DE102014001910A1 - Process for the material and energetic utilization of biogenic residues of potato processing and arrangement for carrying out the process - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung biogener Reststoffe von Anlagen der Kartoffelverarbeitung 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 Verarbeitungsprozess von stärkehaltigen Wurzelfrüchten, wie Kartoffeln, Süßkartoffeln, Maniok, Tapioka, Cassava, in Form von Schälmassen, stärkehaltigen Weißwässern, Rückständen aus der Reinigung der Einsatzstoffe, Schlempen aus der vorgeschalteten Ethanoldestillation, wässrigen Medien aus der periodischen Anlagenreinigung und/oder Schlämmen gewonnen werden, dass die verfügbaren Reststoffe 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.Process for the material and energy recovery of biogenic residues from potato processing plants by using the residues in a wet fermentation, by concentrating the total nutrient potential in the form of nitrogen, phosphorus, potassium and sulfur in a fertilizer fraction obtained from the fermentation residues, and by providing the desulfurized biogas for the energetic utilization, characterized in that are used as wet fermentation Hefefermentation for bioethanol production and / or methane fermentation for biogas production, that the resulting biogenic residues from the processing of starchy root crops, such as potatoes, sweet potatoes, cassava, tapioca, cassava, in the form of Peelings, starchy white waters, residues from the purification of feedstocks, sludge from the upstream ethanol distillation, aqueous media from the periodic plant cleaning and / or Sch lambing, that the available residues are subjected to a suspending process that is set using additives with dry matter contents of at least 25% in the biosuspension, a dry matter content between 12 and 18%, that the biosuspension produced is subjected to an aerobic hydrolysis process that the biosuspension hydrolyzate produced an anaerobic fermenter system from at least one hydraulically and partially mixed fermenter with initially used and constantly reproducing special culture is supplied that contained in the recovered feedstock potential of plant nutrients as a mixture of the solid phase of the fermentation residues and from the Hemmstoffentfrachtung the Biofiltrate resulting liquid washing media is obtained with high levels of ammonium and sulfur compounds and that the desulfurized, dried and compressed biogas for the coupled production of electrical shear and thermal process energy is used.
Description
Anwendungsgebietfield of use
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung biogener Reststoffe der Kartoffelverarbeitung 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 Kartoffelverarbeitungsindustrie benötigt.The invention relates to a method for the material and energetic utilization of biogenic residues of potato processing and an arrangement for carrying out the method. Such a technical solution is needed to increase the security of disposal, to reduce costs, to reduce emissions and to increase the independence of the fossil energy supply in the potato processing industry.
Stand der TechnikState of the art
Moderne Produktionsstätten zur Verarbeitung von Kartoffeln, Maniok, Tapioka, Cassava und ähnlichen stärkehaltigen Knollenfrüchten werden weltweit mit ähnlicher Verfahrenstechnik betrieben. Das größte Potential an organischer und damit energiereicher Biomasse stellt im gesamten Reststoffspektrum einer Kartoffelverarbeitungsstätte die anfallende Schälmasse dar. Im getrockneten Zustand ist dieser Reststoff ein gut vertragliches, 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 die Schälmasse 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. Es sind Beispiele bekannt, bei denen zur Vermeidung von Abhängigkeiten von standortnahen Tierzüchtern die anfallenden Reststoffe als Bodenverbesserungsmittel auf landwirtschaftlichen Nutzflächen ausgebracht werden. Zur Vermeidung der Schädigung des Bodenlebens müssen wegen der möglichen Verkrustung der Bodenoberfläche infolge der Stärkegehalte die ausgebrachten Reststoffe unverzüglich in die Kulturschicht eingearbeitet werden. Parallel hierzu wird die Kartoffelverarbeitung in beachtlichem Umfang durch steigende Energiepreise belastet.Modern production facilities for the processing of potatoes, cassava, tapioca, cassava and similar starchy tubers are operated worldwide with similar process technology. The largest potential of organic and thus high-energy biomass is the entire residue spectrum of a potato processing plant accumulating pest. When dried, this residue is a well-contractual, high-energy, protein-containing and storable animal feed, but in view of rising energy prices barely with alternative protein feed, such as soybean meal or rapeseed cake, can compete. In wet conditions, the peel is used in most cases as a supplementary feed. It is accepted that because of the risk of infection of this excellent microbial soil there is a strong dependency on the decreasing livestock breeders and on a reliably functioning transport logistics. The organic residues not suitable for animal feed must generally be disposed of as waste, although they also have considerable energy potential and plant nutrient content. Examples are known in which, in order to avoid dependencies of animal breeders close to the location, the resulting residues are applied to farmland as soil improvers. In order to avoid damage to the soil life, because of the possible crusting of the soil surface due to the starch contents, the applied residues must be incorporated immediately into the culture layer. At the same time, potato processing is burdened to a considerable extent by rising energy prices.
