EP2240592A2 - Stofflich und energetisch optimierter bioethanolherstellungsprozess - Google Patents

Stofflich und energetisch optimierter bioethanolherstellungsprozess

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EP2240592A2
EP2240592A2 EP09701508A EP09701508A EP2240592A2 EP 2240592 A2 EP2240592 A2 EP 2240592A2 EP 09701508 A EP09701508 A EP 09701508A EP 09701508 A EP09701508 A EP 09701508A EP 2240592 A2 EP2240592 A2 EP 2240592A2
Authority
EP
European Patent Office
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lignocellulose
biomass
production line
distillation
processing
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09701508A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Ranfft
Werner Koschuh
Jose Neto
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Desmet Ballestra Ethanol GmbH
Original Assignee
Desmet Ballestra Ethanol GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Desmet Ballestra Ethanol GmbH filed Critical Desmet Ballestra Ethanol GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
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    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • C12P7/08—Ethanol, i.e. non-beverage produced as by-product or from waste or cellulosic material substrate
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    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • Raw materials for bioethanol production basically represent all plants that contain a correspondingly high content of fermentable substances.
  • WO 1098041646 A1 mentions a process for utilizing biomass from agricultural crops, which is comminuted and compressed and separated into a low-solids phase and a solids-rich phase, the high-solids phase being treated with steam in overpressure.
  • the final product is ethanol, pulp and biogas.
  • carbonaceous material is to be converted into ethanol by a continuous hydrothermal treatment and without the addition of chemicals.
  • the resulting liquid and fiber fractions should be separated after this pretreatment. It is stated that the final product is fuel ethanol, animal feed and electricity or electricity.
  • the first solution of the problem comprises according to the invention a method for processing of grain and lignocellulose to bioethanol in a production line for grain and at the same time the production line for lignocellulose up to the saccharification stage and a specific fermentation depending on the biomass used is operated and then the streams into one common distillation and dehydration step.
  • the biogas can be used for power generation and the use of electricity in the vicinity or the production lines or mixed with the natural gas or city gas via a low-pressure gas distribution network.
  • the process of the invention is preferably carried out so that the lignocellulose is digested in the hydrolysis step so that the hydrolyzed mass has a largely neutral pH, preferably in the range of pH 5 to 7 by dispensing with the addition of acids or alkalis.
  • the process makes it possible to feed the two co-operating bioethanol plants with variable amounts of cereals and lignocellulose-containing biomasses, the proportion of lignocellulose, based on the amount of cereal used, being from 1 to a maximum of 50% by weight. So it can, for example, deliver the grain and straw at the same job site of cereal farmers. On the other hand, any lignocellulosic biomass can be processed.
  • the device according to the invention is designed so that both lines are coupled to a biogas plant for receiving vinasse from the distillation device and liquid phases from one of the hydrolyzing device for lignocellulose downstream separation device for solids and liquids.
  • the invention is best illustrated by comparing the state of the art in widespread manufacturing processes for the recovery of ethanol from lignocellulose and from cereals, respectively, and contrasting them with the present inventive concept, described by means of diagrams of the production process.
  • Figure 1 shows a biomass process developed by the "National Renewable Energy Laboratory, USA”: combination of steam pretreatment and mild acid hydrolysis of the hemicellulose fraction followed by enzymatic hydrolysis of the cellulose, with cellulose hydrolysis and fermentation of xylose and glucose monomers proceeding therein Fermentation organism is the genetically modified bacterium Zymomonas mobilis.
  • Fig. 2 shows a biomass process developed by "BC International Corporation, Canada”: two-stage acid hydrolysis (first stage releases hemicellulose sugar, second stage cellulose-sugar),
  • Figure 3 shows a biomass process developed by "Logen Corporation, Canada”: steam digestion with dilute acid for the release of the hemicellulose sugars and subsequent hydrolysis of the cellulose.
  • the alcohol is separated (distillation) and further concentrated (dewatering) for
  • Figure 5 shows the invention with the simultaneously and at one site operated in parallel plants for ethanol production from grain (upper part of the figure) or lignocellulose (lower part of the figure) and their linkage of the invention in a schematic process plan, which roughly divides the individual treatment stages.
  • Wheat, corn, rye, triticale, barley, or sugar-containing raw materials such as sugar beet, potatoes, molasses, etc. can be used as the raw material.
