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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von hochbelasteten
stickstoffhaltigen Wassern aus Vergärungsanlagen in proteinhaltige
fettangereicherte Biomasse auf mikrobieller Basis mit dem Ziel der
Herstellung von Tierfutter und/oder der erneuten energetischen Verwertung
in Vergärungsverfahren.
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Besagte
stickstoffhaltige Wässer fallen vorwiegend in Vergärungsverfahren
der Landwirtschaft, der Lebensmittelindustrie und der Abfallwirtschaft
in großen Mengen an.
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Vor
dem Hintergrund der wachsenden Bedeutung der alternativen Energiegewinnung
ist zu beobachten, dass die Zahl der Biogasanlagen, die entweder
auf Basis von Reststoffen oder mit nachwachsenden Rohstoffen Gas
zur Strom- und Wärmeerzeugung produzieren, in den letzten
Jahren stark zugenommen hat und weiter im Steigen begriffen ist.
Auch die Zahl der Produzenten, die aus nachwachsenden Rohstoffen
bzw. aus Zwischen- oder Restprodukten ihres eigenen industriellen
Prozesses Ethanol, Strom und Wärme erzeugen, wächst.
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Bei
diesen im Praxiseinsatz befindlichen Verfahren werden organische
Verbindungen abgebaut. Zurück bleiben anorganische Verbindungen,
hauptsächlich Stickstoff- und Phosphorverbindungen.
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Die
Prozessstabilität erfordert ein Ausschleusen dieser Stoffe
aus dem System, um die pH-Wert-Stabilität zu sichern, wenn
die Konzentration dieser Stoffe zu hoch wird. Teile der Prozesswasser
werden derzeit gegen hohe Abgaben in das öffentliche Netz
eingeleitet und in den dortigen Anlagen aufwändig behandelt.
Andere Produzenten verbringen ihre stickstoff- und phosphorbelasteten
Restwässer auf landwirtschaftliche Flächen, konzentrieren diese
oder produzieren unterschiedliche Düngemittel daraus, die
letztlich wiederum auf landwirtschaftliche Flächen ausgebracht
werden.
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Aus
umweltpolitischen Gründen sollte das Bestreben aber vorzugsweise
dahin gehen, Stickstoff- bzw. Phosphorverbindungen abzubauen.
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Zielstellung
dabei ist, die in Rede stehenden Reststoffe bzw. Abprodukte, wie
bereits erwähnt, nicht mehr der Abwasserreinigung zuzuführen,
sondern zu verwerten, indem diese als Basis für die Herstellung
von Futtermitteln oder als Basis für die Erzeugung von
Biomasse zur energetischen Verwertung eingesetzt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahrens soll deshalb ein breites
Anwendungsgebiet erschließen und beispielsweise bei der
Zuckerherstellung, in Brauereien und Brennereien, bei der Obstverarbeitung,
in Bäckereien, in Milchverarbeitungsbetrieben und dgl. nutzbar
sein.
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Stand der Technik
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Zur
Behandlung von stickstoffhaltigen Abwässern sind Anlagen
bekannt, die den Stickstoff biologisch reduzieren (Nitrifikation/Denitrifikation)
oder chemisch-physikalisch entfernen (Strippen, Filtration, Umkehrosmose).
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Es
entsteht entweder ein „gereinigtes", d. h., im Schadstoffgehalt
reduziertes Abwasser und eine flüchtige gasförmige
Phase oder alternativ ein konzentrierter Abwasserteilstrom (Retentat).
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Eine
Verfahrenstechnik, die die im Abwasser enthaltenen Stickstofffrachten
als Wertstoffe, die letztlich dem Nährstoffkreislauf oder
der Energiegewinnung zur Verfügung stehen, erscheinen lassen, ist
bisher nicht bekannt.
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In
Anlagen nach dem Stand der Technik wird NH4 abgebaut
und verflüchtigt oder aufkonzentriert. Eine vollständige
Kreislaufwirtschaft und Wertschöpfung ist deshalb unmöglich.
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Durch
die in die Natur abgeleitete Stickstoff- und Phosphorfracht kommt
es zur weiteren Eutrophierung von Gewässern und insgesamt
zur Verschlechterung der Grundwassersituation.
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Ein
weiteres biologisches Prinzip zur Entfernung von im Wasser akkumulierten
stickstoffhaltigen Verbindungen ist die aerobe Assimilation von
Nährstoffen.
