WO2008122657A9 - Verfahren mittels siebtrommelmembran zur erzeugung von alkoholen und hoch kohlenstoffhaltigem material - Google Patents

Verfahren mittels siebtrommelmembran zur erzeugung von alkoholen und hoch kohlenstoffhaltigem material Download PDF

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WO2008122657A9
WO2008122657A9 PCT/EP2008/054312 EP2008054312W WO2008122657A9 WO 2008122657 A9 WO2008122657 A9 WO 2008122657A9 EP 2008054312 W EP2008054312 W EP 2008054312W WO 2008122657 A9 WO2008122657 A9 WO 2008122657A9
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Georg Uphoff
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Fritzmeier Georg Gmbh & Co Kg
Georg Uphoff
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    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the invention relates to the field of environmental technology, waste technology, medical technology and process engineering.
  • Screen drums are known for cleaning waste, in particular
  • Household waste can be used. These screening drums are partially submerged in fluids to clean and separate the household waste of organic material. They are usually rotated about their longitudinal axis. The waste is usually by means of a standing screw o.a. pushed through the sieve drum. It is also known to introduce a heating coil into the sieve drum in order to improve the cleaning process there. This is usually operated at 70 degrees Celsius.
  • the prior art uses the process to achieve better hydrolysis, which in turn may be a precursor for the treatment of the residues to release biogases.
  • the invention relates to a novel process for the production of alcohols under dry fermentation in a steam phase. At the same time material can be produced with a high carbon content, which can be used for further energy recovery.
  • Sieve drum as known in the art is used for the production of alcohols. Furthermore, it is unsolved how materials in such a screen drum can be fermented by means of dry fermentation. Another object is to prevent the inherent inhibition of the fermentation process
  • a vapor-permeable membrane is tensioned, which serves as a barrier to fluids.
  • Gore-Tex can serve. This spanned sieve drum passes through a liquid bath. In the sieve drum is fermentable material that is continuously moved forward through the sieve drum. This causes a progressive fermentation with continuous water-alcohol mixture in vapor phase, which is withdrawn under a slight negative pressure through the vapor-permeable membrane. The remaining residue is expelled and can be pressed. He can be put into pellet processing.
  • the liquid phase with the dissolved residual DOC can then be introduced into an installation or a method WO 03/045848 (GEORG FRITZMEIER GMBH) 05.06.2003 and, due to the particularly high DOC or carbon content, further utilized or utilized in an energetically advantageous manner. In any case, it is advantageous to upstream or downstream processes that lead to the formation of a potential difference. As a result, power can be generated for further use of the residual organics and driven, for example, a consumer.
  • the inhibition is prevented on the one hand by the constant withdrawal of the alcohol mixture.
  • the bacterium ethanolicus is already inhibited at an alcohol content of 3.5%, but is ideally suited to ferment at 65 degrees Celsius alcohols. If this problem is not solved, then ends the fermentation process and thus the production of beneficial alcohols. However, a process at 65 degrees Celsius is advantageous, as opposed to 70 degrees Celsius, as related to hydrolysis in the prior art.
  • By the invention can be produced continuously from fermentable substances alcohol.
  • the process is not interrupted by inhibition.
  • material with a high carbon content or residual DOC accumulates, which can be utilized advantageously in terms of energy.
  • Water phase in the drum is partially submerged, is activated externally or directly with ultrasound, microwave, changing magnetic field -> release of enzymes
  • the invention relates to a process for the production of ethanol from fermentable substrate and to an ethanol reactor for carrying out such a process.
  • the invention has for its object to provide a method for the production of ethanol and an ethanol reactor, with which the production of ethanol is simplified.
  • This object is achieved by a method for the production of ethanol according to the features of claim 1 or by an ethanol reactor according to claim 15.
  • the fermentable substrate is first of all mechanically and biologically processed or conditioned, this preparation depending on the nature of the substrate.
  • the treated substrate is fed to an ethanol reactor containing the alcoholic fermentation operating microorganisms, for example, yeasts or bacteria.
  • the substrate is supplied with fermentation aids containing a proportion of a microbiotic mixture consisting of photosynthetic and light-emitting microorganisms.
  • fermentation aids prevent the formation of fermentation-inhibiting substances or degrade these fermentation-inhibiting substances as much as possible, so that the fermentation inhibition described above does not occur or at least to a much reduced extent.
  • the reverse reaction of the ethanol to acetaldehyde can be largely prevented, so that the reaction can be carried out very effectively.
  • the resulting during the fermentation of ethanol gas is withdrawn overhead and condensed.
  • the remaining extract substrate is withdrawn from the ethanol reactor and dehumidified so that it can be used for further use.
  • the energy expenditure for carrying out the fermentation is particularly low when the ethanol reactor is operated at a negative pressure.
  • This negative pressure is chosen so that the evaporation temperature in the reactor is about 60 ° to 75 0 C.
  • the substrate is comminuted, for example, so that it is present as a flour-like substance.
  • the biological treatment or conditioning may provide for applying a partial stream of the substrate with the microbiotic mixture and thereby depending on the nature of the substrate, the conversion to glucose-supporting microorganisms, such as fungi or bacteria.
  • the biological preparation may further contain a bacterial hydrolysis in which the substrate is liquefied by bacteria. These microorganisms used for bacterial hydrolysis are selected so that they do not attack the sugar or starch contained in the substrate.
  • the mechanically and / or biologically processed substrate is mixed in a mixer with the microbiotic mixture which contains a proportion of the cell membrane-protecting or DNA-repairing substances.
  • the fermentation aids are fed via a membrane during fermentation.
  • These fermentation auxiliaries can be mixed with a carrier liquid which does not evaporate at the fermentation temperature, to which a proportion of fermentation-inhibiting substances of degrading microorganisms or other additives is added.
  • microorganisms may also contain the aforementioned microbiotic mixture.
  • the method can be carried out particularly effectively when this carrier fluid is circulated.
  • the biological conversion can be further improved if the said fermentants are activated chemically, physically or biologically, for example by application of ultrasound.
  • the said fermentants are activated chemically, physically or biologically, for example by application of ultrasound.
  • enzymes are formed, which accelerate the degradation of gärhemmender substances.
  • the ethanol reactor according to the invention has a closed reactor vessel on which a substrate feed, an ethanol gas vent and a discharge substrate take-off are provided. Furthermore, a mixing device delimiting a fermentation space or arranged in a fermentation space is provided in the reactor vessel, via which the substrate can be conveyed from the substrate feed to the discharge substrate take-off.
  • the ethanol reactor is carried out with a the fermentation aids and the carrier liquid receiving fermentation aid space, which is separated via a permeable for the fermentation agents membrane from the fermentation chamber.
  • the reactor vessel may be constructed with a rotatable screen drum having its peripheral wall covered with the membrane and provided in the internals or agitator for conveying and mixing the substrate.
  • This sieve drum submerges sections in the fermentation aid space, so that continuous auxiliaries are passed over the membrane in the fermentation chamber.
  • two membranes delimiting the fermentation space are provided in the reactor, wherein a foot-side membrane separates the fermentation aid space from the fermentation space and a gas membrane permeable to the ethanol gas is provided on the head side.
  • the membrane dips into the fermentation aid space.
  • a wood material or a wood substitute can be used for the membrane supply of the fermentation aids.
  • Figure 1 is a flow diagram of a plant for the production of bioethanol
  • Figure 2 is a longitudinal section through an ethanol reactor of the system of Figure 1;
  • FIG. 3 shows a cross section of the ethanol reactor from FIG. 2;
  • Figures 4 and 5 are corresponding views of internals of the ethanol reactor
  • Figure 6 is a longitudinal section through another embodiment of an ethanol reactor
  • Figure 8 is a block diagram of a system according to the invention.
  • ethanol gas can be produced from fermentable substrate 1, for example cereals.
  • This cereal can also be stressed, for example, by mold or moisture, so that it is no longer suitable for human use.
  • the input substrate 1 containing a high proportion of organic is used as a raw material 2 of a mechanical Preprocessing 3 supplied, wherein the input substrate is comminuted to a flour-like mass. This comminution can be done via a roll crusher, a flour mill, granulators or hammer mills or the like.
  • a partial stream 4.1 of this mechanically digested substrate is fed via a material diverter or a slide arrangement 13 to a stirred tank 5, in which a vaccination and adaptation of the substrate take place.
