WO2009021503A2 - Verfahren zur herstellung von ethanol / butanol und/oder methan - Google Patents

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Georg Fritzmeier Gmbh & Co. Kg
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    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the present invention relates to a process and a plant for the production of methane and / or an alcohol, in particular ethanol / butanol in a reactor from any fermentable starting materials.
  • the prior art discloses methods and devices for producing alcohol or methane, which produce alcohol or methane from fermentable starting materials.
  • a disadvantage of all known systems, however, is that the starting materials must either be prepared tedious and costly and for effective methane or alcohol extraction, the starting materials must have specific properties, so that the alcohol or methane from waste a cost-intensive and unprofitable operation is.
  • the present invention is based on the idea of increasing the biogas production by splitting up any desired starting materials and separating the split-up products into a sugar-containing or a fatty substance stream.
  • the sugary material stream is then subjected to a fermentation process while the greasy material stream is treated to undergo methanogenesis.
  • the fatty material stream is given a base buffer so that the methanogenesis is not interrupted due to acidification.
  • the alcohol resulting from fermentation of the sugar-containing material stream is fed back to the greasy material flow during methanogenesis for biogas production, so that the biogas formation is further increased.
  • Alcohols are, inter alia, organic compounds which have one or more functional hydroxyl groups, for example: ethanol, butanol, propanol, etc. In the guidance and circulation of gases, all gases and gas mixtures, including carbon dioxide, can be recycled.
  • the addition of the base solution is advantageously carried out via protonated amino groups, which is obtained via electrolysis or by microbial metabolic processes.
  • the starting products are advantageously subjected to hydrolysis after mechanical comminution, in which the comminuted waste materials are broken down into low molecular weight compounds.
  • dissolved and undissolved organic waste from waste and / or organic waste can be used, including wood and woody waste, plant and bacterial cellulose, pulp compounds, lignin, lignocellulose, all compounds of lignin, compounds of lignin with polycyclic aromatic hydrocarbons, compounds of lignin with azo dyes, enzyme residues from the paper industry, diapers, drug-washed nappies, diapers with organic and inorganic contaminants, waste paper, cardboard, wood and plastic composites, artificial and natural resins and resin residues, solid and liquid wastes from the food industry, thick sugar juice, Molasses, superimposed food, renewable raw materials, waste from fruit plantations, sanitized liquid substances, meat soup, sanitized liquid substances from carcass disposal and / or animal meal production, grass, G lle, sewage sludge, biowaste, fermentation residues, Gärrestrückfound, manure animal or vegetable origin, sugar, sugar compounds, starch, soiled strength waste from potato processing industry, waste from the fruit
  • suitable starting materials are all substances that can be digested by hydrolytic bacteria.
  • these starting materials are pretreated by a garbage wet treatment process or waste treatment process, as described, for example, in DE 19909382.8 and / or by a soil release process, as described, for example, in PCT 2005 005993.
  • At least one of the reactors used has a coating of a semiconducting and / or piezoelectric material.
  • a coating may advantageously consist of one or more of the following substances: T ⁇ O 2 ; TiO 2 -O 3 Si-Pr-SH; TiO 2 -O 3 S-Et-SH; TiO 2 -O 3 S-Pr-SH; ZrO 2 -O 3 Si-Pr-SH; ZrO 2 -O 3 S-Et-SH; ZrO 2 -O 3 S-Pr-SH; Si; Ge; GaAs; GaP ; InP 1 CdSe; InSb; Cr; Mn; Fe; Co; Ni; Cu; Not a word; Ru; Pd; Ag; CD; W; os; Ir; Pt; P; As; Sb; Bi; se; Te; B; AI; Ga; In; AlSb; InAs; ZnSe; ZnTe; CdS; CdS; Cd
  • the coating can have carbon nanotubes which can be designed as so-called single-wall nano-tubes (SWNT) or multi-wall nano-tubes (MWNT).
  • SWNT single-wall nano-tubes
  • MWNT multi-wall nano-tubes
  • the carbon nanotubes in turn may also be doped or coated.
  • the protonated ions are generated by means of electrolysis, wherein the protonated ions from the electrolysis of water, other substances than water, mixtures with water, sugar, Fatty acids, proteins, carbohydrates or mixtures of one or more of the aforementioned substance groups.
  • an electrolysis device can be used, which consists of a parallel arrangement of anode and cathode, the gap is traversed by a fluid.
  • the fluid may advantageously be a liquid-gas mixture, wherein the gas is advantageously low in oxygen.
  • photocatalytically active semiconductors such as, for example, doped titanium dioxide, can be applied to the surfaces of the anode or cathode.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the plant according to the invention for producing alcohol and methane
  • FIG 2 is a schematic sectional view through a gas fermenter according to the invention, which has its use in a system according to the invention according to Figure 1;
  • FIG. 3 shows a schematic detail view of the gas fermenter according to the invention from FIG. 2;
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view through the detail shown in FIG the gas fermenter of Figure 2;
  • FIG. 5 shows a further schematic detail view of the gas fermenter from FIG. 5;
  • FIGS. 6a-6c show schematic views of the setup or flow-through variants of the gas fermenter shown in FIG. 2;
  • FIG 7 is a schematic representation of a reactor for wastewater treatment, which is used in a system according to the invention according to Figure 1;
  • FIG. 8 shows a variant of the reactor shown in FIG. 7;
  • Figure 9 is a schematic cross-sectional view of the reactor of Figure 7;
  • Figure 10 is a schematic representation of a variant of the arrangement of two parallel reactors for wastewater treatment according to Figures 7 or 8;
  • FIG. 11 a further schematic representation of another
  • Figure 12 is a schematic representation of another possible arrangement of reactors according to Figure 8.
  • FIG. 13 shows a schematic representation of a further possible arrangement of reactors according to FIG. 8.
  • FIG. 14 a schematic representation of the provision of protonated ions by means of electrolysis.
  • the plant consists of several plant sub-systems that fulfill various tasks in biogas production.
  • main subsystems are found in the system according to the invention an input system 1, a Verschaltstrom 2, a conditioning system 3, a further Verschaltstrom 4, a hydrolysis reactor 5, a third Verschaltstrom 6, a filter system 7, an opto-reactor 8, a gas fermenter 16, a Ethanolfermenter 9, an ethanol reactor 10, an absoluteization unit 17 and a wastewater reactor 15.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a preferred embodiment of the inventive system for producing alcohol.
  • the production of methane takes place in a separate reactor, not shown here, which receives a part, in particular the fatty acid-containing part, of the material stream after the hydrolysis plant 3 parallel to the ethanol reactor.
  • a stock buffer solution is added to this stock stream to compensate for the pH reduction resulting from separation of the sugar-containing stock stream.
  • the base buffer solution advantageously contains protonated amino groups, which can be generated via metabolic processes in microorganisms or via electrolysis.
  • a microbiotic solution containing appropriate microorganisms is added to the stream.
  • the electrolysis can be carried out separately in an electrolysis device, but it is also conceivable to equip the reactor accordingly.
  • the electrolysis apparatus shown schematically in Figure 14, consists of a parallel arrangement of anode 100 and cathode 102 and a flowing gas-charged liquid phase 104.
  • the gas is used as an insulator between the anode and cathode.
  • the gas bubbles are carriers of the free charges, the anions and / or cations, whereby there is no charge balance, but a voltage potential between the anode and cathode is maintained.
  • the electrolysis device has at least one stage, but can also be implemented in several stages.
  • the liquid phase can advantageously be loaded with all gases (except oxygen) and oxygen-poor gas mixtures. It is particularly advantageous to remove gases and gas mixtures from biogas processes or exhaust gases, in particular gases and gas mixtures can originate from the device according to the invention. Residual gases, combustion residue gases can also be used as the gas component. However, these gases should either be purified, so for example, the nitrogen oxides and hydrogen sulfide compounds have been eliminated from the mixtures. This can be done advantageously by catalytically active surfaces of the electrolysis device. For this purpose, photocatalytically acting semiconductors, such as, for example, doped titanium dioxide, can be applied to the surfaces of the anode or cathode.
  • photocatalytically acting semiconductors such as, for example, doped titanium dioxide
  • the input system 1 can have a plurality of source material feed devices 1.1, 1.2, 1.3... 1.n, wherein in the embodiment illustrated in FIG. 1 the input device 1 has three starting material feed points, organic material dissolved in the starting material feed device 1.1 being from waste and / or organic waste plants and organic highly polluted and dissolved leachate or sewage connections, which z. B. from wastewater treatment plants originate according to the waste treatment process DE19909.382.8-44 and the pulp method PCT / EP 2005/005 993.
  • the raw material feeder 1.2 supplies cellulose (pulp) of wood (lignin) or the like, while the raw material feeder 1.3 supplies pulp compounds such as diapers, waste paper, cardboard, composites, etc. Furthermore, molasses, solid and liquid waste from the food industry, superimposed foods, renewable resources, waste from the fruit plantations, sanitized liquid substances (meat soup) from carcass disposal, or animal production can be supplied.
  • fermentation (9) with the addition of nutrients and excipients in a fermentation process to produce alcohol are, for example, all organic polymers such as fats, proteins and carbohydrates.
  • liquid waste and waste water of all kinds are suitable for the process, the starting materials preferably having an increased AOX, EOX and COD value.
  • the starting materials preferably having an increased AOX, EOX and COD value.
  • These are, for example, organically contaminated and dissolved leachate, wastewater, process water and compounds from various organic and inorganic polluted waters.
  • liquids, solids and saturated gases can be used in the process and the device, which are loaded with high salt loads. This usually results in a high osmotic pressure which in turn is able to hinder microbiological processes.
  • High salt loads can usually be used, albeit depending on the substrate, if the conductivity is greater than 22 mS / cm.
  • the conditioning systems 3 which consist of Unterkondition effetsanlagen 3.1, 3.2, 3.3, can material flow and material-related from the various units such. As rotary shears, roll crushers, Munchar, wet mills, hammer mills, wet hammer mills, pulpers, etc. combined in series.
  • liquid processes 10.6 from the system 10 and the substance mixture 8.2 from the circuit 6 can be admixed as a material flow mixture 20 for dilution.
  • Reference 3.4 denotes a bypass possibility of the plants 3 via the switching 39, if the input material without conditioning can be supplied directly via the interconnection system 4 of the hydrolysis system 5.
  • a further interconnecting plant 4 can be provided between the conditioning 3 and hydrolysis 5, the mode of operation of which is analogous to the interconnecting plant 2.