Auch deshalb besteht wegen des Wettbewerbsdruckes in der Branche bei den Betreibern von Kartoffelverarbeitungsstätten ein ausgeprägtes Interesse. 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 SKartoffelverarbeitung 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 22% trockener Biomasse in den feuchten Schälmassen Biogas mit einem Heizwert von wenigstens 1.140 kWh/t, davon wenigstens 450 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 Kartoffelverarbeitungsstätte geleistet werden können. Die Besonderheiten der biogenen Reststoffe aus der industriellen Kartoffelverarbeitung 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.This is another reason why the operators of potato processing plants are very interested in the industry because of the competitive pressure in the industry. Despite this situation, no example has been made so far in industrial practice, according to which the predominantly moist biogenic residues from the SKA processing would be a material and energy recovery would have been supplied. From a material and energetic utilization of the accumulating residues could be spoken, if waiving the thermal drying by wet fermentation in addition to the complete receipt of plant nutrients from the at least 22% dry biomass in the wet peelings biogas with a calorific value of at least 1,140 kWh / t, of which at least 450 kWh / t electrical energy would be gained. Known technical solutions are limited to the utilization of biological sludges from wastewater treatment by means of methane fermentation, whereby only comparatively small amounts of the actually available potential are used. Both the practically uninterrupted residual materials and the almost constant energy demand for electric energy, thermal energy and cooling energy, as well as motor fuels form almost ideal conditions for the use of methane fermentation for energy production from renewable sources and concurrent utilization of the resulting fermentation residues for fertilizer production. Therefore, there has been no lack of attempts to further develop the state of the art that, using the biogenic residues in particular contributions to reduce the fossil energy needs of a potato processing plant can be made. The peculiarities of the biogenic residues from the industrial potato processing consist in the fine graininess and in the continuity of the seizure of these residues. The barriers to the use of these residues in biotechnological recycling plants obviously include the considerable contents of proteins and / or raw fibers, which are supposed to counter monofermentation, whether in the context of yeast fermentation for ethanol production or methane fermentation for biogas production.
Die
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 Kartoffelverarbeitung ist mangels dafür verfügbarer adaptierter Methanbakterienkulturen und mangels kulturerhaltender Fermentationstechnik für die offenbarte technische Lösung nicht gegeben. However, the solution described gives no indication of the treatment of the resulting hydrolysis gases, which are known to also contain fatty acid vapors from the aerobic decomposition of selected phases of the registered biostats. The discharged from the hydrolysis substrate return to a part without further pretreatment in the hydrolysis. The remaining solids-rich phases are separated after several intermediate treatments of remaining undissolved constituents and removed from the further fermentative treatment. The alleged suitability for the utilization of known solid-high production residues from the potato processing is not given for lack of available adapted Methanbakterienkulturen and lack of culture-preserving fermentation technology for the disclosed technical solution.
Weiterhin wird mit der
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 Kartoffelverarbeitungsreststoffen 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 Schälmassen aus der Kartoffelverarbeitung protein- und damit stickstoff- und schwefelreiche Substrate in den Fermentationsprozess eingeführt werden.Thus, it is generally known that it is fundamentally not possible to obtain sufficiently stable available, in completely mixed fermenters, a special bacterial culture suitable for the utilization of the lignocellulosic and protein-rich starting materials. However, the acknowledged requirement of prehydrolysis of biosuspensions with potato processing residues can only be met by enzyme addition or by anaerobic treatment if additive costs are not an issue, or if large volume additional anaerobic systems are available. In the proposed technical solution, the aerobic nitrogen reduction of the digestate after the multi-stage fermentation process is used exclusively for the recovery of low-polluted wastewater at the expense of recycling the reduced nitrogen load into the atmosphere. On the other hand, eluates from individual fermentation stages should be recycled to other fermentation stages to control optimal C-N-P ratios in the respective fermentation substrates. Thus, a key condition for maintaining a sustainable fermentation process is ignored, according to which delousing the closed fermentation system of nitrogen and sulfur compounds to avoid the formation of toxic concentrations of these compounds in the fermentation substrate is indispensable. This is especially remarkable, because in the form of the peelings from the potato processing protein and thus nitrogen and sulfur rich substrates are introduced into the fermentation process.
Die
Weder kann mit den vorgeschlagenen Prozeduren der tatsächliche und zeitlich gegebenenfalls auch wechselnde Reststoffstrom einer Kartoffelverarbeitungsstätte 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 Schälmassen aus der Kartoffelverarbeitung zugeführt werden sollen.Neither can be effectively treated with the proposed procedures, the actual and temporally possibly changing residual flow of a potato processing plant because of the required pH control, still stands before the methanization of the anaerobic process rejectable solids fraction available for further energy use. In addition, any preconditions for limiting the levels of nitrogen and sulfur compounds in the fermentation substrate to concentrations below the toxicity threshold are lacking if the system is to be supplied with high-protein potato peelings.
