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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Ethanol aus nachwachsenden Rohstoffen auf der Basis eines oder mehrerer stärkehaltiger
Feldfrüchte.
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Nach
Ansicht von Wissenschaftlern wird sich die Erde wesentlich stärker erwärmen als
bisher angenommen. Diese globale Erwärmung ist im Wesentlichen auf
den Ausstoß der
Treibhausgase, insbesondere CO2, zurückzuführen. Wesentlich
zu den CO2-Emissionen trägt der Transportsektor bei.
Zur Senkung der CO2-Emissionen kann die
verstärkte Nutzung
regenerativer Energiequellen einen Beitrag leisten. Zu den regenerativen
Energiequellen gehört auch
Ethanol aus nachwachsenden Rohstoffen. Nachwachsende Rohstoffe leisten
sowohl zur Schonung fossiler Ressourcen wie auch (aufgrund ihrer weitgehenden
CO2-Neutralität) zum Klimaschutz einen Beitrag.
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Im
Unterschied zu Pflanzenölen
kann Ethanol nicht direkt aus Pflanzen hergestellt werden, sondern
muss durch einen Gärungsprozess
aus in Pflanzen enthaltenen Rohstoffen gewonnen werden. Dabei werden Kohlenhydrate
mit Hilfe von Mikroorganismen gespalten über mehrere Zwischenprodukte zu
Ethanol umgewandelt.
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Bei
den bekannten Verfahren zur Herstellung von Bioethanol aus nachwachsenden
Rohstoffen werden grundsätzlich
die folgenden Verfahrensschritte unterschieden:
- – Rohstoffaufbereitung
bzw. Zuckeraufschluss
- – Fermentation
des aufgeschlossenen Zuckers
- – Destillation
und Rektifikation
- – Entwässerung
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Als
nachwachsende Rohstoffe sind zucker- oder stärkehaltige Rohstoffe für die Ethanolherstellung
geeignet. Zuckerrüben
können
direkt, in Form von Dick- oder Dünnsaft
und über
Melasse zu Ethanol verarbeitet werden. Zu den Rohstoffen, deren Stärkegehalt
für die
Ethanolerzeugung technisch nutzbar gemacht werden kann, zählen die
verschiedenen Getreidearten, Kartoffeln, Topinambur und Zichorien.
Die in den Rohstoffen enthaltene Stärke muss mittels Hydrolyse
unter Enzymzugabe in niedermolekularen Zucker umgewandelt werden.
Die so entstandene Maische wird dann direkt der Fermentation zugeführt. Bei
dieser Gärung
werden die Zucker unter Einwirkung von Hefe in Ethanol und Kohlensäure umgewandelt.
Dabei können
das Batch-, das Kaskaden- und das kontinuierliche Verfahren unterschieden
werden. Aus der vergorenen Maische wird dann der Ethanol mittels
Destillation und Rektifikation gewonnen, der anschließend gegebenenfalls
dehydriert werden kann.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes
Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus nachwachsenden Rohstoffen vorzuschlagen,
das effizienter und wirtschaftlicher als die bisher im Stand der
Technik eingesetzten ist. Wünschenswert
soll das neue Verfahren darüber
hinaus in bestehenden Anlagen, insbesondere der Brauereitechnologie,
durchgeführt
werden können.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Überraschenderweise
treten erhebliche Vereinfachungen des Verfahrens auf, wenn die nach
der Verflüssigung
und Verzuckerung in der Maische entstandenen Feststoffe (der Treber)
vor der Fermentation abgetrennt werden. Hierdurch gelingt es insbesondere
die Effizienz des Verfahrens zu steigern. Der Treber mit dem darin
enthaltenen Eiweiß kann
sinnvoll beispielsweise als Futtermittel genutzt werden und muss
nicht als „Stickstoff" aus dem Prozess
eliminiert werden. Ferner wird durch die verfahrenstechnisch frühe Abtrennung
der Feststoffe auch eine Entlastung der Restfracht im Abwasser bzw.
der Schlempe verglichen mit den Verfahren nach dem Stand der Technik
erreicht.
