur Verfügung. Die im Stärkegewinnungsprozess anfallenden biogenen Reststoffe, wie Pülpen, Abfallstärke, Abfallgluten, Filterstäube, Rückstände aus der Reinigung der Einsatzstoffe, wässrige Medien aus der periodischen Anlagenreinigung und/oder Schlämme aus der betrieblichen Abwasserbehandlung, werden im jeweiligen Anfallzustand ohne weitere Vorbehandlung und bei Erfordernis auch ohne Zwischenspeicherung einem Suspendierprozess unterzogen. Durch den Einsatz von qualitativ ähnlichen Zusatzstoffen mit Trockenmassegehalten von wenigstens 25%, beispielweise Getreidereinigungsruckstände u. dgl. und/oder Prozesswässern, wird in der erzeugten Biosuspension ein Trockenmassegehalt zwischen 12 und 18% eingestellt. Die erzeugte Biosuspension wird anschließend einem aeroben Hydrolyseprozess unterzogen. Dabei werden nicht nur die wünschenswerten Versäuerungsprozesse, sondern auch die wenigstens teilweise Spaltung der lignocellulosischen Inhaltsstoffe der Biosuspension erreicht. Das gewonnene Hydrolysat gelangt in ein anaerobes Fermentersystem, das aus wenigstens einem hydraulisch und nur teilweise durchmischten Fermenter besteht. Dieses Fermentersystem ist mit einer anfangs eingesetzten und sich stetig reproduzierenden Spezialkultur ausgestattet. Das in den verwerteten Einsatzstoffen enthaltene Potential an Pflanzennährstoffen als Gemisch aus der festen Phase der Fermentationsrückstände und den in der Hemmstoffentfrachtungsstation gewonnenen Düngemittelkonzentraten mit hohen Gehalten an Ammonium und Schwefelverbindungen werden komplett zurückgewonnen und dem Wirtschaftskreislauf als organischer NPKS-Dünger erneut zugeführt. Das im Fermentationsprozess anfallende Biogas wird entschwefelt, getrocknet und bedarfsweise verdichtet.
• In dieser Qualität wird es bevorzugt zur gekoppelten Gewinnung von elektrischer und thermischer Energie genutzt.
• Damit resultiert die Funktion des vorgeschlagenen Verfahrens sowohl aus der direkten Kopplung an sich bekannter Verfahrensschritte, wie Herstellung einer Biosuspension aus den verfügbaren Reststoffen des Stärkeproduktionsprozesses im jeweiligen Anfallzustand und in den jeweiligen Anfallmengen ohne vorangehende Zwischenstapelung, Zuführung von qualitativ ähnlichen Abfallstoffen aus der Landwirtschaft oder der Lebensmittelindustrie als willkommene Cofermentate, Vorbehandlung der erzeugten Biosuspension in einer auch lignocellulosespaltenden aeroben Hydrolyse, biologische Gasentschwefelung zur Gewinnung einer im Verwertungsprozess benötigten schwefligen Biosäure, als auch aus neuentwickelten Verfahrensschritten. Solche Verfahrensschritte bestehen
• – im Einsatz einer speziellen auf die Verwertung von protein- und lignocellulosereichen Bioabfällen adaptierte Methanbakterienmischkultur,
• – in der Anwendung einer Fermentertechnik mit der Eignung zum uneingeschränkten Erhalt bzw. zur stetigen Reproduktion der eingesetzten Startkultur,
• – in der Rückführung eines Teiles der Fermentationsreste in die Suspensionsstufe, verbunden mit der wiederholten hydrolytischen und fermentativen Behandlung des in den rückgeführten Fermentationsresten enthaltenen biogenen Potentials,
• – in der Schaffung einer zusätzlichen Hemmstoffsenke zur Vermeidung einer Aufkonzentration von Ammonium und Schwefelwasserstoff in den Gärsubstraten auf Werte in der Nähe der toxischen Schwellwerte und
• – in der Nutzung der die entfrachteten Hemmstoffe enthaltenden Waschflüssigkeit der Hemmstoffentfrachtungsstation als flüssiges Düngerkonzentrat.
• In einer bevorzugten Ausführungsform werden wenigstens Anteile der bei der vorgeschalteten Hefefermentation erzeugten Sauermaische in Form von feststoffreichen Presskuchen oder die bei der Ethanoldestillation der Sauermaische anfallenden Schlempen der Biosuspension zugesetzt.
• In einer anderen Ausführungsvariante wird zusätzliches biogenes Potential in Form der Schlammfraktion aus der aeroben und/oder anaeroben Behandlung der Produktionsabwässer der Stärkeproduktionsstätte gewonnen und dem Suspendierprozess zugeführt.
• Dies senkt nicht nur die Abwasserlast der Stärkeproduktionsstätte, sondern führt gleichzeitig zur Minderung der Geruchsemissionen und zur Erhöhung der Gewinnung von regenerativer Energie aus den eigenen biogenen Quellen.
• Eine andere Lösungsvariante sieht vor, den gesamten Prozess dadurch zu stabilisieren, dass der Trockensubstanzgehalt der Biosuspension auf Werte von mehr als 14% erhöht wird. Dafür sollen bevorzugt Zusatzstoffe einer den Reststoffen der Stärkefabrikation ähnlichen Zusammensetzung, wie Malzstäube, Getreidespreu, Mühlenstäube und/oder Bürststäube aus der Getreidereinigung, in den Suspendierprozess eingesetzt werden. Neben der Prozessstabilisierung werden die in den Zusatzstoffen enthaltenen biogenen Potentiale gleichzeitig mit nahezu unverminderter Effizienz für die Gewinnung von Prozessenergie für den Stärkeproduktionsprozess erschlossen.