  • Cereal straw, wood, grass, bagasse, waste paper, green waste, etc. are used as raw materials containing lignocellulose.
  • a farmer growing energy crops can supply both the threshed grain and the straw (fresh cornhoppers).
  • the grain here for example triticale, with the highest possible starch and low protein content is first ground in a grinder. Depending on the raw material, the grain is reduced to, for example, a particle size of less than 1 mm. In contrast to the prior art, bran accumulating here is not screened out.
  • the fermentation stage the fermentable sugar is converted into ethanol and carbon dioxide by adding yeast.
  • This process lasts for 12-50 hours and provides a final ethanol concentration of, for example, 5.0-13.0, preferably in the range of about 4-19, weight percent.
  • Parallel to the anaerobic fermentation a partial flow of the yeast is aerated aerobically in a side stream of another container, so that sufficient Hefezellsubstanz is formed. Thereafter, the biomass is conveyed to a distillation device.
  • the abandoned biomass for example, straw, is using mills and
  • Shredders shredded to a particle size of 0.5 - 10 cm.
  • the shredded straw is suspended in a reactor by addition of water in a suspension, then by means of direct steam, without addition of chemicals and alkalis or acids, heated to 160-220 ° C, in
  • the lignocellulose is digested in the hydrolysis step so that the hydrolyzed mass has a largely neutral pH, preferably in the range of pH 5 to 7.
  • acids are released, which cause a slight pH drop, but should not and will not leave the said pH range.
  • the mass is cooled to the desired saccharification temperature in two flash vessels connected in series.
  • the steam thus obtained is used, for example, in the grain-based plant part as shown by a dashed arrow in FIG. 5.
  • the use of the extracted steam elsewhere in this plant and in the grain line is also considered to be inventive.
  • the saccharification is achieved by adding commercial cellulases.
  • the residence time of about 48 h at the predeterminable temperature of about 40-60 ° C, depending on the type of enzyme used.
  • the cellulose is enzymatically degraded into glucose monomers.
  • the following process step is the fermentation; After saccharification, a standard Saccharomyces fermentation is carried out at 30-40 ° C, which ends in a final ethanol concentration of, for example, about 5% by volume. Specifically, because of the frequent rejection of genetically modified biofuels, no genetically modified material or microorganisms suitable for this purpose should be used here.
  • the ethanol- ⁇ / vasergic mixture obtained is then concentrated in a rectification device to about 90 wt .-% ethanol.
  • the solution is further concentrated to at least 99.0% by volume of ethanol by means of a further dewatering treatment, for example an entrainer distillation or by molecular sieve technologies or pervaporation.
  • the so-called vinasse is taken off at the bottom of the mash column and fed to the biogas plant.
  • the entire vinasse in the biogas plant is reacted with the hemicellulosic liquid phase from the lignocellulosic line into biogas.
  • the resulting biogas will then continue to be used to generate electricity.
  • the process from the biogas production can - as is well known - so discharged or be fed to another, aerobic treatment.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein verbessertes wirtschaftlicheres Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Erzeugung von Bioethanol aus Getreide und lignocellulosehaltigen Biomassen, bei der eine Produktionslinie für Getreide und eine dazu zeitgleich betriebene Produktionslinie Lignocellulose bis zur Verzuckerungsstufe und einer spezifischen Fermentation in Abhängigkeit von der eingesetzten Biomasse betrieben und sodann die Stoffströme in eine gemeinsame Destillations- und Entwässerungsstufe geleitet werden.

Description

Stofflich und energetisch optimierter Bioethanolherstellungsprozess
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Bioethanol aus Getreide und lignocellulosehaltigen Biomassen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 10.
Rohstoffe für die Bioethanolerzeugung stellen grundsätzlich alle Pflanzen dar, die einen entsprechend hohen Gehalt an fermentierbaren Substanzen enthalten.
Im europäischen Wirtschaftsraum sind dies vornehmlich die Getreidearten Weizen, Roggen und Mais; Tritikale, Gerste, Hafer und Hirse kommen zu diesem Zweck eher selten zum Einsatz. Weiters stellt sich mit dem Abfallprodukt der Zuckerindustrie, der Melasse, ein kostengünstiger Rohstoff neben Zuckerrüben und Kartoffeln dar. In anderen Breitengraden werden Reis, Zuckerrohr sowie Cassava intensiv zur Alkoholerzeugung genutzt.