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Erfindungsgemäß weist
das Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus nachwachsenden Rohstoffen
auf der Basis eines oder mehrerer stärkehaltiger Feldfrüchte daher
die folgenden Schritte auf:
- – Die stärkehaltigen
Feldfrüchte
werden vermahlen. Die Vermahlung kann dabei trocken oder nass erfolgen.
- – Die
in den stärkehaltigen
Feldfrüchten
enthaltene Stärke
wird in einem Maischprozess zu vergärbaren Monosacchariden abgebaut,
indem die Maische in einem ersten Prozessschritt soweit erhitzt
wird, dass die Stärke
in Lösung
gehen kann. Hierbei quillt die Stärke aufgrund von Wasseranlagerungen
stark auf. Die hierdurch bedingte Viskositätserhöhung der Maische kann durch
Malz- und/oder Enzymzusatz,
der die hochmolekulare Stärke
in kleinere Dextrine zerlegt, beispielsweise α-Amylasen, rasch wieder abgebaut
werden. Im Anschluss an die Verflüssigung der Maische müssen in
einem zweiten Prozessschritt die vergärbaren Monosaccharide aus Stärke und
Dextrinen mittels Enzymen freigesetzt werden. Für diese Verzuckerung der Maische
stehen mehrere Enzyme zur Verfügung,
beispielsweise α-Amylase, Glucoamylase
und/oder En zyme, die speziell die α-1,6-Bindungen an den Verzweigungsstellen
von Stärke
und Dextrinen angreifen.
- – Die
Feststoffe werden als Treber von der Maische abgetrennt, sofern
gemahlenes Getreide als stärkehaltige
Feldfrüchte
verwendet wird.
- – Die
Monosaccharide in der verbleibenden Maische werden unter Zugabe
von Hefe in Ethanol und Kohlensäure
umgewandelt. Diese Gärung oder
Fermentation kann dabei nach dem Batch-, dem Kaskaden- oder dem
kontinuierlichen Verfahren erfolgen. Im Anschluss an die Fermentation
erfolgt die Abtrennung der Hefe
- – Der
Ethanol wird im Gemisch mit Wasser mittels Destillation von der
Schlempe (die nach der Destillation verbleibende, vom Ethanol befreite
Maische) abgetrennt und anschließend in der Rektifikation von
Nebenprodukten aufkonzentriert und gereinigt.
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Enthält die verflüssigte und
verzuckerte Maische erfindungsgemäß keine Feststoffe mehr, so wird
sie schneller vollständig
vergoren. Der Verfahrensschritt der Fermentation kann dementsprechend zeitlich
verkürzt
werden.
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Darüber hinaus
ist aufgrund der fehlenden Feststoffe in der Maische der Raumbedarf
für den Gärprozess,
d.h. die Fermentation, verglichen mit der Treber-enthaltenden Maische
reduziert. Das notwendige Volumen der Gärtanks kann daher verglichen mit
demjenigen des Standes der Technik reduziert werden.
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Die
Treberentfernung ermöglicht
es auch die Destillation und die Rektifikation apparativ und verfahrenstechnisch
einfacher durchzuführen,
da bei der Destillation keine Schlempe im herkömmlichen Sinn anfällt, die
kostenintensiv aufbereitet oder entsorgt werden muss. Daneben werden
Siedeverzüge während der
Destillation leichter vermieden. Und insbe sondere können die
entsprechenden Kolonnen für die
Destillation verglichen mit dem Stand der Technik kürzer sein.
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Da
auch die Hefe vor der Destillation abgezogen wird, ist der nach
der Destillation verbleibende Rest feststofffrei und enthält im Wesentlichen
Restzucker und Wasser.
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Letztendlich
können
für die
Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Ethanolherstellung bestehende Anlagen zum Bierbrauen ohne Umrüstung verwendet
werden. Dies kann gegebenenfalls auch alternierend mit der Bierherstellung
erfolgen.
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Insgesamt
ermöglicht
es die Treber- und Hefeabtrennung daher das Verfahren zur Herstellung von
Ethanol aus nachwachsenden Rohstoffen kostengünstiger und einfacher durchzuführen. Die
Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wird gegenüber dem Stand der Technik erhöht.
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Darüber hinaus
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Effizienz durch Koch- und Kühlprozesse
sowie durch weitgehende Nutzung von Abwärme gesteigert.