• Vorteilhafterweise werden als Anteile an den Fermentationsrückständen die bei der mechanischen Phasentrennung der Fermentationsrückstände gewonnenen Biofiltrate als Prozesswässer in den Suspendierprozess zurückgeführt. Wegen der vergleichsweise hohen Zuführungsraten an in den Stärkeproduktionsreststoffen enthaltenen Proteinen ist der biotechnologische Verwertungsprozess der Stärkeproduktionsreststoffe durch überhöhte Ammonium- und Schwefelwasserstoffgehalte in den Gärsubstraten gefährdet, sobald eine erforderliche Konzentrationsverminderung nicht gewährleistet werden kann. Erfindungsgemäß werden hierfür jene Biofiltrate aus den Fermentationsresten genutzt, denen zuvor in einem Hemmstoff-Entfrachtungsprozess Anteile der enthaltenen Stickstoff- und Schwefelverbindungen entzogen wurden. Einerseits werden hierdurch Gefährdungen der Prozessstabilität ausgeschlossen und andererseits die entzogenen Hemmstoffe als wertvolle Pflanzennährstoffe der düngungstechnischen Nutzung zugeführt.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dem Biofiltrat Teile des gelösten Ammoniums und/oder des gelösten Schwefelwasserstoffs in einem Austreiber bei bis auf 65°C erhöhten Temperaturen und bei einem Druck in den überstehenden Wrasen von höchstens 980 mbar zu entziehen. Die im Austreiber entstehenden ammoniak- und/oder schwefelwasserstoffhaltigen Wrasen werden anschließend in einem zwischengeschalteten Wärmetauscher auf Temperaturen von maximal 45°C abgekühlt.
• Die abgekühlten ammoniak- und/oder schwefelwasserstoffhaltigen Wrasen werden nun einem nachgeschalteten Wrasenwäscher in Form eines Rieselkörperapparates zugeführt, wobei als Waschmedium schweflige Biosäure aus der Biogasentschwefelung mit einer Temperatur von maximal 25°C und einem pH-Wert zwischen 1 und 3,5 eingesetzt wird. Im Wäschersumpf erfolgt insbesondere durch das Einbinden von Ammonium in das Waschmedium eine stetige Erhöhung dessen pH-Wertes, wodurch gleichzeitig die Wäschereffizienz gemindert wird. Beim Erreichen des wählbaren oberen Grenzwertes für den zulässigen pH-Wertebereich wird dem Wäschersumpf ein Mengenanteil zwischen 10 und 60% entnommen und als Düngerkonzentrat mit hohen Stickstoff- und Schwefelkonzentrationen verwertet. Die entnommene Menge Waschflüssigkeit wird sodann durch frische schweflige Biosäure aus dem Gasentschwefelungsprozess ersetzt.
• Für die anzustrebende hohe energetische Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der spezielle Hydrolyseprozess wesentlich. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Hydrolyseprozess unter intensiver Vermischung mit Umgebungsluft in einem Rührbehälter bei Temperaturen zwischen 50 und 60°C durchgeführt. Dabei wird dem Hydrolyseprozess Umgebungsluft in einer Größenordnung zwischen 2 und 10 Vol.-% des im gesamten Fermentationsprozess gewonnenen Biogases zugesetzt. Die Dimension des oder der Hydrolysebehälter wird so gewählt, dass eine mittlere Verweilzeit der Biosuspension im Hydrolysebehälter von etwa 2 Tagen eingehalten werden kann. Die hydrolytische Behandlung wird wirksam unterstützt, wenn dem Hydrolyseprozess zwischen 20 und 100% der bei der biologischen Entschwefelung des Biogases anfallenden schwefligen Biosäure zugesetzt wird. Indem auch die bei der Hydrolyse freigesetzten gasförmigen Umsetzungsprodukte im Gassystem verbleiben, dient die dem Hydrolyseprozess zugeführte Umgebungsluft auch der Versorgung der aeroben Schwefelbakterien im Gasentschwefelungsprozess. Geruchsemissionen, insbesondere in Form von bei der Hydrolyse entstehenden Fettsäuredämpfen, werden sicher ausgeschlossen. Es ist möglich, das anfallende Hydrolysegas auf wenigstens 30 mbar zu verdichten und vor der Gasentschwefelungsstation in die zentrale Rohgasleitung einzuleiten. In einer anderen Ausführungsform kann das anfallende Hydrolysegas auf wenigstens 30 mbar verdichtet werden, um es danach der korrosionsfest ausgeführten Nachfermenterstation zuzuführen. Die Überwindung des Druckverlustes der Gasentschwefelungsstation erfordert in diesem Fall keine zusätzliche Gasfördertechnik.
• Die im Hydrolysegas enthaltenen Wasserstoff- und Kohlenmonoxidanteile sowie die zu erwartenden Fettsäuredämpfe werden entweder im anaeroben Gärrestlager und/oder in der Nachfermenterstation in die Biogasbildung eingebunden. Die anfangs als Startkultur für den Fermentationsprozess einzusetzende Methanbakterien-Mischpopulation wird unter Zugabe von überwiegend lignocellulosischen Einsatzstoffen in einer Zuchtstation für mesophile oder thermophile Mischkulturen gewonnen. Für den Fall des nur bei extremen Verletzungen des vorgegebenen Betreibereglementes vorstellbaren so genannten „Umkippen” des Fermentationsprozesses kann unter Inanspruchnahme der Zuchtstation der Fermentationsprozess neu gestartet und ohne spürbare Ertragsminderungen fortgesetzt werden.
• Die vorgeschlagene Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus wenigstens
• – einer Suspendierstation,
• – einer Fermentationsstation für die Methanfermentation,
• – einer Phasentrennstation für die Gärrückstände,
• – einem Biofiltratsvorratstank und
• – einer Gasentschwefelungsstation.