Die
Mit der
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 Einbringens von Luft zu einer Schwimm-Sink-Trennung und zur Austreibung von Schwefelwasserstoff kommen. Nun wird die anfallende Flüssigphase mit den enthaltenden organischen Sauren 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 offensichtlich für die Beseitigung biogener Abfallstoffe konzipiert und aus mehreren Gründen nicht für die effiziente stoffliche und energetische Verwertung von Reststoffen der Kartoffelverarbeitung 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 Kartoffelverarbeitung unerlässlich sind.For this purpose, the feed should first be freed of non-biodegradable by-products by screening and metal deposition and processed by post-shredding. Thereafter, the incipient acidification should be intensified by intermediate buffering of the fermentation substrate to be treated in a prehydrolysis tank. For the purpose of increasing the attack surfaces for the microorganisms is intended to effect the dissolution of the cell structures by ultrasonic treatment. This is followed by the production of a biosuspension by mixing the fermentation substrate with process water containing active biomass in a static mixer. Now, the biosuspension produced at temperatures for the mesophilic degradation process with the addition of air is subjected to an aerobic hydrolysis treatment. It should come despite the introduction of air to a sink-float separation and the expulsion of hydrogen sulfide. Now the resulting liquid phase is heated with the containing organic acids to temperatures for thermophilic cultures and fed to the methane reactor with the addition of further process water. The solid phase which obviously arises in the hydrolysis vessel is dehydrated, fed to a post-rotting unit or hydrolyzed again. It is worth noting the proposal to interpret the methanization so that the individual fermentation tanks are each designed only for receiving a daily amount of the resulting feed, so that the postulated residence time can be guaranteed, because short-circuit currents are reliably avoided. The careful complete circulation of the fermentation substrate in the fermentation tanks is ensured by avoiding so-called dead zones by recirculated injected biogas. Likewise, as in the case of the hydrolysis vessel, the solids which have not been completely degraded are removed from the methane reactor by means of a discharge screw, dewatered and post-aerobically retted. The aqueous fractions of the fermentation residues are decanted, collected in a process water tank and used from there as a heat carrier and mashing water for the hydrolysis or moistening the Nachrotteeinheit and the biofilter. The proposed method is obviously designed for the disposal of biogenic waste materials and, for several reasons, not suitable for the efficient recycling of energy and potato residues from potato processing. Although a multi-stage aerobic prehydrolysis of the suspended biomasses is provided, however, neither measures to prevent toxic concentrations of nitrogen and sulfur compounds in the fermentation medium are provided, as they are indispensable for the use of particularly protein-rich residues from potato processing.
Weiterhin werden die zunächst nicht gelösten Anteile der eingesetzten Biomassen, wie sie insbesondere für Schälmassen aus der Kartoffelverarbeitung in Form der Proteine und/oder lignocellulosischen Anteile der Schalmassen 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.Furthermore, the initially undissolved portions of the biomasses used, as are typical for peelings from potato processing in the form of proteins and / or lignocellulosischen portions of Schalmaassen, discharged as sinking and / or floating sludges from the individual process stages and after dewatering a fed to aerobic rotting. The aerobic decomposition primarily requires process energy and leads to the loss of appreciable portions of the contained inventory of fertilizer nitrogen and sulfur compounds. A special for the fermentation of Bacteria culture adapted to lignocellulosic biomass is neither available nor is it intended to be used and could not be obtained and reproduced even in the respectively thoroughly mixed fermentation tanks.
Die
Das in der Zeitschrift
Ein solches Verfahren sollte wegen der qualitativen Ähnlichkeit von Braureststoffen und Reststoffen aus der Kartoffelverarbeitung auch für Schälmassen 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.Such a method should also be suitable for peeling masses because of the qualitative similarity of brewing solids and residues from potato processing. In the process chain described process steps for the avoidance of concentrations of so-called inhibitors in the fermentation process are not provided. The feed mixture is first sanitized for one hour at 70 ° C and then hydrolyzed using acidification bacteria. The hydrolyzate produced is then treated in methane fermenters. According to the description of the technique used, there is no media recirculation, the resulting fermentation residues are used either untreated fertilizer technology or processed in his own wastewater treatment plant to flooding wastewater and a solid matter rotting material.
Die
Die
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.The object to be solved by the proposal according to the invention, however, is to improve the energy supply. This is to be achieved primarily with the coupling of different techniques for the production of electrical and thermal energy from renewable sources. The proposal preferably provides for separate hydrolysis for each of the available feedstocks without indicating the nature of the hydrolysis. The aqueous substrates obtained after the hydrolysis stages are then removed from the solid phases and kept away from the further biotechnological process. The fermentation stage, only the comparatively low-energy solids-depleted media to be supplied without giving any indication as the dissolved in the fermentation substrates nitrogen and sulfur compounds from the Use of high-protein residues to be treated before concentration in the fermentation process.