Große Hoffnungen werden in diesem Kontext auch in die Nutzung bzw. Umsetzung der Lignocellulosen gesetzt. Lignocellulose besteht aus Cellulose (Ce-Zucker, Glucose), Hemicellulose (C5- und C6-Zucker, hauptsächlich Xylose und Mannose) sowie Lignin (Polymer aus aromatischen Komponenten); Cellulose und Hemicellulose können nach entsprechender Vorbehandlung und Hydrolyse zu Ethanol fermentiert werden; die verbleibende, nicht fermentierbare Fraktion kann thermisch zu Elektrizität und Wärme umgesetzt werden.
„Features of promising technologies for pre-treatment of lignocellulosic biomass" von Nathan Mosier und anderen, veröffentlicht im Bioresource Technologie 96 (2005), Seite 673 -686, Elsevier Verlag zeigt einen guten Überblick über die Möglichkeiten der Vorbehandlung von Lignozellulose, wie sie im Moment üblich sind.
Sun und Cheng haben in ihrem Aufsatz „Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production: a review", veröffentlicht in Bioresource Technologie 83 (2002), Seiten 1 -1 1 , Elsevier Verlag einen Überblick gegeben über die Hydrolyse von Lignocellulosematehal für die Bioethanolproduktion.
Es ist hinreichend bekannt, zum Beispiel aus den Schutzschriften DE 103210607 A1 , DE 10327954 B4, EP 330686 B1 , US 20050026261 A1 Bioalkohol aus Getreide zu gewinnen oder alternativ gemäß den Schutzschriften WO 2001060752 A1 , WO 2003049538 A2 Lignocellulose zu verwenden um Bioethanol zu gewinnen. In den genannten Fällen, die auch in der grauen Literatur wird in der Regel ein Aufschluss der lignocellulosehaltigen Biomassen durch eine Hydrolyse im sauren Milieu vorrangig angewendet, obwohl bereits in der DE 3428661 C2 auch die Hydrolyse von zerkleinerten und mit Lösungsmitteln eingemaischten lignocellulosehaltiger Biomasse mit hochgespanntem Wasserdampf in einem Dispergerreaktor beschrieben wird. Eine Offenbarung derartiger hydrolysierter Biomassen in Kombination mit verzuckerten und fermentierten Getreide - Bioethanol - zum Arbeiten ist jedoch nicht offenbar.
Aus der EP 105937 B1 ist auch bereits ein in sich geschlossenes Verfahren zur Herstellung von Alkohol aus Lignocellulosematehal durch eine Kombination von Verfahrensschritten bekannt. Dabei wird das Ausgangsmaterial mit Schwefeldioxid und Wasser unter Hitze und Druck durch das Einleiten von Dampf behandelt, mit alkalischer Lösung zur Auflösung und Entfernen des Lignins vom Zelluloseanteil gemischt und ausreichend Wasser vom gelösten Lignin für einen Brennstoff verdampft, der wiederum als Energiequelle für die Dampferzeugung eingesetzt wird. Die hydrolysierte Zellulose wird zu Alkohol fermentiert. Insofern handelt es sich hier um eine Einzweckanlage zur Gewinnung von Alkohol aus lignocellulosehaltiger Biomasse. Außerdem sind noch zwei Schutzschriften bekannt, in denen fakultativ erwähnt wird, dass unterschiedliche Endprodukte anfallen können. Zum einen erwähnt die WO 1098041646 A1 ein Verfahren zur Verwertung von Biomasse aus landwirtschaftlichen Ernten, die zerkleinert und in eine feststoffarme und eine feststoffreiche Phase verpresst und getrennt wird, wobei die feststoffreiche Phase mit Dampf im Überdruck behandelt wird. Als Endprodukt soll Ethanol, Zellstoff und Biogas entstehen. Gemäß der WO 2007009463 A2 soll kohlenstoffhaltiges Material in Ethanol umgewandelt werden durch eine kontinuierliche hydrothermale Behandlung und ohne Zugabe von Chemikalien. Die entstandenen Flüssig- und Faserfraktionen soll nach dieser Vorbehandlung aufgetrennt werden. Es ist angegeben, dass als Endprodukt Kraftstoffethanol, Tierfutter und Strom bzw. Elektrizität anfallen.
