EP2066698A2 - Verbesserte verfahren zur herstellung von ethanol, gluten und kleie aus getreide - Google Patents

Verbesserte verfahren zur herstellung von ethanol, gluten und kleie aus getreide

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Publication number
EP2066698A2
EP2066698A2 EP07787746A EP07787746A EP2066698A2 EP 2066698 A2 EP2066698 A2 EP 2066698A2 EP 07787746 A EP07787746 A EP 07787746A EP 07787746 A EP07787746 A EP 07787746A EP 2066698 A2 EP2066698 A2 EP 2066698A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
starch
distillation
sugar solution
ethanol
fermentation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07787746A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Günther TUSEL
André HAMERS
Ingo De Buhr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ACS Agrochemische Systeme GmbH
Prokon Nord Energiesysteme GmbH
Original Assignee
ACS Agrochemische Systeme GmbH
Prokon Nord Energiesysteme GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ACS Agrochemische Systeme GmbH, Prokon Nord Energiesysteme GmbH filed Critical ACS Agrochemische Systeme GmbH
Publication of EP2066698A2 publication Critical patent/EP2066698A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D3/00—Distillation or related exchange processes in which liquids are contacted with gaseous media, e.g. stripping
    • B01D3/001—Processes specially adapted for distillation or rectification of fermented solutions
    • B01D3/002—Processes specially adapted for distillation or rectification of fermented solutions by continuous methods
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08B—POLYSACCHARIDES; DERIVATIVES THEREOF
    • C08B30/00—Preparation of starch, degraded or non-chemically modified starch, amylose, or amylopectin
    • C08B30/04—Extraction or purification
    • C08B30/042—Extraction or purification from cereals or grains
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00—Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/02—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group
    • C12P7/04—Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a hydroxy group acyclic
    • C12P7/06—Ethanol, i.e. non-beverage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel

Definitions

  • the invention relates to a process for the production of ethanol, gluten, bran, yeast and carbon dioxide from cereals.
  • the invention relates to improved processes for the production of ethanol, gluten, bran, yeast and carbon dioxide from cereals.
  • the fermentation (fermentation) for the representation of alcohols from the raw material grain is one of the oldest biotechnological procedures and is u.a. used for the production of alcoholic beverages, such as beer and wine.
  • Industrially used alcohol can be represented by the fermentation of grain.
  • Corresponding alcohols, in particular ethanol, are used as starting material for the production of pharmaceutical products and formulations, cosmetic products and for the synthesis of a range of chemicals.
  • Ethanol has long been known as an energy carrier, but was not economically viable in the past due to the higher process costs compared to the extraction of fossil fuels. Due to the shortage of fossil oil reserves and the reduction in CO 2 demanded by the Kyoto agreement, the potential use of bioethanol as an energy carrier has new significance obtained. Economic as well as ecological interests demand an improvement of the existing processes for the production of ethanol as well as an efficient use of the existing biomass on a large scale.
  • the separation of the ethanol is usually carried out by distillation. The remainder is stillage, which is usually concentrated and used as a fertilizer or after drying as a proteinaceous feed.
  • CO 2 is a climate-damaging gas whose release should be avoided, economic use would make sense.
  • the Greenhouse Gas Emissions Trading Act of 8 June 2004 makes the avoidance and reduction of CO 2 economically sensible.
  • the bran is preferably separated with a sieve.
  • the ground starch is preferably mashed with water and the proteins separated by sieving and optionally dried.
  • the separated proteins are preferably processed into gluten.
  • an actual process for the production of ethanol is further specified which uses the starch which can be prepared by the above-described purification process. The method comprises the steps:
  • step iv) providing purified starch, v) fermenting the starch provided by step iv) to a fermenter broth, optionally after liquefying the starch, vi) preparing a mash by separating microorganisms from the
  • particle sizes of 200 .mu.m can be achieved by using air vortex mills which preserve the natural fine structure of the starch, of the protein and of the bran. Maintaining the natural structure of starch, bran, and proteins allows the bran and proteins to be separated from the starch before any enzymatic or thermal treatment of the substrate is required.
  • the process according to the invention in particular when the actual process of ethanol production is combined with the process for producing purified starch, thus advantageously permits the production of ethanol, gluten, bran, yeast and carbon dioxide from cereals.
  • the by-products protein, bran and the yeast obtained from the solid phase of the vinasse can be used as feed and of higher quality, as feed the processes known from the prior art are produced, since the by-products have been exposed to a low thermal stress due to the invention.