  • the hydrolysis 5 may consist of a 5.1 or more successive or adjacent stages 5.1, 5.2, 5.3.
  • anaerobic degradation of organic material begins.
  • undissolved biogenic polymers are biochemically cleaved by addition of water in low molecular weight compounds.
  • products of hydrolysis inter alia. Monosaccharides, amino acids, short chain peptides, long chain fatty acids and glycerin.
  • the degradation processes in the prior art are Clostridium spp., Bacillus spp., Pseudomonas spp. involved.
  • the fatty acids are separated from the sugar compounds.
  • the separation is carried out by catalytic and / or photocatalytic means, wherein in the hydrolysis reactor 5, a catalysis / photocatalysis supporting coating can be used.
  • the energy for this is taken from the process itself or generated by an electrolysis.
  • the separation of fatty acids and sugars or sugar compounds is generally a pH decrease which leads to an acidification. Acidification may involve both fatty acids and sugar and / or sugar compounds.
  • the fatty acids should be transferred to a biogas process at this point. Since methanogenesis, ie biogas formation, is no longer possible in an acidified state, but the fatty acids separated from sugar and sugar compounds are to be supplied to a biogas process, it is possible to supply protonated ions, which have a pH value, especially when the pH is lowered sharply. Prevent lowering or counteract an existing pH reduction. By means of the addition of protonated ions, a self-regulating pH regulation can be introduced into the process.
  • the protonated ions are released and supplied by microbial metabolic processes.
  • protonated amino groups can also be added externally.
  • the supply of protonated ions which are produced by means of electrolysis. This can be done for example by an electrolyzer, which is shown schematically in Figure 14.
  • This electrolysis device consists of a parallel arrangement of anode 100 and cathode 102 and a flowing gas-charged liquid phase 104.
  • the gas is used as an insulator between the anode and cathode.
  • the gas bubbles are carriers of the free charges, - the anions and / or cations -, wherein there is no charge balance, but a voltage potential between the anode and cathode is maintained.
  • the electrolysis device has at least one stage, but can also be implemented in several stages.
  • the liquid phase can advantageously be loaded with all gases (except oxygen) and oxygen-poor gas mixtures. It is particularly advantageous to remove gases and gas mixtures from biogas processes or exhaust gases, in particular gases and gas mixtures can originate from the device according to the invention. Residual gases, combustion residue gases can also be used as the gas component. However, these gases should either be purified, so for example, the nitrogen oxides and hydrogen sulfide compounds have been eliminated from the mixtures. This can be done advantageously by catalytically active surfaces of the electrolysis device. For this purpose, photocatalytically acting semiconductors, such as, for example, doped titanium dioxide, can be applied to the surfaces of the anode or cathode.
  • photocatalytically acting semiconductors such as, for example, doped titanium dioxide
  • the subject matter of the electrolysis may be, for example, water, substances other than water, mixtures of substances with water, sugars, fatty acids, proteins, carbon hydrates or mixtures of one or more of the abovementioned substance groups.
  • the protonated ions can be used, which are released in the separation of fatty acids and sugars.
  • the electrolysis can therefore be used centrally.
  • electricity must flow and be made available. This electricity can come from the power grid.
  • the liberated during the electrolysis of oxygen and / or differently released reactive oxygen prevents the formation of hydrogen sulfide-containing gases.
  • This oxygen is either already obtained during the separation of fatty acids and sugar compounds or fed from an external electrolytic process.
  • Oxygen and / or other reactive oxygen species are crucial to the separation of fatty acids, starches and sugar compounds in the process.
  • the substrates undergo the hydrolysis reactors 5 or mixed or mixed individually.
  • the hydrolysis plant 5 can consist of several hydrolysis reactors 5.1-5.3. n, represented here as three reactors, but it is also possible to use only one reactor or a plurality (.n) with more than three reactors.
  • Reference 5.4 shows a discharge line from the hydrolysis 5 to the subsequent treatment steps
  • the hydrolysis reactors are advantageously designed as horizontal, round containers provided with a longitudinal spike or Paddelrwalkmark, which mixes the substrate and at the same time avoids short circuit interference and provided with a Störstoffaustrag.
  • a hydrolysis reactor is advantageously used, as shown and mentioned in PCT / EP 2005/005452.
  • Hydrolysis reactors which are shown in PCT / EP 2005/005993 (FIGS. 15, 20 and 21) (full-flow hydrolysis and fermentation) are also suitable as stationary hydrolysis reactors with central tube circulation or gas injection recirculation.
  • Reference 5.6 denotes a gas flow, with which the resulting gases (predominantly CO 2 ) are fed to the opto-reactor 8.
  • Hard-to-close-up raw materials certainly make it easier to remodel microbially or by electrolysis in an additional process step.
  • a process or a device for producing alcohols is suitable according to the invention.
  • Such a device or such a process step can take place both internally and externally.
  • such a device or such a process step is arranged externally. This can also be a classic alcohol process according to the prior art.
  • the dissolved sugars and / or sugar compounds are separated and discharged from the system and fed to an external apparatus or process for alcoholic fermentation.
  • sugar and sugar compounds have a cationic surface charge and can therefore be separated.
  • the discharge can be done via a slotted screen.
  • the opposing surfaces of the slot screen have a charge separation.
  • the discharge can take place via a centrifuge with charge separation or via HPLC or via a sieve with charge separation.
  • substances from a separate production and treatment process can now also be introduced into the biogas process.
  • external alcohols are added alone or with the fatty acids in the biogas process.
  • alcohols which were previously produced after separation of the sugar and sugar compounds from the raw materials in an alcoholization process, to supply the biogas process.
  • alcohols which were previously produced after separation of the sugar and sugar compounds from the raw materials in an alcoholization process, to supply the biogas process.
  • These may also be mixtures of different alcohols and water, as well as mixtures with impurities.
  • the hydrolysis reactors 5 can be hydraulically connected to each other, so that consecutively, in parallel and / or in combination the hydrolysis reactors are mutually intermixed, individually or mixed together, as well as the order between the individual hydrolysis reactors the circuit, as far as procedurally necessary, can be changed at any time.
  • the switching 39 the above-described circuits are possible, while the material flow shifting device is not shown here.
  • the freed from solid and impurities substrate 7.1 is fed to the ethanol reactor 9.
  • the solids-laden stream 7.2 is fed as the main stream of the clarifier 15.
  • the gases produced during the above-described process steps are fed to the opto-reactor 8.
  • the opto-reactor 8 is a photocatalyst reactor in which a conversion of CO 2 to CO takes place via an electric field generated in the reactor in conjunction with a liquid mixture, a pressed-in gas and a metered-in reagent.
  • the opto-reactor 8 has a coating of the following substances or substance groups: TiO 2 ; TiO 2 -O 3 Si-Pr-SH; TiO 2 -O 3 S-Et-SH; TiO 2 -O 3 S-Pr-SH; ZrO 2 -O 3 Si-Pr-SH; ZrO 2 -O 3 S-Et-SH; ZrO 2 -O 3 S-Pr-SH; Si; Ge; GaAs; GaP ; lnP ; CdSe; InSb; Cr; Mn; Fe; Co; Ni; Cu; Not a word; Ru; Pd; Ag; CD; W; os; Ir; Pt; P; As; Sb; Bi; se; Te; B; AI; Ga; In; AlSb; InAs; ZnSe; ZnTe; CdS; CdTe; HgTe; ITO; SWNT; MWNT; fullerenes; Diamond; Fibers, carbon
  • carbon nanotubes either as SWNT or MWNT. These in turn may be appropriately doped or coated again.
  • conductive, semiconducting and / or piezoelectric materials are suitable for the production of coatings.
  • the opto-reactor 8 can also be connected to other exhaust gas sources 18.1 and nutrient sources 18.2, with the exhaust gas source 18.1 e.g. Exhaust gases from engines, exhaust gases from thermal power plants and incinerators as well as from composting and sewage treatment plants, which have a closed source exhaust collection, or process engineering equipment such as hydrolysis and biogas reactors, can be used.
  • exhaust gas sources 18.1 and nutrient sources 18.2 e.g. Exhaust gases from engines, exhaust gases from thermal power plants and incinerators as well as from composting and sewage treatment plants, which have a closed source exhaust collection, or process engineering equipment such as hydrolysis and biogas reactors, can be used.
  • the liquid from the opto-reactor 8 is fed via the transport line 8.1 to a gas fermenter 16.
  • FIG. 2 shows a section through the gas fermenter 16a with lattice catalysts 16.22 in the inflow and outgassing area.
  • Fig. 5 shows a enlarged cross-section of the gas fermenter 16 with a flow-through variant.
  • Fig. 6a - 6c show possible Auf eins- and fürströmungssectionn of reactors in general and Gasfermenter in particular.
  • gas fermenter consists of:
  • Spherical elements made of a plastic material, preferably PE or PP, which serve as carriers of materials to be immobilized, which are introduced in the interior.
  • the elements of the gas fermenter can advantageously a coating of TiO 2 ; TiO 2 -O 3 Si-Pr-SH; TiO 2 -O 3 S-Et-SH; TiO 2 -O 3 S-Pr-SH; ZrO 2 -O 3 Si-Pr-SH; ZrO 2 -O 3 S-Et-SH; ZrO 2 -O 3 S-Pr-SH; Si; Ge; GaAs; GaP ; lnP ; CdSe; InSb; Cr; Mn; Fe; Co; Ni; Cu; Not a word; Ru; Pd; Ag; CD; W; os; Ir; Pt; P; As; Sb; Bi; se; Te; B; AI; Ga; In; AlSb; InAs; ZnSe; ZnTe; CdS; CdTe; HgTe; ITO; SWNT; MWNT; fullerenes; Diamond; Fibers, carbon black; PE; PAN;
  • Carbon nanotubes are also suitable for the production of coatings. These in turn can be appropriately doped or coated again.
  • conductive, semiconducting and / or piezoelectric materials are suitable for the production of coatings.
  • the ethanol fermenter 9 is fed with the main stream substrate from the hydrolysis 5 via the filter 7 and the feed 7.1. As a secondary stream of circulating water from the gas reactor 15 via line 15.3.
  • the Ethanolfermenter 9 has a Sinkschlammabpping with filter device 9.2.
  • the filtrate 9.3 is fed as a feed liquid 9.3 the opto-reactor 8.
  • the contaminated with solids turbid water 9.4 is fed to the treatment plant 13.