Allen bisherigen Vorschlägen ist gemein, dass es sich um spezielle Anlagen zur Erzeugung von Bioethanol entweder aus Getreide oder aus Lignocellulose handelt. Wobei aber derartige Linien nicht interoperativ mit einander gekoppelt sind.
In der US-Patentanmeldung US 2007/0161095A1 ist bereits erwähnt, dass man aus gleichzeitigem Einsatz von Biomassen die Lignocellulose und landwirtschaftlichen Produkten wie Getreide als Ausgangsrohstoffen diverse Endprodukte erhält, beispielsweise Biodiesel aber auch an Nanokompositen bzw. Elektrizität. Die Aufbereitung soll aber im Wesentlichen durch Mitwirkung ionischer Flüssigkeiten und durch Gase mit spezifischen Reaktionsbedingungen gefahren werden. Eine gleichzeitige parallele Betreibung von einer freiarbeitenden Bioethanolanlage und einer Lignocellulose umsetzenden Ethanolanlage sind nicht erwähnt.
Es ist auffällig, dass durch den Trend Bioethanol zu gewinnen in manchen Gegenden entweder das Getreide knapp wird oder auch jahreszeitlich bedingt die lignocellulosehaltigen Materialien nicht jederzeit verfügbar sind. Von daher liegt der Erfindung das Problem zu Grunde die Bioethanolgewinnung aus Getreide und Lignocellulose zu optimieren.
Das Problem wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 10 gelöst. Weiterbildungen der Erfindungen sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.
Die erste Lösung des Problems umfasst erfindungsgemäß ein Verfahren zur Verarbeitung von Getreide und Lignocellulose zu Bioethanol in einer Produktionslinie für Getreide und dazu zeitgleich die Produktionslinie für Lignocellulose bis zur Verzuckerungsstufe und einer spezifischen Fermentation in Abhängigkeit von der eingesetzten Biomasse betrieben wird und sodann die Stoffströme in eine gemeinsame Destillations- und Entwässerungsstufe geleitet werden. Dies erspart zunächst den Bau von parallelen Destillations- und Entwässerungsstufen und lässt variablen Einsatz von bestimmten Rohstoffmengen in der einen oder anderen Linie zu bei gemeinsamer Weiterverarbeitung der ausgebrachten Produkte und Energien.
In einer Ausführungsvariante kann zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit aus der Produktionslinie zur Verarbeitung von Lignocellulose nach einer Hydrolyse der Biomasse überschüssiger Dampf abgezogen und in dieser Produktionslinie an anderer Stelle genutzt oder zur Nutzung in der Produktionslinie für das Getreide abgezogen werden.
Nach der Hydrolysestufe in der Produktionslinie zur Verarbeitung von Lignocellulose entstehende Flüssigphase kann erfindungsgemäß weitestgehend von einer Festphase abgetrennt und die Flüssigphase einer Biogasanlage zugeführt werden zur weiteren optimalen Verwertung. Auch die Reststoffe nach der Destillation und Entwässerung (Schlempe) können dieser Biogasanlage zugeführt werden, in der dann Schlempe und die Hemicellulose reiche Flüssigphase zu Biogas erfindungsgemäß gemeinsam umgesetzt werden.
Vorzugsweise kann das Biogas zur Stromerzeugung und der Verwendung des Stroms im Nahbereich oder den Produktionslinien verwendet oder über ein Niederdruckgasverteilungsnetz dem Erdgas oder Stadtgas beigemischt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise so geführt, dass die Lignocellulose in der Hydrolysestufe so aufgeschlossen wird, dass die hydrolysierte Masse einen weitestgehend neutralen pH-Wert, vorzugsweise im Bereich pH-Wert 5 bis 7 durch Verzicht auf Zugabe von Säuren oder Laugen aufweist.
Das Verfahren ermöglicht es, dass die beiden zeitgleich miteinander betriebenen Bioethanolanlagen mit variablen Einsatzmengen an Getreide und lignocellulosehaltigen Biomassen beschickt werden, wobei der Anteil an Lignocellulose, bezogen auf die eingesetzte Getreidemenge, bei 1 bis maximal 50 Gewichtsprozent beträgt. Es kann also beispielsweise am selben Aufgabeort der Getreideanbauer das Getreide und das Stroh abliefern. Andererseits kann beliebige lignocellulosehaltige Biomasse verarbeitet werden.