  • the grain is first subjected to swelling by adding liquid, preferably water, before swaging.
  • the grain is then ground in a swollen state, since the bran can be separated well in this state, the bran is separated by sieves.
  • Air vortex mills cause the material to be ground into extreme turbulence and, as a result of the impact of particles on particles, as well as by impact with the tool, the material to be ground is comminuted by impulse transmission.
  • the ground material is picked up and accelerated by air turbulence, the rotation of the air is induced by the high radial acceleration and the high path speed of the rotating tool.
  • a high volume of air efficiently removes the crushed grain and allows a low thermal load on the grain.
  • the milling of the grain with air vortex mills allows the separation of the proteins before the liquefaction, saccharification under enzymes is initiated, the proteins are separated by decantation and dried, whereby a starch milk and gluten are obtained.
  • the carbohydrates contained in the starch milk are enzymatically liquefied in a conventional manner, saccharified and then fermented.
  • Equivalent amounts of ethanol to the starch employed are formed during fermentation by the yeasts generally added to start the fermentation.
  • the fermentation may be carried out by any of the methods known in the art.
  • the fermentation comes to a halt when all fermentable carbohydrates are fermented.
  • the microorganisms and in particular the yeast are separated and worked up to forage yeast.
  • the CO 2 produced in the fermentation comes from renewable raw materials and has only slight contamination with other gases compared to conventionally generated CO 2 . It can be collected from the fermenter exhaust air, separated in a conventional manner and condensed.
  • the present in the mash alcohol is preferably distilled and rectified, while the known methods for distillation and rectification can be used.
  • the dehydration of the separated ethanol is preferably carried out by membrane sieves.
  • the efficiency of energy used to produce recovered ethanol is improved by the process of using a nearly completely freed solid mash.
  • step f separating ethanol from the ethanol / water solution obtained in step f), preferably by distillation and
  • step ae) obtaining the first sugar solution as permeate of a first membrane filtration of the starch milk obtained in step ac) and / or ad).
  • the first sugar solution is largely free of hard-to-ferment ingredients and is therefore particularly suitable for avoiding or reducing the onset of a distillation stillage.
  • the first sugar solution is sterile if the method is suitable.
  • the production of the first sugar solution does not result in waste that is difficult to dispose of; instead, the separated fats, oils and proteins can be used as feed.
  • the first sugar solution contains not more than 0.01% by weight of starch, the first sugar solution being particularly preferably starch-free.
  • the first sugar solution comprises a proportion of 15-25% by weight of glucose, particularly preferably of 18-22% by weight of glucose.
  • Such Sugar solutions can be fermented particularly easily and residue-free for ethanol production.
  • a first retentate substream to the first membrane filtration of the starch milk to be split in step ac) to perform step ac).
  • 25-30% by volume, preferably 27% by volume, of the starch milk used in the membrane filtration are preferably recycled as the retentate substream for carrying out step ac).
  • a method for producing a second sugar solution comprising the steps:
  • the second sugar solution is also largely free from constituents which are difficult to ferment, and is thus particularly suitable for avoiding or reducing the onset of a distillation stillage. This is particularly advantageous because the pentosan fraction used to prepare the second sugar solution contains a high proportion of substances which are difficult or impossible to ferment, especially cellulose and / or hemicellulose.
  • the second sugar solution is sterile if the method is suitable.
  • the production of the second sugar solution does not result in waste which is difficult to dispose of; instead, the separated fats, oils and proteins can be used as feed.
  • the second sugar solution contains a proportion of not more than 0.01% by weight of starch, the first sugar solution being particularly preferably starch-free.
  • a retentate substream is added to the first membrane filtration of the pentosan fraction to be cleaved in step bc) to carry out step bc).
  • the yield of sugar solution measured in relation to the total amount of starch milk and pentosan fraction used can advantageously be increased.
  • Preferably 1 to 5% by volume, preferably 3% by volume, of the starch milk used in the first membrane filtration is recycled as the retentate substream for carrying out step bc).
  • the saccharification enzymes advantageously assist in cleaving the starch, cellulosic and / or hemicellulosic components into more easily fermentable sugars.
  • the secondary stream is particularly preferably a starch milk purified in a three-phase decanter used.
  • a starch milk purified in a three-phase decanter used.
  • mainstream and off-stream fractions of a starchy milk are easily prepared by conventional three-phase decanters.