  • a mixture of microorganisms which contains, for example, a proportion of a microbiotic mixture consisting of photosynthetic and light-emitting microorganisms from a storage container 7 via a Substratverschiebe- and metering device 6, for example a centrifugal and / or positive displacement pump and a further slide assembly 13 , as described in the application WO 02/49971 A1.
  • This microbiotic mixture is marketed under the name reacre® and is known from the prior art, so that no further explanation is necessary with regard to the mode of action and the composition of this mixture.
  • microorganisms are added, which are adapted to the nature of the substrate 1.
  • these additional microorganisms are selected to convert the starch contained in the substrate to sugar (glucose).
  • fungi, bacteria, yeasts or other suitable microorganisms can be used.
  • Microorganisms in the stirred tank 5, the adapted substrate 5.1 is withdrawn from the stirred tank 5 and added via a further metering device 6 as an adapted substrate 7.3 to the partial flow 4 of the substrate.
  • microorganisms inoculated and adapted substrate can then be fed via a slide assembly 13 as a substrate stream 7.4 a further stirred tank 8 or as a partial flow 7.5 (7.3, 4) of a mixing section 9.4.
  • the stirred tank 8 is preferably carried out as a hydrolysis tank in which the adapted substrate is bacterially hydrolyzed.
  • the residence time in this Hydrolyse disposer is between 10 to 72 hours and depends on the composition of the substrate and the added additives.
  • the hydrolyzed substrate 8.2 is then fed together with or as an alternative to the material flow 7.5 of the mixing section 9.4.
  • This mixing section 9.4 can be carried out for example by a screw mixer.
  • This mixing section 9.4 is supplied as shown in Figure 1, acting as a bio-stabilizer reactant 9.3.
  • This can be, for example, a microorganism mixture which releases cell membrane-protecting substances and DNA-repairing substances, so that the subsequent fermentation can be carried out with a high degree of conversion.
  • This microorganism mixture is selected again depending on the nature of the input substrate 1 and may also contain a proportion of the microbiotic mixture described above.
  • This additive / reagent is conveyed from a storage tank 9 via a metering device 6 in a stirred feed tank 9.2 and mixed there and dosed via a further metering device 6 as stream 9.3 of the mixing section.
  • the substrate and reagent mixture 10 present at the outlet of the mixing section 9.4 is then fed to an ethanol reactor 11 (fermenter).
  • This ethanol reactor 11 is designed as a horizontal reactor in the illustrated embodiment.
  • FIGS. 2 to 5 show a first exemplary embodiment of such an ethanol reactor 11.
  • this ethanol reactor 11 has a reactor container 11.1 (cylinder), which is closed in a substantially gas-tight manner and accommodates the process-engineering devices.
  • This reactor vessel 11.1 is designed with a substrate feed, via which the SubstraWRe reliesstoffgemisch 10 is supplied. Furthermore, an ethanol gas outlet is provided, over which ethanol gas 11.12 produced during fermentation is drawn. After the fermentation remaining Austragssubstrat 10.2 is withdrawn via a Austragssubstratabzug from the ethanol reactor 11.
  • a screen drum 11.2 rotatably mounted, which is driven by an electric motor drive 11.4 (see Figure 4).
  • the outer circumference of the screen drum 11.2 is covered with a membrane film, which is arranged between two Lochsiebveritateen so that it is protected against mechanical overload.
  • the membrane film is designed to be used for the ethanol gas 11.12 produced during fermentation and for fermentation Fermentation Aids 11.5 is permeable.
  • the latter are accommodated in a fermentation aid space formed on the foot side in the reactor vessel space.
  • These fermentation aids 11.5 are suspended in a carrier liquid, for example silicone oil, which does not evaporate during the fermentation.
  • the membrane is designed so that it is impermeable to the carrier liquid.
  • the fermentation aids 11.5 can enter through the membrane into the interior of the sieve drum 11.2 and thus into the fermentation space during fermentation.
  • the filling level of the substrate 10 in the fermentation space is set approximately so that it corresponds to about half of the screen drum diameter.
  • the length of the screen drum corresponds to about 6 to 9 times the screen drum diameter, these dimensions are selected depending on the substrate.
  • the sieve drum 11.2 can be provided with internals 11.21, which act in a similar manner to stirring stirrers and ensure, during the rotation of the sieve drum 11.2, that the substrate to be fermented intermixes and forms a plug in the direction of the substrate inlet is conveyed to the Austragssubstatteabzug.
  • these internals 11.21 are approximately cross-shaped, with several of these internals being distributed along the length L of the sieve drum, so that a plurality of chambers having an axial length of L1 are formed which follow each other from the substrate 10.1 be flowed through with intensive mixing.
  • the screen drum drive 11.4 (see Figure 4) can be designed as Aufsteckgetriebemotor or chain drive or otherwise with speed control. Depending on the substrate composition, the speed may for example be between 0.5 to 3 revolutions per hour.
  • the drive for the screen drum 11.2 can also be designed with reversible speed, so that the conveying direction can be reversed briefly.
  • the immersion surface of the screen drum is - as indicated in Fig. 3 - repositioned after each revolution or partial rotation of the screen drum 11.2, this immersion surface is offset by the angle 11.4, so that in each case another surface portion F1 is immersed in the Gärangesstoffraum and the previously in the immersion substance 11.5 submerged surface is arranged in the fermentation chamber, so that the distribution of the fermentation aid is optimized.
  • the fermentation auxiliaries enter the fermentation space from the base-side fermentation aid space through the membrane (stream 11.5), the membrane being designed, as described above, so that the carrier liquid is not introduced and thus remains in the fermentation aid space.
  • the resulting during the fermentation of ethanol gas 11.12 is withdrawn through the membrane through the ethanol gas.
  • FIGS 6 and 7 show another embodiment of an ethanol reactor 11.
  • the reactor vessel 11.1 is in principle similar to the embodiment described above.
  • the reactor vessel is divided over two membranes 11.2a and 11.2b in the longitudinal direction, so that a fermentation chamber is formed, in which an agitator is arranged.
  • This can be embodied, for example, as a spiked stirrer with a multiplicity of stirring spikes 11.12 or stirring blades arranged in the axial direction with respect to one another, which prevent a short-circuit flow between the entry and the discharge and ensure intimate mixing of the substrate.
  • this agitator is reversible in the direction of rotation and variable speed, so that the conveying direction and the mixing can be controlled in a simple manner.
  • the supply of the fermentation aids 11.5 again takes place from the fermentation aid space, these are taken up with the carrier liquid.
  • the adjuvant space is separated via the membrane 11.2 B from the fermentation chamber.
  • the membrane is formed in the representation of Figure 7 is approximately circular arc-shaped and immersed in the fermentation aid space.
  • this membrane 11.2 b is permeable to the fermentation aids and impermeable to the carrier liquid.
  • the maximum filling level within the reactor vessel 11.1 is above the axis of the agitator, so that the mixing is optimal.
  • the resulting during the fermentation of ethanol gas 11.12 enters via the upper membrane 11.2 a in a headspace and from this on the ethanol gas from the ethanol reactor 11 from.
  • the upper gas membrane 11.2a is designed to be permeable to ethanol gas 11.12 and water vapor, but other gas compounds such as methane gas and fuselages are retained in the fermentation space.
  • the fermentation auxiliaries can be circulated, so that a continuous supply is ensured. It will from the fermentation aid space a stream 11.6, deducted consisting of the carrier liquid and the fermentation aid and fed via the metering device 6 and a valve assembly 13 to a seed 11.7. To compensate for the fermentation aids supplied to the fermentation 11.7 are supplied via a further dosing device 6 from a template and reaction vessel 11.8 fresh fermentation aids this Impf electer 11.7, so that the solution (carrier liquid / fermentation aid) is maintained at a predetermined concentration.
  • Impf constituer 11.7 there is an activation of the fermentation aids by physical, chemical or biological means. Depending on the substrate composition, this activation can be effected by laser, ultrasound and / or shear forces, for example stirring, shaking.
  • the Impf fixinger 11.7 can be bypassed by switching the valve assembly 13.
  • the activated solution is then heated in a heat exchanger 11.10 to the fermentation temperature (60-65 0 C) and then fed as heated solution 11.11 (activated) or without activation (11.6) the ethanol reactor.
  • the withdrawn ethanol gas 11.12 is fed to a condenser (gas cooler) 11.13 and cooled therein from its fermentation temperature (60-65 0 C) to about 25-30 0 C and condensed.
  • the cooling medium is provided in a cooling medium generation 11.14, this cooling can be done for example by an air / water cooling (cooling table) or at higher outside temperatures (> 30 0 C) by a refrigeration system via compressor and evaporator.