Die
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 Kartoffelverarbeitungsprozess 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.Obviously, anaerobic hydrolysis processes are used in which the active bacterial cultures produce the necessary acidification enzymes themselves. For the fats, proteins and carbohydrates used with the residues, the hydrolytic pretreatment is not required per se, at best for the accelerated process control in the fermentation stage. The regular neutralization of the more or less acidic hydrolyzates from the individual stages of hydrolysis by addition of alkali does not appreciably lead to the result that the lignocellulosic material components used in particular with the residues are digested for the subsequent fermentation process. These high-energy components from the residual materials used can be found with a high degree of certainty in the high-solids fraction to be discharged after the second hydrolysis stage and hardly contribute to the energy gain for the potato processing process with significantly more than 70% moisture content after energy-intensive drying. Even if a starting culture which supports the hydrolysis process is available, it can scarcely support the methanation process in the downstream fermentation stage at the stated temperatures of 60.degree. C., because the microorganisms required therein either in the temperature range between 30 and 40.degree. C. as mesophilic culture or in the temperature range between 48.degree and 55 ° C as thermophilic culture are known to have other compositions.
Mit der
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.There, the dissolved organic compounds contained in the vinasses would be converted predominantly to biogas and thus the aqueous phase of the digestate can be used at least partially for the substitution of the required fresh water for the mashing process. In order to avoid an additional burden on the mashing process of the ethanol plant, the solids-rich phase should be withdrawn from the recycled digestate before reuse. A concentration of dissolved hydrogen sulfide and ammonium in the recirculated digestate should be prevented by appropriate depletion steps. Further information can not be found in the above proposal.
Zusammenfassende Kritik am bekannten Stand der TechnikSummary Criticism of the Prior Art
Den bisher bekannt gemachten technischen Lösungen haftet der gemeinsame Mangel an, dass eine Monofermentation der biogenen Reststoffe aus der Kartoffelverarbeitung mit der erforderlichen biotechnologischen Stabilität und ohne beachtliche Zugabe von Verdünnungsstoffen, wie Frisch- oder Abwässer, nicht gewährleistet werden kann. Außerdem sind geeignete Vorschlage für eine wirksame Vorbereitung der energiereichen lignocellulosischen Anteile an den verfügbaren Reststoffen der Kartoffelverarbeitung für die Biogasgewinnung bisher nicht offenbart worden. Schließlich ist den bisher veröffentlichten Quellen auch kein nutzbarer Hinweis zu entnehmen, wie den hohen Proteingehalten der Schälmassen aus der Kartoffelverarbeitung 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 Kartoffelverarbeitung finden können.The technical solutions hitherto disclosed have the common deficiency that a mono-fermentation of the biogenic residues from the potato processing with the required biotechnological stability and without considerable addition of diluents, such as fresh or waste water, can not be guaranteed. In addition, appropriate proposals for effective preparation of high-energy lignocellulosic fractions of the available potato processing residues for biogas production have not been disclosed. Finally, the previously published sources also no usable Note how the high protein contents of the peeling masses from the potato processing and the resulting system load of the nitrogen and sulfur compounds acting as inhibitors for the biotechnological process can be counteracted. Consequently, none of the proposals made so far has found its way into industrial potato processing.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb in der Überwindung der Mängel der bekannten technischen Problemlösungen. Insbesondere sollen mit Hilfe der Erfindung bei der Kartoffelverarbeitung 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 Kartoffelverabeitung betrachtet.The object of the invention is therefore to overcome the deficiencies of the known technical solutions to problems. In particular, technical, logistical, energetic and ecological improvements are to be made possible with the help of the invention in the potato processing, which should lead to a sustainable cost reduction and improved competitive positions. The desired independence from the fossil energy market on the one hand and from the conventional feed market on the other hand is considered a prerequisite for stable and predictable potato processing.
Insbesondere soll die ausschließliche stoffliche und energetische Verwertung der in einer Kartoffelverarbeitungsstätte 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.In particular, the exclusive material and energy recovery of the resulting in a potato processing plant biogenic residues with high energy and ecological efficiency should be possible. High reliability should be ensured by avoiding interfering influences on the biotechnological process.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den Lehren aus den Ansprüchen 1 und 11 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Danach erfolgt die stoffliche und energetische Verwertung biogener Reststoffe von Kartoffelverarbeitungsstätten 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 bei der Kartoffelverarbeitung anfallenden biogenen Reststoffe, wie Schälmassen, Weißwässer, 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 Getreidereinigungsrückstände 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.The object is achieved according to the invention according to the teachings of
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 der Kartoffelverarbeitung 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.