  • the term "main stream” designates a starch milk with the following composition (average data, in% by weight): 31% starch, 0.8% proteins, 0.3% fats, 0.1% pentosans, 0.2% Salts and minerals, 0.2% cellulose, balance water.
  • side stream designates a pentosan fraction having the following composition: (average data, in% by weight): 5% starch, 2% proteins, 0.3% fats, 1% pentosans, 0.3% salts and minerals , 2% cellulose, balance water.
  • a purified starch is taken up in an aqueous solvent as described above and then purified in a three-phase decanter as described above to obtain purified starch milk and / or a pentosan fraction.
  • the purified starch of the present invention described above is particularly advantageously purified from constituents which are difficult to ferment, thus assisting the avoidance of stillage in a distillation and the avoidance of waste in the production of the easily fermentable sugar solution.
  • a second retentate substream of the first membrane filtration is added to the pentosan fraction to be cleaved in step bc) to carry out step bc).
  • a second retentate substream of the first membrane filtration is added to the pentosan fraction to be cleaved in step bc) to carry out step bc).
  • 100 t of the total pentosan fraction 30 used in the membrane filtration is recycled to carry out step bc).
  • the fermentation process preferably for the production of ethanol, comprises the steps:
  • step cd) purifying the mash obtained in step cc) by membrane filtration to a permeate.
  • the permeate thus obtained is completely or substantially free of vaporizing constituents and therefore particularly suitable for carrying out a distillation, in particular for ethanol production.
  • a portion of the microorganisms separated in step cc) of the sugar solution provided in step ca) is preferably fed to perform step cb), and another part of the microorganisms separated in step cc) is preferably dried to a microorganism dry product. In this way, the amount of non-fermented substances can be further reduced.
  • a preferred distillation method according to the invention comprises the steps:
  • distillation method according to the invention in which in particular a permeate of a fermentation process according to the invention can be distilled, advantageously a lot of heat is recovered, so that only a minimum heating of the distillation apparatus used is needed. Furthermore, the operating conditions of the permeation or pervaporation step can be optimally adapted to the product to be recovered by distillation.
  • the distillation product vapor has an ethanol content of preferably at least 80 wt .-%, more preferably at least 85 wt .-% and particularly preferably 85-90 wt .-%.
  • the grain which is preferably stored in a silo, is introduced into the process.
  • the grain is ground in an air vortex mill and the bran removed by deposition. Proteins are decanted and separated. By doing so, a starch milk is obtained which contains all the useful carbohydrates of the grain.
  • the non-alcohol-forming components are thus separated before the fermentation process.
  • This starch milk is liquefied with enzymes and saccharified.
  • This starch milk serves as a substrate for a fermentation, to start the fermentation yeast and nutrients are added.
  • the fermentation produces an alcoholic mash, from which, after completion of the fermentation, the resulting yeast is separated and separated.
  • a feed is obtained which can be used very well for feeding animals, in particular cows, pigs, horses, chickens, etc.
  • the CO 2 produced in the fermentation is washed and purified from other gases, it is separated and condensed in a conventional manner.
  • the thus obtained ethanol / water solution is used in a distillation apparatus for the production of raw alcohol according to a conventional prior art method.
  • the distillation produces crude alcohol, which is purified by rectification to bioethanol or neutral alcohol.
  • the complete drainage is done by a membrane sieve method.
  • the purity of the product thus obtained may be up to 99.6 vol.%.
  • FIG. 2 shows a further, more detailed flow chart of a processing method according to the invention for obtaining ethanol.
  • the starch milk is broken down into three fractions, one of which forms the proteins that can be worked up and purified in a known manner; the starch still contained in this fraction is separated by washing and processed further in the main stream.
  • a pentosan fraction is separated, which in addition to starch contains almost all residues, pentoses, cellulose and hemicelluloses and is further processed as a secondary stream.
  • the third fraction forms a purified starch milk, which is further processed as the main stream.
  • the solids are separated from both the main and the secondary stream, so that only the so-called lutter water is obtained in the distillation, which is mostly used for pasting the flour and diluting it again in the process.
  • the starch milk separated by the three-phase decanter is heated to liquefy and dissolve the starch in a series of heat exchangers in several stages, their viscosity initially rising sharply with temperature, passing through a maximum and decreasing again.