  • the overflow 9.1 from the ethanol fermenter 9 is fed to the ethanol reactor 10.
  • Ethanol fermenter 9 and ethanol reactor 10 are described in detail, for example, in the applications DE 102007011628.6 and DE 102007028012.4, to which reference is hereby made.
  • the ethanol reactor 10 comprises. Ethanol / water mixture 10.1, a dipped membrane 10.2, a gas circulation stream 10.3, mainly CO 2 , an exhaust stream 10.3.1 in Optoreaktor 8, a Primärabwasserstrom 10.4 in sewage treatment plant 13, a dilution water 10.5, the Hydrolysis 5 is recirculated via Verschaltungsstrom 6, a dilution water 10.6, which is recycled to the conditioning plant 3 and an ethanol / acid mixture 10.7 in absolute.
  • Reference 17 denotes an absolute system for separation of ethanol and water.
  • various existing process techniques are used, which are used today in the production of alcohol.
  • Reference 17 denotes discharged wastewater from the separation plant 17, of which the primary flow 17M via the sewer 10.4 of the sewage treatment plant 15 fed and the secondary flow 17'.4 as dilution water the
  • Dilution water stream 10.6 is supplied. Ethanol-free ethanol (99.6%) is stored in a storage tank 17 "and can be sold as a marketable product with a purity of 99.5%.
  • a wastewater treatment plant or a wastewater reactor 15 for cleaning and reducing the pollutant load to Einleitrich in a wastewater treatment plant is also provided.
  • the wastewater treatment plant is designed here as a wastewater reactor.
  • the perforated plates cause a nozzle vortex effect, which causes a turbulence 15.15 of the substrate.
  • perforated plates are arranged at intervals of the dimension d, which prevent the balls 16.1 from leaving the chambers assigned to them.
  • the number of reactor lengths and their diameter d and the number of chambers depend on the composition and load of the substrate 15.1.
  • the individual chambers develop their own biocynosis with different bacterial strains, which adapt to the respective loads from the upstream chambers.
  • a lamella separator or oblique clarifier can be used, such as. B. a lamella separator or oblique clarifier, etc.
  • the liquid content is 15.5 fully mixed in the fermenter 15.4 while the filler 16.1.1 gently mixed and driven against the upper hole bottom.
  • a short-circuit flow between the input substrate 15.16 and the starting substrate 15.16.1 is sustainably avoided and the fillers 16.1.1 are supplied with new substrate for degradation.
  • the settling time of the packing 16.1.1 is about 1 to 2 hours.
  • the dimension ratio diameter "D" to the height "H” is 1: 7.
  • the liquid level should be less than 9 m, so that can be done with commercially available and inexpensive blowers 15.27 the gas injection.
  • FIGS. 7 to 13 show possible variants of the wastewater purification reactor 15, with a plurality of throughflow variants, arrangement variants and preliminary variants being shown schematically.
  • FIG. 7 shows a horizontal reactor 15 with paddle stirrer 15.10, which on the one hand moves the packing 16.1.1 and on the other hand sustainably prevents a short-circuit flow between substrate inlet 15.1 and outlet 15.16 by the stirring effect 15.15, and chambers are formed by the perforated dividing walls 15.10.1 in which different biozinose zones form.
  • FIG. 8 shows standing reactors 15a, 15b, which from below the substrate inlet 15.15 takes place and the substrate outlet 15.16 is done by a lying above the water level siphon.
  • at least two reactors 15a and 15b are connected in series and by stirring effects such as
  • Gas injection compression 15.28 in connection with the substrate circulation 15.25.1 additionally prevents short-circuit currents, as well as the packing 16.1.1 moves and brought to the degraded substrate.
  • 9 shows a section through the horizontal reactor 15 with arrangement of the stirring paddle 15.10.
  • 10 shows a possible arrangement with two reactors 15a and 15b connected in parallel and one or more downstream reactors 15.n.
  • 11 shows a possible arrangement of three or more reactors 15a, 15b, 15c, n connected in series.
  • FIG. 12 shows the same circuits but with standing reactors of the type 15a and 15b as in FIG. 11.
  • FIG. 13 shows the same circuit, but with standing reactors of the type 15 a and 15 b as in FIG. 12.

Abstract

Offenbart wird ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von Alkohol bzw. Methan aus vergärbarem Substrat, wobei das Substrat einen Stoffstrom aus festem, flüssigem und/oder gasförmigem Aggregatszustand bildet und der gasförmige Anteil des Stoffstroms vor dem Einbringen in den Ethanolreaktor mittels eines Gasfermenters aufbereitet wird und/oder dem Stoffstrom vor der Biogaserzeugung ein Basepuffer, insbesondere aus protonierten Amninosäuren, zugeführt werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung von Ethanol / Butanol und/oder Methan
Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von Methan und/oder einem Alkohol, insbesondere Ethanol / Butanol in einem Reaktor aus beliebigen vergärbaren Ausgangsstoffen.
Aus dem Stand der Technik sind Verfahren und Vorrichtungen zur Erzeugung von Alkohol bzw. Methan bekannt, die aus vergärbaren Ausgangsstoffen Alkohol bzw. Methan herstellen. Nachteilig an allen bekannten Anlagen ist jedoch, dass die Ausgangsstoffe entweder langwierig und kostenintensiv aufbereitet werden müssen und für eine effektive Methan- bzw. Alkoholgewinnung die Ausgangsstoffe spezifische Eigenschaften aufweisen müssen, so dass die Alkohol- bzw. Methangewinnung aus Abfallstoffen ein kosten intensiver und unrentabler Vorgang ist.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, mit der Alkohol bzw. Methan aus beliebigen Ausgangsstoffen effektiv gewonnen werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 , eine Anlage gemäß Patentanspruch 22 sowie einen Reaktor gemäß Patentanspruch 31.
Vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, die Biogasgewinnung dadurch zu steigern, dass beliebige Ausgangsstoffe aufgespalten werden und die aufgespaltenen Produkte in einen zuckerhaltigen bzw. einen fetthaltigen Stoffstrom getrennt werden. Der zuckerhaltige Stoffstrom wird dann einem Vergärungsprozess unterzogen, während der fetthaltige Stoffstrom aufbereitet wird, um einer Methanogenese unterzogen zu werden. Vorteilhafter Weise wird dem fetthaltigen Stoffstrom ein Basenpuffer ugegeben, so dass die Methanogenese nicht aufgrund von Versäuerung unterbrochen nrd. In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wird zur Biogasproduktion der über Vergärung des zuckerhaltigen Stoffstroms entstehende Alkohol während der Methanogenese wieder dem fetthaltigen Stoffstrom zugeführt, so dass die Biogasbildung weiter erhöht wird. Unter Alkoholen sind u.a. organische Verbindungen zu verstehen, die eine oder mehrere funktionelle Hydroxylgruppen besitzen, beispielsweise: Ethanol, Butanol, Propanol etc. In der Führung und Kreislauflaufführung der Gase können alle Gase und Gasgemische, einschließlich des Kohlendioxids, einer Verwertung zugeführt werden.
Die Zugabe der Basenlösung geschieht vorteilhafter Weise über protonierte Aminogruppen, die über Elektrolyse oder durch mikrobielle Stoffwechselprozesse gewonnen wird.
Um den zuckerhaltigen bzw. fetthaltigen Stoffstrom zu erhalten, werden die Ausgangsprodukte vorteilhafter Weise nach einer mechanischen Zerkleinerung einer Hydrolyse unterworfen, bei der die zerkleinerten Abfallstoffe in niedermolekulare Verbindungen aufgespalten werden.
Als Ausgangsstoffe können gelöste und ungelöste organikhaltige Abfälle aus Müll- und/oder Biomüllanlagen verwendet werden, wobei auch Holz und holzartige Abfälle, pflanzliche und bakterielle Zellulose, Zellstoffverbindungen, Lignin, Lignozellulose, sämtliche Verbindungen des Lignins, Verbindungen des Lignins mit polyzyklisch aromatischen Kohlenwasserstoffen, Verbindungen des Lignins mit Azofarbstoffen, Enzymrückstände aus der Papierindustrie, Windeln, Windeln mit Arzneimittelrückständen, Windeln mit organischen und anorganischen Verunreinigungen, Altpapier, Kartonagen, Verbundstoffe aus Holz und Kunststoff, künstliche und natürliche Harze und Harzrückstände, Fest- und Flüssigabfälle aus der Nahrungsmittelindustrie, Dickzuckersaft, Melassen, überlagerte Nahrungsmittel, nachwachsende Rohstoffe, Abfallstoffe aus Früchteplantagen, hygienisierte Flüssigstoffe, Fleischsuppe, hygienisierte Flüssigstoffe aus der Tierkörperbeseitigung und/oder Tiermehlproduktion, Gras, Gülle, Klärschlamm, Bioabfälle, Gärreste, Gärrestrückstände, Wirtschaftsdünger tierischer oder pflanzlicher Herkunft, Zucker, Zuckerverbindungen, Stärke, verschmutze Stärke, Abfälle aus der kartoffelverarbeitenden Industrie, Abfälle aus der fruchtverarbeitenden Industrie, Pressrückstände, Biertreber, Filterkuchen aus der Lebensmittelindustrie, Filterkuchen aus der Bierherstellung, Reststoffe aus Molkereien, Milch, mit Antibiotika belastete Abschlagmilch, Süßmolke, Sauermolke verwendet werden können.
Des Weiteren ist möglich: organisch belastete und gelöste Sickerwässer, Abwässer, Prozesswässer und Verbindungen aus verschiedenen organisch und anorganisch belasteten Wässern zuzuführen. Zudem eignen sich als Ausgangsstoffe auch alle Stoffe, die durch hydrolytische Bakterien aufgeschlossen werden können.
Besonders vorteilhaft ist, wenn diese Ausgangsstoffe durch ein Müllnassbehandlungsverfahren bzw. Abfallaufbereitungsverfahren, wie beispielsweise in der DE 19909382.8 beschrieben wird und/oder mit einem Stofflöseverfahren, wie beispielsweise in der PCT 2005 005993 beschrieben wird, vorbehandelt werden.