  • the liquified ethanol 11.15 is then collected in a storage tank 11.16 and may be supplied for further use as fuel or further concentration.
  • the storage tank 11.16 is held by a vacuum station 11.17 to a negative pressure, whereby via this vacuum station 11.17 and an exhaust pipe 11.18 exhaust gases are discharged via an activated carbon filter into the open.
  • the withdrawn after fermentation from the ethanol reactor discharge substrate 10.2 is fed via a metering 6 a dehumidifier, such as a press 12 and dehumidified.
  • the resulting liquid phase 12.1 can be supplied as organic highly contaminated residual water of a biogas plant, in which the organics is converted into biogas.
  • the resulting, of organic Most of the liberated wastewater can be treated in a wastewater treatment plant and discharged into a sewerage system.
  • the resulting in the dehumidification press cake 12.2 contains a high proportion of cignin inconveniencen substances and can be used for example in pelletized form as feed. In principle, this solid can also be further used as fuel or composted.
  • fermentation auxiliaries are added which assist the conversion of the substrate into ethanol gas.
  • Substratverschiebe- and metering device in the form of funding such.
  • centrifugal and / or positive displacement pumps for example: centrifugal and / or positive displacement pumps, suction / pressure devices, etc.
  • Additive - Reagent reacre-biostab: microorganism mixture releases the cell membrane protective substances and DNA-repairing substances.
  • L length sieve drum, corresponds to about 6 - 9 times the od (depends on the substrate)
  • L1 stirrer spacing (L1) corresponds approximately to the filling level (H)
  • Lying reactor designed as a fermentation channel system (plug flow heater) with an internal rotating screen drum (11.2) which contains internals similar to stirring spikes and which can be connected to the screen basket (FIGS. 4 and 5, FIG. Pos. 11.21) or as not shown here, as a separately driven spiked stirrer, or other stirring devices are installed, which are not connected to the screen drum drive (11.4), for example, and a separate drive feature.
  • the agitator prevents a short-circuit flow between the input (10) and the substrate outlet (10.1) and mixes the contents (10) over the entire length of the drum.
  • Sieve drum drive exemplified here as slip-on motor or chain drive.
  • the usual with sieve drums tangential drives on internal sprocket or rack and pinion drives are also possible as far as they comply with the explosion protection regulations.
  • the turning device is variably adjustable.
  • the cycle time and number of revolutions depends on the substrate composition and is about 0.5 to 3.0 revolutions per hour.
  • a liquid e.g. a silicone oil which has the following advantages: no gaseous and vaporous components released under vacuum.
  • the applicant reserves the right to deposit for this composition and mode of action or a separate application.
  • Vaccination containers Activation of fermentation aids, eg by physical, chemical or biological means. Depending on the substrate composition, the activation can be carried out by laser, ultrasound and / or shearing forces (stirring, shaking).
  • the ethanol gas (11.12) is cooled from about 60-65 ° C inlet temperature to about 25-30 ° C and condensed.
  • Cooling medium generation to cool the condenser 11.13 Normally, this is done by holding closed air / water cooling (cooling tables) and at high outside temperatures above 30 ° C with the connection of a refrigeration system via compressor and evaporator.
  • 11 -6 storage tank for ethanol (11.15) 11.17 Vacuum station to maintain a starting vacuum and discharge of a small amount of exhaust gases. Effective vacuum generation is primarily by concentrating the volume of ethanol gas in the condenser.
  • FIGS 11a and 6b designate an alternative fermenter system
  • Rotary drum fermenter 11 In this system, not the drum, but the agitator 11.21a. The top and bottom membranes 11.2a are fixed. In the submerged membrane, fermentation aids are transported in 10.1. In the above stationary, separating membrane, the gas phase is passed consisting of fermentation gas and water vapor.
  • the agitator 11.21a mixes the mixture (10.1), prevents a short-circuit flow between the inlet (10) and the outlet (10.2), as well as degassed by shear force the viscous mass.

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Abstract

Offenbart sind ein Verfahren zur Bioethanolherstellung und ein Ethanolreaktor zur Durchführung dieses Verfahrens. Erfindungsgemäß werden während der Vergärung des Substrats Gärhilfsstoffe zugeführt, die die Umsetzung des Substrats in Ethanolgas unterstützen. Das Verfahren verwendet eine Siebtrommel.

Description

Beschreibung
Verfahren mittels Siebtrommelmembran zur Erzeugung von Alkoholen und hoch kohlenstoffhaltigem Material
Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung betrifft das Gebiet der Umwelttechnik, Abfalltechnik, Medizintechnik und Verfahrenstechnik.
Stand der Technik
[0002] Bekannt sind Siebtrommeln die zur Reinigung von Abfall, insbesondere
Hausabfällen eingesetzt werden. Diese Siebtrommeln sind zum Teil in Fluide getaucht, um den Hausabfall von organischem Material zu säubern und abzutrennen. Sie werden meist um ihre Längsachse gedreht. Der Abfall wird meist mittels einer stehenden Schnecke o.a. durch die Siebtrommel vorangetrieben. Bekannt ist es auch in die Siebtrommel eine Heizspirale einzubringen, um dort die Säuberung zu verbessern. Diese wird meist bei 70 Grad Celsius betrieben. Daneben verwendet der Stand der Technik das Verfahren um zu einer besseren Hydrolyse kommen, die wiederum eine Vorstufe zur Behandlung der Reststoffe unter Freisetzung von Biogasen sein kann.
Darstellung der Erfindung
[0003] Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Erzeugung von Alkoholen unter Trockenfermentation in einer Wasserdampfphase. Zugleich kann Material mit einem hohen Kohlenstoffgehalt erzeugt werden, dass zur weiteren energetischen Verwertung genutzt werden kann.
Technische Aufgabe
[0004] Unbekannt ist bisher ein Verfahren oder eine Vorrichtung mittels der eine
Siebtrommel wie im Stand der Technik bekannt zur Produktion von Alkoholen eingesetzt wird. Weiter ist es ungelöst, wie Materialen in einer solchen Siebtrommel mittels Trockenfermentation vergoren werden können. [0005] Eine weitere Aufgabe ist es, die Eigenhemmung des Fermentationsprozesses zu verhindern
[0006] Zugleich soll im Prozess Material zur energetischen Verwertung mit hohem Kohlenstoffgehalt erzeugt werden. Wobei neben den klassischen Verfahren, vor allem auf zukunftsweisende Verfahren verwiesen wird, die sich eine technisch oder natürlich bildende Potentialdifferenz zu Nutze machen.
Technische Lösung
[0007] Um die Siebtrommel wird eine dampfdurchlässige Membran gespannt, die als Sperre gegenüber Fluiden dient. Als Beispiel kann Gore-Tex dienen. Diese umspannte Siebtrommel durchläuft ein Flüssigkeitsbad. In der Siebtrommel befindet sich vergärbares Material, das kontinuierlich durch die Siebtrommel vorwärts bewegt wird. Dies bewirkt eine fortschreitende Vergärung mit kontinuierlichem Wasseralkoholgemisch in Dampfphase, welcher unter schwachem Unterdruck durch die dampfdurchlässige Membran abgezogen wird. Der übrige Reststoff wird ausgetrieben und kann gepresst werden. Er kann in die Pelletverarbeitung gebracht werden. Die Flüssigphase mit dem gelösten Rest- DOC kann dann in eine Anlage oder ein Verfahren WO 03/045848 (GEORG FRITZMEIER GMBH) 05.06.2003 eingebracht und aufgrund des besonders hohen DOC oder Kohlenstoffgehalts energetisch vorteilhaft weiter verwertet bzw. genutzt werden. Jedenfalls ist es vorteilhaft Prozesse vor- oder nachzuschalten, die zur Ausbildung einer Potentialdifferenz führen. Hierdurch kann Strom zu weiteren Verwendung aus der Restorganik erzeugt werden und beispielsweise ein Verbraucher angetrieben werden.
[0008] Die Hemmung wird einerseits durch den ständigen Abzug der Alkoholmischung verhindert. Beispielsweise wird das Bakterium Ethanolicus bereits bei einem Alkoholgehalt von 3,5 % gehemmt, ist aber hervorragend geeignet bei 65 Grad Celsius Alkohole zu vergären. Wird dieses Problem nicht gelöst, so endet der Vergärungsprozeß und damit die Produktion der nutzbringenden Alkohole. Vorteilhaft ist allerdings ein Prozess bei 65 Grad Celsius, im Gegensatz zu 70 Grad Celsius wie im Stand der Technik zur Hydrolyse verwandt.