• Erfindungsgemäß steht die Suspendierstation mit einem Lager- und Dosiersystem für trockensubstanzreiche Zusatzstoffe in Verbindung. Weiterhin ist zwischen dem Biofiltratsvorratstank und der Suspendierstation eine Hemmstoffentfrachtungsstation angeordnet. Für die Gasentschwefelung ist ein Gaswäscher bevorzugt in Form eines Rieselkörperapparates angeordnet. Für die Bevorratung der in der Gasentschwefelungsstation gewonnenen schwefligen Biosäure ist zwischen der Gasentschwefelungsstation und der Hemmstoffentfrachtungsstation und/oder der Hydrolysestation ein Biosäurevorratstank angeordnet ist. Schließlich ist zwischen der Suspendierstation und der Fermenterstation eine Hydrolysestation angeordnet. Es ist erfindungswesentlich, dass die Fermentationsstation aus wenigstens einem Hauptfermenter und wenigstens einem nachgeschalteten Nachfermenter besteht.
• Mit dieser Anordnung der Anlagenkomponenten wird erreicht, dass ohne besondere Zerkleinerungs-, Bevorratungs-, Dosier- und zwingende ständige Zuführprozesse für externe Medien, beispielsweise chemische und/oder biotechnologische Additive und/oder Verdünnungsmedien zum Suspendierprozess, ein stabiler stofflicher und energetischer Verwertungsprozess für die anfallenden Braureststoffe aufrecht erhalten werden kann.
• Mit der Unterteilung des Fermentationsprozesses auf eine Haupt- und auf eine Nachfermenterstation, kann auf einfache Weise einem wichtigen Anliegen Rechnung getragen werden. Dieses besteht darin, dass die unausweichlich in wechselnder Zusammensetzung anfallenden Stärkeproduktionsreststoffe zunächst nach vorangegangener Hydrolyse in der Hauptfermenterstation mit einer vergleichsweise robusten mesophilen Kultur behandelt werden. Danach kann die weitere Fermentation der die Hauptfermenterstationn verlassenden Gärsubstrate mit deutlich geringeren Qualitätsunterschieden in den Hauptparametern durch die effizienteren jedoch weniger robusten thermophilen Kulturen erfolgen.
• Für den dauerhaften Erhalt der eingesetzten Startkuktur mit besonderer Eignung für die protein- und lignocellulosereichen Brennereireststoffe ist es erfindungswesentlich, dass wenigstens der oder die Hauptfermenter hydraulisch gemischte und nicht vollständig durchmischte Apparate sind.
• Vorteile der Erfindung
• Die Vorteile der Erfindung bestehen nach den wirtschaftlichen Auswirkungen in erster Linie in der Senkung der Prozessenergiekosten für den Stärkeproduktionsbetrieb. Bei weitgehender Deckung des thermischen Prozessenergiebedarfs aus dem Betrieb von Blockheizkraftwerkstechnik für die energetische Verwertung des gewinnbaren Biogases lassen sich mit dem Verkauf überschüssiger Elektroenergiemengen zusätzliche Umsätze erzielen. In jedem Fall wird eine teilweise oder vollständige Unabhängigkeit des Stärkeproduktionsbetriebes von Preisentwicklungen auf dem Markt für Prozessenergie aus fossilen Quellen erreicht. Die logistische und vertragliche Abhängigkeit von den die anfallenden Pülpen verwertenden Tierproduzenten wird wegen der praktisch unmöglichen Bevorratungsfähigkeit dieser nährstoffreichen und damit extrem infektionsgefährdeten Futtermittel gänzlich vermieden. Die anfallenden festen Fermentationsrückstände aus der Phasentrennung können zur Erzielung zusätzlicher Umsätze als nährstoffreiche organische NPKS-(Stickstoff-Phosphor-Kalium-Schwefel-)Düngemittel verkauft werden. Die vermeidbare Entsorgung von Abfällen, wie Schlämme aus der betrieblichen Abwasserbehandlung oder beladene Filterhilfsmittel, führt zur spürbaren Kostensenkung im Stärkeprodduktionsprozess. Im Falle des Verkaufs von Zertifikaten aus den eingesparten Emissionen an CO₂-Äquivalenten werden zusätzliche Umsätze erzielt.
• Der immissionsschutzrechtlich relevante anlagenbezogene Lastverkehr wird deutlich reduziert. Außerdem können Begegnungsverkehre zwischen Futtermittel- und Abfalltransporten einerseits und Lebensmitteltransporten andererseits sicher vermieden werden. Die aus der Zwischenlagerung und dem Transport von Futtermitteln und biogenen Abfällen resultierenden Geruchsimmissionen lassen sich sicher vermeiden. Die Abwasserlast, die oft ein limitierender Faktor für die mögliche Produktionsausweitung darstellt, kann bei Einleitung in öffentliche Kläranlagen vermindert werden. Schließlich lässt sich der Einsatz von so genannter „grüner” Energie werbewirksam für die Akzeptanz der erzeugten Produkte vorteilhaft vermarkten.
• Ausführungsbeispiel
• Die Erfindung soll nachstehend mit Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der beigefügten Zeichnung zeigen:
• 1 das Verfahrensschema der erfindungsgemäßen technischen Lösung;
• 2 das Verfahrensschema der erfindungsgemäßen technischen Lösung mit einer vorgeschalteten Bioethanolgewinngsstätte zur Verwertung der in den Reststoffen enthaltenen Kohlehydrate;
• 3 das Blockschaltbild zum Zusammenwirken der Anlagenkomponenten beim direkten Einsatz der anfallenden Pülpen in die Suspendierstation;
• 4 das Blockschaltbild zum Zusammenwirken der Anlagenkomponenten beim Einsatz der Festphase aus der Phasentrennung der anfallenden Pülpen in die Suspendierstation;
• Bezugszeichenliste