Besonders vorteilhaft ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem mindestens einer der verwendeten Reaktoren eine Beschichtung aus einem halbleitenden und/oder piezoelektrischen Material aufweist. Eine solche Beschichtung kann vorteilhafter Weise aus einem oder mehreren der folgenden genannten Stoffe bestehen: TΪO2; TiO2-O3Si- Pr-SH; TiO2-O3S-Et-SH; TiO2-O3S-Pr-SH; ZrO2-O3Si-Pr-SH; ZrO2-O3S-Et-SH; ZrO2-O3S- Pr-SH; Si; Ge; GaAs; GaP; InP1 CdSe; InSb; Cr; Mn; Fe; Co; Ni; Cu; Mo; Ru; Pd; Ag; Cd; W; Os; Ir; Pt; P; As; Sb; Bi; Se; Te; B; AI; Ga; In; AISb; InAs; ZnSe; ZnTe; CdS; CdTe; HgTe; ITO; SWNT; MWNT; Fullerene; Diamant; Fasern, Carbon Black; PE; PAN; PVC; PMMA; Teflon; Harze mit Fillern aus Metall, Keramik und Kohlenstoff.
Zudem kann die Beschichtung, wie ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigt, Carbon-Nanotubes aufweisen, die als sogenannte Single-Wall-Nano-Tubes (SWNT) oder Multi-Wall-Nano-Tubes (MWNT) ausgebildet sein können. Die Carbon- Nanotubes ihrerseits können zudem dotiert oder beschichtet sein.
Besonders vorteilhaft ist ein Ausführungsbeispiel, bei dem die protonierten Ionen mittels Elektrolyse erzeugt werden, wobei die protonierten Ionen aus der Elektrolyse von Wasser, anderen Stoffen als Wasser, Stoffgemischen mit Wasser, Zucker, Fettsäuren, Proteine, Kohlehydrate oder Mischungen aus einem oder mehreren der vorgenannten Stoffgruppen sein können. Dabei kann vorteilhafter Weise eine Elektrolysevorrichtung verwendet werden, die aus einer parallelen Anordnung von Anode und Kathode besteht, deren Zwischenraum von einem Fluid durchströmbar ist. Das Fluid kann vorteilhafter weise ein Flüssig-Gas-Gemisch sein, wobei das Gas vorteilhafter Weise sauerstoffarm ist.
Besonders vorteilhaft ist es, Gase und Gasmischungen aus Biogasprozessen oder Abgasen zu entnehmen, insbesondere können Gase und Gasmischungen aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung stammen. Als Gasanteil können auch Restgase, Verbrennungsrückstandsgase verwendet werden. Diese Gase sollten jedoch entweder aufgereinigt sein, also beispielsweise die Stickoxide und
Schwefelwasserstoffverbindungen aus den Mischungen beseitigt sein. Dies kann vorteilhafterweise durch katalytisch aktive Oberflächen der Elektrolysevorrichtung geschehen. Dazu können an den Oberflächen von Anode oder Kathode photokatalytisch wirkende Halbleiter, wie beispielsweise dotiertes Titandioxid, aufgebracht werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen definiert.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen näher beschrieben werden.
Es zeigen:
Figur 1 : eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anlage zum Erzeugen von Alkohol und Methan;
Figur 2: eine schematische Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Gasfermenter, der seinen Einsatz in einer erfindungsgemäßen Anlage gemäß Figur 1 hat;
Figur 3: eine schematische Detailansicht des erfindungsgemäßen Gasfermenters aus Figur 2;
Figur 4: eine schematische Schnittansicht durch das in Figur 3 dargestellte Detail des Gasfermenters aus Figur 2;
Figur 5: eine weitere schematische Detailansicht des Gasfermenters aus Figur 5;
Figur 6a - 6c: schematische Darstellungen der Aufstellungs- bzw. Durchströmungsvarianten des in Figur 2 dargestellten Gasfermenters;
Figur 7: eine schematische Darstellung eines Reaktors zur Abwasserreinigung, der in einer erfindungsgemäßen Anlage gemäß Figur 1 verwendet wird;
Figur 8: eine Variante des in Figur 7 dargestellten Reaktors;
Figur 9: eine schematische Querschnittsansicht des Reaktors aus Figur 7;
Figur 10: eine schematische Darstellung einer Variante der Anordnung von zwei parallel geschalteten Reaktoren zur Abwasserreinigung gemäß Figuren 7 oder 8;
Figur 11 : eine weitere schematische Darstellung einer weiteren
Anordnungsmöglichkeit mit einer hintereinandergeschalteten Anordnung von Reaktoren gemäß Figur 7;
Figur 12: eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Anordnung von Reaktoren gemäß Figur 8;
Figur 13: eine schematische Darstellung einer weiteren Anordnungsmöglichkeit von Reaktoren gemäß Figur 8; und
Figur 14: eine schematische Darstellung der Bereitstellung von protonierten Ionen mittels Elektrolyse.
Die Anlage besteht aus mehreren Anlagenteilanlagen, die bei der Biogasgewinnung verschiedene Aufgaben erfüllen. Als Hauptteilanlagen finden sich in der erfindungsgemäßen Anlage eine Inputanlage 1 , eine Verschaltanlage 2, eine Konditionierungsanlage 3, eine weitere Verschaltanlage 4, ein Hydrolysereaktor 5, eine dritte Verschaltanlage 6, ein Filtersystem 7, ein Optoreaktor 8, ein Gasfermenter 16, ein Ethanolfermenter 9, ein Ethanolreaktor 10, eine Absolutierungsanlage 17 und ein Abwasserreaktor 15.
Diese Teilanlagen werden im Folgenden näher beschrieben. Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Anlage zum Erzeugen von Alkohol. Die Erzeugung von Methan erfolgt in einem separaten hier nicht dargestellten Reaktor, der parallel zum Ehtanolreaktor einen Teil, insbesondere den fettsäurehaltigen Teil, des Stoffstroms nach der Hydrolyseanlage 3 aufnimmt. Diesem Stoffstrom wird eine Basepufferlösung zugegeben, um die pH-Wert-Absenkung, die aus Abtrennung des zuckerhaltigen Stoffstroms resultiert, zu kompensieren.
Die Basepufferlösung enthält vorteilhafter weise protonierte Aminogruppen, die über Stoffwechselvorgänge in Mikroorganismen oder über Elektrolyse erzeugt werden können. Vorteilhafter Weise wird dem Stoffstrom eine mikrobiotische Lösung zugegeben, die entsprechende Mikroorganismen enthält.
Die Elektrolyse kann separat in einer Elektrolysevorrichtung erfolgen, es ist jedoch auch denkbar, den Reaktor entsprechend auszustatten. Die Elektrolysevorrichtung, schematisch in Figur 14 dargestellt, besteht aus einer parallelen Anordnung von Anode 100 und Kathode 102 und einer durchströmenden gasgeladenen Flüssigphase 104. Dabei wird das Gas als Isolator zwischen Anode und Kathode benutzt. Die Gasblasen sind Träger der freien Ladungen, - der Anionen und/oder Kationen-, wobei es nicht zu einem Ladungsausgleich kommt, sondern ein Spannungspotential zwischen Anode und Kathode erhalten bleibt. Die Elektrolysevorrichtung hat mindestens eine Stufe, kann aber auch in mehreren Stufen ausgeführt sein.
Die Flüssigphase kann vorteilhaft mit allen Gasen (außer Sauerstoff) und sauerstoffarmen Gasmischungen beladen werden. Besonders vorteilhaft ist es, Gase und Gasmischungen aus Biogasprozessen oder Abgasen zu entnehmen, insbesondere können Gase und Gasmischungen aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung stammen. Als Gasanteil können auch Restgase, Verbrennungsrückstandsgase verwendet werden. Diese Gase sollten jedoch entweder aufgereinigt sein, also beispielsweise die Stickoxide und Schwefelwasserstoffverbindungen aus den Mischungen beseitigt sein. Dies kann vorteilhafter Weise durch katalytisch aktive Oberflächen der Elektrolysevorrichtung geschehen. Dazu können an den Oberflächen von Anode oder Kathode photokatalytisch wirkende Halbleiter, wie beispielsweise dotiertes Titandioxid aufgebracht werden. Die lnputanlage 1 kann mehrere Ausgangsstoffzuführvorrichtungen 1.1, 1.2, 1.3 ... 1.n aufweisen, wobei in dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die lnputanlage 1 drei Ausgangsstoffzuführstellen aufweist, wobei in die Ausgangsstoffzuführvorrichtung 1.1 gelöste Organik aus Müll- und/oder Biomüllanlagen und organisch hoch belasteten und gelösten Sickerwässern oder Abwasserverbindungen, welche z. B. aus Müll-Nassbehandlungsanlagen stammen gemäß dem Abfallaufbereitungsverfahren DE19909.382.8-44 und dem Stofflöseverfahren PCT/EP 2005/005 993 aufweist.
Die Ausgangasstoffzuführeinrichtung 1.2 führt Cellulose (Zellstoffe) aus Holz (Lignin) oder ähnliche Stoffe zu, während die Ausgangsstoffzuführeinrichtung 1.3 Zellstoffverbindungen, wie Windeln, Altpapier, Kartonagen, Verbundstoffe, etc. zuführt. Des weiteren können Melassen, Fest- und Flüssigabfälle aus der Nahrungsmittelindustrie, überlagerte Nahrungsmittel, nachwachsende Rohstoffe, Abfallstoffe aus den Früchteplantagen, hygienisierte Flüssigstoffe (Fleischsuppe) aus der Tierkörperbeseitigung, oder Tiermehrproduktion zugeführt werden.
Allgemein können als Ausgangsstoffe sämtliche Stoffe, die über einen oder mehrere der Schritte:
1. Aufschluss (3)
2. Hydrolyse (5)
3. Fermentation (9) unter Zusatz von Nähr- und Hilfsstoffen in einem Vergärungsprozess Alkohol erzeugen, verwendet werden. Dies sind beispielsweise alle organischen Polymere wie Fette, Eiweiße und Kohlenhydrate.
Zudem eignen sich flüssige Abfälle und Abwässer aller Art für das Verfahren, wobei die Ausgangstoffe vorzugsweise einen erhöhten AOX-, EOX- und CSB-Wert aufweisen. Dies sind beispielsweise organisch belastete und gelöste Sickerwässer, Abwässer, Prozesswässer und Verbindungen aus verschiedenen organisch und anorganisch belasteten Wässern.
Vorteilhaft finden Flüssigkeiten, Feststoffe und gesättigte Gase Verwendung, die über ein stark verschobenes Nährstoffverhältnis verfügen. Damit ist u.a. gemeint, dass Nährstoffe in einem Verhältnis vorliegen, welche für eine Mikrobiologie hemmend wirken. Dies kann bedeuten, dass der mikrobiologische Prozess behindert wird und/oder dass der Abbau einer organischen Substanz in der Frischmasse < 60 % nicht erfolgt.
