DE3035683A1

DE3035683A1 - Verfahren zur energiesparenden gewinnung von alkoholen aus pflanzlichen grundstoffen

Info

Publication number: DE3035683A1
Application number: DE19803035683
Authority: DE
Inventors: Rolf Dipl.-Phys. Voorburg Morgenstern; Peter 6990 Bad Mergentheim Weinreich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-09-22
Filing date: 1980-09-22
Publication date: 1982-04-01

Description

Verfahren zur energiesparenden Gewinnung von
Alkoholen aus pflanzlichen Grundstoffen.
Die iiblicherweise verwendeten und an sich bekannten Verfahren zur industriellen Erzeugung von Alkoholen, zum Beispiel von Äthanol, aus pflanzlichen Stoffen kann man in solche einteilen, die etwa 2.5 Kg Dampf je Liter erzeugten Alkohols verbrauchen und in solche die noch weit mehr Dampf dafür verbrauchen.
Da abgesehen von der exothermen Gärungsreaktion bei der Herstel-Aung von Äthanol aus pflanzlichen Kohlenhydraten keine anderen exothermen oder endothermen Reaktionen ablaufen, handelt es sich bei der Destillation und Rektifikation von Alkohol und der Nebenprodukte nur um durchlaufende Energie, die sich an anderer Stelle wiederfindet, zum grössten Teil im ablaufenden Kühlwasser.
Die an sich bekannten Verfahren streben eine möglichst vollständige Vergärung der eingesetzten Rohstoofe zu Alkohol - vorzugsweise zu Äthanol - an. Dies führt in der Praxis zu Maischen mit einem geringen Gehalt an Kohlehydraten und dadurch nach der Gärung zu Lösungen, die sehr viel Wasser - beispielsweise 9o % - und sehr wenig Alkohol - beispielsweise lo Volumen % - enthalten.
Diese Arbeitsweise ist sehr ungünstig, denn es sind erhebliche Dampfmengen erforderlich, um durch die Destillation das Wasser vom Alkohol zu trennen. In der 2. Tabelle gibt das 9. beispiel den Energieverbrauch für eine derartige Verfahrensweise wieder.
Damit wird aber der Energie-Einsatz bezogen auf den Energiegehalt des Ehdproduktes zu hoch. Eine wirtschaftliche Arbeitsweise ist so nicht möglich, es muss vergleichsweise weitaus zu viel Energie bzw. Rohstoff für Energieerzeugung eingesetzt werden. Die nach der Vollgärung verbleibende Restmasse ist für eine praktische Weiterverarbeitung kaum noch geeignet. Das bei den bisherigen Verfahren freikommende Wasser ist ebenfalls als verloren zu belrathten. Es muss über Abwasserreinigungsanlagen in die Vorfluter btJ'ührt werden Dadurch ist der Betrieb der an sich bekannten Verfahren im allgemeinen gebunden an das Vorhandensein von anderen Anlagen -beispielsweise Zuckerfabriken -, in'denen die erforderlichen Betriebsmittel und Energien bereitgestellt werden und die Abfälle behandelt werden können.
Damit sind aber die heute üblichen Verfahren zur Erzeugung von Alkohol aus pflanzlichen Materialien gerade.dort nicht geeignet, wo ihre Anwendung am nötigsten wäre - nämlich in Gebieten mit noch nicht voll entwickelter Infra- und Industrie-Struktur.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, die an sich bekannten Gär-und Destillationsverfahren derart umzugestalten und zu erweitern, dass die genannten Nachteile ganz oder doch zum grössten Teil aufgehoben werden.
Diese gemäss der Erfindung angestrebte Optimierung macht es möglich, eine derart ausgebaute Anlage zur Alkohol - Herstellung praktisch unabhängig von Fremdenergie arbeiten zu lassen. Das Beispiel 16 in der ersten Tabelle und die Beispiele lo bis 14 In der dritten Tabelle zeigen die Bedingungen, bei denen dies möglich ist.