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Die
assimilatorische Umsetzung von Ammonium, Nitrat und Nitrit zu CO2, Wasser und Biomasse wird im Wasser bei
Zugabe einer organischen Kohlenstoff- und Energiequelle und bei
Anwesenheit von ausreichend Sauerstoff durch geeignete schnell wachsende
chemoorganotrophe Mikroorganismen realisiert.
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Bei
der aeroben Assimilation von Ammonium, Nitrit und Nitrat wird nicht
nur der Stickstoff in der Biomasse festgelegt, sondern auch ein
großer Teil anderer im Wasser akkumulierter Mineralstoffe,
wie beispielsweise Phosphat, Kalium, Kalzium und Magnesium. Bei
kontinuierlicher Abtrennung der entstehenden Biomasse ist somit
eine weitgehende Wasserregenerierung und Wiederverwendung möglich.
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Ein
technisches Verfahren, dass nach diesem biologischen Prinzip arbeitet,
ist in der
DE 196 23 502 vorgestellt
worden. Es bezieht sich allerdings auf die Verbesserung der Wasserqualität
in Aquarien, Gartenteichen und sonstigen stehenden Gewässern und
ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser durch
ein entnehmbares Filtermaterial geführt wird und dass eine
Energiequelle für die Mikroorganismen vorgesehen ist, wobei
als vorteilhaft angesehen wird, dass das Filtermaterial selbst die
Energiequelle bildet.
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Ein
weiterentwickeltes gattungsgemäßes Verfahren ist
in der
DE 103 38 147 „Verfahren
zur biologischen Wasserreinigung, insbesondere in Anlagen zur Fischzucht
bzw. -haltung" beschrieben. Dieses hat die Verbesserung der Wasserqualität
bei gleichzeitiger Reduzierung der Umweltbelastung zum Ziel uns
ist nicht vordergründig auf die Umwandlung von hochbelasteten
stickstoffhaltigen Wässern aus Vergärungsanlagen
in proteinhaltige Biomasse mit dem Ziel der Herstellung von Tierfutter
und/oder der erneuten energetischen Verwertung in Vergärungsverfahren
ausgerichtet.
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Als
bevorzugtes Anwendungsgebiet wird der Einsatz in Kreislaufanlagen
der Fischwirtschaft gesehen.
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Die
biologische Wasserreinigung erfolgt durch Entfernung der im Wasser
akkumulierten stickstoffhaltigen Verbindungen und anderer Nährstoffe mittels
aerober Assimilation und ist durch die Anwesenheit einer organischen
Kohlenstoff- und Energiequelle im gesamten Prozesswasser ohne Vorhandensein
eines Trägermaterials, ausreichend vorhandenem Sauerstoff
und schnell wachsender chemoorganotropher Mikroorganismen, sowie
durch kontinuierliche oder diskontinuierliche Abtrennung der entstehenden Überschussbiomasse
gekennzeichnet.
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Das
Verfahren dient ausschließlich der Reinigung der Wässer
und damit der Wiederverwendung derselben im Fischwasserkreislauf.
Nachteilig ist außerdem, dass Phosphat zugesetzt werden muss.
Die Inhaltsstoffe der Fischwasser unterscheiden sich zudem teilweise
wesentlich in den enthaltenen mineralischen und organischen Substanzen
von den Einsatzwässern des vorgeschlagenen Verfahrens.
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Die
Trockensubstanzgehalte im zu reinigenden Fischwasser liegen bei
nur etwa 0,2 Masse-%, die der zur Behandlung vorgesehenen hochbelasteten
stickstoffhaltigen Wässern aus Vergärungsanlagen
bis etwa 5 Masse-%.
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Nachteilig
ist weiterhin, dass sich die Prozesswassertemperaturen beim Verfahren
nach
DE 103 38 147 nach
dem Bedarf des Fischbesatzes richten und nicht nach den Bedarf der
eingesetzten Mikroorganismen eingestellt werden können.
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In
der Zusammenschau der aufgeführten Gründe war
es daher nicht ohne weiteres möglich, das Verfahren nach
DE 103 38 147 für
die Lösung der gestellten erfinderischen Aufgabe zu übernehmen.
Vielmehr war hierfür ein gewisses Maß an erfinderischen
Tätigkeit zu erbringen.
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Mit
der Entwicklung einer Technologie, durch die einerseits Nährsalze
nicht verdünnt oder vernichtet werden, sondern dem Kreislauf
wieder zur Verfügung stehen und durch die andererseits
auch Restkonzentrationen aus Abwasserströmen entnehmbar sind,
soll zusätzlich zu den bereits genannten Zielstellungen
ein wesentlicher Beitrag zur nachhaltigen Entlastung der Natur und
zur Schonung der Ressourcen geleistet werden.
