DE4101039A1

DE4101039A1 - Verfahren zur gewinnung von wertstoffen aus organischen abfaellen und apparatur zur durchfuehrung derselben

Info

Publication number: DE4101039A1
Application number: DE4101039A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr Schluttig; Gabriele Dr Schluttig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-01-16
Filing date: 1991-01-16
Publication date: 1992-07-23

Description

Stand der Technik

Der organische Anteil im Abfallaufkommen von Kommunen und Industriebetrieben enthält organi sche Stoffe, die auf biologische Weise verarbei tet werden können.

Bisher sind die Verfahren der Kompostierung und der Biogasgewinnung wesentliches Verwertungs konzepte.

Eine Höherveredlung erfahren organische Abfall stoffe durch den Einsatz als Rohstoffe in bio technologischen Syntheseverfahren.

Für den genannten Zweck ist es notwendig, die in den Abfallstoffen enthaltenen organischen Wert stoffe so aufzubereiten, daß sie für eine weitere Verwertung geeignet sind.

Die Erfindung beschreibt einen Weg der Abfallver flüssigung (BIOLYSE) mit anschließender Abtren nung der organischen Wertstoffe, wie er bisher nicht angegeben ist.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine entsprechende Apparatur zu seiner Durchführung anzugeben, mit dem im organi schen Anteil von Abfällen befindliche Stoffe für eine biotechnologischen Verwertung so aufbereitet werden können, daß eine wesentliche Höherveredlung als durch Biogasgewinnung oder Kompostierung er möglicht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu beschreiben, durch welches organische Inhaltsstoffe in Abfällen so aus diesen herausgelöst werden können (daher die Bezeichnung "BIOLYSE"), daß diese in angereicherter oder anderweitig so gereinigter Form vorliegen, daß sie als Rohstoffe für biotech nologische Produksynthesen verwendet werden können.

Das zu beschreibende Verfahren hat gegenüber herkömm lichen Verfahren dieser Art eine Reihe von energe tischen und technologischen Vorteilen, die sich aus der chemischen Natur der für die Verfahrensdurch führung verwendeten Katalysatoren ergeben.

Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren und eine Apparatur zu dessen Durchführung gelöst, wel ches aus sechs Verfahrensschritten besteht, wahl weise diskontinuierlich oder kontinuierlich be trieben und in einer Mobilvariante an jedem belie bigen, für die Ökonomie des Verfahrens vorteilhaf ten Ort zu Lande und zu Wasser durchgeführt werden kann.

Beschreibung des Verfahrens 1. Mechanische Zerkleinerung

Nach der Erfassung der organischen Abfälle erfolgt in einem ersten Verfahrensschritt die mechanische Zerkleinerung derselben. Dem Zerkleinerungsvorgang kann je nach Notwendigkeit eine Sortierung vorge schaltet sein.

Die mechanische Zerkleinerung erfolgt durch einen Zerkleinerer bekannter Bauart, wie er für die Zerkleinerung von Hausmüll für Kompostierungsan lagen verwendet wird.

Die mechanische Zerkleinerung erzeugt ein Stoff gemisch von breiartiger Konsistenz. Diesem können Gemische aus Enzymen oder Mikroorganismen zuge setzt werden, die bereits eine biologische Zerklei nerung einleiten.

2. Biologische Zerkleinerung - Verflüssigung

Während der biologischen Zerkleinerung werden in einem Rührgefäß die für die verwendeten Mikroor ganismen oder Enzyme optimalen Bedingungen einge stellt und bis zum Ende der Reaktion aufrechter halten.

Die zu optimierenden Parameter der biologischen Zerkleinerung (Mazerierung) sind: Wassergehalt des Stoffgemisches, pH-Wert, Ionen konzentration und Temperatur. Darüberhinaus werden dem Stoffgemisch solche Stoffe zugesetzt, welche die Effektivität der Reaktion erhöhen. Die biologische Zerkleinerung als wesentlicher Bestandteil des BIOLYSE- Verfahrens kann diskonti nuierlich oder kontinuierlich gestaltet werden.

Sie wird dann kontinuierlich durchgeführt, wenn die Ökonomie des Prozesses einen hohen Wassergehalt des Gemisches zuläßt.