Diese Optimierung wird durch die Kopplung der im Folgenden beschriebenen Schritte erreicht: 1.Bei der Vergärung von Maischen mit erhöhtem Gehalt an Kohlenhydraten - zum Beispiel 34 96 Kohlenhadraten - durch geeignete Mikroorganismen - beipielsweise Hefen - wird nicht die vollständige Vergärung abgewartet, sondern bereits bei einem unvollständigen Umsatz - von beispielsweise 85 % - der zur Vergärung angebotenen Kohlenhydrate die Gärung abgebrochen. Die so entstandene Flüssigkeit mit einem Restgehalt an unvergorenen Kohlenhydraten wird so der Destillation und Rektifikation zugeführt. Wird beispielsweise von einer Melasse als Rohstoff mit mindestens 50 % vergärbaren Kohlenhydraten ausgegangen, so lassen sich auf diese Weise aus loo Kg Melasse zwischen 23.56 und 27.28 Liter Alkohol gewinnen wie aus den Beispielen lo bis 13 in der dritten Tabelle gesehen werden kann.
9. Bei diesem Verfahren gemäss der Erfindung sind entsprechend dem Beispiel 16 in der ersten Tabelle nur 147 Liter Flüssigkeit zu destillieren, während bei den an sich bekannten Verfahren 250 Liter zu destillieren wären entsprechend dem Beispiel 9 in der zweiten Tabelle.
5.Zur Eindickung der Schlempe im benötigten Umfang eignen sich beispielsweise Verfahren, wie sie an sich bereits bei der Trinkwassererzeugung aus Meerwasser verfahrensüblich sind.-Die Beispiele 1 und 2 in der ersten Tabelle machen den Unterschied im Energieverbrauch bei den bisher üblichen Verfahren deutlich, wenn einmal die Schlempe nach den üblichen Verfahren eingedampft wird (Beispiel eins) und wenn sie entsprechend den modernen Verfahren zur Meerwasserentsalzung eingedampft wird (Beispiel zwei). Allerdings liegen die tatsächlichen Energieverbrauchswerte für diese beiden Beispiele noch etwas höher, da bei den erwähnten Tabellenwerten auch ein Gärungsabbruch bei 85 % stattfand und dadurch die Biovergasung des Restzuckers einen entsprechenden Energiegewinn ergab.
4.Die eingedickte Schlempe, die noch Restzucker enthält - in den-Beispielen 1 bis 16 der ersten Tabelle beträgt dieser Restzukker 7.5 Kg Trockenmasse - wird einem Biogasprozess (anaerob) nterworfen. Dabei können bei einer mindestens 70 % igen Umsetzung dieser Biomasse etwa 1.4 Kg Methan erzeugt werden.
5.1)urch Verwendung der heute an sich bekannten Kraft-Wärmekopplung können aus diesem Methan mindestens 31 J als Wärme und höchstens 8.7 KWH als Elektrizität gewonnen werden. Unter Berücksichtigung der in der Anlage benötigten Energien (Wärme und Elektrizität) zeigt sich, dass die Energiebilanz des Gesamtverfahrens ausgeglichen werden kann wie das Beispiel 16 in Tabelle eins und die Beispiele lo bis 13 in der dritten Tabelle zeigen 6.Im Falle eines erhöhten Energiebedarfs durch Ausfall von Anlagenteilen zum Beispiel kann dieser leicht gedeckt werden durch' eine Biovergasung von Rohstoff, der nicht der Vergärung zugeführt wurde. Diese Möglichkeit der Energiegewinnung ist wichtig in Gebieten ohne oder mit nur geringer Industrialisierung.
7.Um die eingangs beschriebene Abführung von Energie durch das Kühlwasser bei der Kondensation der Kopfdämpfe der Kolonnen zu verhindern wird durch Anwendung der Brüdenverdichtunpr Energie zur Beheizung des. Kolonnensumpfes gemäss der Erfindung erzeugt. Dabei können je nach Optimierungsgrad;Leistungszahlen für die Thermokompression (=Wärmepumpe) bis zu 1o erreicht werden, weil die Temperaturdifferenz zwischen Kopfdampf und Sumpf klein ist. Das Beispiel 1 und das Beispiel 7 in der ersten Tabelle stellen die Energieverbrauchswerte gegenüber, die sich ergeben, wenn einmal nach dem bisherigen Verfahren (Kondensation mit Kühlwasser am Kolonnenkopf) - Beispiel 1 - und bisheriger Methode der Schlempeeindampfung vorgegangen wird und andererseits mit Brüdenverdichtung bei bisheriger Methode der Schlempeeindampfung - Beispiel 7 - gearbeitet wird. Allerdings wurde auch hier mit 85 % iger Vergärung gerechnet, so dass die tatsac hlichen Werte bei voller Vergärung etwas höher liegen. Das Beispiel 9 in der dritten Tabelle zeigt die Energiebilanz, die entsteht, wenn nach dem bisherigen Verfahren eingemaischt und voll vergoren wurde, jedoch mit einer Brudenverdichtung anstelle der Eühlwasserkondensation der Kopfdampfegearbeitet wurde, während das Beispiel 13 in Tabelle 3 die Energiebilanz zeigt, wenn gemäss der Erfindung bei 85 % die Vergärung abgebrochen wurde und mit Brüdenverdichtung und modernen Verfahren der Meerwasserentsalzung die'Schlempe eingedampft wurde.