Vorzugsweise wird die Ethanolendkonzentration sowohl bei der Verarbeitung von Getreide als auch bei der Verarbeitung von Lignocellulose vor der Destillationsstufe eine Ethanolendkonzentration von 4-19 Volumenprozent aufweisen.
Die zweite Lösung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verarbeitung der Biomassearten Getreide und Lignocellulose zu Bioethanol, insbesondere zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens, wobei mindestens je eine in Reihe angeordnete Einrichtung zur Vorbehandlung, Aufschließung, Verzuckerung, Fermentation verzuckerter Massen für jede Biomassenart gleichzeitig bzw. parallel betreibbar sind, aber durch nur eine für beide Linien gemeinsam beschickbare Destillationseinrichtung und Entwässerungsvorrichtung zur Aufkonzentrierung des gewonnenen Ethanols Ergänzung findet.
Die Vorrichtung wird erfindungsgemäß so ausgestaltet, dass beide Linien mit einer Biogasanlage gekoppelt sind zur Aufnahme von Schlempe aus der Destillationseinrichtung und von Flüssigphasen aus einer der Hydrolisierungsvorrichtung für Lignocellulose nachgeschalteten Trenneinrichtung für Fest- und Flüssigstoffe.
Der Hydrolyseteil der Lignocellulose- Linie kann mit einer Abführeinrichtung von Dampf zur Getreide-Linie verbunden und die Biogasanlage mit einer Stromerzeugungsanlage gekoppelt sein.
Die Erfindung wird am besten dadurch deutlich, indem man den Stand der Technik bei weit verbreiteten Herstellprozessen für die Gewinnung von Ethanol aus Lignocellulose bzw. aus Getreide miteinander vergleicht und in den Gegensatz zur vorliegenden erfinderischen Idee setzt, beschrieben anhand von Schaubildern des Produktionsablaufs.
Im Moment existieren drei gängige Verfahren für die Koproduktion von Ethanol, Wärme und Elektrizität aus Lignocellulosen, die sich jedoch großtechnisch aus verschiedensten, zumeist finanziellen Hintergründen bisher nicht darstellen lassen.
Hier rechnen große Bioethanolanlagen in der Zukunft mit Produktionskosten von 0,26 Euro/l (12,4 Euro/GJ) und weiterer Senkung durch technologische Entwicklungen auf 0,18 Euro/l (8,6 Euro/GJ). Die Fig. 1 - 4 zeigen verschiedene Verfahren zur Erzeugung von Ethanol nach dem Stand der Technik.
Fig. 1 zeigt einen Biomasse-Prozess, entwickelt vom „National Renewable Energy Laboratory, USA": Kombination von Dampf-Vorbehandlung und milder Säurehydrolyse der Hemicellulosefraktion und nachfolgender enzymatischer Hydrolyse der Cellulose. Dabei verläuft die Cellulosehydrolyse und Fermentation von Xylose- und Glucosemonomeren im selben Reaktor. Fermentationsorganismus ist das genetisch modifizierte Bakterium Zymomonas mobilis.
Fig. 2 zeigt einen Biomasse-Prozess, entwickelt von „BC International Corporation, Kanada": Zweistufige Säurehydrolyse (erste Stufe setzt Hemicellulose-Zucker frei, zweite Stufe die Cellulose-Zucker),
Fig. 3 zeigt einen Biomasse-Prozess, entwickelt von „logen Corporation, Kanada": Dampfaufschluss mit verdünnter Säure für die Freisetzung der Hemicellulose- Zucker und nachfolgend Hydrolyse der Cellulose.
Diese, gemäß Stand der Technik, typische Ethanolgewinnung aus Biomasse ist in REITH, J. H.; VEENKAMP, J. M. und VAN REE, R. (2001 ): Co- production of bio-ethanol, electricity and heat from biomass wastes: potential and R & D issues. ECN, Nedalco, ATO contribution to the First European Conference on agriculture & renewable energy; 6-8 May 2001 , RAI, Amsterdam, The Netherlands, im Internet ersichtlich am 16.01.2008,14:17:14 Uhr unter http://www.ecn.nl/docs/library/report/2001/rx0101 1.pdf. In der Fermentation werden dabei wohl genetisch modifizierte Mikroorganismen eingesetzt.