- - using a special methane bacteria mixed culture adapted to the recovery of protein and lignocellulosic biowaste,
- In the application of a fermenter technique suitable for unrestricted preservation or continuous reproduction of the starting culture used,
- In the recycling of part of the fermentation residues to the suspension stage, combined with the repeated hydrolytic and fermentative treatment of the biogenic potential contained in the recycled fermentation residues,
- - in the creation of an additional inhibitor sink to avoid concentration of ammonium and hydrogen sulphide in the fermentation substrates to values close to the toxic thresholds and
- In the use of the scrubbing liquid containing the defoamer inhibitors of the inhibitor decontamination station as a liquid fertilizer concentrate.
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 a preferred embodiment, at least portions of the sour mashes produced in the case of the preceding yeast fermentation in the form of solids-rich presscakes or the vats of the biosuspension obtained in the ethanol distillation of the sour mash are added.
In einer anderen Ausführungsvariante wird zusätzliches biogenes Potential in Form der Schlammfraktion aus der aeroben und/oder anaeroben Behandlung der Produktionsabwässer der Kartoffelverarbeitungsstätte gewonnen und dem Suspendierprozess zugeführt. Dies senkt nicht nur die Abwasserlast der Kartoffelverarbeitungsstätte, sondern führt gleichzeitig zur Minderung der Geruchsemissionen und zur Erhöhung der Gewinnung von regenerativer Energie aus den eigenen biogenen Quellen.In another embodiment variant, additional biogenic potential in the form of the sludge fraction is obtained from the aerobic and / or anaerobic treatment of the production effluents of the potato processing plant and fed to the suspending process. This not only reduces the wastewater load of the potato processing plant, but also reduces odor emissions and increases the production of renewable energy from its own biogenic sources.
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 Kartoffelverarbeitung 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 Kartoffelverarbeitungsprozess erschlossen.Another solution variant is to stabilize the entire process by increasing the dry matter content of the biosuspension to values of more than 14%. For this purpose, additives of a composition similar to the residues of potato processing, such as malt dusts, grain chaff, mill dusts and / or brush dusts from grain cleaning, should preferably be used in the suspending process. In addition to process stabilization, the biogenic potentials contained in the additives are tapped simultaneously with almost undiminished efficiency for the production of process energy for the potato processing process.
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 Reststoffen der Kartoffelverarbeitung enthaltenen Proteinen ist der biotechnologische Verwertungsprozess dieser Reststoffe 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.Advantageously, the proportions of the fermentation residues obtained during the mechanical phase separation of the fermentation residues biofiltrate recycled as process water in the suspension process. Because of the comparatively high feed rates of proteins contained in the residues of the potato processing, the biotechnological utilization process of these residues is endangered by excessive ammonium and hydrogen sulfide contents in the fermentation substrates as soon as a required reduction in concentration can not be guaranteed. In accordance with the invention, those biofiltrates from the fermentation residues are used for this purpose, which have previously been deprived of portions of the nitrogen and sulfur compounds contained in an inhibitor-deflagration process. On the one hand, this eliminates risks to process stability and, on the other hand, it supplies the extracted inhibitors as valuable plant nutrients for fertilizer use.
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.In a further advantageous embodiment of the invention, the biofilate parts of the dissolved ammonium and / or dissolved hydrogen sulfide in an expeller at up to 65 ° C elevated temperatures and at a pressure in the supernatant fumes of at most 980 mbar to withdraw. The ammonia and / or hydrogen sulfide-containing vapors produced in the generator are then cooled in an intermediate heat exchanger to a maximum temperature of 45 ° C. The cooled vapors containing ammonia and / or hydrogen sulfide are now fed to a downstream vapor scrubber in the form of a trickle body apparatus, with sulfurous bios acid from biogas desulfurization having a maximum temperature of 25 ° C. and a pH of between 1 and 3.5 being used as the scrubbing medium. In the scrubbed sump, in particular due to the incorporation of ammonium into the scrubbing medium, a continuous increase in its pH value takes place, whereby the scrubbing efficiency is simultaneously reduced. When the selectable upper limit for the permissible pH range is reached, the scrubber sump is taken off a proportion of between 10 and 60% and used as a fertilizer concentrate with high nitrogen and sulfur concentrations. The withdrawn amount of washing liquid is then replaced by fresh sulfurous bioacid from the gas desulphurisation process.
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 gasfömigen 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.For the desired high energy efficiency of the method according to the invention, the special hydrolysis process is essential. In a preferred embodiment, the hydrolysis process is carried out with intensive mixing with ambient air in a stirred tank at temperatures between 50 and 60 ° C. In this case, ambient air in the order of between 2 and 10% by volume of the biogas obtained in the entire fermentation process is added to the hydrolysis process. The dimension of the hydrolysis vessel (s) is chosen such that a mean residence time of the biosuspension in the hydrolysis vessel of about 2 days can be maintained. The hydrolytic treatment is effectively assisted when the hydrolysis process between 20 and 100% of the biological desulfurization of the biogas accumulating sulfurous bioacid is added. Since the gaseous reaction products released during the hydrolysis also remain in the gas system, the ambient air supplied to the hydrolysis process also serves to supply the aerobic sulfur bacteria in the gas desulphurisation process. Odor emissions, especially in the form of fatty acid vapors resulting from the hydrolysis, are safely excluded.