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Vorzugsweise
ist die stärkehaltige
Feldfrucht als nachwachsender Rohstoff zur Herstellung von Bioethanol
ausgewählt
aus Kartoffeln, Topinambur, Zichorien und Getreide, insbesondere
Weizen, Gerste, Roggen, Triticale, Hafer, Hirse und/oder Mais.
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Wenn
entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens der
durch Destillation und Rektifikation abgetrennte Ethanol anschließend entwässert wird,
kann der Ethanolgehalt von ca. 96 Vol.-% auf über 99 Vol.-% gesteigert werden.
Diese Dehydrierung erfolgt in der Regel über das Schleppmittelverfahren,
das Membran-Verfahren
oder das Molekularsiebverfahren.
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Der
nach dem Maischprozess abgetrennte Feststoff (Treber) wird bevorzugt
als Futtermittel verwertet. Dies erhöht ebenfalls die Wirtschaftlich keit des
erfindungsgemäßen Verfahrens
und ist ein entscheidender Faktor für die Energieeffizienz des
gesamten Verfahrens.
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Auch
durch eine anaerobe Behandlung der Reststoffe, des Abwassers und
gegebenenfalls auch des Trebers, wird die Effizienz der erfindungsgemäßen Verfahrens
und die Verwertung des Biogases im Prozess gesteigert.
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Bevorzugt
erfolgt die Feststoffabtrennung des erfindungsgemäßen Verfahrens
mittels Filtern, Dekantieren, Zentrifugieren und/oder Sedimentieren. Die
Hefeabtrennung erfolgt vorzugsweise mittels Sedimentation.
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Im
Zuge des Rückgangs
des Bierkonsums stehen immer mehr Anlagen zum Bier brauen still. Diese
können
entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
für die
Durchführung
der einzelnen Verfahrensschritte verwendet werden, so dass keine
Investitionskosten für
den Bau einer Anlage anfallen.
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Der
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnene
Ethanol wird vorzugsweise in der Nahrungsmittelindustrie, im chemisch-technischen
Sektor und/oder im Kraftstoffsektor verwendet. In letztem erfolgt
die Verwendung sowohl als Reinstoff wie auch als Mischkomponente
und vorwiegend in entwässerter
Form mit eine m Ethanol-Gehalt von ca. 99,8 Vol.-% und mittlerer
Reinheit.
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Nachfolgend
wird das erfindungsgemäße Verfahren
ohne Einschränkung
der Allgemeinheit anhand eines Diagramms näher erläutert. Es zeigt
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1 ein
Verfahrensdiagramm zur Herstellung von Ethanol aus nachwachsenden
Rohstoffen.
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1 zeigt
ein Verfahrensdiagramm zur Herstellung von Ethanol aus Getreide
in einer Anlage zum Bierbrauen. In einem ersten Verfahrensschritt wird
das stärkehaltige
Getreide in einer Mühle
vermahlen.
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Anschließend werden
im Sudhaus die Maischepfanne und der Läuterbottich benutzt. Das vermahlene
Getreide wird zusammen mit Enzymen (Malz), Wasser und Dampf in die
Maischepfanne gegeben und hier verflüssigt und verzuckert. Danach erfolgt
im Läuterbottich
die Feststoffabtrennung. Der abgetrennte Treber kann weiter verwertet
werden.
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Die
vom Treber befreite Maische wird nachfolgend in die Gärtanks überführt. Hier
erfolgt unter Zusatz von Hefe die Umwandlung von Zucker in Ethanol
und Kohlendioxid (Fermentation). Nach Abschluss der Gärung wird
die Hefe wieder entfernt (bevorzugt durch Sedimentation, gegebenenfalls
durch Flotation) und die vergorene Maische der Reinigung zugeführt.
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Mittels
Destillations- und Rektifikationskolonnen wird ca. 96 Vol.-%iger
Ethanol als Ethanol-Wasser-Azeotrop gewonnen. Dieser Ethanol kann
bei Bedarf weiter entwässert
werden, so dass man einen Alkohol (Bioethanol) mit > 99 Vol.-% Reinheit
erhält.