8.Durch die Verwendung der Brüdenverdichtung ist leicht möglich sowohl bei Überdruck als auch bei Unterdruck die Destillation der Maische auszuführen.
1. Tabelle für die Energiebilanz einer Äthanolherstellung mit 16 verschiedenen Beispielen %KH Megajoule KWH Lit. Alk Kilojoule/Liter Kilojoule/Liter Kg Maische in Maische (Bilanz) Produkt Alkohol Verbrauch Schlempeeindampfung vor Gärung 1. 20 % -582 -3 26.3 7200 2400 250 2. 20 % -179 -3 26.3 7200 250 250 3. 20 % -529 -3 26.3 5200 2400 250 4. 20 % -127 -3 26.3 5200 250 250 5. 20 % -476 -3 26.3 3200 2400 250 6. 20 % -74 -3 26.3 3200 250 250 7. 20 % -424 -3 26.3 1200 2400 250 8. 20 % -21 -3 26.3 1200 250 250 9. 34 % -359 +2 26.3 7200 2400 147 10. 34 % -156 +2 26.3 7200 250 147 11. 34 % -307 +2 26.3 5200 2400 147 12. 34 % -104 +2 26.3 5200 250 147 13. 34 % -254 +2 26.3 3200 2400 147 14. 34 % -51 +2 26.3 3200 250 147 15. 34 % -201 +2 26.3 1200 2400 147 16. 34 % +2 +2 26.3 1200 250 147 Diese 16 Beispiele beziehen nich auf eine Rohstoffmenge von 100 Kg Melasse (mindestens 50 % vergärbare Kohlenydrate), auf einen Abbruch der Gärung nach 85 % iger (Vergarung der vorhandenen Kohlenydrate, auf eine Eindapfung der Schlempe auf 10 % des ursprünglichen Volumens, auf eine 70 % ige Biogasvergärung der Biomasse. Ohne Zuführung von Rohstoff zur Biovergasung.
2. Tabelle für die Energibilanz einer Alkoholherstellung mit 18 versciedenen Beispielen.
% KH Megajoule KWH Liter Kilojoule/Liter Kilojoule/Liter Gärungsabgruch in Maische (Bilanz) Alkohol Alkohol Verbrauch Schlempeeindampfg. in % der vorh.
Kohlenhydrate . 20 % -559 +2 23.56 7400 2400 76 % 20 % -569 #0 24.49 7400 2400 79 % . 20 % -577 -2 25.42 7400 2400 82 % . 20 % -587 -3 26.35 7400 2400 85 % . 20 % -595 -5 27.28 7400 2400 88 % . 20 % -605 -7 28.21 7400 2400 91 % . 20 % -613 -8 29.14 7400 2400 94 % . 20 % -623 -10 30.07 7400 2400 97 % . 20 % -631 -12 31.00 7400 2400 100 % 0. 34 % -337 +7 23.56 7400 2400 76 % 1. 34 % -347 +5 24.49 7400 2400 79 % 2. 34 % -355 +3 25.42 7400 2400 82 % 3. 34 % -365 +2 26.35 7400 2400 85 % 4. 34 % -372 #0 27.28 7400 2400 88 % 5. 34 % -382 -2 28.21 7400 2400 91 % 6. 34 % -390 -4 29.14 7400 2400 94 % 7. 34 % -400 -5 30.07 7400 2400 97 % 8. 34 % -408 -7 31.00 7400 2400 100 % Diese 18 Beispiele beziehen sich auf eine Rohstoffmenge von 100 Kg Melasse (mindestens 50 % vergärbare Kohlenhy drate), auf eine Eindapfung der Schlempe auf 10 % des ursprüngl. Volumens, auf eine @@ % ige Biovergasung der Biomasse ohne Zuführung von Rohstoff zur Biovergasung.
3. Tabelle für die Energiebilanz einer Alkoholherstellung mit 18 verschiedenen Beispielen.
% KH Megajoule KWH Liter Kilojoule/Liter Kilojoule/Liter Gärungsabbruch in Maische (Bilanz) Alkohol Alkohol Verbrauch Schlempeeindampfung in % der vorh.
Kohlenhydrate 1. 20 % -3 +2 23.56 1200 250 76 % 2. 20 % -9 #0 24.49 1200 250 79 % 3. 20 % -15 -2 25.42 1200 250 82 % 4. 20 % -21 -3 26.35 1200 250 85 % 5. 20 % -27 -5 27.28 1200 250 88 % 6. 20 % -33 -7 28.21 1200 250 91 % 7. 20 % -39 -8 29.14 1200 250 94 % 8. 20 % -45 -10 30.07 1200 250 97 % 9. 20 % -51 -12 31.00 1200 250 100 % 10. 34 % +20 +7 23.56 1200 250 76 % 11. 34 % +14 +5 24.49 1200 250 79 % 12. 34 % +8 +3 25.42 1200 250 82 % 13. 34 % +2 +2 26.35 1200 250 85 % 14. 34 % -4 +0 27.28 1200 250 88 % 15. 34 % -10 -2 28.21 1200 250 91 % 16. 34 % -16 -4 29.14 1200 250 94 % 17. 34 % -22 -5 30.07 1200 250 97 % 18. 34 % -28 -7 31.00 1200 250 100 % Diese 18 Beispiele beziehen sich auf eine Rohstofffmenge von 100 Kg Melasse (mindestens 50 % vergärbare Kohlenhydrate), auf eine Eindampfung der Schlempe auf 10 % des ursprüngl. Volumens, auf eine 70 % ige Bidvergasung der Biomasse ohne Zuführung von Rohstoff zur Biovergasung