1

Startkultur

2

Stärkeproduktionsstätte (Lieferant von Ethanolschlempen, Pülpen, Abfallstärke, Abfallgluten, Reststoffen aus der Reinigung der Einsatzstoffe, Filterstauben, organisch belasteten Reinigungsmitteln)

3

Lager für Suspensionszusatzstoffe (Malzstäube, Getreidespreu, Dicksauermaische, Mühlennachprodukte)

4

betriebliche Abwasserbehandlungsanlage (Lieferant von Abwasserschlamm)

5

Hemmstoffentfrachtungsstation

6

Suspendierstation

7

Hydrolysestation

8

Hauptfermenter

9

Nachfermenter

10

Gärrestlager

11

Phasentrennstation

12

Biofiltratvorratstank

13

Düngemittellager

14

Gasentschwefelungsstation

15

Biosäurevorratstank

16

Gasspeicher

17

energetischer Gasverwertungskomplex

• Beispiel 1:
• Gemäß der 1 und 3 werden die verfügbaren biogenen Reststoffe aus einer Stärkeproduktionsstätte 2, insbesondere die Pülpen, die Abfallstärke, das Abfallgluten, die Filterstäube sowie die Schlämme aus der betrieblichen Abwasserbehandlungsanlage 4, entsprechend ihrem Anfall im Stärkeproduktionsprozess überwiegend mittels Rohrleitungstransporten einer Suspendierstation 6 zugeführt. Im Beispiel werden dabei aus
  1 Masseteil Pülpe mit 9% Trockenmasseanteil und 95% organischem Anteil an der Trockenmasse,
  0,01 Masseteilen Reinigungsrückständen aus der Reinigung des eingesetzten Stärkegetreides mit 85% Trockenmasseanteil und 80% organischem Anteil an der Trockenmasse,
  0,0002 Masseteilen Abfallstärke mit 90% Trockenmasseanteil und 98% organischem Anteil an der Trockenmasse,
  0,0002 Masseteilen Abfallgluten mit 30% Trockenmasseanteil und 90% organischem Anteil an der Trockenmasse und
  0,335 Masseteilen eingedickter Schlamm aus der Flotation der anfallenden Biofiltrate, insgesamt
  1,346 Masseteile Biosuspension mit 10,4% Trockenmasseanteil und 92,6% organischem Anteil an der Trockenmasse gewonnen.
• In einem Lager für Suspensionszusatzstoffe 3 werden Zusatzstoffe, wie Malzstäube, Hopfenstäube und/oder Getreidereinigungsrückstände, mit einem mittleren Trockenmassenanteil von wenigstens 85% und wenigstens 80% organischem Anteil an der Trockenmasse bevorratet.
• Im Falle verstärkten Anfalls von Reststofffraktionen aus der Stärkeproduktionsstätte 2 mit geringeren Trockenmasseanteilen wird die bevorzugte Trockenmassekonzentration in der chargenweise herzustellenden Biosuspension zwischen 10 und 12 Masse-% durch Zumischung dieser Zusatzstoffe eingestellt. Die erzeugte Biosuspension wird anschließend in die Hydrolysestation 7 gepumpt und einer aeroben hydrolytischen Behandlung unterzogen. Dabei wird dem Hydrolysetank Umgebungsluft im Umfang von etwa 10%, bezogen auf das zu entschwefelnde Biogasvolumen, zugeführt. Im Hydrolysetank wird über in die Behälterwand integrierte Heizflächen zusätzliche Wärmeenergie zugeführt. Durch die Wirkung der exothermen hydrolytischen Reaktionen und der mittels Heizwasser indirekt dem Hydrolysat zugeführten Wärmeenergie wird in der Hydrolysestation 7 eine Temperatur zwischen 55 und 60°C aufrechterhalten. Die mittlere Verweilzeit der Biosuspension in der Hydrolysestation 7 beträgt wenigstens 2 Tage. Die zugesetzte Umgebungsluft wird oberhalb des Behälterbodens in den Hydrolysetank feinblasig eingepresst. Der Hydrolysetank verfügt weiterhin über ein zentral positioniertes Propellerrührwerk, mit dessen Hilfe im oberen Bereich des Hydrolysetanks nicht nur eine intensive und entgasungsfördernde Turbulenz aufrechterhalten wird, sondern über die erzeugte Trombe auch die austretenden sauerstoffhaltigen Gase wiederholt mit der Biosuspension in Kontakt gebracht werden. Der im Hydrolysetank bewirkte Versäuerungsprozess, der zu einer Absenkung des pH-Wertes der Biosuspension von etwa 7,5 auf weniger als 4 für das die Hydrolysestation 7 verlassende Hydrolysat führt, wird durch den Zusatz der verfügbaren Biosäure unterstützt. Das entstehende sauerstoffhaltige Hydrolysegas wird im Kopf des Hydrolysetanks erfasst, mittels eines Druckerhöhungsgebläses auf etwa 50 mbar verdichtet und in die Rohgasleitung gefördert. Durch den Einsatz von sauerstoffhaltiger Umgebungsluft in den Hydrolyseprozess werden die gegebenenfalls in die Biosuspension eingeschleusten anaeroben Keime so nachhaltig geschädigt, dass die in den Hauptfermentern 8 aktive Methanbakterien-Mischkultur vor einer Verdrängung sicher geschützt bleibt. Das in der Hydrolysestation 7 erzeugte Hydrolysat wird dem Hydrolysetank durch die Dosierpumpenstation entnommen und der Hauptfermenterstation 8 zugeführt. Der Hydrolysetank dient damit auch der Prozessentkopplung zwischen der chargenweisen Herstellung der Biosuspension in der Suspendierstation 6 und der quasikontinuierlichen Beschickung der Hauptfermenter 8. Für die Dosierpumpenstation dient der Hydrolysetank gleichzeitig als Pumpenvorlagebehälter. Mit Hilfe der Dosierpumpenstation erfolgt die so genannte Fütterung der einzelnen Hauptfermenter 8 der Hauptfermenterstation.