Dieser liegt bei kontinuierlichem Betrieb zwischen 70 und 99%. Der hohe Wassergehalts ist im Hinblick auf die gute Fließfähigkeit des Stoffgemisches not wendig.

Die Reaktionszeit wird bei der kontinuierlichen Prozeßführung durch die Verweilzeit des Stoffgemi sches im Reaktionsgefäß, dem Mazerator, bestimmt. Die Verweilzeit oder Retentionszeit wird durch ein System von Pumpen, die über einen Rechner gesteu ert werden, realisiert.

Wenn die Zusammensetzung des Stoffgemisches und das Ziel der Verarbeitung es erlauben, können bereits in der Mazerationsphase solche Enzyme zugesetzt werden, welche die Monomerisierung von löslichen Biolpolymeren bewerkstelligen (beispielsweise Pro teasen).

Eine besser regulierte Monomerisierung wird aber zweckmäßiger Weise nach einer nach der auf die Mazerierung folgenden Fest-Flüssig-Trennung durchgeführt.

3. Fest-Flüssig-Trennung

Für den Verfahrensschritt der Fest-Flüssig- Trennung können alle bekannten Verfahren einge setzt werden, soweit sie dem Anliegen des Gesamt verfahrens, insbesondere dem Grad der zu erreich enden Abtrennung und der Prozeßökonomie entspre chen.

Es kommen Verfahren der Separation, Sedimentation und Filtration in Frage. Wenn die abzutrennenden Feststoffe einer weiteren Verwertung durch Kompost ierung zugeführt werden sollen, wird vorzugsweise eine Filtration angewendet, die sich eines speziell für diesen Zweck entwickelten Filters bedient.

Zur Erhöhung der Effektivität der Abtrennung werden auch Flockungsmittel eingesetzt, hier vor allem solche aus Abprodukten wie beispielsweise Lignin sulfonsäure.

Entsprechend der Möglichkeit des kontinuierlichen Be triebes des gesamten BIOLYSE-Verfahrens ist auch die Fest-Flüssig-Trennung kontinuierlich durch führbar.

Eine vereinfachte Variante ergibt sich durch das Vor schalten eines Sammelbehälters vor die Separationsein richtung, so daß die Möglichkeit eines diskontinuier lichen Separationsganges bei kontinuierlicher Verflüs sigung gegeben ist.

Bei der Fest-Flüssig-Trennung anfallende Feststoffe werden entweder im Sinne einer Abfallbeseitigung behan delt oder, wenn dies sinnvoll erscheint, einer chemi schen, thermischen oder biologischen Weiterverarbeitung zugeführt. Die Weiterverwertung kann auch in Verfahren erfolgen, die chemische, biologische und thermische Methoden in sich vereinigen. Ein bevorzugtes Verfahren für organische Feststoffe ist die Kompostierung. Darüber hinaus werden Verfahren der biotechnologischen Hochveredlung im Prozeß der Festsubstratfermentation dann zum Einsatz kommen, wenn die abgetrennten Fest stoffe dieser Weiterverwertung zugänglich sind.

4. Monomerisierung

Nach der biologischen Verflüssigung liegen die organi schen Wertstoffe in unterschiedlichem Polymerisations grad in Lösung vor.

Durch Zugabe von Enzymen oder Mikroorganismen oder Gemi schen aus Mikroorganismen und Enzymen werden diese Bio polymeren in Monomere umgewandelt.

Die Monomeren stellen die am besten zu handhabende Stufe biologischer Abfälle dar. Sie können für weitere biotechnologische Prozesse direkt eingesetzt werden, wenn sie keine Stoffe enthalten, die für diese Zwecke hinderlich sind.

Die Monomerisierung erfolgt in einem Bioreaktor, in welchem für Durchmischung, Belüftung, Temperatur konstanz und einen konstanten optimalen pH-Wert gesorgt ist.