Es ist möglich, das anfallende Hydrolysegas auf wenigstens 30 mbar zu verdichten und vor der Gasentschwefelungsstation in die zentrale Rohgasleitung einzuleiten.It is possible to compress the resulting hydrolysis gas to at least 30 mbar and to introduce it into the central crude gas line before the gas desulphurisation station.
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.In another embodiment, the resulting hydrolysis gas can be compressed to at least 30 mbar in order to then supply it to the corrosion-resistant secondary fermenter station. Overcoming the pressure loss of the gas desulphurisation station does not require any additional gas conveying technology in this case. The hydrogen and carbon monoxide components contained in the hydrolysis gas as well as the expected fatty acid vapors are incorporated in the biogas formation either in the anaerobic digestate storage and / or in the secondary fermenter station. The Methanbacteria mixed population to be used initially as a starting culture for the fermentation process is obtained with the addition of predominantly lignocellulosic starting materials in a breeding station for mesophilic or thermophilic mixed cultures. In the case of the so-called "tipping over" of the fermentation process which can only be imagined in the case of extreme violations of the prescribed operating regulations, the fermentation process can be restarted using the breeding station and continued without noticeable reductions in yield.
Die vorgeschlagene Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht aus wenigstens
- – einer Suspendierstation,
- – einer Fermentationsstation für die Methanfermentation,
- – einer Phasentrenntation für die Garrückstände,
- – einem Biofiltratsvorratstank und
- – einer Gasentschwefelungsstation.
- - a suspending station,
- - a fermentation station for methane fermentation,
- - a phase separation for the cooking residues,
- - a biofilter stock tank and
- - a gas desulphurisation station.
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.According to the invention, the suspending station is connected to a storage and dosing system for additives rich in dry substances. Further, an inhibitor dump station is disposed between the biofilter stock tank and the suspending station. For gas desulfurization, a gas scrubber is preferably arranged in the form of a trickle apparatus. For storing the sulfurous bioacid obtained in the gas desulphurisation station, a biosäurevorststank is arranged between the gas desulphurisation station and the Hemmstoffentfrachtungsstation and / or the Hydrolysestation. Finally, a hydrolysis station is arranged between the suspending station and the fermenter station. It is essential to the invention that the fermentation station consists of at least one main fermenter and at least one downstream secondary fermenter.
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 Reststoffe der Kartoffelverarbeitung 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 Reststoffe aus der Kartoffelverarbeitung 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 Reststoffe der Kartoffelverarbeitung ist es erfindungswesentlich, dass wenigstens der oder die Hauptfermenter hydraulisch gemischte und nicht vollständig durchmischte Apparate sind.With this arrangement of the plant components is achieved that without special crushing, storage, dosing and mandatory continuous feed processes for external media, such as chemical and / or biotechnological additives and / or dilution media for suspending, a stable material and energy recovery process for the resulting Residues of potato processing can be maintained. With the subdivision of the fermentation process on a main and on a Nachfermenterstation, can easily be taken into account a major concern. This is that the inevitable arising in changing composition residues from potato processing are first treated after previous hydrolysis in the main fermenter station with a relatively robust mesophilic culture. Thereafter, the further fermentation of the fermentation substrates leaving the main fermenter station can be carried out with significantly lower quality differences in the main parameters by the more efficient but less robust thermophilic cultures. For the permanent preservation of the starting structure used with particular suitability for the protein and lignocellulosereichen residues of potato processing, it is essential to the invention that at least one or the main fermenter are hydraulically mixed and not completely mixed apparatus.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Vorteile der Erfindung bestehen nach den wirtschaftlichen Auswirkungen in erster Linie in der Senkung der Prozessenergiekosten für den Betrieb von Kartoffelverarbeitungsstätten. 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 Betriebes von Kartoffelverarbeitungsstätten von Preisentwicklungen auf dem Markt für Prozessenergie aus fossilen Quellen erreicht. Die logistische und vertragliche Abhängigkeit von den die anfallenden Schälmassen 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.The advantages of the invention consist, after the economic effects, primarily in the reduction of process energy costs for the operation of potato processing plants. By largely covering the thermal process energy demand from the operation of combined heat and power plant technology for the energy recovery of the recoverable biogas, additional sales can be achieved by selling surplus quantities of electric energy. In any case, a partial or complete independence of the Operation of potato processing plants has achieved price developments in the process energy market from fossil sources. The logistical and contractual dependence on the resulting peelings exploiting animal producers is completely avoided because of the virtually impossible storage capacity of these nutrient-rich and thus extremely vulnerable to infection feed. The resulting solid fermentation residues from the phase separation can be sold as nutrient-rich organic NPKS (nitrogen-phosphorus-potassium-sulfur) fertilizers for additional sales.