• In einem zeitlichen Abstand von vier Stunden wird jedem Fermenter 8 der Hauptfermenterstation je ein Sechstel der vorgesehenen Tagesdosis an Hydrolysat zugeführt. Während der Inbetriebnahme der Verwertungsanlage für die biogenen Reststoffe der Stärkeproduktionsstätte ist die Hauptfermenterstation mit einer Biomasse gefüllt worden, die mit einer mesophilen Startkultur 1 aus einer bereits tätigen Verwertungsanlage für Stärkeproduktionsreststoffe oder aus einem aktiven Fermenterbetrieb für die biotechnologische Verwertung von überwiegend lignocellulosischen Einsatzstoffen, beispielsweise Getreidereinigungsrückständen, Ölsaatenreinigungsrückständen, Brauereiabfälle, Ethanolschlempen und/oder Pülpen aus der Stärkeproduktion, ausgestattet wurde. Die in der Hauptfermenterstation eingesetzten beiden Hauptfermenter 8 sind hydraulisch gemischte Apparate, die im Durchschubprinzip betrieben werden. Sie enthalten drei Bereiche mit unterschiedlichen Beanspruchungen der eingesetzten Biomasse. Ein erster Teilbereich wird in regelmäßigen und wählbaren zeitlichen Abständen strömungsdurchmischt. Ein mittlerer undurchmischter Bereich ist als kurzschlussverhindernder Pfropfen ausgebildet und dient der als Startkultur 1 eingesetzten Biomasse zur ungestörten Reproduktion. Ein dritter Teilbereich befindet sich oberhalb des so genannten Pfropfenbereiches und umfasst den Teil des im Hauptfermenter 8 befindlichen Gärsubstrates, der sich unmittelbar am Ablauf des Fermenters befindet. In diesen Bereich strömt zusätzlich nach dem Erreichen des vollen Mischdruckes das im ersten Bereich gebildete Biogas hinein und führt zu einer intensiven und turbulenten Durchmischung des weitgehend entgasten Gärsubstrates. Zugleich wird das am Ablauf anstehende Gärsubstrat so wirksam fluidisiert, dass die Ausbildung von Schwimmschichten, durch welche die Gasentbindung und/oder der Ablauf des Gärrückstandes behindert werden könnte, sicher vermieden wird. Die jeweils dosierte Hydrolysatcharge gelangt in den ersten Fermenterbereich, in dem das Gärsubstrat jeweils nach Abschluss des Dosiervorganges mittels kurzzeitigen Druckausgleichs zwischen dem Gasraum oberhalb des strömungsdurchmischten Fermenterbereiches von maximal 490 mbar und oberhalb des ungemischten Pfropfenbereiches am Ablauf des Fermenters von 50 mbar durch den damit bewirkten Mischimpuls in eine kreisförmige Strömung versetzt wird. Gleichzeitig wird bei diesem Vorgang ein Teil der unter idealen Bedingungen im undurchmischten Pfropfen wachsenden mesophilen Biomasse in den strömungsdurchmischten Fermenterbereich zurückgefördert.
• Damit wird auch eine besonders keimarme Biomasse, beispielsweise die Pülpe aus einer Stärkeproduktionsstätte, im Fermentationsprozess frühzeitig mit aktiver und bereits adaptierter Methanbakterien-Mischkultur in Kontakt gebracht. Während der Dosierung einer Charge Hydrolysat in den ersten Fermenterbereich wird ein adäquates Volumen Gärsubstrat, vermindert um die Masse des seit der zuvor erfolgten Dosierung in die Fermenterstation entbundenen Biogases, über den Ablauf des Fermenters ausgetragen. Damit kommt es während der gesamten Lebensdauer des Fermenters praktisch zu keiner beachtlichen Änderung des Füllvolumens des Fermenters. Der Ablauf des Gärsubstrates aus den beiden wechselseitig mit Hydrolysat beschickten Hauptfermentern 8 gelangt nun zur Nachbehandlung in den Nachfermenter 9 der Nachfermenterstation. Der Nachfermenter 9 ist ähnlich der Hauptfermenter 8 konstruiert. Allerdings weist er zwei Besonderheiten auf:
  Erstens wird er mit einem maximalen Mischdruck von 420 mbar betrieben, womit für die Strömungsdurchmischung des ersten Fermenterbereiches im Nachfermenter 9 nur eine um etwa 15% verminderte Mischenergie zur Verfügung steht. Dies ist unter Beachtung der in der Hauptfermenterstation bereits erfolgten Reduzierung des Trockenmassegehaltes des Gärsubstrates unproblematisch. Jedoch kann damit der Ablauf des Gärsubstrates aus den Hauptfermentern 8 praktisch zu jedem Zeitpunkt in den Nachfermenter 9 gelangen. Zweitens ist nach dem Passieren der Hauptfermenterstation das Gärsubstrat hinsichtlich der enthaltenen biogenen Anteile soweit vergleichmäßigt, dass der Nachfermenter 9 stabil mit einer adaptierten thermophilen Bakterienkultur betrieben werden kann, ohne die weniger robusten thermophilen Keime durch stark wechselnde Qualitäten des Gärsubstrates zu überfordern. Mit dieser Anordnung von hintereinander geschalteten anaeroben Behandlungsschritten mittels mesophiler und thermophiler Bakterienkulturen wird der wechselnden Zusammensetzung der in der Stärkeproduktionsstätte 2 anfallenden biogenen Reststoffe ohne Inkaufnahme der Gefahr einer Überlastung des biotechnologischen Systems Rechnung getragen. Gleichzeitig wird wegen der zu gewährleistenden Mindestaufenthaltszeit des Gärsubstrates in der Nachfermenterstation bei Temperaturen für thermophile Bakterienkulturen den Anforderungen für eine wirksame Hygienisierung von biogenen Abfallstoffen entsprochen, wenn diese nach der biotechnologischen Behandlung beispielsweise als organische Düngemittel in den Verkehr gebracht werden sollen. Der Nachfermenterstation ist ein Gärrestlager 10 nachgeschaltet, das in erster Linie zur Entkopplung der 9 Prozessstufen Fermentation und Phasentrennung dient.