Weiter können Flüssigkeiten, Feststoffe und gesättigte Gase im Verfahren und der Vorrichtung eingesetzt werden, die mit hohen Salzfrachten belastet sind. Hieraus resultiert meist ein hoher osmotischer Druck der wiederum mikrobiologische Prozesse zu behindern vermag. Von hohen Salzfrachten kann in der Regel gesprochen werden, - dies allerdings substratabhängig -, wenn die Leitfähigkeit größer als 22 mS/cm ist.
Des Weiteren eignen sich organisch belastete und gelöste Sickerwässer, Abwässer, Prozesswässer und Verbindungen aus verschiedenen organisch und anorganisch belasteten Wässern.
Besonders eignen sich auch alle Stoffe, die durch hydrolytische Bakterien aufgeschlossen werden können.
Wirtschaftlich vorteilhaft ist auch die Verwendbarkeit von Holz und holzigen Abfällen.
Weiter können eingesetzt werden: Pflanzliche und bakterielle Zellulose, Zellstoffverbindungen, Lignin, Lignozellulose, sämtliche Verbindungen des Lignins, Verbindungen des Lignins mit polyzyklisch aromatischen Kohlenwasserstoffen, Verbindungen des Lignins mit Azofarbstoffen, Enzymrückstände aus der Papierindustrie, Windeln, Windeln mit Arzneimittelrückständen, Windeln mit organischen und anorganischen Verunreinigungen, Altpapier, Kartonagen, Verbundstoffe aus Holz und Kunststoff, künstliche und natürliche Harze und Harzrückstände, Fest- und Flüssigabfälle aus der Nahrungsmittelindustrie, Dickzuckersaft, Melassen, überlagerte Nahrungsmittel, nachwachsende Rohstoffe, Abfallstoffe aus Früchteplantagen, Hygienisierte Flüssigstoffe, Fleischsuppe, Hygienisierte Flüssigstoffe aus der Tierkörperbeseitigung und/oder Tiermehlproduktion, Gras, Gülle, Klärschlamm, Bioabfälle, Gärreste, Gärrestrückstände, Wirtschaftsdünger tierischer oder pflanzlicher Herkunft, Zucker, Zuckerverbindungen, Stärke, verschmutze Stärke, Abfälle aus der kartoffelverarbeitenden Industrie, Abfälle aus der fruchtverarbeitenden Industrie, Pressrückstände, Biertreber, Filterkuchen aus der Lebensmittelindustrie, Filterkuchen aus der Bierherstellung, Reststoffe aus Molkereien, Milch, mit Antibiotika belastete Abschlagmilch, Süßmolke, Sauermolke.
Mit Hilfe der ersten Verschaltanlage 2 mit Umschalt- und/oder Portereinrichtung 30, mit welcher sämtliche Stoffströme 1.1, 1.2, 1.3 untereinander gemischt oder als einzelne Fraktion einer Konditionierungsanlage 3 zugeführt werden können. Die Stoffstromvorschiebeeinrichtung ist hier nicht dargestellt.
Die Konditionierungsanlagen 3, die aus Unterkonditionierungsanlagen 3.1, 3.2, 3.3 bestehen, können stoffstrom- und materialbedingt aus den verschiedenen Aggregaten wie z. B. Rotationsscheren, Walzenbrecher, Munchar, Nassmühlen, Hammermühlen, Nasshammermühlen, Pulpern, etc. kombiniert hintereinander geschaltet werden.
Um eine Suspension zu erzeugen, können zur Verdünnung Flüssigabläufe 10.6 aus der Anlage 10 und das Stoffgemisch 8.2 aus der Verschaltung 6 als Stoffstromgemisch 20 beigemischt werden.
Referenz 3.4 bezeichnet eine Umfahrungsmöglichkeit der Anlagen 3 über die Umschaltung 39, wenn das Inputmaterial ohne Verkonditionierung direkt über die Verschaltanlage 4 der Hydrolyseanlage 5 zugeführt werden kann.
Ist eine direkte Zuführung nicht möglich, kann zwischen der Konditionierung 3 und Hydrolyse 5 eine weitere Verschaltanlage 4 vorgesehen sein, deren Funktionsweise analog zur Verschaltanlage 2 ist.
Für Stoffströme, die keine Behandlung in der Hydrolyse 5 benötigen, kann mittels einer Umgehung 4.4 der Stoffstrom und/oder die Stoffstromzusammensetzung 4.1, 4.2, 4.3 die Hydrolyse 5 umfahren werden. Die Stoffstromverschiebeeinrichtung ist hier nicht dargestellt.
Nach Aufschluss und Zerkleinerung der Ausgangsstoffe in der Konditionieranlage 3, wird der Stoffstrom einer Hydrolyseanlage 5 zugeführt. Die Hydrolyse 5 kann aus einer 5.1 oder mehreren hintereinander oder nebeneinander liegenden Stufen 5.1 , 5.2, 5.3 bestehen. Während der Hydrolyse beginnt der anaerobe Abbau von organischem Material. Dabei werden ungelöste biogene Polymere biochemisch unter Anlagerung von Wasser in niedermolekulare Verbindungen gespalten. Als Produkte der Hydrolyse ergeben sich ua. Monosacharide, Aminosäuren, kurzkettige Peptide, langkettige Fettsäuren und Glyzerin. An den Abbauprozessen sind im Stand der Technik Clostridium spp., Bacillus spp., Pseudomonas spp. beteiligt.
An dieser Stelle können bereits unterschiedliche Stoffströme auch aus externen Quellen zusammengeführt werden, also auch die Fettsäuren und Zuckerverbindungen aus unterschiedlichen Stoffströmen zugeführt und abgetrennt werden.
Während der Hydrolyse werden die Fettsäuren von den Zuckerverbindungen getrennt. Die Trennung erfolgt auf katalytischem und/oder auf photokatalytischem Wege, wobei im Hydrolysereaktor 5 eine die Katalyse/Photokatalyse unterstützende Beschichtung verwendet werden kann. Die Energie hierzu wird aus dem Prozess selbst entnommen oder über eine Elektrolyse erzeugt.
Durch die Trennung von Fettsäuren und Zuckern bzw. Zuckerverbindungen erfolgt allgemein eine pH-Wert-Absenkung was eine Versäuerung nach sich zieht. Die Versäuerung kann sowohl Fettsäuren als auch Zucker- und/oder Zuckerverbindungen betreffen.
Die Fettsäuren sollen an dieser Stelle in einen Biogasprozess übergeführt werden. Da in versauertem Zustand eine Methanogenese, also eine Biogasbildung, nicht mehr möglich ist, aber die von Zucker und Zuckerverbindungen getrennten Fettsäuren einem Biogasprozess zugeführt werden sollen, können insbesondere bei starker pH-Wert- Absenkung protonierte Ionen zugeführt werden, die eine pH-Wert-Absenkung verhindern, bzw. einer vorhandenen pH-Wert-Absenkung entgegenwirken. Mittels der Zugabe von protonierten Ionen kann eine selbststeuernde pH-Wert-Regulation in den Prozess eingeführt werden.
Vorteilhafterweise werden die protonierten Ionen durch mikrobielle Stoffwechselprozesse freigesetzt und zugeführt. Protonierte Aminogruppen können jedoch auch extern zugegeben werden. Vorteilhaft ist auch Zuführung von protonierten Ionen, die mittels Elektrolyse erzeugt werden. Dies kann beispielsweise durch eine Elektrolysevorrichtung geschehen, die schematisch in Figur 14 dargestellt ist.
Diese Elektrolysevorrichtung besteht aus einer parallelen Anordnung von Anode 100 und Kathode 102 und einer durchströmenden gasgeladenen Flüssigphase 104. Dabei wird das Gas als Isolator zwischen Anode und Kathode benutzt. Die Gasblasen sind Träger der freien Ladungen, - der Anionen und/oder Kationen -, wobei es nicht zu einem Ladungsausgleich kommt, sondern ein Spannungspotential zwischen Anode und Kathode erhalten bleibt. Die Elektrolysevorrichtung hat mindestens eine Stufe, kann aber auch in mehreren Stufen ausgeführt sein.
Die Flüssigphase kann vorteilhaft mit allen Gasen (außer Sauerstoff) und sauerstoffarmen Gasmischungen beladen werden. Besonders vorteilhaft ist es, Gase und Gasmischungen aus Biogasprozessen oder Abgasen zu entnehmen, insbesondere können Gase und Gasmischungen aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung stammen. Als Gasanteil können auch Restgase, Verbrennungsrückstandsgase verwendet werden. Diese Gase sollten jedoch entweder aufgereinigt sein, also beispielsweise die Stickoxide und Schwefelwasserstoffverbindungen aus den Mischungen beseitigt sein. Dies kann vorteilhafter Weise durch katalytisch aktive Oberflächen der Elektrolysevorrichtung geschehen. Dazu können an den Oberflächen von Anode oder Kathode photokatalytisch wirkende Halbleiter, wie beispielsweise dotiertes Titandioxid aufgebracht werden.
Gegenstand der Elektrolyse können beispielsweise Wasser, andere Stoffe als Wasser, Stoffgemische mit Wasser, Zucker, Fettsäuren, Proteine, Kohlenydrate oder Mischungen aus einem oder mehreren der vorgenannten Stoffgruppen sein. Hierzu können auch die protonierten Ionen genutzt werden, die bei der Trennung von Fettsäuren und Zuckern freigesetzt werden. Die Elektrolyse kann also zentral eingesetzt werden. Für die Elektrolyse muss Strom fließen und zur Verfügung gestellt werden. Dieser Strom kann aus dem Stromnetz stammen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn der Strom aus dem Generator der Biogasanlage stammt. Besser noch wenn der Strom mittels thermoelektrischen Effekts erzeugt wird, wobei die Wärme zum Betrieb des thermoelektrischen Elements aus der Abwärme der Anlage, einer Biogasanlage oder eines Blockheizkraftwerks gewonnen wird. Weitere vorteilhafte Ausführungen gewinnen Strom mittels Solarthermie oder Windkraft.
Der bei der Elektrolyse freigesetzte Sauerstoff und/oder anders freigesetzter reaktiver Sauerstoff verhindert eine Bildung von schwefelwasserstoffhaltigen Gasen. Dieser Sauerstoff wird entweder bereits bei der Trennung von Fettsäuren und Zuckerverbindungen gewonnen oder aus einem externen elektrolytischen Prozess zugeführt. Sauerstoff und/oder andere reaktive Sauerstoffspezies unterstützen entscheidend die Trennung von Fettsäuren, Stärken und Zuckerverbindungen im Verfahren.