Die vermeidbare Entsorgung von Abfällen, wie Schlämme aus der betrieblichen Abwasserbehandlung oder beladene Filterhilfsmittel, führt zur spürbaren Kostensenkung im Prozess der Kartoffelverarbeitung. 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 lasst sich der Einsatz von so genannter „grüner” Energie werbewirksam für die Akzeptanz der erzeugten Produkte vorteilhaft vermarkten.The avoidable disposal of waste, such as sludges from the operational wastewater treatment or loaded filter aids, leads to noticeable cost reductions in the process of potato processing. In the case of the sale of certificates from the saved emissions of CO 2 equivalents, additional revenues are generated. The pollution-relevant plant-related load traffic is significantly reduced. In addition, encounters between feed and waste transports on the one hand and food transports on the other hand can certainly be avoided. The odor emissions resulting from the temporary storage and transport of animal feed and biogenic waste can be safely avoided. The waste water load, which is often a limiting factor for the potential expansion of production, can be reduced when introduced into public sewage treatment plants. Finally, the use of so-called "green" energy can be promoted to promote the acceptance of the products produced.
Ausführungsbeispielembodiment
Die Erfindung soll nachstehend mit Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der beigefügten Zeichnung zeigen:The invention will be explained in more detail below with exemplary embodiments. In the attached drawing show:
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- StartkulturHome Culture
- 22
- Kartoffelverarbeitungsstätte (Lieferant von Ethanolschlempen, Schälmassen, Weißwässern, Reststoffen aus der Reinigung der Einsatzstoffe, organisch belasteten Reinigungsmitteln)Potato processing plant (supplier of ethanol vapors, peelings, whitewater, residues from the purification of feedstocks, organically contaminated cleaning agents)
- 33
- Lager für Suspensionszusatzstoffe (Malzstäube, Getreidespreu, Dicksauermaische, Mühlennachprodukte)Storage for suspension additives (malt dusts, grain chaff, Dicksauermaische, mill after-products)
- 44
- betriebliche Abwasserbehandlungsanlage (Lieferant von Abwasserschlamm)operational wastewater treatment plant (supplier of sewage sludge)
- 55
- HemmstoffentfrachtungsstationHemmstoffentfrachtungsstation
- 66
- SuspendierstationSuspendierstation
- 77
- Hydrolysestationhydrolysis station
- 88th
- Hauptfermentermain fermenter
- 99
- Nachfermenterfermenter
- 1010
- Gärrestlagerdigestate
- 1111
- PhasentrermstationPhasentrermstation
- 1212
- BiofiltratvorratstankBiofiltratvorratstank
- 1313
- Düngemittellagerfertilizer warehouse
- 1414
- GasentschwefelungsstationGasentschwefelungsstation
- 1515
- BiosäurevoratstankBiosäurevoratstank
- 1616
- Gasspeichergas storage
- 1717
- energetischer Gasverwertungskomplexenergetic gas utilization complex
Beispiel 1:Example 1:
Gemäß der
Im Beispiel werden dabei aus
1 Masseteil Schälmasse mit 22% Trockenmasseanteil und 94% organischem Anteil an der Trockenmasse,
0,012 Masseteilen Sediment aus den so genannten Weißwässern mit 15% Trockenmasseanteil und 98% organischem Anteil an der Trockenmasse,
0,015 Masseteilen Schlamm aus der betrieblichen Abwasserbehandlung mit 28% Trockenmasseanteil und 65% organischem Anteil an der Trockenmasse und
0,21 Masseteilen eingedickter Schlamm aus der Flotation der anfallenden Biofiltrate mit 10,1% Trockenmassenanteil und 96% organischem Anteil an der Trockenmasse insgesamt unter Einsatz von recyceltem Biofiltrat
1,648 Masseteile Biosuspension mit 15% Trockenmasseanteil und 93,7% organschem Anteil an der Trockenmasse gewonnen.In the example will be off
1 part by weight of peeling mass with 22% dry matter content and 94% organic content of the dry matter,
0.012 parts by weight of sediment from the so-called white waters with 15% dry matter content and 98% organic content of dry matter,
0.015 parts by weight of sludge from the operational wastewater treatment with 28% dry matter content and 65% organic content of the dry matter and
0.21 parts by weight of thickened sludge from the flotation of the resulting biofiltrate with 10.1% dry matter content and 96% organic content of the total dry matter using recycled biofiltrate
1.648 parts by weight of biosuspension with 15% dry matter content and 93.7% organic content of the dry matter.