• Das Gärrestlager 10 ist mit einem Doppelmembrangasspeicher abgedeckt, so dass dem Gärrückstand noch entweichende Restgasmengen zusätzlich aufgefangen werden. Die dem Gärrestlager 10 nachgeordnete Phasentrennstation 11 wird zur Gewinnung einer feststoffreichen Fraktion aus dem Gärrückstand genutzt, wobei diese Fraktion direkt als nährstoffreiches organisches NPKS-Düngemittel dem Düngemittellager 13 zugeführt wird. Das parallel dazu als feststoffarme Fraktion anfallende Biofiltrat gelangt in den Biofiltratvorratstank 12, der auch zur Entkopplung der Prozessstufen Phasentrennung und Hemmstoffentfrachtung dient. Aus dem Biofiltratvorratstank 12 kann das Biofiltrat zunächst wahlweise als organischer NPKS-Flüssigdünger für den Einsatz in der Landwirtschaft oder als Flüssigkomponente zur Herstellung einer geeigneten Biosuspension in der Suspendierstation 6 entnommen werden. Außerdem besteht damit die Möglichkeit des Einsatzes von Biofiltraten in der Suspendierstation 6, die von Stickstoff- und Schwefelverbindungen abgereichert wurden, wenn dies zur Vermeidung von Anreicherungen toxisch wirkender Konzentrationen von Ammonium und/oder Schwefelwasserstoff im Gärsubstrat erforderlich ist. In diesem Fall gelangt das dem Biofiltratvorratstank 12 entnommene Biofiltrat erst nach Durchlaufen der Hemmstoffentfrachtungsstation 5 in den biotechnologischen Behandlungsprozess zurück. Alternativ dazu wird aus dem Biofiltratvorratstank 12 eine Flotationsstation als Teil der Biofiltratbehandlung bis zur Vorflutqualität beschickt. Schließlich dient der Biofiltratvorratstank 12 auch als Vorlagebehälter für die Biofiltratpumpenstation. Die den Fermenter 8, 9 entweichenden Biogase gelangen mit dem Eigendruck der Gase in den Fermenter über Druckminderungsventile in die Rohgasleitung, die mit einem absoluten Druck von etwa 1.050 mbar betrieben wird. In diese Rohgasleitung gelangt auch das in der Hydrolysestation 7 entstehende Hydrolysegas, das neben der dort zur Stimulierung des aeroben Hydrolyseprozesses zugeführten Umgebungsluft auch die Gase aus der aeroben Behandlung der eingesetzten Biosuspension sowie Dämpfe der entstandenen kurzkettigen Fettsäuren enthält. Dieses so genannte Hydrolysegas wird vom Hydrolysereaktor abgesaugt und vor der Einleitung in die Rohgasleitung auf einen absoluten Druck von wenigstens 1.050 mbar verdichtet. Diese Vorgehensweise erlaubt es, die Fermenter 8, 9 der Haupt- und Nachfermenterstation als Stahlblechkonstruktionen aus unkonserviertem Baustahl zu nutzen. Das sauerstoffhaltige Mischgas in der Rohgasleitung durchströmt zunächst die als Rieselkörperapparat ausgebildete Gasentschwefelungsstation 14, die im bestimmungsgemäßen Betrieb einen Druckverlust in Höhe von etwa 40 mbar aufweist.
• Aus der Gasentschwefelungsstation gelangt schließlich das Biogas in den der Gasentschwefelungsstation 14 nachgeschalteten Doppelmembrangasspeicher 16, der mit einem absoluten Stützdruck der Witterungsschutzmembran in Höhe von 1.008 mbar betrieben wird. Das entschwefelte Gas wird bei Bedarf mit einem Druck von 1.008 mbar dem Gasspeicher 16 entnommen, nach Durchlaufen einer Gastrocknungsstation verdichtet und einem energetischen Gasverwertungskomplex 17, im Ausführungsbeispiel einem Blockheizkraftwerk, zugeführt. Die in der Gasentschwefelungsstation eingesetzte Nährlösung für die auf den Rieselkörpern angesiedelten Schwefelbakterien wird als Sumpfprodukt ständig zum Kopf des Rieselkörperapparates zurückgepumpt und erfährt beim Passieren der Rieselkörperpackung eine stetige Absenkung des pH-Wertes bis auf Werte von weniger als pH = 2,0. Anteile der Nährlösung werden dem Apparatesumpf chargenweise entnommen, wenn der pH-Wert eine Größe zwischen 1,5 und 2,0 erreicht hat. Die entnommene Charge gelangt als Biosäure in den Biosäurevorratstank 15 und steht dort für den Wrasenwäscher der Hemmstoffentfrachtungsstation 5 als Waschflüssigkeit zur Verfügung. Zusätzliche Vorräte an Biosäure werden der Hydrolysestation 7 zur Förderung der Versäuerung der dort eingesetzten Biosuspension zugeführt. Im Ausführungsbeispiel wird aus der erzeugten Biosuspension je t eingesetzte Pülpe Biogas mit einem Energieinhalt von 665 kWh gewonnen.
• Beispiel 2:
• Gemäß der 1 und 4 besteht eine Anordnung zur stofflichen und energetischen Verwertung von biogenen Reststoffen einer Stärkeproduktionsstätte 2 für die Gewinnung von energiereichem Biogas mit einer Heizleistung von 17 MW_th. aus einem Lager für Suspensionszusatzstoffe 3, das vorzugsweise als pneumatisch beschickbares Hochsilo für eine Füllmasse von 100 t ausgebildet ist. Aus der betrieblichen Abwasserbehandlungsanlage 4 wird täglich ohne Zwischenpufferung Abwasserschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von ca. 28% im Umfang von 1 t mittels Schneckenförderer zur Suspendierstation 6 gefördert. Von den täglich anfallenden Stärkeproduktionsreststoffen werden der Suspendierstation 6 etwa 207 t Presskuchen aus der Phasentrennung der anfallenden Pülpe mit einem Trockensubstanzgehalt von 30%, 165 kg Abfallstärke mit einem Trockensubstanzgehalt von 90% und 137 kg Abfallgluten mit einem Trockensubstanzgehalt von 30% sowie 7,7 t Rückstände aus Reinigung des eingesetzten Stärkegetreides mit einem trockensubstanzgehalt von 85% zugeführt.