  • the starch milk is kept in insects theretom over a period of 0.5 to 3 h, preferably 1 to 1, 5 h at a temperature between 80 to 90 ° C, preferably 85 ° C until the viscosity is sufficiently lowered.
  • it is then brought to a temperature of 85 to 115 ° C, preferably 102 to 105 ° C, and held at this temperature over a period of 0.5 to 3 hours, preferably 40 to 80 minutes, wherein sterilized and all microorganisms are killed.
  • the heating of the last stage of the heat exchanger is carried out with steam, the heat exchanger located in front of the process are heated for heat recovery with the already liquefied hot starch milk, which is cooled.
  • Appropriate liquefaction enzymes may be added both prior to entry into the stage of the first heat exchangers and in the intermediate stages and before the final stage.
  • the starch solution cooled to 30 to 40 ° C, preferably about 35 ° C is optionally diluted to lower the content of dry matter and appropriate saccharification enzymes are added thereto.
  • the solution is stored in containers with stirring for a period of 1 to 20 hours, preferably 2 to 10 hours, until the saccharification process is completed. The duration of the saccharification process depends on the type and concentration of enzymes used.
  • the fats and oils and the remaining proteins still contained in the saccharified starch solution are separated and discharged from the process.
  • the saccharification enzymes and the not completely degraded starch fragments and oligosaccharides are retained, the purified and sterile sugar solution obtained as permeate has a glucose solids content of preferably 18-22 wt .-% and, optionally after an intermediate storage to Mainstream fermentation led.
  • the retentate of the membrane filtration is divided into two partial streams.
  • a first substream is recycled to the inlet of the saccharification in order to increase the concentration of the enzymes in this process step and to carry out the saccharification in optimal time with a minimal addition of fresh enzymes.
  • the membrane filtration retentate additionally contains pentosans and hemicelluloses, which are not or only partially broken down by the saccharification enzymes used.
  • a second partial stream of the retentate of the first membrane stage optionally after an intermediate storage, fed into the secondary stream.
  • the fermentation of the sterile sugar solution of the main stream is carried out in closed stirred tanks of known type. They are provided with a cooling jacket to dissipate the heat generated during fermentation and with connections for cleaning and sterilization, for supplying the substrate, nutrient solution, compressed air, fresh and recycled yeast milk and the removal of the fermented mash and the resulting carbon dioxide. The latter is washed in a column with water before it is released into the atmosphere or sent to further use.
  • fermenters can be operated both in series and in parallel.
  • a suitable operation and selection of the yeast can be carried out at a temperature between 28 and 35 ° C, preferably at 32 ° C, with a high concentration of yeast, preferably by the use of flocculating yeasts and their return.
  • This not only the Be shortened fermentation, it is also the formation of primary and secondary by-products suppressed and achieved a higher yield and purity of the final product.
  • a mash is obtained with an alcohol content of 6 to 14%, preferably 8-12% and a DS content of yeast between 5 and 8%.
  • the mash is centrifuged, the clear water with a yeast content of less than 0.5% is further purified in a second membrane stage, stored only in water, alcohol and some dissolved minerals permeate stored in intermediate tanks and fed to the distillation column.
  • the retentate of this membrane stage is fed to the inlet of the centrifuge.
  • a partial flow of the thick phase from the centrifuge, the yeast milk, with a DS content of 18 to 20% is used to separate the alcohol after preheating in a vacuum evaporator at a temperature of 44 to 48 ° C to a residual alcohol content of less than 2%.
  • a second partial stream is fed back directly into the fermentation.
  • the vapor from the evaporation is compressed and heats the vacuum evaporator, the condensate is combined with the clear water.
  • a portion of the concentrated thick phase is diluted with water and, optionally after addition of nutrients, returned as yeast milk in the mainstream fermentation, the other portion is further evaporated separately and dried and forms as dry yeast another by-product.
  • the resulting steam is compressed by a vapor compressor and serves to heat the evaporator, the cooled condensate is used as process water.
  • the second partial stream of the retentate from the first membrane filtration after the saccharification of the main stream is combined with the pre-concentrated by evaporation side stream and heated in several stages to a temperature of 1 10 to 160 0 C, preferably 125 to 150 0 C and for 10 to 60 min , preferably 20 to 40 minutes, at this temperature and a pressure of 3 to 6 bar, preferably 4 to 5 bar held. Then it is suddenly relaxed to a pressure of 150 to 250 mbar in a flash tank. The resulting steam is compressed via a vapor compressor and also serves to heat the upstream evaporator.