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Aufgabenstellung
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In
Würdigung des bekannten Standes der Technik ist es aus
der Sicht des Anmelders wirtschaftlich und mit Blick auf die Effizienzverbesserung der
genannten Vergärungsverfahren in den einzelnen Industriezweigen
und der Landwirtschaft an der Zeit, die in den verschiedenen Vergärungsprozessen anfallenden
ammoniumhaltigen Reststoffe sinnvoll zu verwerten und nicht länger
zu entsorgen, beispielsweise durch Deponieren, Verdünnen,
Strippen oder Verbrennen.
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Dazu
ist ein Verfahren zu entwickeln, das das vorhandene Ammoniumpotential,
welches im Allgemeinen bei Vergärungsprozessen entsteht,
beispielsweise in der Landwirtschaft, der Lebensmittelindustrie
und der Abfallwirtschaft sowie bei der Produktion von Alkohol, Ethanol,
alkoholhaltigen Stoffen, Gas und Wärme, als Ausgangsstoff
für einen mikrobiologischen Prozess zur Bildung einer hauptsächlich
organischen Biomasse mit hohen Proteinanteilen, die sowohl stofflich
als auch energetisch verwertet werden kann, nutzt.
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Gegenstand der Erfindung
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Die
Lösung der Aufgabenstellung ist im Patentanspruch 1 angegeben.
Die untergeordneten Ansprüche enthalten zweckmäßige
Ausgestaltungen.
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Die
Reduzierung der Ammoniumbestandteile im Prozesswasser ist als gewünschter
Nebeneffekt willkommen.
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Die
gewonnene Biomasse wird mittels Mikrofiltrationsmodulen oder anderen
geeigneten technischen Verfahren eingedickt. Die so konzentrierte
Biomasse hat einen Trockensubstanzgehalt von 6–10 Masse-%.
In der Trockensubstanz der konzentrierten Biomasse sind zwischen
90 und 99 Masse-% organische Trockensubstanz enthalten, wobei deren
Proteingehalt bei 40–45 Masse-% liegt. Der Fettgehalt liegt zwischen
5 und 15 Masse-%.
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Die
für die Tierernährung wichtigsten Aminosäuren
und wichtigen ungesättigten Fettsäuren sind darin
nachweisbar.
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Liegen
dem vorgelagerten Vergärungsprozess nur Ausgangsprodukte
wie Weizen, Mais, Zuckerreststoffe, Kartoffelreststoffe usw. zu
Grunde, so ist die Weiterverarbeitung der protein- und fetthaltigen
Biomasse zu einem Wertstoff, beispielsweise Tierfutter, anzustreben.
Sich hier anschließende Arbeitsstufen wären dann
weiteres Trocknen, Zerkleinern, gegebenenfalls Mischen mit Zusatz-
und Ergänzungsstoffen, Granulieren oder Pelletieren, Konfektionieren
und Lager.
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Sind
die Ausgangsstoffe des vorgelagerten Vergärungsverfahrens
mit Fäkalien oder anderen für die Tierernährung
nicht zugänglichen Schadstoffen besetzt, so ist die proteinhaltige
Biomasse aus hygienischen Gründen zwingend solchen Gärungsprozessen
zuzuführen, die ausschließlich der Biogasbildung
dienen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren ist entweder als selbständiges
Verfahren konzipiert oder einem Vergärungsverfahren direkt
nachgeordnet.
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In
jedem Fall werden die energieabgereicherten Wässer mit
hohen Stickstoffkonzentrationen in eine proteinhaltige Biomasse
umgewandelt. Dabei werden gegebenenfalls vorhandene schleimige Bestandteile
aufgelöst und die Biomasse in eine eingedickte und eine
dünne Phase getrennt.
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Die
eingedickte Phase wird entweder einer stofflichen oder energetischen
Verwertung zugeführt. Die Dünnphase wird aus dem
Prozess ausgeschleust oder bei Nachordnung als Rezirkulat/Prozeßwasser
einem Vergärungsverfahren wieder zugeführt.
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Zur
Verfahrensdurchführung wird Wärme benötigt.
Diese wird entweder separat von außen zugeführt
oder von einem vorgelagerten Vergärungsverfahren bzw. von
einem einen Blockheizkraftwerk nachgelagerten Vergärungsprozess
zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus sind Kohlenstoff
und Sauerstoff bereitzustellen.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand von Zeichnungen (1–3)
näher erläutert. In den Abbildungen ist die verfahrensseitige
Kopplung des Verfahrens zur Umwandlung von hochbelasteten stickstoffhaltigen
Wässern in proteinhaltige Biomasse nach den Merkmalen der
Erfindung an ein Vergärungsverfahren, dass die Verarbeitung
verschiedener Produkte zum Inhalt hat, dargestellt.