In Fig. 4 sind nun die wesentlichen Verfahrensschritte- nach dem allgemeinen für sich bekannten Stand der Technik - zur Bioethanol- Erzeugung auf Basis Getreide dargestellt. Nach Vorbereitung des Rohstoffes gemäß den gezeigten Verfahrensschritten - Lagerung/Reinigung, Vermahlung, Einmaischung - folgt die Umwandlung der Kohlenhydrate durch Verflüssigung, Verzuckerung - in für den Mikroorganismus nutzbare Zucker, die dann in Alkohol durch Fermentation umgesetzt werden.
Im anschließenden Downstream-Teil des Prozesses wird der Alkohol abgetrennt (Destillation) und weiters aufkonzentriert (Entwässerung) zum
Endprodukt Bioethanol. Der Reststoff aus der Destillation andererseits kann entweder entsorgt oder auf unterschiedlichen Arten weiter aufgearbeitet werden.
Bild 5 zeigt die Erfindung mit den gleichzeitig und an einem Standort parallel betriebenen Anlagen für die Ethanolgewinnung aus Getreide (obere Teilfigur) bzw. Lignocellulose (untere Teilfigur) und deren erfindungsgemäße Verknüpfung in einem schematischen ablaufplan, der die einzelnen Behandlungsstufen grob aufteilt.
Als Rohstoff Getreide können Weizen, Mais, Roggen, Triticale, Gerste, oder auch zuckerhaltige Rohstoffe wie Zuckerrüben, Kartoffeln, Melasse, usw. zum Einsatz gelangen, als lignocellulosehaltiger Rohstoff werden Getreidestroh, Holz, Gras, Bagasse, Altpapier, Grünschnitt usw. verwertet. Ein Energiepflanzen anbauender Landwirt kann beispielsweise sowohl das gedroschene Getreide als auch das Stroh (frische Getreidehalme) zur Anlage liefern.
Beschreibung der Getreidelinie:
Das Korn, hier beispielsweise Triticale, mit möglichst hohem Stärke- und geringem Protein-Anteil wird zunächst in einem Mahlwerk vermählen. Je nach Rohstoff wird das Korn auf beispielsweise eine Partikelgröße von kleiner 1 mm reduziert. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird hier anfallende Kleie nicht ausgesiebt.
Im nächsten Reaktor erfolgt das übliche Einmaischen des Mahlgutes, gefolgt von der Verflüssigung in einer weiteren Vorrichtung. Dabei wird eine
Mischung des vermahlenen Getreides mit Wasser und einer Enzymlösung erreicht. Nach Aufheizung auf eine vorgebbare Verflüssigungstemperatur (abhängig von der Art des Verflüssigungsenzyms) von 50- 1 15 °C und einer Verweilzeit von 0,5- 2,0 h in Abhängigkeit von Enzymkonzentration wird in einer neutralen oder leicht basischen Umgebung die Stärke abgebaut. Der pH-Wert Bereich wird in Abhängigkeit vom Verflüssigungsenzym auf 5,0- 6,5 eingestellt um einen guten Abbau der Stärke in Dextrine zu erreichen. Der folgende Behälter ist eine Verzuckerungseinrichtung. Durch Zusatz von Verzuckerungsenzym wird der Abbau der Dextrine in vergärbare Mono-, Di-, und Trisaccharide unter Einhaltung eines vorgegebenen, überwachten pH- Bereiches, je nach Verflüssigungsenzym, pH 4,0- 5,5 bewirkt. Dabei wird, abhängig vom Verflüssigungsenzym, mit einer Temperatur von 50- 65 °C gefahren bei einer Verweilzeit von 1 - 48 h, in Abhängigkeit von der Enzymkonzentration.
In der folgenden Einrichtung, der Fermentationsstufe, wird durch Zusatz von Hefe der vergärbare Zucker in Ethanol und Kohlendioxid umgesetzt. Dieser Vorgang dauert 12- 5O h und erbringt eine Ethanolendkonzentration von beispielsweise 5,0- 13,0, vorzugsweise im Bereich von etwa 4 - 19, Gew.-%. Parallel zur anaeroben Fermentation wird ein Teilstrom der Hefe in einem Nebenstrom eines weiteren Behälters aeroben belüftet, damit genügend Hefezellsubstanz gebildet wird. Danach wird die Biomasse in eine Destillationseinrichtung gefördert.