Je nach Zusammensetzung und den notwendigen Verfahrensschritten zur Hydrolysierung kann das Durchlaufgut durch die Schaltung 6 in beliebiger Reihenfolge und Verweilzeiten die Substrate die Hydrolysereaktoren 5 durchlaufen oder einzeln durchmischt oder vermischt werden.
Die Hydrolyseanlage 5 kann aus mehreren Hydrolysereaktoren 5.1-5.3. n, hier dargestellt als drei Reaktoren, bestehen, es ist jedoch auch möglich, nur einen Reaktor oder eine Vielzahl (.n) mit mehr als drei Reaktoren zu verwenden.
Referenz 5.4 zeigt eine Austragsleitung aus der Hydrolyse 5 zu den nachfolgenden Behandlungsstufen
5.5 Zuschlagstoffe in die Hydrolysestufen
5.6 Stoffstrom 4.4 und 5.4 in die Trennanlage 7
5.7 Gasstrom aus der Hydrolyse 5.1
5.8 Gasstrom aus der Hydrolyse 5.2
5.9 Gasstrom aus der Hydrolyse 5.3 5.10 Gasstrom, welcher hauptsächlich aus CO2-Gärgasen besteht, aus dem Abgasabzug der Hydrolyse 5.1 , 5.2, 5.3 wird dem Optoreaktor 8 zugeführt.
Die Hydrolysereaktoren werden vorteilhaft ausgebildet als liegende, runde Behälter versehen mit einem längsliegenden Stachel oder Paddelrührmark, welches das Substrat durchmischt und zugleich Kurzschlussstörungen vermeidet und versehen mit einem Störstoffaustrag. Hier wird vorteilhaft ein Hydrolysereaktor eingesetzt, wie er in der PCT/EP 2005/005452 dargestellt und erwähnt ist.
Als stehende Hydrolysereaktoren mit Zentralrohrumwälzung oder Gaseinpressumwälzung eignen sich auch Hydrolysereaktoren, welche in der PCT/EP 2005/005993 (Fig. 15, 20 und 21) dargestellt sind (Vollstromhydrolyse und Vergärung).
Mit Referenz 5.6 wird ein Gasstrom bezeichnet, mit dem die entstandenen Gase (vorwiegend CO2) dem Optoreaktor 8 zugeführt werden.
Schwer aufschließbare Rohstoffe lassen sicher besser in einem zusätzlichen Verfahrensschritt mikrobiell oder durch Elektrolyse umbauen. Hierzu ist erfindungsgemäß ein Prozess oder eine Vorrichtung zur Erzeugung von Alkoholen geeignet. Eine solche Vorrichtung oder ein solcher Verfahrensschritt kann sowohl intern als extern erfolgen. Vorzugsweise wird eine solche Vorrichtung oder ein solcher Verfahrensschritt extern angeordnet. Dies kann auch ein klassischer Alkoholprozess nach dem Stand der Technik sein.
Vorzugsweise werden nach der Hydrolyse die gelösten Zucker und/oder Zuckerverbindungen abgetrennt und aus dem System ausgeschleust und einer externen Vorrichtung oder einem Prozess zur alkoholischen Vergärung zugeführt. Grundsätzlich verfügen Zucker und Zuckerverbindungen über eine kationische Oberflächenladung und lassen sich deshalb abtrennen.
Die Ausschleusung kann über eine Spaltsiebanlage erfolgen. Vorzugsweise haben die gegenläufigen Flächen der Spaltsiebanlage eine Ladungstrennung. Des Weiteren kann die Ausschleusung über eine Zentrifuge mit Ladungstrennung erfolgen oder über HPLC oder über ein Schrägsieb mit Ladungstrennung erfolgen.
Nach Ausschleusung der kationischen Zucker und Zuckerverbindungen muss zu einer Verbesserung des Basepuffervermögens und/oder des Säurepuffervermögens kommen, da ansonsten keine Methanogenese stattfinden kann. Die geschieht durch regulierte Freisetzung von protonierten Ionen. Hierzu können wiederum mikrobielle Aminogruppen, wie bereits beschrieben oder ein Elektrolyseprozess wie beschrieben eingesetzt werden.
An dieser Stelle können nunmehr auch Stoffe aus einem separaten Erzeugungsund Aufbereitungsprozess in den Biogasprozess eingeführt werden. Vorzugsweise werden externe Alkohole alleine oder mit den Fettsäuren in den Biogasprozess gegeben. Besonders vorteilhaft ist die Zugabe von Alkoholen, die zuvor nach Abtrennung der Zucker und Zuckerverbindungen aus den Grundstoffen in einem Alkoholisierungsprozess erzeugt wurden, dem Biogasprozess zuzuführen. Hier kann es sich auch um Mischungen von verschiedenen Alkoholen und Wasser, sowie Mischungen mit Verunreinigungen handeln.
Mit Hilfe einer Verschaltungsanlage 6 ähnlich den Anlagen 2 und 4 können die Hydrolysereaktoren 5 untereinander hydraulisch verbunden werden können, so dass hintereinander, parallel und/oder in Kombination die Hydrolysereaktoren gegenseitig angeimpft, einzeln oder zusammen durchmischt werden, sowie die Reihenfolge zwischen den einzelnen Hydrolysereaktoren betreffend der Schaltung, soweit verfahrenstechnisch notwendig, jederzeit geändert werden kann. Mit der Umschaltung 39 werden die vorbeschriebenen Schaltungen ermöglicht, dabei ist die Stoffstromverschiebeeinrichtung hier nicht dargestellt.
Damit Feststoffpartikel, welche die Hydrolyse 5 durchlaufen haben, nicht die nachfolgenden Anlagenteile verstopfen oder Ablagerungen erzeugen, wird vorteilhaft ein hier nicht näher beschriebenes Filtersystem 7 dazwischen geschaltet.
Das von Fest- und Störstoffen befreite Substrat 7.1 wird dem Ethanolreaktor 9 zugeführt. Der feststoffbeladene Stoffstrom 7.2 wird als Hauptstrom der Klärstufe 15 zugeführt. Die während der vorbeschriebenen Verfahrensschritte entstandenen Gase werden dem Optoreaktor 8 zugeführt. Beim Optoreaktor 8 handelt es sich um einen Reaktor zur Photokatalyse, bei dem über ein im Reaktor erzeugtes elektrisches Feld in Verbindung mit einem Flüssigkeitsgemisch, einem eingepressten Gas und einem zudosierten Reaktionsmittel eine Konversion von CO2 zu CO erfolgt.
Vorteilhafter Weise weist der Optoreaktor 8 eine Beschichtung aus folgenden Stoffen bzw. Stoffgruppen auf: TiO2; TiO2-O3Si-Pr-SH; TiO2-O3S-Et-SH; TiO2-O3S-Pr- SH; ZrO2-O3Si-Pr-SH; ZrO2-O3S-Et-SH; ZrO2-O3S-Pr-SH; Si; Ge; GaAs; GaP; lnP; CdSe; InSb; Cr; Mn; Fe; Co; Ni; Cu; Mo; Ru; Pd; Ag; Cd; W; Os; Ir; Pt; P; As; Sb; Bi; Se; Te; B; AI; Ga; In; AISb; InAs; ZnSe; ZnTe; CdS; CdTe; HgTe; ITO; SWNT; MWNT; Fullerene; Diamant; Fasern, Carbon Black; PE; PAN; PVC; PMMA; Teflon; Harze mit Fillern aus Metal, Keramik und Kohlenstoff.
Für die Fertigung von Beschichtungen eignen sich auch Carbonnanotubes, entweder als SWNT oder MWNT. Diese können ihrerseits wieder entsprechend dotiert oder beschichtet sein. Zur Herstellung von Beschichtungen eignen sich insbesondere leitende, halbleitende und/oder piezoelektrische Materialien.
Der Optoreaktor 8 kann auch mit anderen Abgasquellen 18.1 und Nährstoffquellen 18.2 verbunden werden, wobei als Abgasquelle 18.1 z.B. Abgase von Motoren, Abgase aus thermischen Kraftwerken und Verbrennungsanlagen sowie aus Kompostier- und Kläranlagen, welche über eine geschlossene Quellenablufterfassung verfügen, oder auch prozesstechnische Anlagen wie Hydrolyse- und Biogasreaktoren, verwendet werden können.
Als Nährstoffquellen 18.2 können z. B. Aktivschlämme aus Kläranlagen oder organisch hoch belastete Abfallprodukte aus der Lebensmittelherstellung etc. dienen.
Die Flüssigkeit aus dem Optoreaktor 8 wird über die Transportleitung 8.1 einem Gasfermenter 16 zugeführt.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Gasfermenter 16a mit Gitterkatalysatoren 16.22 im Anströmungs- und Entgasungsbereich. Fig. 5 zeigt einen vergrößerten Querschnitt des Gasfermenters 16 mit einer Durchströmungsvariante. Fig. 6a - 6c zeigen mögliche Aufstellungs- und Durchströmungsvarianten von Reaktoren allgemein und Gasfermenter insbesondere.
Des Weiteren besteht der Gasfermenter aus:
16.1 Gasfermenterkonstruktion stehend als Rund- oder Viereckstank etc.
16.2 Flüssigkeitsüberlauf in den Ethanolfermenter 9
16.1.1 Kugelförmige Elemente aus einem Kunststoffmaterial, bevorzugt wird dabei PE oder PP, welche als Träger von zu immobilisierenden Materialien dienen, welche im Innenraum eingebracht werden.
16.6 Gasabzug
16.7 Gaseinpressgebläse
16.8 Gaseinpresslanzen zur Einbringung des Umwälzgases mit dem zusätzlichen Effekt, dass damit Scherkräfte eingebracht werden, welche die Rührung unterstützen.
16.9 Bewegungsantrieb zu Rührwerk mit Rührarmen 16.10
16.10 Rührarme
16.11 Bewegung der Rührarme zur Einbringung von Scherkräften, um die Kugelförmigen Elemente 16.1.1 zu bewegen, damit sich keine Kurzschlussströmung 16.12 im Reaktor 16 bilden kann und damit die kugelförmigen Elemente ständig mit frisch zugeführten Substanzen 8.1 , 8b, 16.8 versorgt werden.