• Zusätzlich gelangen in die Suspendierstation 6 täglich 19,5 t eingedickter Flotatschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt von 12,2% aus der Entfernung von Schwebstoffen der überschüssigen Biofiltratmengen mittels Druckentspannungsflotation. Daraus wird in der Suspendierstation 6 unter Einsatz von täglich 240 m³ Biofiltrat aus der Phasentrennung der Gärreste insgesamt eine Biosuspensionsmenge von 475 t/d mit einem mittleren Trockensubstanzgehalt von 15% hergestellt. Die Suspendierstation 6 besteht aus einem Rührbehälter aus Stahlbeton mit einem Nutzvolumen von 1.000 m³, dem täglich bis zu 500 m³ Biosuspension entnommen und der Hydrolysestation 7 zugeführt werden. Die Hydrolysestation 7 besteht aus einem belüftungsfähigen Rührbehälter aus Edelstahl, dem in Abhängigkeit vom Gasanfall in der Fermentation 8, 9 wählbare Mengen an Umgebungsluft zugeführt werden. Der Nutzinhalt der Hydrolysestation 7 beträgt 1.000 m³. Der Hydrolysestation 7 werden täglich in mehreren Dosiseinheiten Hydrolysatmengen von bis zu 470 m³ entnommen und alternierend vier parallel betriebenen Hauptfermentern 8 der Hauptfermenterstation zugeführt. Bei den Hauptfermentern 8 es sich um teilweise und hydraulisch gemischte Apparate mit Nutzvolumina von 6.000 m³, die aus unkonserviertem Stahlblech gefertigt sind. In den Hauptfermentern 8 wurde vor der Betriebsaufnahme eine mesophile Startkultur 1 aus einer bereits bestehenden Fermentationsanlage zur stofflichen und energetischen Verwertung von überwiegend lignocellulosische Einsatzstoffen vorgelegt. Bei der Dosierung von Hydrolysat aus der Hydrolysestation 7 in die vier Hauptfermenter 8 werden jeweils Gärsubstratmengen aus den Hauptfermentern 8 ausgetragen. Diese Gärsubstratmengen gelangen unmittelbar in den Nachfermenter 9 der Nachfermenterstation. Der Nachfermenter 9 ist wie die Hauptfermenter 8 konstruiert, weist ein Nutzvolumen von ebenfalls 6.000 m³ auf und besitzt in die Behälterwand integrierte Heizflächen, mit denen im Nachfermenter 9 Medientemperaturen zwischen 52 und 57°C aufrechterhalten werden können. Bei jeder Beschickung des Nachfermenters 9 wird Fermentationsrest aus dem Nachfermenter 9 in das Gärrestlager 10 ausgetragen. Das Gärrestlager 10 ist ein unbeheizter offener Rührbehälter aus Stahlblech mit einem Nutzvolumen von 10.000 m³. Dieser ist mit einem Gasspeicher 16 abgedeckt, der eine maximale Speicherkapazität von ebenfalls 10.000 m³ besitzt. Damit wird bei Aufrechterhaltung eines mittleren Füllstandes des Gasspeichers 16 eine solche Prozessentkopplung gewährleistet, die Störungen in der nachgeschalteten Gasaufbereitung und im energetischen Gasverwertungskomplex 17 von bis zu 2 Stunden überbrückt.
• Die Sicherheitseinrichtung in Form der Fackelanlage mit einer thermischen Leistung von 17 MW muss dabei noch nicht in Anspruch genommen werden. Das Gärrestlager 10 dient sowohl der Restentgasung der aus den Fermentern 8, 9 der Haupt- und Nachfermenterstationen ausgetragenen Fermentationsreste als auch der Entkopplung von Fermentationsstation und Gärrestaufbereitung. Zur Gewinnung einer nährstoffreichen Düngemittelfraktion wird Gärrest dem Gärrestlager 10 entnommen und einer Phasentrennstation 11 zugeführt. Dort erfolgt mittels Pressschneckenseparatoren und Dekantern die Trennung der Fermentationsreste in Presskuchen mit Trockensubstanzgehalten von im Mittel 30% und Biofiltrat. Während der Presskuchen als hochwertiges Düngemittel in das Düngemittellager 13 mit einem Schüttgutaufnahmevermögen von 2.000 m³ für eine etwa 20-tägige Zwischenstapelung eingetragen wird, gelangt das anfallende Biofiltrat in den geschlossenen Biofiltratvorratstank 12 aus Stahlbeton mit einem Nutzvolumen von 2.000 m³. Die nicht für den Wiedereinsatz in den Fermentationsprozess benötigten Biofiltratmengen werden mit Hilfe eines Prozessverbundes von Flotation, UASB-Fermentation, Nitrifikation und Denitrifikation zu vorflutfähigem Abwasser aufbereitet. Das in der Hydrolysestation 7 anfallende Gas-/Säuredampfgemisch wird auf etwa 50 mbar Überdruck verdichtet und der Rohgasleitung zugeführt. Aus den Fermentern 8, 9 der Haupt- und Nachfermenterstation gelangt das dort entstehende Gas mittels Eigendruck ebenfalls in die Rohgasleitung. Zwischen der Rohgasleitung und dem Gasspeicher 16 ist die Gasentschwefelungsstation 14 für einen Rohgasstrom von etwa 2.500 m³/h angeordnet. Das verbrauchte Sumpfprodukt der als Rieselkörperapparat ausgebildeten Gasentschwefelungsstation 14 wird als Biosäure ausgetragen und im Biosäurevorratstank 15 mit einem Nutzvolumen von 100 m³ zwischengespeichert. Die Biosäure dient in erster Linie zur Versorgung der Hemmstoffentfrachtungsstation 5 mit Flüssigkeit für den Wrasenwäscher und darüber hinaus zur Unterstützung der hydrolytischen Behandlung der Biosuspension in der Hydrolysestation 7.
• Beispiel 3:
• Gemäß der 2 wird eine Anlage zur stofflichen und energetischen Verwertung von biogenen Reststoffen einer Stärkefabrikation zunächst aus einer in konventioneller Bauweise gestalteten Anlage zur Bioethanolgewinnung aus den anfallenden Pülpen, den Filterstäuben und der Abfallstärke, die jeweils im Anfallzustand eingesetzt werden.
• Diese Anlage besteht unter Vernachlässigung unverzichtbarer Nebenanlagen im Wesentlichen aus einer Maische- und Verzuckerungsstation, aus einer Hefefermentation und aus einer Destillationsstation. Die anfallenden protein- und lignocellulosereichen Ethanolschlempen werden anschließend einer Anlage zugeführt, die alle Komponenten enthält wie sie qualitativ im Beispiel 1 beschrieben wurden.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 3627253 C2 [0004]
• DE 4000834 C2 [0006]
• DE 4226087 A1 [0008]
• DE 19613397 C2 [0010]
• DE 19615551 C2 [0011]
• DE 102004030482 B4 [0014]
• DE 102007004135 A1 [0017]
• DE 202008014330 U1 [0018]
• DE 102008060140 A1 [0020]
• DE 102010005818 A1 [0022]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• Brauerei-Forum, Ausgabe 9/2006, unter dem Titel „Treber vergären zu Biogas” [0015]