Beschreibung der Liqnocelluloselinie:
Die aufgegebene Biomasse, beispielsweise Stroh, wird mittels Mühlen und
Häckslern auf eine Partikelgröße von 0,5 - 10 cm zerkleinert.
Das geschredderte Stroh wird in einem Reaktor durch Zusatz von Wasser in eine Suspension aufgeschwemmt, sodann mittels Direktdampf, ohne Zusatz von Chemikalien sowie Laugen oder Säuren, auf 160- 220 °C aufgeheizt, in
Abhängigkeit von den Rohstoffarten und bei Verweilzeiten von 10- 120
Minuten aufgeschlossen. Dabei geht der Großteil der Hemicellulose in
Lösung. Die Lignocellulose wird in der Hydrolysestufe so aufgeschlossen, dass die hydrolysierte Masse einen weitestgehend neutralen pH-Wert, vorzugsweise im Bereich pH-Wert 5 bis 7, aufweist. Im Prozess selbst werden Säuren freigesetzt, die einen leichten pH-Wertabfall bewirken, jedoch soll und wird der genannte pH-Wertbereich nicht verlassen. Dies hat mehrere Vorteile. Durch Verzicht auf Chemikalienzusatz können keine, den folgenden Prozess behindernde Nebenprodukte entstehen. In dem genannten pH-Wertbereich ist auch kein oder nur ein geringer Angriff auf die Werkstoffe der Anlagenteile zu beobachten, was die Wirtschaftlichkeit der Produktion durch verlängerte Lebensdauer der Anlage erhöht.
Nach dieser Hydrolyse wird die Masse auf die erwünschte Verzuckerungstemperatur in zwei hinter einander geschalteten Flash Behältern abgekühlt. Der dabei gewonnene Dampf findet beispielsweise im getreidebasierten Anlagenteil Verwendung wie durch einen strichlinierten Pfeil in Fig. 5 dargestellt. Die Verwendung des abgezogenen Dampfes auch an anderen Stellen in dieser Anlage sowie in der Getreidelinie wird als erfinderisch angesehen.
Im nächsten Verfahrensschritt wird mittels eines Filters, vorzugsweise eines geeigneten Bandfilters bzw. einer Schneckenpresse, eine Fest- /Flüssigtrennung der abgekühlten Masse vollzogen. Die Flüssigphase wird in eine Biogasanlage gepumpt, die Festphase der Verzuckerungseinrichtung zugeführt.
Die Verzuckerung erreicht man durch Zugabe von handelsüblichen Cellulasen. Zur Verzuckerung beträgt die Verweilzeit von ca. 48 h bei der vorgebbaren Temperatur von etwa 40-60 °C, je nach Art des verwendeten Enzyms. Dabei wird die Cellulose enzymatisch in Glucosemonomere abgebaut.
Der folgende Verfahrensschritt ist die Fermentation; nach der Verzuckerung wird bei 30-40 °C eine Standard- Saccharomyces- Fermentation vorgenommen, die in einer Ethanolendkonzentration von beispielsweise ca. 5 Vol.-% endet. Ausdrücklich soll wegen der häufigen Ablehnung genmodifizierter Biostoffe hier kein genetisch geändertes Material und auch keine dafür verwendbaren Mikroorganismen eingesetzt werden.
Nunmehr wird das erhaltene Produkt zur Destillationseinrichtung gepumpt.
Beschreibung der für beide Linien gemeinsamen Verfahrensschritte: Die alkoholisch fermentierte Lösung aus der Getreidelinie und die fermentierten Massen aus der Lignozelluloselinie werden zusammengeführt und in einer ersten Stufe, einer Maischkolonne destilliert bis auf ca. 50 Gew.- % Ethanol.
Im nächsten Schritt wird das erhaltene Ethanol-Λ/Vassergemisch dann in einer Rektifikationseinrichtung bis auf ca. 90 Gew.-% Ethanol aufkonzentriert. Mittels einer weiteren Entwässerungsbehandlung, beispielsweise einer Schleppmitteldestillation oder durch Molekularsiebtechnologien oder Pervaporation wird die Lösung auf mind. 99,0 Vol.-% Ethanol weiter aufkonzentriert.