16.12 Nicht erwünschte Kurzschlussströmung, welche durch die Maßnahmen 16.8 bis 16.14 unterbunden werden. 16.13 Umwälzströmung
16.14 Zusätzliche Möglichkeit zur Einbringung von Scherkräften durch Ultraschall oder Vibrationen durch einen oder mehrere Unwuchtmotoren
16.15 Schallwellen, welche die kugelförmigen Elemente 16.1.1 in Bewegung halten.
16.16 Drehen und Bewegen der kugelförmigen Elemente 16.1.1 durch die eingebrachten Scherkräfte
16.17 Flüssigkeitsspiegel
16.18 SubstraWGasgemisch
16.20 Umwälzpumpe
16.21 Eingepresstes Substratgemisch 16.18 über Düsen, welche am Behälterboden angebracht sind. Auch über diese Substrateinpressung werden Auftriebskräfte im Behälterinhalt 16.18 erzeugt.
16.22 Gitterkatalysator (siehe Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch den Katalysator; Fig. 4 zeigt eine Ansicht auf die Katalysatorwaben)
16.23 Katalysatorwabenkörper
16.24 Beschichtung der Wabenkörper
16.25 Gasraum
16.26 Gasabzug und Gasrückführung in den Optoreaktor (8) 16.26a Gasgebläse
Auch die Elemente des Gasfermenters können vorteilhafter Weise eine BeSchichtung aus TiO2; TiO2-O3Si-Pr-SH; TiO2-O3S-Et-SH; TiO2-O3S-Pr-SH; ZrO2-O3Si- Pr-SH; ZrO2-O3S-Et-SH; ZrO2-O3S-Pr-SH; Si; Ge; GaAs; GaP; lnP; CdSe; InSb; Cr; Mn; Fe; Co; Ni; Cu; Mo; Ru; Pd; Ag; Cd; W; Os; Ir; Pt; P; As; Sb; Bi; Se; Te; B; AI; Ga; In; AISb; InAs; ZnSe; ZnTe; CdS; CdTe; HgTe; ITO; SWNT; MWNT; Fullerene; Diamant; Fasern, Carbon Black; PE; PAN; PVC; PMMA; Teflon; Harze mit Fillern aus Metal, Keramik und Kohlenstoff aufweisen, wobei insbesondere Gitterkatalysator 16.22, kugelförmige Elemente 16.1.1 und Katalysatorwabenkörper 16.23 derartig beschichtet ausgebildet sind.
Für die Fertigung von Beschichtungen eignen sich auch Carbon-Nanotubes, entweder als SWNT oder MWNT. Diese können ihrerseits wieder entsprechend dotiert oder beschichtet werden. Zur Herstellung von Beschichtungen eignen sich insbesondere leitende, halbleitende und/oder piezoelektrische Materialien.
Der Ethanolfermenter 9 wird gespeist mit dem Hauptstromsubstrat aus der Hydrolyse 5 über den Filter 7 und die Einspeisung 7.1. Als Sekundärstrom vom Kreislaufwasser aus dem Gasreaktor 15 über die Leitung 15.3.
Der Ethanolfermenter 9 verfügt über einen Sinkschlammabzug mit Filtereinrichtung 9.2. Das Filtrat 9.3 wird als Speiseflüssigkeit 9.3 dem Optoreaktor 8 zugeführt.
Das mit Feststoffen belastete Trübwasser 9.4 wird der Kläranlage 13 zugeführt. Der Überlauf 9.1 aus dem Ethanolfermenter 9 wird dem Ethanolreaktor 10 zugeführt.
Ethanolfermenter 9 und Ethanolreaktor 10 sind beispielsweise detailliert in den Anmeldungen DE 102007011628.6 und DE 102007028012.4 beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird. Der Ehtanolreaktor 10 umfasst . Ethanol- /Wassergemisch 10.1, eine getauchte Membran 10.2, einen Gasumlaufstrom 10.3, vorwiegend CO2, einen Abgasstrom 10.3.1 in Optoreaktor 8, einen Primärabwasserstrom 10.4 in Kläranlage 13, ein Verdünnungswasser 10.5, das zur Hydrolyse 5 über Verschaltungsanlage 6 rückgeführt wird, ein Verdünnungswasser 10.6, das zur Konditionierungsanlage 3 rückgeführt wird und ein Ethanol- ΛΛ/assergemisch 10.7 in Absolutierung.
Referenz 17 bezeichnet eine Absolutierungsanlage zur Trennung von Ethanol und Wasser. Hierzu werden verschiedene bestehende Verfahrenstechniken eingesetzt, welche heute in der Alkoholherstellung angewendet werden.
Referenz 17" bezeichnet abgeschlagenes Abwasser aus der Trennanlage 17, von dem der Primärstrom 17M über die Abwasserleitung 10.4 der Kläranlage 15 zugeführt und der Sekundärstrom 17'.4 als Verdünnungswasser dem
Verdünnungswasserstrom 10.6 zugeführt wird. Von Wasser befreites Ethanol (99,6%) wird in einem Lagertank 17" gelagert und kann als handelsfähiges Produkt mit einem Reinheitsgehalt von 99,5% verkauft werden.
Eine Abwasserreinigungsanlage bzw. ein Abwasserreaktor 15 zur Abreinigung und Reduzierung der Schadstoffbelastung bis zur Einleitfähigkeit in eine Kläranlage ist ebenfalls vorgesehen. Die Abwasserreinigungsanlage ist hier als Abwasserreaktor ausgeführt.
Ein Beispiel für eine verwendbare Abwasserreinigungsanlage ist in der WO2004/065307 beschrieben. Dabei beschreiben die folgenden Bezugszeichen die gelisteten funktionellen Bestandteile:
15' Leitung zur Kläranlage
15" Einleitung und Entsorgung in eine kommunale Kläranlage unter Einhaltung der geforderten Einleitbedingungen
15.1 Zulauf von organisch belasteten Abwässern, wie z. B. aus Abläufen der vorbeschriebenen Anlagen gemäß Fig. 1 bestehend aus 10.4, 7.2, 9.4, 1.1 , 1.2, 1.3. Aus den Ausgangsstoffmaterialien können auch die Abläufe 1.1a, 1.2b, 1.3c, 15.2a über die Schaltungen 2 direkt in die Kläranlage 15 geführt werden. 15.2 Ablauf des geklärten und von Verschmutzungen befreiten Abwassers
15.3 Außenhülle eines liegend angeordneten Reaktors
15.4 Außenhülle eines stehend angeordneten Reaktors in runder, viereckiger oder mehreckiger Ausführung
15.5 Substrat im Reaktor
15.6 Flüssigkeitsspiegel (entspricht dem Überlaufspiegel in einen Nachklärer 15.17)
15.7 Domaufbau mit Abdeckung
15.8 Rührwerksantrieb
15.9 Rührwerksdrehrichtung
15.10 Rührpaddel-Platte aus Lochblech
Durch die Drehung der Rührpaddelplatte werden Füllkörper 16.1 , siehe Fig. 1.1 , 2, 8, 8.1: a) in Schwebe gehalten und damit ständig mit neuer Nahrung versorgt; und b) eine Kurzschlussströmung zwischen Einlauf 15.15 und Auslauf 15.16 wird nachhaltig verhindert.
Die Lochbleche bewirken einen Düsenwirbeleffekt, welcher eine Verwirbelung 15.15 des Substrates bewirkt.
15.10.1 In der Längsrichtung des Reaktors 15.3 sind in Abständen von der Abmessung d Lochbleche angeordnet, welche verhindern, dass die Kugeln 16.1 die ihnen zugeordneten Kammern verlassen. Die Anzahl der Reaktorenlänge und deren Durchmesser d und die Anzahl der Kammern richten sich nach der Zusammensetzung und Belastung des Substrats 15.1. In den einzelnen Kammern entwickelt sich eine eigene Biozynose mit unterschiedlichen Bakterienstämmen, welche sich den jeweiligen Belastungen aus den vorgeschalteten Kammern anpassen.
15.11 Substratbefüllpumpe
15.12 Impfflüssigkeit
15.13 Dosiereinrichtung zur Animpfung des Rohsubstrats 15.1
15.14 Animpfleitung
15.15 Angeimpftes Rohsubstrat, welches den Reaktor 15.3 durch die Rührwerkseinwirkung schlaufenmäßig durchläuft, ohne dass sich eine Kurzschlussdurchströmung zwischen Einlauf 15.1 und Auslauf 15.16 bildet.
15.16 Überlauf mit Siphon und Belüftung in den Nachklärern 15.17
15.17 Nachklärer (hier als Absatzbecken dargestellt)
Je nach Ausgangssubstratzusammensetzung können unterschiedliche Einrichtungen eingesetzt werden, wie z. B. ein Lamellenabscheider oder Schrägklärer etc.
15.18 Sinkschlamm (Impfschlamm) aus Abscheider 15.17
15.19 Überschussschlammabzug zur Entsorgung
15.20 Impfschlammpumpe des bakterien- und -nährstoffreichen Sinkschlammes 15.18 in den Fermenter 15.3 über die Leitung 15.22
15.21 Schlammtransportleitung 15.22 Eintrag Impfschlamm in die Fermenter 15.3 oder 15.4
15.23 Substratabzug 15.5 aus den stehenden Fermentern 15.4 mittels der Leitungen 15.23
15.24 Substratumwälzpumpe zum Abzug des Substrats 15. 23 aus den Fermentern 15.4 über die Wahlschaltung 30 und Einpressen des Umlaufgutes 15.25 über die Wahlschaltung 30 in den Unterteil der Fermenter 15.4 über die Leitungen 15.25 mit Plattenverteiler 15.25.1
Durch das Einströmen über den Düsenboden 15.29 wird der Reaktorraum 15.4 und die Gitterkugeln 16.1.1 gleichmäßig verteilt angeströmt.
15.25 Umwälzsubstratverteilung
15.26 Gasabzug aus den Fermentern 15.4
15.27 Gastransportgebläse zum Transport und Verdichten der Gase 15.26
15.28 Einpressen der verdichteten Gase über die Ansteuerung 39 über Düsen, welche über dem Lochboden 15.29 angeordnet sind.
Mit dem Einpressen der Gase wird der Flüssigkeitsinhalt 15.5 in den Fermentern 15.4 voll durchmischt und dabei die Füllkörper 16.1.1 schonend vermischt und gegen den oberen Lochboden getrieben. Durch diesen Vorgang wird eine Kurzschlussströmung zwischen dem Eingangssubstrat 15.16 und dem Ausgangssubstrat 15.16.1 nachhaltig vermieden und den Füllkörpern 16.1.1 neues Substrat zum Abbau zugeführt.