Claims (15)

1. Verfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung biogener Reststoffe von Anlagen der Stärkeproduktion durch Einsatz der Reststoffe in eine Nassfermentation, durch Konzentration des gesamten Nährstoffpotentials in Form von Stickstoff, Phosphor, Kalium und Schwefel in einer aus den Fermentationsrückständen gewonnenen Düngemittelfraktion, und durch Bereitstellung des entschwefelten Biogases für die energetische Verwertung, dadurch gekennzeichnet, dass als Nassfermentation die Hefefermentation zur Bioethanolgewinnung und/oder die Methanfermentation zur Biogasgewinnung genutzt werden, dass die anfallenden biogenen Reststoffe aus dem Stärkeproduktionsprozess, wie Pülpen, Abfallstärke, Abfallgluten, Rückstände aus der Reinigung der Einsatzstoffe, Schlempen aus der vorgeschalteten Ethanoldestillation, Filterstäube, wässrige Medien aus der periodischen Anlagenreinigung und/oder Schlämme aus der betrieblichen Abwasserbehandlung, einem Suspendierprozess unterzogen werden, dass unter Einsatz von Zusatzstoffen mit Trockenmassegehalten von wenigstens 25% in der Biosuspension ein Trockenmassegehalt zwischen 12 und 18% eingestellt wird, dass die erzeugte Biosuspension einem aeroben Hydrolyseprozess unterzogen wird, dass das aus der Biosuspension erzeugte Hydrolysat einem anaeroben Fermentersystem aus wenigstens einem hydraulisch und teilweise durchmischtem Fermenter mit anfangs eingesetzter und sich stetig reproduzierender Spezialkultur zugeführt wird, dass das in den verwerteten Einsatzstoffen enthaltene Potential an Pflanzennährstoffen als Gemisch aus der festen Phase der Fermentationsrückstände und den aus der Hemmstoffentfrachtung der Biofiltrate resultierenden flüssigen Waschmedien mit hohen Gehalten an Ammonium und Schwefelverbindungen gewonnen wird und dass das entschwefelte, getrocknete und verdichtete Biogas zur gekoppelten Gewinnung von elektrischer und thermischer Prozessenergie genutzt wird.
2. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens Anteile der bei der Hefefermentation erzeugten Sauermaische in Form von feststoffreichen Presskuchen der Biosuspension zugefügt werden.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Produktionsabwässern der Stärkeproduktionsstätte vor oder nach einer aeroben und/oder anaeroben Behandlung eine Schlammfraktion als zusätzliche biogene Reststofffraktion gewonnen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzstoffe bevorzugt Getreidespreu, Mühlenstäube und/oder Bürststäube aus der Getreidereinigung in den Suspendierprozess eingesetzt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozesswasser Biofiltrate aus der mechanischen Phasentrennung der anfallenden Fermentationsrückstände in den Suspendierprozess eingesetzt werden.
6. Verfahren nach dem Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass den Biofiltraten vor dem Einsatz in den Suspendierprozess zur Vermeidung von den Fermentationsprozess hemmenden Konzentrationen toxisch wirkender Inhaltsstoffe Ammonium und/oder Schwefelwasserstoff entzogen werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Biofiltrat Teile des gelösten Ammoniums und/oder des gelösten Schwefelwasserstoffs in einem Austreiber bei bis auf 65°C erhöhten Temperaturen und bei einem absoluten Druck in den überstehenden Wrasen von höchstens 980 mbar entzogen werden, dass die ammoniak- und/oder schwefelwasserstoffhaltigen Wrasen des Austreibers in einem zwischengeschalteten Wärmetauscher auf Temperaturen von maximal 45°C abgekühlt werden, dass die abgekühlten ammoniak- und/oder schwefelwasserstoffhaltigen Wrasen einem nachgeschalteten Wrasenwäscher in Form eines Rieselkörperapparates zugeführt werden, wobei als Waschmedium schweflige Biosäure aus der Biogasentschwefelung mit einer Temperatur von maximal 25°C und einem pH-Wert zwischen 1 und 3,5 eingesetzt wird und dass dem Wäschersumpf bei Erreichen des oberen pH-Grenzwertes zwischen 10 und 60 Masse-% als Düngerkonzentrat mit hohen Stickstoff- und/oder Schwefelkonzentrationen entzogen und durch frische schweflige Biosäure ersetzt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydrolyseprozess unter intensiver Vermischung mit Umgebungsluft in einem Rührbehälter bei Temperaturen zwischen 50 und 60°C durchgeführt wird, dass dem Hydrolyseprozess Umgebungsluft in einer Größenordnung zwischen 2 und 10 Vol.-% des im gesamten Fermentationsprozess gewonnenen Biogases zugesetzt wird, dass eine mittlere Verweilzeit der Biosuspension im Hydrolysebehälter von etwa 2 Tagen eingehalten wird und dass dem Hydrolyseprozess zwischen 20 und 100% der bei der biologischen Entschwefelung des Biogases anfallenden schwefligen Biosäure zugesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das anfallende Hydrolysegas auf wenigstens 30 mbar verdichtet und vor der Gasentschwefelungsstation in die zentrale Rohgasleitung eingeleitet wird oder dass das anfallende Hydrolysegas auf wenigstens 30 mbar verdichtet und in die korrosionsfest ausgeführte Nachfermenterstation eingeleitet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spezialkultur für den Fermentationsprozess als Startkultur eingesetzt und unter Zugabe von überwiegend lignocellulosischen Einsatzstoffen in einer Zuchtstation für mesophile oder thermophile Mischkulturen gewonnen wird.
11. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1, bestehend aus wenigstens einer Suspendierstation (6), einer Fermentationsstation für die Methanfermentation (8, 9), einer Phasentrennstation (11) für die Gärrückstände, einem Biofiltratsvorratstank (12), einer Gasentschwefelungsstation (14), dadurch gekennzeichnet, dass die Suspendierstation (6) mit einem Lager- und Dosiersystem für trockensubstanzreiche Zusatzstoffe in Verbindung steht, dass zwischen dem Biofiltratsvorratstank (12) und der Suspendierstation (6) eine Hemmstoffentfrachtungsstation (5) angeordnet ist, dass als Gasentschwefelungsstation (14) ein Gaswäscher bevorzugt in Form eines Rieselkörperapparates angeordnet ist, dass für die Bevorratung der in der Gasentschwefelungsstation (14) gewonnenen schwefligen Biosäure zwischen der Gasentschwefelungsstation (14) und der Hemmstoffentfrachtungsstation (5) und/oder der Hydrolysestation (7) ein Biosäurevorratstank (15) angeordnet ist, dass zwischen der Suspendierstation (6) und der Fermenterstation (8, 9) eine Hydrolysestation (7) angeordnet ist und dass die Fermenterstation (8, 9) aus wenigstens einem Hauptfermenter (8) und wenigstens einem nachgeschalteten Nachfermenter (9) besteht.
12. Anordnung nach dem Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass den Anlagenkomponenten eine Anlage zur Bioethanolgewinnung aus dem in den Pülpen, der Abfallstärke und Filterstäuben enthaltenen Inventar an Kohlehydraten vorgeschaltet ist.
13. Anordnung nach dem Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der oder die Hauptfermenter (8) hydraulisch gemischte, jedoch nicht vollständig durchmischte, Apparate sind.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachfermenter (9) als batchweise betriebene und beheizte Rührbehälter ausgeführt sind.
15. Anordnung nach dem Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hauptfermentern (8) und in den nachgeschalteten Nachfermentern (9) unterschiedliche Methanbakterien-Mischkulturen eingesetzt sind,

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