Die in diesen Stufen anfallenden Reststoff, die sogenannte Schlempe, wird am Boden der Maischekolonne abgezogen und der Biogasanlage zugeführt. Im Stand der Technik wird versucht via Klärschlamm Methan zu gewinnen oder die Schlempe in Tierfuttermittel einzuschleusen. Erfindungsgemäß wird jedoch die gesamte Schlempe in der Biogasanlage mit der hemizellulosereichen Flüssigphase aus der Lignozellulosenlinie in Biogas umgesetzt. Das entstandene Biogas wird dann weiter zur Stromerzeugung genutzt. Der Ablauf aus der Biogasproduktion kann - wie für sich bekannt - so abgegeben werden oder einer weiteren, aeroben Behandlung zugeführt werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Verarbeitung von Getreide und Lignocellulose zu Bioethanol dadurch gekennzeichnet, dass eine Produktionslinie für Getreide und eine dazu zeitgleich betriebene Produktionslinie Lignocellulose bis zur Verzuckerungsstufe und einer spezifischen Fermentation in Abhängigkeit von der eingesetzten Biomasse betrieben und sodann die Stoffströme in eine gemeinsame Destillations- und Entwässerungsstufe geleitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass an der Produktionslinie zur Verarbeitung von Lignocellulose nach einer Hydrolyse der Biomasse überschüssiger Dampf in dieser Produktionslinie an anderer Stelle genutzt oder zur Nutzung in der Produktionslinie für das Getreide abgezogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass nach der Hydrolysestufe in der Produktionslinie zur Verarbeitung von Lignocellulose eine Flüssigphase weitestgehend von einer Festphase abgetrennt und die Flüssigphase einer Biogasanlage zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dahingehend gekennzeichnet, dass die Reststoffe nach der Destillation und Entwässerung (Schlempe) der Biogasanlage zugeführt werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dahingehend gekennzeichnet, dass in der Biogasanlage Schlempe und die Hemicellulose reiche Flüssigphase zu Biogas umgesetzt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Biogas zur Stromerzeugung verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Lignocellulose in der Hydrolysestufe so aufgeschlossen wird, dass die hydrolysierte Masse einen weitestgehend neutralen pH-Wert, vorzugsweise im Bereich pH-Wert 5 bis 7 durch Verzicht auf Zugabe von Säuren oder Laugen aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden zeitgleich miteinander betriebenen Bioethanolanlagen mit variablen Einsatzmengen an Getreide und lignocellulosehaltigen Biomassen beschickt werden, wobei der Anteil an Lignocellulose, bezogen auf die eingesetzte Getreidemenge, bei 1 bis maximal 50 Gewichtsprozent beträgt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Ethanolendkonzentration sowohl bei der Verarbeitung von Getreide als auch bei der Verarbeitung von Lignocellulose vor der Destillationsstufe eine Ethanolendkonzentration von 4-19 Volumenprozent aufweisen.
10. Vorrichtung zur Verarbeitung der Biomassearten Getreide und Lignocellulose zu Bioethanol, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens je eine der Vorrichtungen, umfassend je mindestens eine in Reihe angeordnete Einrichtung zur Vorbehandlung, Aufschließung, Verzuckerung, Fermentation verzuckerter Massen für jede Biomassenart gleichzeitig bzw. parallel betreibbar sind, gekennzeichnet durch nur eine für beide Linien gemeinsam beschickbare Destillationseinrichtung und Entwässerungsvorrichtung zur Aufkonzentrierung des gewonnenen Ethanols.
1 1. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beide Linien mit einer Biogasanlage gekoppelt sind zur Aufnahme von Schlempe aus der Destillationseinrichtung und von Flüssigphasen aus einer der Hydrolisierungsvorrichtung für Lignocellulose nachgeschalteten Trenneinrichtung für Fest- und Flüssigstoffe.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Hydrolyseteil der Lignocellulose-Linie mit einer Abführeinrichtung von Dampf zur Getreide-Linie verbunden ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12 , dadurch gekennzeichnet, dass die Biogasanlage mit einer Stromerzeugungsanlage gekoppelt ist.
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