Je nach Inhalt und Bauhöhe der Reaktoren beträgt die Absinkzeit der Füllkörper 16.1.1 ca. 1 bis 2 Stunden. Im Regelfall beträgt das Abmessungsverhältnis Durchmesser "D" zur Höhe "H" 1 :7. Dabei sollte der Flüssigkeitsspiegel unter 9 m liegen, damit mit handelsüblichen und kostengünstigen Gebläsen 15.27 die Gaseinpressung erfolgen kann.
15.29 Gitterrost oder Lochsiebboden
15.30 Gasraum
15.31 Zusätzliche Möglichkeit zur Einbringung von Scherkräften durch Ultraschall oder Vibration mittels einem oder mehreren Unwuchtmotoren.
15.31.1 Druckwellen zur Durchmischung des Substrats 15.5 und Bewegung der Füllkörper
Die Figuren 7 - 13 zeigen mögliche Varianten des Abwasserreinigungsreaktors 15, wobei schematisch mehrere Durchströmungsvarianten, Anordnungsvarianten und Vorschaltungsvarianten gezeigt sind.
Fig. 7 zeigt einen liegenden Reaktor 15 mit Paddelrührwerk 15.10, der zum Einen die Füllkörper 16.1.1 bewegt und zum Anderen durch den Rühreffekt 15.15 eine Kurzschlussströmung zwischen Substrateintritt 15.1 und Austritt 15.16 nachhaltig verhindert, sowie durch die perforierten Trennwände 15.10.1 Kammern gebildet werden, in welchen sich unterschiedliche Biozinose-Zonen bilden.
Fig. 8 zeigt stehende Reaktoren 15a, 15b, welche von unten der Substrateintritt 15.15 erfolgt und der Substrataustritt 15.16 durch einen über dem Wasserspiegel liegenden Siphon geschieht. Um eine Kurzschlussströmung zu vermeiden, werden bei dieser stehenden Bauart mindestens zwei Reaktoren 15a und 15b hintereinander geschaltet und durch Rühreffekte wie
Gaseinpressungswälzung 15.28 in Verbindung mit der Substratumwälzung 15.25.1 zusätzlich Kurzschlussströmungen unterbunden, sowie die Füllkörper 16.1.1 bewegt und an das abzubauende Substrat herangeführt. Fig. 9 zeigt einen Schnitt durch den liegenden Reaktor 15 mit Anordnung des Rührpaddels 15.10.
Fig.10 zeigt eine mögliche Anordnung mit zwei parallel geschalteten Reaktoren 15a und 15b und einen oder mehreren nachgeschalteten Reaktoren 15.n.
Fig. 11 zeigt eine mögliche hintereinander geschaltete Anordnung von drei bis mehreren Reaktoren 15a, 15b, 15c, n.
Fig. 12 zeigt die gleichen Schaltungen aber mit stehenden Reaktoren des Typs 15a und 15b wie bei Fig. 11.
Fig. 13 zeigt die gleiche Schaltung, aber mit stehenden Reaktoren des Typs 15 a und 15b wie bei Fig. 12.

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Ethanol/Buthanol und/oder einem Ethanol- Buthanolgemisch und/oder Biogas in einem Reaktor aus vergärbarem Substrat, wobei das Substrat einen Stoffstrom aus festem, flüssigem und/oder gasförmigem Aggregatszustand bildet und der gasförmige Anteil des Stoffstroms vor dem Einbringen in den Reaktor mittels eines Gasfermenters aufbereitet wird, und/oder dem Stoffstrom vor der Biogaserzeugung im Basepuffer insbesondere protonierte Aminosäuren zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Substrat mittels mechanischer und/oder biologischer Aufbereitung und/oder Hydrolyse vorbehandelt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei dem gasförmigen Anteil des Stoffstroms Gase zugeführt werden, die sich während der mechanischen und/oder biologischen Aufbereitung und/oder der Hydrolyse entwickeln.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei für die Ethanol-/Buthanol oder Enthanol/Buthanolgemischherstellung der Reaktor mit einem Stoffstrom in gas/flüssigem und/oder flüssig/festem Aggregatszustand bestückt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Ethanol-/Buthanol oder Enthanol/Buthanolgemischherstellung in zwei separaten Reaktoren stattfindet, wobei der erste Reaktor eine Ethanol-/Buthanol oder Enthanol/Buthanolgemischherstellung aus einer gas/flüssigen Stoffgemisch, und der zweite Rreaktor eine Ethanol-/Buthanol oder Enthanol/Buthanolgemischherstellung aus einem flüssig/festen Stoffgemisch durchführt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der gasförmige Anteil des Stoffstroms vor der Einleiten in den Gasfermenter in einem weiteren Reaktor aufbereitet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Substratströme untereinander gemischt werden können.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gasfermenter, und/oder der Rreaktor und/oder der Hydrolysereaktor und/oder die biologische Aufbereitungsstufe und/oder der weitere Reaktor eine mikrobiotische Mischung aus lichtemittierenden und photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen aufweist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Reaktor (11) bei Unterdruck betrieben wird, so dass die Verdampfungstemperatur im Reaktor (11) unter 70 0C, vorzugsweise bei etwa 60-65 °C liegt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur mechanischen Aufbereitung das Substrat (1) verkleinert wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die biologische Aufbereitung eine bakterielle Hydrolyse enthält.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Gärhilfsstoffe (11.5) über eine Membran (11.2b) zugeführt werden.
15. Verfahren nach Patentanspruch 14, wobei die Gärhilfsstoffe (11.5) einer bei Gärtemperatur nicht verdampfenden Trägerflüssigkeit zugegeben sind und einen Anteil an gärhemmende Stoffe abbauenden Mikroorganismen oder Zuschlagstoffe haben.
16. Verfahren nach Patentanspruch 15, wobei die Mikroorganismen einen Anteil an der mikrobiotischen Mischung enthalten.
17. Verfahren nach Patentanspruch 15 oder 16, wobei die Trägerflüssigkeit im Kreislauf gefahren wird.
18. Verfahren nach einem der Patentansprüche 14 bis 17, wobei die Gärhilfsstoffe chemisch, physikalisch oder biologisch aktiviert werden.
19. 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.
20. 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.
21. Verfahren nach Patentanspruch 20, wobei bei der Biogasherstellung anfallendes beladenes Abwasser einer Abwasseraufbereitung zugeführt wird.
22. Anlage zum Herstellen von Ethanol-/Buthanol oder Ethanol/Buthanolgemischs und/oder mit einem Reaktor zum Herstellen von Ethanol, Buthanol oder einem Ethanol/Buthanolgemischs und/oder einem Reaktor zum Herstellen von Biogas, mindestens einer Substratzuführeinheit zum Ausbilden eines Stoffstroms aus einem vergärbarem Substrat, wobei das Substrat einen festen, flüssigen und/oder gasförmigen Aggregatszustand aufweist, einem vor dem Reaktor angeordneten Gasfermenter, der dazu ausgelegt ist den gasförmigen Anteil des Stoffstroms aufzubereiten, und/oder einer Elektrolysevorrichtung, mit der protonierte Ionen dem Stoffstrom zuführbar sind.
23. Anlage nach Anspruch 22, wobei die Anlage weiterhin eine mechanische und/oder biologische Aufbereitungs- bzw. Konditionierungsstufe aufweist.
24. Anlage nach Anspruch 22 oder 23 , wobei die Anlage weiterhin mindestens einen Hydrolysereaktor aufweist.
25. Anlage nach einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei die Anlage weiterhin eine Verschaltungseinheit aufweist, die dazu ausgelegt ist, den Stoffstrom zu leiten und mehrer Stoffströme untereinander zu mischen und den Reaktoren Aufbereitungs/Konditionierungsstufen zuzuführen.
26. Anlage nach einem der Ansprüche 22 bis 25, wobei weiterhin ein gasaufbereitender Reaktor vor dem Gasfermenter angeordnet ist.
27. Anlage nach einem der Ansprüche 22 bis 26, wobei zwei separaten Reaktoren vorgesehen sind, wobei der erste Reaktor dazu ausgelegt ist, eine Ethanol-/Buthanol oder Ethanol/Buthanolgemischherstellung aus einem gas/flüssigen Stoffgemisch, und der zweite Reaktor dazu ausgelegt ist, eine Ethanol-/Buthanol oder Ethanol/Buthanolgemischherstellung aus einem flüssig/festen Stoffgemisch durchzuführen.
28. Anlage nach einem der Ansprüche 22 bis 27, wobei der Gasfermenter, und/oder der Rreaktor und/oder der Hydrolysereaktor und/oder die biologische Aufbereitungsstufe und/oder der weitere Reaktor eine mikrobiotische Mischung aus lichtemittierenden und photosynthetisch arbeitenden Mikroorganismen aufweist.
29. Anlage nach einem der Ansprüche 22 bis 27, wobei weiterhin ein Klärstufe umfasst ist.
30. Anlage nach einem der Ansprüche 22 bis 28, wobei weiterhin eine Absolutierungsstufe umfasst ist.
31. Reaktor zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Patentansprüche mit einem geschlossenen Reaktorbehälter (11.1), an dem ein Substratzulauf, ein Ethanol-/Buthanol oder Ethanol/Buthanolgemischgasabzug 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 Gärhilfsstoffraum, der über eine für die Gärhilfsstoffe durchlässige Membran (11.2b) vom Gärraum getrennt ist.
32. Reaktor nach Patentanspruch 31 , 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 Ethanol-/Buthanol oder Ethanol/Buthanolgemischgas (11.12) durch die Membran hindurchtritt.
33. Reaktor nach Patentanspruch 31 , wobei im Reaktorbehälter (11.1) fußseitig eine den Gärraum vom Gärhilfsstoffraum trennende Membran (11.2b) und kopfseitig eine für das Ethanol-/Buthanol oder Ethanol/Buthanolgemischgas durchlässige Gasmembran (11.2a) angeordnet ist.
34. Reaktor nach Patentanspruch 33, wobei die Membran in den Gärhilfsstoffraum eintaucht.
35. Reaktor nach einem der Patentansprüche 31 bis 34, wobei die Membran (11.2b) aus Holzwerkstoff oder Holzersatzstoff besteht.
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