[0009] Die Hemmung wird weiter durch die Zugabe einer Mischung nach WO 02/49971 (GEORG FRITZMEIER GMBH) 27.06.2002 aufgehoben und verhindert. Hierdurch wird der gesamte Prozeß in Gang gehalten. Um die Wirkung weiter zu verbessern ist noch ein Anteil an Hopfen zuzugeben. Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
[0010] Durch die Erfindung kann aus vergärbaren Stoffen kontinuierlich Alkohol produziert werden. Der Prozess wird nicht durch Hemmung unterbrochen. Daneben fällt Material mit einem hohen Kohlenstoffgehalt oder Rest-DOC an, dass sich vorteilhaft energetisch verwerten lässt.
[0011] Wasserphase in der Trommel die teilweise getaucht ist, wird extern oder direkt mit Ultraschall, Mikrowelle, wechselnden Magnetfeld aktiviert -> Freisetzung von Enzymen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus vergärbarem Substrat und einen Ethanolreaktor zur Durchführung eines derartigen Verfahrens.
Aus dem Stand der Technik ist es bereits seit langem bekannt, Ethanol durch alkoholische Gärung zur gewinnen. Dabei wird durch Hefen oder Bakterien Zucker bzw. Glucose in Ethanol und Kohlendioxid umgewandelt. Als Glucoselieferanten kommen beispielsweise Getreide, Zuckerrüben, Kartoffeln, Molke oder sonstige vergärbare Stoffe, wie beispielsweise saccharidhaltige Lebensmittel und Lebensmittelrückstände in Frage. Da die enzymatischen Reaktionen bei der alkoholischen Gärung im Stand der Technik bereits hinlänglich beschrieben sind, soll hier auf die einzelnen Schritte der alkoholischen Gärung (Glykolyse, anschließende Umsetzung des Pyruvats zu Acetaldehyd und dessen Umsetzung zu Ethanol) nicht eingegangen werden.
Bei der alkoholischen Gärung im großtechnischen Maßstab kann es durch Auftreten von gärhemmenden Stoffen zu einer Behinderung der Gärung oder auch ein zu einer Rückreaktion kommen, bei der Ethanol wieder zu Acetaldehyd umgesetzt wird, so dass die Rentabilität der Anlage verringert wird. Um eine derartige Hemmung der Vergärung zu verhindern, ist bei herkömmlichen Anlagen ein erheblicher verfahrenstechnischer Aufwand erforderlich, um die für die Vergärung erforderlichen Prozessparameter einzustellen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol und einen Ethanolreaktor zu schaffen, mit denen die Herstellung von Ethanol vereinfacht ist. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. durch einen Ethanolreaktor nach Patentanspruch 15 gelöst.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das vergärbare Substrat zunächst mechanisch und biologisch aufbereitet oder konditioniert, wobei diese Aufbereitung von der Art des Substrats abhängig ist. Das aufbereitete Substrat wird einem Ethanolreaktor zugeführt, der die alkoholische Gärung betreibenden Mikroorganismen, beispielsweise Hefen oder Bakterien enthält. Während der Vergärung werden dem Substrat Gärhilfsstoffe zugeführt, die einen Anteil an einer mikrobiotischen Mischung bestehend aus photosynthetischen und lichtemittierenden Mikroorganismen enthalten. Diese Gärhilfsstoffe verhindern das Entstehen gärhemmender Stoffe oder bauen diese gärhemmenden Stoffe weitestgehend ab, so dass die eingangs beschriebene Gärhemmung nicht oder zumindest in stark verringertem Umfang auftritt. Durch diese Gärhilfsstoffe kann auch die Rückreaktion des Ethanols zu Acetaldehyd weitest gehend verhindert werden, so dass die Umsetzung sehr effektiv erfolgen kann.
Das bei der Gärung entstehende Ethanolgas wird über Kopf abgezogen und kondensiert. Das verbleibende Auszugssubstrat wird aus dem Ethanolreaktor abgezogen und entfeuchtet, so dass es einer weiteren Verwendung zugeführt werden kann.
Der energetische Aufwand zur Durchführung der Vergärung ist besonders gering, wenn der Ethanolreaktor bei einem Unterdruck betrieben wird. Dieser Unterdruck ist so gewählt, dass die Verdampfungstemperatur im Reaktor bei etwa 60° bis 750C liegt.
Zur mechanischen Aufbereitung wird das Substrat beispielsweise zerkleinert, so dass es als mehlartige Substanz vorliegt.
Die biologische Aufbereitung oder Konditionierung kann vorsehen, einen Teilstrom des Substrats mit der mikrobiotischen Mischung zu beaufschlagen und dabei je nach Art des Substrats die Umwandlung zu Glucose unterstützende Mikroorganismen, beispielsweise Pilze oder Bakterien zuzuführen.
Die biologische Aufbereitung kann des Weiteren eine bakterielle Hydrolyse enthalten, bei der das Substrat mittels Bakterien verflüssigt wird. Diese zur bakteriellen Hydrolyse eingesetzten Mikroorganismen sind so ausgewählt, dass sie den im Substrat enthaltenen Zucker oder die Stärke nicht angreifen. Das mechanisch und/oder biologisch aufbereitete Substrat wird in einem Mischer mit der mikrobiotischen Mischung vermischt, die einen Anteil an die Zellmembran-schützenden oder DNA-reparierenden Stoffen enthält.
Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn während der Vergärung die Gärhilfsstoffe über eine Membran zugeführt werden.
Diese Gärhilfsstoffe können mit einer bei der Gärtemperatur nicht verdampfenden Trägerflüssigkeit vermischt sein, der noch ein Anteil gärhemmende Stoffe abbauender Mikroorganismen oder sonstiger Zuschlagstoffe beigemischt ist.
Diese Mikroorganismen können auch die vorgenannte mikrobiotische Mischung enthalten.
Das Verfahren lässt sich besonders effektiv durchführen, wenn diese Trägerflüssigkeit im Kreislauf gefahren wird.
Die biologische Umsetzung kann weiter verbessert werden, wenn die genannten Gärstoffe chemisch, physikalisch oder biologisch, beispielsweise durch Beaufschlagung mit Ultraschall aktiviert werden. Durch diese Aktivierung werden beispielsweise Enzyme gebildet, die den Abbau gärhemmender Stoffe beschleunigen.
Der erfindungsgemäße Ethanolreaktor hat einen geschlossenen Reaktorbehälter, an dem ein Substratzulauf, ein Ethanolgasabzug und ein Austragssubstratabzug vorgesehen sind. Im Reaktorbehälter ist des Weiteren eine einen Gärraum begrenzende oder in einem Gärraum angeordnete Mischeinrichtung vorgesehen, über die das Substrat vom Substratzulauf zum Austragssubstratabzug förderbar ist. Der Ethanolreaktor ist mit einem die Gärhilfsstoffe und die Trägerflüssigkeit aufnehmenden Gärhilfsstoffraum ausgeführt, der über eine für die Gärhilfsstoffe durchlässige Membran vom Gärraum getrennt ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Reaktorbehälter mit einer drehbaren Siebtrommel ausgeführt sein, deren Umfangswandung mit der Membran bespannt ist und in der Einbauten oder ein Rührwerk zum Fördern und Mischen des Substrats vorgesehen ist. Diese Siebtrommel taucht abschnittsweise in den Gärhilfsstoffraum ein, so dass kontinuierlich Hilfsstoffe über die Membran in den Gärraum geführt werden. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel sind im Reaktor zwei den Gärraum begrenzende Membranen vorgesehen, wobei eine fußseitige Membran den Gärhilfsstoffraum vom Gärraum abtrennt und kopfseitig eine für das Ethanolgas durchlässige Gasmembran vorgesehen ist.
Zur Zuführung der Gärhilfsstoffe taucht die Membran in den Gärhilfsstoffraum ein.
Für die Membranzuführung der Gärhilfsstoffe kann ein Holzwerkstoff oder ein Holzersatzstoff verwendet werden.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Fließschema einer Anlage zur Herstellung von Bioethanol;
Figur 2 einen Längsschnitt durch einen Ethanolreaktor der Anlage aus Figur 1 ;
Figur 3 einen Querschnitt des Ethanolreaktors aus Figur 2;
Figuren 4 und 5, den Figuren 2 und 3 entsprechende Ansichten von Einbauten des Ethanolreaktors;
Figur 6 einen Längsschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ethanolreaktors;
Figur 7 einen Querschnitt durch den Ethanolreaktor aus Figur 6 und
Figur 8 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Anlage.