In einem Lager für Suspensionszusatzstoffe
Der Hydrolysetank dient damit auch der Prozessentkopplung zwischen der chargenweisen Herstellung der Biosuspension in der Suspendierstation
Die jeweils dosierte Hydrolysatcharge gelangt in den ersten Fermenterbereich.The metered hydrolyzate batch reaches the first fermenter area.
Dort wird 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 Schälmassen aus einer Kartoffelverarbeitungsstätte, 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 Ablaufdes Gärsubstrates aus den beiden wechselseitig mit Hydrolysat beschickten Hauptfermentern
Erstens wird er mit einem maximalen Mischdruck von 420 mbar betrieben, womit für die Strömungsdurchmischung des ersten Fermenterbereiches im Nachfermenter
Zweitens ist nach dem Passieren der Hauptfermenterstation das Gärsubstrat hinsichtlich der enthaltenen biogenen Anteile soweit vergleichmäßigt, dass der Nachfermenter
First, it is operated with a maximum mixing pressure of 420 mbar, which is for the flow mixing of the first fermenter section in the
Secondly, after passing through the main fermenter station, the fermentation substrate is evened out so far as to contain the biogenic components that the
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
Alternativ dazu wird aus dem Biofiltratvonatstank
Im Ausführungsbeispiel wird aus der erzeugten Biosuspension je t eingesetzte Pülpe Biogas mit einem Energieinhalt von 665 kWh gewonnen.In the exemplary embodiment, pulp biogas with an energy content of 665 kWh used per t used is obtained from the biosuspension produced.
Beispiel 2:Example 2:
Gemäß der
Aus energetischen, ökologischen und wirtschaftlichen Gründen wird in diesem Beispiel eine Variante mit dem höchsten Anteil an hochwertiger Energieform gemäß der vorstehenden Tabelle gewählt. Die Varianten erweist sich zudem auch als die Variante mit dem höchsten wirtschaftlichen Ertrag.For energetic, ecological and economic reasons, a variant with the highest proportion of high-quality energy form according to the above table is chosen in this example. The variants also prove to be the variant with the highest economic yield.
Aus einer Maniokverarbeitungsstätte zur Herstellung von Chips und Pommes frittes werden jährlich etwa 100.000 t Schälmassen erzeugt. Aus den Produktionsabwässern nach der Reinigung der Einsatzstoffe werden die sogenannten stärkehaltigen Weißwässer gewonnen. Beide Stoffströme werden als Einsatzstoffe für eine Ethanolproduktionsanlagegenutzt, die gegenüber konventionellen Brennereien die folgenden Anlagenkomponenten nicht enthalten:
- – Rohstofflager,
- – Zerkleinerungsstation,
- – Station zur Herstellung einer Rohmaische,
- – Lager für die Zwischenstapelung der Schlempen und Weißwässer,
- – Umschlagseinrichtungen für den Vertrieb oder für die Entsorgung der Schlempen und Weißwässer.
1
0,0185 Masseteilen Schlamm aus der betrieblichen Abwasserbehandlung mit 28% Trockenmasseanteil und 65% organischem Anteil an der Trockenmasse und
0,283 Masseteilen eingedickter Schlamm aus der Flotation der
1,3
- - raw material storage,
- - Crushing station,
- - Station for making a Rohmic,
- - warehouses for intermediate storage of vats and white waters,
- - Transfer facilities for the distribution or disposal of vinasse and white water.
1 part of solid sludge 14.7% dry matter content and 88% organic content of the dry matter,
0.0185 parts by weight sludge from the operational wastewater treatment with 28% dry matter content and 65% organic content of the dry matter and
0.283 parts by weight of thickened sludge from the flotation of the resulting biofiltrate with 10.1% dry matter content and 96% organic content of the total dry matter using recycled biofiltrate
1.3 parts by mass of biosuspension with 13.9% dry matter content and 88.5% organic content of the dry matter. The thin phase obtained in the phase separation of the ethanol sludge obtained in the preceding ethanol distillery passes into the downstream processing plant for the excess biofiltration rate from the fermentation residues of the methane fermentation plant. From the
Zusätzlich gelangen in die Suspendierstation
Die Sicherheitseinrichtung in Form der Fackelanlage mit einer thermischen Leistung von 9 MW muss dabei noch nicht in Anspruch genommen werden. Das Gärrestlager
Diese Methanmenge entspricht etwa 108 m3 Biogas je t eingesetzter Dickschlempe. Aus der erzeugten Biogasmenge werden jährlich mittels Blockheizkraftwerkstechnik 28.600 MWh Elektroenergie und 33.600 MWh Wärmeenergie gewonnen.This amount of methane corresponds to about 108 m 3 of biogas per t used Dickschlempe. From the amount of biogas produced, 28,600 MWh of electrical energy and 33,600 MWh of thermal energy are generated annually by means of combined heat and power plant technology.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Issue 9/2000, entitled "Grain Fermenting to Biogas" [0015]
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