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Die 1 bis 3 sind
stark vereinfachte Strukturbilder, die das erfindungsgemäße
Verfahren zur Umwandlung hochbelasteter stickstoffhaltiger Wasser
in proteinhaltige Biomasse 2a bis 2c in verschiedenen
Modifikationen zur Umwandlung von energieabgereicherten Wässern,
die hohe Stickstoffkonzentrationen aufweisen, darstellen. Das Verfahren 2a bis 2c ist
jeweils einem Vergärungsverfahren 1a bis 1c als
Hauptverfahren zur Produktion von Ethanol/Alkohol und/oder Gas und
Wärme nachgeordnet.
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Aus
den im Vergärungsverfahren 1a bis 1c anfallenden
energieabgereicherten, stickstoffhaltigen Wässern wird
eine protein- und fetthaltige Biomasse gewonnen, wobei gegebenenfalls
vorhandene schleimige Bestandteile aufgelöst werden.
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Eine
Phasentrennung wird dadurch wieder möglich. Toxisch wirkende
Mikroorganismen aus dem Gärrest werden durch probiotisch
und antitoxisch wirkende Bakterien in ihrer Entwicklung gehemmt
bzw. eliminiert. Die Biomasse wird nachfolgend in eine eingedickte
und eine dünne Phase getrennt. Dazu werden bekannte Verfahren
und Vorrichtungen benutzt. Die eingedickte Phase wird entweder einer
stofflichen Verwertung 7a oder einer energetischen Verwertung 7b zugeführt.
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Damit
wird eine Beschleunigung der Hydrolyse im Vergärungsprozess
und eine Reduzierung der originären Rohstoffmenge des Vergärungsprozesses
erreicht.
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Die
Dünnphase wird dem Vergärungsverfahren 1a bis 1c als
Rezirkulat/Prozesswasser 9 zugeführt oder durch
Ausschleusung 8 aus dem Verfahren 2a bis 2c entfernt,
wobei beide Möglichkeiten gleichzeitig realisierbar sind.
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Zur
Verfahrensdurchführung wird in jedem Fall Wärme 4 benötigt,
die in den gewählten Beispielen jeweils aus dem Vergärungsverfahren 1a bis 1c bereitgestellt
wird.
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Weiterhin
werden Kohlenstoff 5 und Sauerstoff 6 von außen
zugeführt.
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Zur
weiteren Erläuterung wird auf die Ausführungen
in der Beschreibung verwiesen.
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- 1a
- Vergärungsverfahren
(zur Produktion von Ethanol/Alkohol und/oder Gas auf der Basis von
nachwachsenden Rohstoffen, zum Beispiel Weizen oder Mais),
- 1b
- Vergärungsverfahren
(zur Produktion von Ethanol/Alkohol und/oder Gas auf Basis von Kartoffeln
und/oder Kartoffelprodukten), Reststoffe aus der Lebensmittelindustrie
- 1c
- Vergärungsverfahren
(zur Produktion von Gas auf der Basis energiehaltiger Abfallstoffe,
beispielsweise Gülle oder andere organische Abfälle),
- 2a
- Verfahren
zur Umwandlung hochbelasteter stickstoffhaltiger Wasser in proteinhaltige
Biomasse (mit integrierter Phasentrennung),
- 2b
- Verfahren
zur Umwandlung hochbelasteter stickstoffhaltiger Wasser in proteinhaltige
Biomasse (mit Entschleimung und integrierter Phasentrennung),
- 2c
- Verfahren
zur Umwandlung hochbelasteter stickstoffhaltiger Wasser in proteinhaltige
Biomasse (mit integrierter Phasentrennung),
- 3
- Stickstoffreiche,
energieabgereicherte Fracht (aus dem Vergärungsverfahren),
- 4
- Wärme
(bevorzugt aus dem Vergärungsverfahren),
- 5
- Kohlenstoff,
- 6
- Luftsauerstoff,
- 7a
- Proteinhaltige,
eingedickte Biomasse (zur stofflichen Verwertung, z. B. in der Tierfutterproduktion),
- 7b
- Proteinhaltige,
eingedickte Biomasse (zur energetischen Verwertung),
- 8
- Ausschleusung
(der Dünnphase),
- 9
- Dünnphase
(als Rezirkulat/Prozeßwasser für das Vergärungsverfahren).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19623502 [0017]
- - DE 10338147 [0018, 0023, 0024]