Mit der in Figur 1 dargestellten Anlage kann Ethanolgas aus vergärbarem Substrat 1 , beispielsweise Getreide hergestellt werden. Dieses Getreide kann durchaus auch belastet sein, beispielsweise durch Schimmel oder Feuchtigkeit, so dass es für den menschlichen Gebrauch nicht mehr geeignet ist. Das einen hohen Organikanteil enthaltende Eingangssubstrat 1 wird als Rohmasse 2 einer mechanischen Voraufbereitung 3 zugeführt, wobei das Eingangssubstrat zu einer mehlartigen Masse zerkleinert wird. Diese Zerkleinerung kann über einen Walzenbrecher, eine Getreidemühle, Schneidmühlen oder Hammermühlen oder dergleichen erfolgen.
Ein Teilstrom 4.1 dieses mechanisch aufgeschlossenen Substrats wird über eine Materialweiche oder eine Schieberanordnung 13 einem Rührkessel 5 zugeführt, in dem eine Impfung und Adaption des Substrats erfolgen. Dabei wird aus einem Vorlagebehälter 7 über eine Substratverschiebe- und Dosiereinrichtung 6, beispielsweise eine Zentrifugal- und/oder Verdrängerpumpe und über eine weitere Schieberanordnung 13 eine Mischung von Mikroorganismen zugeführt, die beispielsweise einen Anteil an einer mikrobiotischen Mischung, bestehend aus photosynthetischen und lichtemittierenden Mikroorganismen enthält, wie sie in der Anmeldung WO 02/49971 A1 beschrieben sind. Diese mikrobiotische Mischung wird unter dem Namen reacre® vertrieben und ist aus dem Stand der Technik bekannt, so dass hinsichtlich der Wirkweise und der Zusammensetzung dieser Mischung keine weiteren Erläuterungen erforderlich sind.
Neben dieser mikrobiotischen Mischung sind noch weitere Mikroorganismen zugegeben, die an die Art des Substrats 1 adaptiert sind. Diese zusätzlichen Mikroorganismen sind beispielsweise so ausgewählt, dass sie die im Substrat enthaltene Stärke zu Zucker (Glucose) umbauen. Dabei können Pilze, Bakterien, Hefen oder sonstige geeignete Mikroorganismen eingesetzt werden.
Nach der intensiven Durchmischung des Teilstroms 4.1 mit den
Mikroorganismen im Rührkessel 5 wird das adaptierte Substrat 5.1 aus dem Rührkessel 5 abgezogen und über eine weitere Dosiereinrichtung 6 als adaptiertes Substrat 7.3 dem Teilstrom 4 des Substrats zugemischt. Prinzipiell ist es auch möglich, wie mit dem Bezugszeichen 7.1 angedeutet, die Mischung von Mikroorganismen bei Umgehung des Rührkessels 5 direkt dem Teilstrom 4.1 bzw. 5.1 zuzumischen.
Das in der vorbeschriebenen Weise mit Mikroorganismen geimpfte und adaptierte Substrat kann dann über eine Schieberanordnung 13 als Substratstrom 7.4 einem weiteren Rührkessel 8 oder als Teilstrom 7.5 (7.3, 4) einer Mischstrecke 9.4 zugeführt werden.
Der Rührkessel 8 ist vorzugsweise als Hydrolysebehälter durchgeführt, in dem das adaptierte Substrat bakteriell hydrolisiert wird. Die Verweilzeit in diesem Hydrolysebehälter beträgt zwischen 10 bis 72 Stunden und ist abhängig von der Zusammensetzung des Substrats und den zugegebenen Zuschlagstoffen.
Das hydrolisierte Substrat 8.2 wird dann gemeinsam mit oder alternativ zum Stoffstrom 7.5 der Mischstrecke 9.4 zugeführt. Diese Mischstrecke 9.4 kann beispielsweise durch einen Schneckenmischer ausgeführt sein. Dieser Mischstrecke 9.4 wird gemäß der Darstellung in Figur 1 ein als Biostabilisator wirkendes Reaktionsmittel 9.3 zugeführt. Dies kann beispielsweise eine Mikroorganismenmischung sein, die Zellmembran schützende Substanzen und DNA reparierende Stoffe frei setzt, so dass die anschließende Vergärung mit hohem Umsetzungsgrad durchgeführt werden kann. Diese Mikroorganismenmischung ist wieder in Abhängigkeit von der Art des Eingangssubstrats 1 ausgewählt und kann ebenfalls einen Anteil der eingangs beschriebenen mikrobiotischen Mischung enthalten. Dieser Zusatzstoff/Reaktionsmittel wird aus einem Vorlagebehälter 9 über eine Dosiereinrichtung 6 in einem gerührten Vorlagebehälter 9.2 gefördert und dort durchmischt und über eine weitere Dosiereinrichtung 6 als Stoffstrom 9.3 der Mischstrecke dosiert.
Das am Ausgang der Mischstrecke 9.4 anliegende Substrat- und Reaktionsmittelgemisch 10 wird dann einem Ethanolreaktor 11 (Fermenter) zugeführt. Dieser Ethanolreaktor 11 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel als liegender Reaktor ausgeführt.
Die Figuren 2 bis 5 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines derartigen Ethanolreaktors 11. Gemäß Figur 2 hat dieser Ethanolreaktor 11 einen im Wesentlichen gasdicht verschlossenen Reaktorbehälter 11.1 (Zylinder), der die verfahrenstechnischen Vorrichtungen aufnimmt. Dieser Reaktorbehälter 11.1 ist mit einem Substratzulauf ausgeführt, über den das SubstraWReaktionsmittelgemisch 10 zugeführt wird. Des Weiteren ist ein Ethanolgasabzug vorgesehen, über den bei der Vergärung entstehendes Ethanolgas 11.12 gezogen wird. Nach der Vergärung verbleibendes Austragssubstrat 10.2 wird über einen Austragssubstratabzug aus dem Ethanolreaktor 11 abgezogen.
Im Reaktorbehälter 11.1 ist eine Siebtrommel 11.2 drehbar gelagert, die über einen elektromotorischen Antrieb 11.4 (siehe Figur 4) angetrieben wird. Der Außenumfang der Siebtrommel 11.2 ist mit einer Membranfolie bespannt, die zwischen zwei Lochsiebverkleidungen angeordnet ist, so dass sie gegen mechanische Überlastung geschützt ist. Die Membranfolie ist so ausgelegt, dass sie für das während der Vergärung entstehende Ethanolgas 11.12 und für die der Vergärung zugeführten Gärhilfsstoffe 11.5 durchlässig ist. Letztere sind in einem fußseitig im Reaktorbehälterraum ausgebildeten Gärhilfsstoffraum aufgenommen. Diese Gärhilfsstoffe 11.5 sind in einer Trägerflüssigkeit, beispielsweise Silikonöl suspendiert, das während der Vergärung nicht verdampft. Die Membran ist so ausgelegt, dass sie für die Trägerflüssigkeit undurchlässig ist. Gemäß der Darstellung in den Figuren 2 und 3 können während der Vergärung die Gärhilfsstoffe 11.5 durch die Membran hindurch in das Innere der Siebtrommel 11.2 und somit in den Gärraum eintreten.
Der Füllspiegel des Substrats 10 im Gärraum ist etwa so eingestellt, dass er etwa die Hälfte des Siebtrommeldurchmessers entspricht. Die Länge der Siebtrommel entspricht dabei etwa dem 6- bis 9-fachen des Siebtrommeldurchmessers, wobei diese Abmessungen jeweils substratabhängig gewählt sind.
Wie den Darstellungen in den Figuren 4 und 5 entnehmbar ist, kann die Siebtrommel 11.2 mit Einbauten 11.21 versehen sein, die ähnlich wie Rührstachel wirken und die bei der Drehung der Siebtrommel 11.2 dafür sorgen, dass das zu vergärende Substrat durchmischt und vom Substratzulauf pfropfenförmig in Richtung zum Austragssubstratabzug gefördert wird. Bei dem in den Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind diese Einbauten 11.21 etwa kreuzförmig ausgeführt, wobei mehrere dieser Einbauten entlang der Länge L der Siebtrommel verteilt sind, so dass mehrere Kammern mit einer Axiallänge von L1 ausgebildet werden, die aufeinander folgend von dem Substrat 10.1 bei intensiver Durchmischung durchströmt werden.