Die einstellbare Temperatur in diesem Reaktor liegt zwischen 0 und 120 Grad Celsius, der pH-Wert ist in einem Bereich zwischen 1 und 12 regelbar. Die Opti ma der Reaktion richten sich nach der Art der ver wendeten Mikrorganismen und Enzyme. Diese wiederum ist von der Abfallart und -zusammensetzung abhän gig. Das Verfahren der Monomerisierung kann kontinu ierlich und diskontinuierlich durchgeführt werden. Die kontinuierliche Durchführung erfolgt bei einer optimierten Reaktionszeit, welche durch die Verweil zeit der Polymeren im Reaktor bestimmt ist.

Die Verweilzeit wird über ein System von Pumpen mit Rechneranschluß eingestellt. Die kontinuierliche Zu nahme von "Leitmonomeren", die mit Hilfe geeigneter Analysenmethoden verfolgt wird, gibt Aufschluß über den Verlauf und die Effizienz der Umsetzung. Über einen Rechner ist das System in der Lage, sich selbst zu optimieren, das heißt, daß sich die Reten tionszeit im Reaktor selbständig auf einen durch den Rechner bestimmten Optimalwert einstellt.

Die Monomerisierung kann darüberhinaus auch in einer vereinfachten Form betrieben werden, welche mit wesent lich weniger Analytik auf der Basis von Erfahrungswerten auskommt, da es sich um eine Reaktion handelt, welche von allein zum Stillstand kommt, wenn die Umsetzung vollständig und beendet ist.

5. Volumenverringerung

Die Verringerung des Volumens der Monomerenlösung, die auch die Mikroorganismen oder Enzyme zur Mono merisierung enthält, kann auf verschiedene Weise erfolgen.

Wenn an eine Rückgewinnung der verwendeten Enzyme gedacht ist, ist eine Dialyse oder Ultrafiltration vorteilhaft.

Sollen die verwendeten Enzyme oder Mikroorganismen nicht zwecks Wiederverwendung vom Monomerengemisch abgetrennt werden, so wird eine chemische oder thermische Inaktivierung vorgenommen. Diese erfolgt durch Zugabe von die Enzymaktivität unterbindenden Chemikalien oder durch Erhitzen der Suspension. Letztere führt durch Eindampfen zu einer Volumen verringerung.

6. Produktreinigung

Die Reinigung des Produktes wird dann durchgeführt, wenn dieses Stoffe enthält, welche einer weiteren Verarbeitung im Wege stehen.

Für die Reinigung der Monomerenmischung stehen eine Reihe von vorzugsweise chemischen und physikali schen Methoden zur Verfügung, die in Abhängigkeit von der Art des zu entfernenden Stoffes eingesetzt werden können.

Die Entfernung von die weitere Verarbeitung des Produktes hemmenden Stoffen kann auch in einer früheren Verfahrensstufe angewandt werden. Beispielsweise werden Schwermetalle durch ein Komplexierungsverfahren bereits während und nach der biologischen Zerkleinerung entfernt.

7. Trocknung

Aus Gründen der Haltbarkeit kann das Produkt getrocknet werden. Dies erfolgt vorzugsweise in einem Sprühtrockner oder einer vergleichbaren Appa ratur.

8. Weiterverarbeitung

Ist eine sofortige Weiterverarbeitung möglich, braucht keine Trocknung durchgeführt zu werden; dann erfolgt lediglich eine Hocherhitzung, um kurzzeitige Haltbarkeit des flüssigen Monomerengemisches zu er reichen.

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung von Wertstoffen aus orga nischen Abfällen und Apparatur zur Durchführung derselben, gekennzeichnet dadurch, daß die Ge winnung dieser verwertbaren Inhaltsstoffe durch mechanische, thermische, chemische und biotechno logische Methoden erfolgt.

2. Verfahren und Apparatur nach Anspruch 1, gekenn zeichnet dadurch, daß in der ersten Stufe des Verfahrens eine mechanische Zerkleinerung der Abfälle erfolgt.

3. Verfahren und Apparatur nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß während des Zerklei nerungsvorganges ein lytisch wirkendes Präparat aus Enzymen oder Mikroorganismen zugesetzt wird.

4. Verfahren und Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das lytisch wirkende Präparat aus Mikroorganismen oder Enzy men mikrobieller, pflanzlicher oder tierischer Herkunft besteht.

5. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß das lytisch wirkende Präparat Mikroorganismen mit lytischen Eigenschaften und Enzyme mikro bieller, pflanzlicher oder tierischer Herkunft gleichzeitig enthalten kann.

6. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die durch die Zerkleinerung entstandene schlamm artige Mischung 40 bis 99% Wasser enthält.

7. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Mischung in einer weiteren Verfahrensstufe so behandelt wird, daß die für die lytischen Enzyme der Mikroorganismen optimalen Bedingungen herge stellt werden.

8. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Reaktion der biologischen Zerkleinerung (Verflüssigung) unter optimalen Bedingungen hin sichtlich Temperatur, pH-Wert, Wassergehalt und Zusatz von die Reaktion unterstützenden Substan zen abläuft.

9. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Temperatur im Verflüssiger zwischen 0 und 100 Grad Celsius, vorzugsweise zwischen 30 und 70 Grad Celsius und der pH-Wert zwischen 0 und 12, vorzugsweise zwischen 4 und 8, liegt.

10. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß in einem weiteren Verfahrensschritt eine Fest- Flüssig-Trennung erfolgt.

11. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Fest-Flüssig-Trennung durch Separation, Sedimentation, Zentrifugation oder Filtration erfolgt.

12. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die bei der Fest-Flüssig-Trennung anfallenden Feststoffe einer weiteren Verwertung zugeführt werden.

13. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Verwertung der bei der Fest-Flüssig- Trennung chemisch, thermisch oder biologisch erfolgt.

14. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Verwertung der bei der Fest-Flüssig- Trennung anfallenden Feststoffe auch in kombi nierten chemisch-thermisch-biologischen Ver fahren erfolgen kann.

15. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß in einem weiteren Verfahrensschritt eine Spal tung der in der Flüssigphase echt oder kolloidal gelösten Biopolymere in Monomere erfolgt.

16. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Spaltung der Biopolymeren in Monomere durch biologische, chemische oder thermische Methoden erfolgen kann.

17. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Spaltung der Biopolymeren in Monomere durch die Kombination biologischer, chemischer und thermischer Methoden erfolgen kann.

18. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Spaltung der Biopolymere in Monomere vorzugs weise biologisch mit Hilfe von Enzymen oder Mikro organismen oder Gemischen aus Enzymen und Mikro organismen erfolgt.

19. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Spaltung von Biopolymeren durch Enzyme oder Mikroorganismen in einem Temperaturbereich zwi schen 0 und 100 Grad Celsius, vorzugsweise zwi schen 20 und 80 Grad Celsius, erfolgt.

20. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Spaltung von Biopolymeren in Monomere im pH-Wert- Bereich von 1 bis 12, vorzugsweise im Bereich von 4 bis 8, erfolgt.

21. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Spaltung der Biopolymeren in Monomere bereits in den ersten beiden Verfahrensstufen gleichzeitig mit der mechanischen und der biolo gischen Zerkleinerung durchgeführt werden kann.

22. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß das entstandene flüssige Monomerengemisch durch Verfahren der Volumenverringerung konzentriert wird.

23. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß das eingeengte Monomerengemisch durch chemische, physikalische oder biologische Methoden von sol chen Stoffen, die der weiteren Verwendung hinder lich sind, befreit wird.

24. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die Entfernung von Stoffen, die einer Verwendung des Monomerengemisches hinderlich sind, auch in einer früheren Phase des Gesamtprozesses erfolgen kann.

25. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß das Monomerengemisch in eine für eine Weiterver arbeitung günstige Gebrauchsform gebracht wird.

26. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß eine besonders günstige Gebrauchsform durch Trocknen des Monomerengemisches erreicht wird.

27. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß zur Trocknung des Monomerengemisches vorzugs weise eine Sprühtrocknung durchgeführt wird.

28. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß die für die Durchführung des Verfahrens ver wendete Apparatur mobil gestaltet sein kann und damit das Verfahren an jedem beliebigen für die Ökonomie des Verfahrens vorteilhaften Ort durch führbar ist.

29. Verfahren und Apparatur nach einem der vorher gehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, daß alle Verfahrensschritte wahlweise diskonti nuierlich, halbkontinuierlich oder kontinuier lich durchführbar sind.