Claims

Patentansprüche l.Verfahren zur Gewinnung von Alkohol, vorzugsweise Äthanol, aus pflanzlichen Rohstoffen unterschiedlicher Herkunft, dadurch gekennzeichnet, dass in den Maischen wesentlich höhere Mengen an Kohlenhydraten als bisher üblich - beispielsweise 34 % - eingesetzt werden.
2.Verfahren nach Anspruch 1 zur Gewinnung von Alkohol, dadurch gekennzeichnet, dass keine vollständige Vergärung der Maische abgewartet wird, sondern dass die Maische bereits bei einem Umsatz von beispielsweise 85 % der zur Vergärung vorhandenen Kohlenhydrate der Destillation und Rektifikation zugeführt wird. In Beispiel 13 in der dritten Tabelle werden dabei 26 Liter Alkohol aus loo Kg Rohstoff (Melasse) gewonnen.
3.Verfahren nach Anspruch 1 und 2 zur Gewinnung von Alkohol dadurch gekennzeichnet, dass die Schlempe einer einergieZ sparenden Eindickung unterworfen und anschliessend einem Biogasprozess (anaerob) zugeführt wird. Diese Gåsgewinnung wird derart geregelt, dass sie ausreicht, die Energiebilanz des Gesamtverfahrens auszugleichen.
4.Verfahren nach Anspruch 1,2 und 3 zur Gewinnung von Alkohol dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines Verbrauehes von höchstens 250 KJ / Liter eingedampfter Schlempe Destillationsverfahren Anwendung finden, die beispielsweise zur iwleerwasserentsalzung in grossem Umfang eingesetzt werden.