Der Siebtrommelantrieb 11.4 (siehe Figur 4) kann als Aufsteckgetriebemotor oder Kettenantrieb oder auf sonstige Weise mit Drehzahlregelung ausgeführt sein. Je nach Substratzusammensetzung kann die Drehzahl beispielsweise zwischen 0,5 bis 3 Umdrehungen pro Stunde betragen. Der Antrieb für die Siebtrommel 11.2 kann auch mit umkehrbarer Drehzahl ausgeführt sein, so dass die Förderrichtung kurzzeitig umgedreht werden kann.
Die Eintauchfläche der Siebtrommel wird - wie in Fig. 3 angedeutet - nach jeder Umdrehung oder Teilumdrehung der Siebtrommel 11.2 neu positioniert, wobei diese Eintauchfläche jeweils um den Winkel 11.4 versetzt ist, so dass jeweils ein anderer Flächenabschnitt F1 in den Gärhilfsstoffraum eintaucht und die zuvor in den Gärhilfsstoff 11.5 eingetauchte Fläche im Gärraum angeordnet ist, so dass die Verteilung des Gärhilfsstoffes optimiert ist. Gemäß dem Querschnitt in Figur 3 treten die Gärhilfsstoffe vom fußseitigen Gärhilfsstoffraum durch die Membran hindurch in den Gärraum ein (Stoffstrom 11.5), wobei die Membran - wie oben beschrieben - so ausgelegt ist, dass die Trägerflüssigkeit nicht mit eingetragen wird und somit im Gärhilfsstoffraum verbleibt. Das bei der Vergärung entstehende Ethanolgas 11.12 wird durch die Membran hindurch über den Ethanolgasabzug abgezogen.
Die Figuren 6 und 7 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel eines Ethanolreaktors 11. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Reaktorbehälter 11.1 im Prinzip ähnlich wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ausgeführt. Anstelle einer Siebtrommel ist der Reaktorbehälter jedoch über zwei Membranen 11.2a und 11.2b in Längsrichtung unterteilt, so dass ein Gärraum gebildet wird, in dem ein Rührwerk angeordnet ist. Dieses kann beispielsweise als Stachelrührwerk mit einer Vielzahl von in Axialrichtung zueinander angeordneten Rührstacheln 11.12 oder Rührblättern ausgeführt sein, die eine Kurzschlussströmung zwischen dem Eintrag und dem Austrag verhindern und für eine innige Vermischung des Substrats sorgen. Wie mit dem Doppelpfeil 14.4 angedeutet, ist auch dieses Rührwerk in der Drehrichtung umkehrbar und drehzahlvariabel ausgeführt, so dass die Förderrichtung und die Durchmischung auf einfache Weise gesteuert werden kann.
Die Zuführung der Gärhilfsstoffe 11.5 erfolgt wiederum aus dem Gärhilfsstoffraum, dem diese mit der Trägerflüssigkeit aufgenommen sind. Der Hilfsstoffraum ist über die Membran 11.2 B vom Gärraum abgetrennt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Membran in der Darstellung gemäß Figur 7 etwa kreisbogenförmig gekrümmt ausgebildet und taucht in den Gärhilfsstoffraum ein. Wie beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel ist diese Membran 11.2 b für die Gärhilfsstoffe durchlässig und für die Trägerflüssigkeit undurchlässig. Der maximale Füllspiegel innerhalb des Reaktorbehälters 11.1 liegt oberhalb der Achse des Rührwerks, so dass die Durchmischung optimal ist. Das bei der Vergärung entstehende Ethanolgas 11.12 tritt über die obere Membran 11.2 a in einem Kopfraum ein und von diesem über den Ethanolgasabzug aus dem Ethanolreaktor 11 aus.
Die obere Gasmembran 11.2 a ist so ausgelegt, dass sie für Ethanolgas 11.12 und Wasserdampf durchlässig ist, andere Gasverbindungen, wie beispielsweise Methangas und Fuselstoffe werden jedoch im Gärraum zurückgehalten.
Wie insbesondere Fig. 1 entnehmbar ist, können die Gärhilfsstoffe im Kreislauf gefahren werden, so dass eine kontinuierliche Zuführung gewährleistet ist. Dabei wird aus dem Gärhilfsstoffraum ein Stoffstrom 11.6, bestehend aus der Trägerflüssigkeit und dem Gärhilfsstoff abgezogen und über die Dosiereinrichtung 6 und eine Ventilanordnung 13 einem Impfbehälter 11.7 zugeführt. Zum Ausgleich der der Vergärung zugeführten Gärhilfsstoffe werden diesem Impfbehälter 11.7 über eine weitere Dosiereinrichtung 6 aus einem Vorlage- und Reaktionsbehälter 11.8 frische Gärhilfsstoffe zugeführt, so dass die Lösung (Trägerflüssigkeit/Gärhilfsstoff) auf einer vorbestimmten Konzentration gehalten wird. Im Impfbehälter 11.7 erfolgt eine Aktivierung der Gärhilfsstoffe auf physikalischem, chemischem oder biologischem Wege. Je nach Substratzusammensetzung kann diese Aktivierung durch Laser, Ultraschall und/oder Scherkräfte, beispielsweise Rühren, Schütteln, erfolgen.
Wie in Fig. 1 angedeutet, kann der Impfbehälter 11.7 auch durch Umschalten der Ventilanordnung 13 umgangen werden. Die aktivierte Lösung wird dann in einem Wärmetauscher 11.10 auf die Vergärungstemperatur (60-65 0C) erwärmt und dann als erwärmte Lösung 11.11 (aktiviert) oder ohne Aktivierung (11.6) dem Ethanolreaktor zugeführt.
Das abgezogene Ethanolgas 11.12 wird einem Kondensator (Gaskühler) 11.13 zugeführt und darin von seiner Vergärungstemperatur (60-65 0C) auf ca. 25-30 0C abgekühlt und kondensiert.
Das Kühlmedium wird in einer Kühlmediumerzeugung 11.14 bereit gestellt, diese Kühlung kann beispielsweise durch eine Luft-/Wasserkühlung (Kühltisch) oder bei höheren Außentemperaturen (> 30 0C) durch eine Kälteerzeugungsanlage über Kompressor und Verdampfer erfolgen.
Das verflüssigte Ethanol 11.15 wird dann in einem Vorlagetank 11.16 gesammelt und kann einer Weiterverwendung als Brennstoff oder einer weiteren Aufkonzentrierung zugeführt werden. Der Vorlagetank 11.16 wird über eine Vakuumstation 11.17 auf einen Unterdruck gehalten, wobei über diese Vakuumstation 11.17 und eine Abgasleitung 11.18 Abgase über einen Aktivkohlefilter ins Freie abgeleitet werden.
Das nach der Vergärung aus dem Ethanolreaktor abgezogene Austragssubstrat 10.2 wird über eine Dosiereinrichtung 6 einer Entfeuchtungseinrichtung, beispielsweise einer Presse 12 zugeführt und entfeuchtet. Die dabei anfallende Flüssigphase 12.1 kann als organisch hochbelastetes Restwasser einer Biogasanlage zugeführt werden, in der die Organik zu Biogas umgesetzt wird. Das dabei entstehende, von Organik weitestgehend befreite Abwasser kann in einer Abwasseraufbereitung aufbereitet und in eine Kanalisation eingeleitet werden.
Gemäß dem in Fig. 8 dargestellten Blockdiagramm kann zur Biogaserzeugung und zur Abwasseraufbereitung (Verfahrensschritte 30, 40, 50, 60, 70) jeweils eine besonders zusammengestellte mikrobiotische Mischung zugeführt werden, die den jeweiligen Verfahrensschritt unterstützt.
Der bei der Entfeuchtung anfallende Presskuchen 12.2 enthält einen hohen Anteil an cigninhaltigen Stoffen und kann beispielsweise in pelletisierter Form als Futtermittel verwendet werden. Prinzipiell kann dieser Feststoff auch als Brennstoff weiter verwertet oder kompostiert werden.
Hinsichtlich weiterer Einzelheiten des Verfahrens sei auf die beigefügte Bezugszeichenliste verwiesen, in der die einzelnen Verfahrensschritte nochmals erläutert sind.
Offenbart sind ein Verfahren zur Bioethanolherstellung und ein Ethanolreaktor zur Durchführung dieses Verfahrens. Erfindungsgemäß werden während der Vergärung des Substrats Gärhilfsstoffe zugeführt, die die Umsetzung des Substrats in Ethanolgas unterstützen.
Bezugszeichenliste
1 Eingangssubstrate mit hohem Organanteil
2 Eintrag Rohmasse oder Mischgut in Voraufbereitung (3)
3 Voraufbereitung bestehend aus folgenden möglichen Elementen welche sich zur Behandlung und Aufschluss der Inputsubstrate (2) eignen, z.B.:
- Walzenbrecher
- Getreidemühle
- Schneidemühlen und Hammermühlen, etc.
4 Aufgeschlossenes Substrat
4.1 Aufgeschlossenes Substrat in Adaption (5)
5 Rührkessel mit Mischer I
5.1 Austrag des Reaktionsmittels (adaptiertes Substrat) (7.2)
6 Substratverschiebe- und Dosiereinrichtung in Form von Fördermittel wie z.B.: Zentrifugal- und/oder Verdrängerpumpen, Saug-/Druckeinrichtungen etc.
7 Vorlagebehälter für Reaktionsmittel/Zuschlagstoff
7.1. Umfahrung Reaktionsbehälter (5)
7.2 reacre - adapt: In diesem Verfahrensschritt werden die Mikroorganismen (reacre
- Bezug) an das Substrat (4.1) adaptiert.
7.3 Zuführung des adaptierten Substrats in die Stabilisierungsstufe über den Weg 7.4
7.4 direkte Einleitung in den Biostabilisator (9.2) oder direkte über die Umschaltung (13) in den Mischer (9.4)
8 Rührkessel mit Mischer Il 8.1 gemischtes adaptiertes Substrat: Mischung zwischen (4) und (7.3). Die Verweilzeit liegt zwischen 10 - 72 Stunden. Dies ist abhängig von der Zusammensetzung.
8.2 Eintrag in die Mischstrecke (9.4)
9 Zusatzstoff - Reaktionsmittel: reacre-biostab: Mikroorganismenmischung die Zellmembran schützende Substanzen und DNA-reparierende Stoffe freisetzt.
9.2. gerührter Vorlagebehälter
9.3 Zuführung des Reaktionsmittels (9) in den Mischer (9.4)
9.4 Mischstrecke für die Substrateingänge 7.5, 8.2 und 9.3
10 Substrat und Reaktionsmittelgemisch in Fermenter (Bioethanolreaktor 11)
10.1 Durchmischter Substratdurchlauf welcher durch die Rühreinbauten (11.21) durchmischt und dadurch nachhaltig eine Kurzschlussströmung verhindert wird. Dies bedeutet, dass eine klar definierte Durchlauf- und Aufenthaltszeit des Substrates (10.1) definiert werden kann.
10.2 Austragssubstrat
10' max. Füllspiegel in der Siebtrommel (11.2) entspricht im Mittel ca. _ • 0d (±20%)
L = Länge Siebtrommel, entspricht ca. dem 6 - 9-fachen des od (ist Substratabhängig)
L1 Rührstachelabstand (L1) entspricht ca. der Füllhöhe (H)
11 Bioethanolreaktor (gemäss Fig. 2 - 5) Liegender Reaktor (11.1) ausgebildet als Gärkanalanlage (Propfenströmer) mit einer innen liegenden rotierenden Siebtrommel (11.2) welche Einbauten ähnlich Rührstacheln enthält und welche mit dem Siebkorb verbunden sein können (Fig. 4 und 5, Pos. 11.21) oder wie hier nicht dargestellt, als separat angetriebenes Stachelrührwerk, oder andere Rühreinrichtungen eingebaut werden, welche z.B. nicht mit dem Siebtrommelantrieb (11.4) verbunden sind und über einen separaten Antrieb verfügen. Durch das Rührwerk wird eine Kurzschlussströmung zwischen dem Eingang (10) und des Substratausgang (10.1) nachhaltig verhindert und der Inhalt (10) auf der ganzen Trommellänge vermischt.
11.1 Gasdichter feststehender Zylinder zur Aufnahme der Verfahrenstechnischen Vorrichtungen.
11.2 Siebtrommel mit Lochsiebverkleidung überspannt mit einer Membranfolie
11.3 Antriebsmotor für Siebtrommel mit Reversierschaltung (11.4)
11.3 (2) Membranfolie (Hier nicht dargestellt)
11.4 Siebtrommelantrieb hier beispielhaft dargestellt als Aufsteckgetriebemotor oder Kettenantrieb. Die bei Siebtrommeln üblichen Tangentialantriebe über innen liegende Zahnkranz- oder Zahnstangenantriebe sind auch möglich soweit diese den Explosionsschutzverordnungen entsprechen. Die Drehvorrichtung ist variabel einstellbar. Die Taktzeit und Anzahl der Umdrehungen richtet sich nach der Substratzusammensetzung und beträgt ca. 0.5 bis 3.0 Umdrehungen pro h.
11.5 Lösung mit Mikroorganismen welche sich im Unterteil des Aussenzylinders (mit variabler Höhenspiegeleinstellung) befindet und in welche die Siebtrommel (12.2) auf der Fläche (F1 ) eintaucht, damit die Gärhilfsstoffe (11.5) aus der Flüssigkeit durch die Membrane (11.3) in das Substrat (10) eindringen ohne das Trägerflüssigkeit miteingetragen wird.
Bevorzugt wird ein Liquid, z.B. ein Silikonöl, welches folgende Vorteile aufweist: unter Vakuum keine gas- und dampfförmigen Bestandteile freigesetzt. Der Anmelder behält sich vor für diese Zusammensetzung und Wirkungsweise bzw. eine separate Anmeldung zu hinterlegen.
F1 Die Eintauchfläche der Siebtrommel (Fig. 3) wird nach jeder Umdrehung oder Teilumdrehung der Trommel (11.2) neu positioniert und um den Winkel (11.4') versetzt, damit bei jeder Umdrehung (11.4) die während der Pausezeit in der Flüssigkeit (11.5) verteilte Fläche (F1) im Gasraum zu stehen kommt und einen anderen Flächenausschnitt (F1) neu eingetaucht wird.
11.6 Regenerationskreislauf für Lösung (11.5) 11.7 Impfbehälter: Aktivierung von Gärhilfsstoffen, z.B. auf physikalischen, chemischen oder biologischen Wege. Je nach Substratzusammensetzung kann die Aktivierung durch Laser, Ultraschall und/oder Scherkräfte (Rühren, Schütteln) erfolgen.
11.8 Vorlage- und Reaktionsbehälter
11.9 Regenerierte Lösung
11.10 Wärmetauscher zur Erwärmung des Bioreaktors über den Regenerationskreislauf
11.10' Umfahrungsschaltung zur Funktion (11.10)
11.11 Zuführung von Erwärmten und/oder auch regeneriertem (10.9) Kreislaufwasser (11.6/11.11)
11.12 Ethanolgase aus dem Stoffgemisch (10) welche durch die Membrane (11.3) in den Gasraum austreten. Durch die Membrane werden andere Gase wie z.B. Wasserdampf, sowie weitere Gasverbindungen zurückgehalten. Dieser Abtrennvorgang ist ausschliesslich nur unter einem Unterdruck (Vakuum) durchzuführen.
11.13 Gaskühler, Kondensator. Das Ethanolgas (11.12) wird von ca. 60 - 65° C Eintrittstemperatur auf ca. 25 - 30° C abgekühlt und kondensiert.
11.14 Kühlmediumerzeugung zur Kühlung des Kondensators 11.13. Dies geschieht im Normalfall durch einen vorgehaltene geschlossene Luft/Wasserkühlung (Kühltische) und bei hohen Aussentemperaturen über 30° C unter Zuschaltung von einer Kälteerzeugungsanlage über Kompressor und Verdampfer.
11.15 Abgekühltes und verflüssigtes Ethanol
11 -6 Vorlagetank für Ethanol (11.15) 11.17 Vakuumstation zur Aufrechterhaltung eines Startunterdrucks und Abführung von einer geringen Menge von Abgasen. Die effektive Vakuumerzeugung erfolgt vornehmlich durch das Einengen des Ethanolgasvolumens in dem Kühler.
11.18 Abgasleitung über Aktivkohlefilter (Hier nicht dargestellt) ins Freie geleitet.
11a Die Figuren 6 und 7 bezeichnen ein alternatives Fermentersystem zu
Drehtrommelfermenter 11. In diesem System dreht sich nicht die Trommel, sondern das Rührwerk 11.21a. Die oben- und untenliegenden Membranen 11.2a stehen fest. Bei der eingetauchten Membran werden Gärhilfsstoffe in 10.1 transportiert. Bei der oben liegenden feststehenden, separierenden Membrane wird die Gasphase bestehend aus Gärgas und Wasserdampf weitergeleitet.
Das Rührwerk 11.21a durchmischt das Mischgut (10.1), verhindert nachhaltig eine Kurzschlussströmung zwischen dem Eintritt (10) und dem Austritt (10.2), sowie entgast durch Scherkrafteinwirkung die zähklebrige Masse.
12 Pressvorrichtung zur Klassierung des Austraggutes (10.2) in eine Flüssigphase (12.1) und eine Festphase (12.2)
12.1 Flüssigphase als organisch hochbelastetes Presswasser.
12.2 Presskuchen zum Teil mit hohen Anteilen an cigninhaltigen Stoffen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Vergärung von Materialen zu Alkoholen, gekennzeichnet dadurch dass eine Siebtrommel Verwendung findet.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , gekennzeichnet dadurch, dass die Vergärung zu Alkoholen mittels einer ganz oder teilweise getauchten Siebtrommel durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Siebtrommel mit einer dampfdurchlässigen Membran umspannt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, gekennzeichnet dadurch, dass eine Alkoholgemisch durch eine dampfdurchlässige Membran abgezogen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4, gekennzeichnet dadurch, dass das in der Siebtrommel befindliche Material kontinuierlich oder in Intervallen vorangetrieben wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergärung durch Fermentation stattfindet.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergärung mittels Trockenfermentation durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vergärten bzw. fermentierten Materialen nach- oder vorgeschaltet in einem Prozeß oder einer Vorrichtung verwandt werden, der zur Ausbildung einer Potentialdifferenz führt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die vergärten bzw. fermentierten Materialen einen hohen Kohlenstoffgehalt haben.
10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 oder 3 oder 4 oder 5 oder 6 oder 7 oder 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine mikrobiologische Zusammensetzung aus photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen oder synthetisch arbeitenden Mikroorganismen und Leuchtbakterien in einer breitbandigen, biologischen Lösung in den Prozeß eingeführt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung aus photosynethetisch oder synthetisch arbeitenden Mikroorganismen und Leuchtbakterien in den Gärprozeß oder vor oder nach der Gärung bzw. Fermentation dem zu vergärenden Material zugesetzt werden.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil Hopfen während des Gärprozesses oder vor oder nach der Vergärung zugesetzt wird.
13. Verfahren zur Erzeugung von Material mit hohem Kohlenstoffgehalt, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mittels einer Siebtrommel erzeugt oder angereichert wird.
14. Verfahren von Erzeugung von Material nach Anspruch 13, dass einen hohen Rest-DOC aufweist.
15. Verfahren zur Erzeugung von Material nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Siebtrommel ganz oder teilweise getaucht ist.
16. Verfahren zur Erzeugung von Material nach Anspruch 13 oder 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass gekennzeichnet dadurch, dass hemmende Stoffe durch eine dampfdurchlässige Membran abgezogen wird.
17. Verfahren zur Erzeugung von Material nach Anspruch 13 oder 14 oder 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das anzureichernde Material kontinuierlich oder in Intervallen vorangetrieben wird.
18. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14 oder 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die vergärten bzw. fermentierten Materialen nach- oder vorgeschaltet in einem Prozeß oder einer Vorrichtung verwandt werden, der zur Ausbildung einer Potentialdifferenz führt.
19. Stoff aus einem Verfahren nach 13 oder 14 oder 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Rest-DOC von wenigstens 100.000 aufweist.
20. Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus vergärbarem Substrat (1), wie beispielsweise Getreide, Zuckerrüben, Kartoffeln, Molke, mit den Schritten:
- mechanische und biologische Aufbereitung und Konditionierung des Substrats (1);
Einbringen des aufbereiteten Substrats (10) in einem Ethanolreaktor (11), der die alkoholische Gärung betreibende Mikroorganismen enthält; zugeben von Gärhilfsstoffen (11.5) während der Vergärung, die eine mikrobiotische Mischung mit einem Anteil an photosynthetisch und einem Anteil an nichtemittierenden Mikroorganismen enthalten;
Abziehen eines bei der Entgärung entstehenden Ethanolgases (11.12);
Kondensieren des Ethanolgases (11.12) zu Ethanol und
Abziehen eines Austragssubstrats (10.2) aus dem Ethanolreaktor und
- Entfeuchten des Austragssubstrats (10.2).
21. Verfahren nach Patentanspruch 20, wobei der Ethanolreaktor (11) bei Unterdruck betrieben wird, so dass die Verdampfungstemperatur im Ethanolreaktor (11) unter 70 0C, vorzugsweise bei etwa 60-65 0C liegt.
22. Verfahren nach Patentanspruch 20 oder 21 , wobei zur mechanischen Aufbereitung das Substrat (1) verkleinert wird.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zur biologischen Aufbereitung zumindest einem Teilstrom (4.1) des Substrats die mikrobiologische Mischung und je nach Art des Substrats (1) die Umwandlung zu Glucose unterstützende Mikroorganismen zugeführt werden.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die biologische Aufbereitung eine bakterielle Hydrolyse enthält.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das aufbereitete Substrat (8.2, 7.5, 7.3, 4) in einem Mischer (9.4) mit der mikrobiotischen Mischung vermischt wird, die einen Anteil an Zellmembran-schützenden oder DNA- reparierenden Stoffen oder derartige Stoffe freisetzende Mikroorganismen enthält.
26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Gärhilfsstoffe (11.5) über eine Membran (11.2b) zugeführt werden.
27. Verfahren nach Patentanspruch 26, wobei die Gärhilfsstoffe (11.5) einer bei Gärtemperatur nicht verdampfenden Trägerflüssigkeit zugegeben sind und einen Anteil an gärhemmende Stoffe abbauenden Mikroorganismen oder Zuschlagstoffe haben.
28. Verfahren nach Patentanspruch 27, wobei die Mikroorganismen einen Anteil an der mikrobiotischen Mischung enthalten.
29. Verfahren nach Patentanspruch 27 oder 28, wobei die Trägerflüssigkeit im Kreislauf gefahren wird.
30. Verfahren nach einem der Patentansprüche 26 bis 29, wobei die Gärhilfsstoffe chemisch, physikalisch oder biologisch aktiviert werden.
31. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei nach der Entfeuchtung die feste Phase (12.2) des Austragssubstrats (10.2) einer energetischen Verwertung zugeführt oder als Futtermittel verwendet wird.
32. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei nach der Entfeuchtung der organische Anteil der flüssigen Phase (12.1) des Austragssubstrats (10.2) zu Biogas umgewandelt wird.
33. Verfahren nach Patentanspruch 32, wobei bei der Biogasherstellung anfallendes beladenes Abwasser einer Abwasseraufbereitung zugeführt wird.
34. Ethanolreaktor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Patentansprüche mit einem geschlossenen Reaktorbehälter (11.1), an dem ein Substratzulauf, ein Ethanolgasabzug und ein Austragssubstratabzug sowie eine in einem Gärraum angeordnete oder einen Gärraum begrenzende Mischeinrichtung (11.21 ) vorgesehen ist, über die das Substrat (10) vom Substratzulauf zum Austragssubstratabzug förderbar ist, und mit einem Gärhilfsstoffe (11.5) und eine Trägerflüssigkeit aufnehmenden Gärhilfsstoff räum, der über eine für die Gärhilfsstoffe durchlässige Membran (11.2b) vom Gärraum getrennt ist.
35. Ethanolreaktor nach Patentanspruch 34, wobei im Reaktorbehälter (11.1) eine Siebtrommel (11.2) drehbar gelagert ist, deren Umfangswandung mit der Membran bespannt ist und in der Einbauten oder ein Rührwerk (11.21) zum Fördern und Mischen des Substrats (10) vorgesehen ist, wobei die Siebtrommel (11.2) in den Gärhilfsstoffraum eintaucht und das bei der Vergärung entstehende Ethanolgas (11.12) durch die Membran hindurchtritt.
36. Ethanolreaktor nach Patentanspruch 34, wobei im Reaktorbehälter (11.1) fußseitig eine den Gärraum vom Gärhilfsstoffraum trennende Membran (11.2b) und kopfseitig eine für das Ethanolgas durchlässige Gasmembran (11.2a) angeordnet ist.
37. Ethanolreaktor nach Patentanspruch 36, wobei die Membran in den Gärhilfsstoffraum eintaucht.
38. Ethanolreaktor nach einem der Patentansprüche 34 bis 37, wobei die Membran (11.2b) aus Holzwerkstoff oder Holzersatzstoff besteht.
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