  • an already partially saccharified sterile solution of the secondary stream is obtained with a TS content of 30 to 35%.
  • enzymes are added and the solution stirred in containers for a period of 1 to 20 hours, preferably 2 to 10 hours. It is then centrifuged to remove fats and proteins.
  • the permeate obtained is a sterile sugar solution which, in addition to glucose, contains further hexoses and pentoses and is passed to the secondary flow fermentation.
  • the retentate from the membrane filtration of the sidestream contains the separated saccharification enzymes, it is centrifuged to remove non-fermentable solids and returned to the saccharification tanks.
  • the fermentation of the sterile sugar solution of the secondary stream is carried out in closed stirred tanks per se known type, corresponding to those of
  • Fermentation of the main stream They are equipped with a cooling jacket to dissipate the heat generated during fermentation and with connections for cleaning and sterilization, to supply the substrate, nutrient solution, compressed air, fresh and recycled yeast milk as well as to dissipate the fermented mash and the resulting carbon dioxide.
  • the latter is washed in a column with water before it is released into the atmosphere or sent to further use.
  • yeasts can be operated both in series and in parallel.
  • a suitable operation and selection of the yeast can be carried out at a temperature between 28 and 35 ° C, preferably at 32 ° C, with a high concentration of yeast, preferably by the use of flocculating yeasts and their return.
  • a high concentration of yeast preferably by the use of flocculating yeasts and their return.
  • the mash is centrifuged, the clear water with a yeast content of less than 0.5% is further purified in a fourth membrane stage, stored only in water, alcohol and some dissolved minerals permeate stored in intermediate tanks and with the corresponding purified mash of the main stream to Guided distillation column.
  • the retentate of this fourth membrane stage is fed to the inlet of the centrifuge.
  • a partial flow of the thick phase from the centrifuge, the yeast milk, with a DS content of 18 to 20% is used to separate the alcohol after preheating in a vacuum evaporator at a temperature of 44 to 48 ° C to a residual alcohol content of less than 2%. evaporated, a second partial stream is fed back directly into the sidestream fermentation.
  • the vapor In the distillation or rectification of the product at the top of the distillation column in vapor form, the vapor is generally then condensed, a part is given as reflux to the top of the column, the other part is the desired product.
  • the heat content of the overhead vapor is usually lost, its temperature is lower than that at the bottom of the columns, so it can not be used directly for heating the columns. It is known to the person skilled in the art that in special cases the overhead vapor can be compressed in a compressor, its compression and its temperature increase to such a level that it can now serve to heat the bottom of the column.
  • the vapor at the top of the columns has an approximately azeotropic composition, it is often passed directly into a vapor permeation unit.
  • the column In order for the steam to have the optimum temperature for the steam permeation plant, the column is often operated at a higher pressure than atmospheric pressure. Usually saturated steam is present, with certain membranes the steam can also be overheated. Also, the product vapor of the Dampfpermeationsstrom generally has not sufficient temperature to heat the bottom of the columns.
  • the product vapor of the vapor permeation system can be compressed by a vapor compressor and thus its temperature can be brought to such a level that the bottom of the column can be heated with the product vapor.
  • This makes it possible to operate a combination of a distillation or rectification column with a downstream vapor permeation with a minimum of heating energy and to use the heat otherwise obtained in the product vapor.
  • dewatering or absoluteing ethanol may also be used for the separation of water from other water azeotropic forming components.
  • These can be the be higher alcohols such as 2-propanol, butanol or the pentanols, but also be ketones such as butanone, esters such as ethyl esters or ethers. It is also clear to the person skilled in the art that even ternary or higher azeotropes can be dehydrated in the same way advantageously with the method.
  • the distillation column is operated in such a way that a vaporous ethanol / water mixture of approximately azeotropic composition is obtained at the top. It depends on the requirements of the purity of dehydrated ethanois how much impurities must be removed. For example, if the produced alcohol is to be used as a fuel, it is often sufficient to distill only to an ethanoic content of about 85% by weight and to remove the remaining water through the membrane unit, otherwise it must be distilled closer to the azeotrope.
  • the resulting steam is divided into two partial streams. A partial stream is compressed in a vapor compressor and condensed in a heat exchanger which heats the bottom of the column. The hot condensate is added at the top of the column as reflux for the rectification.
  • the second partial stream from the top of the column is passed into a vapor permeation unit and the water is removed to the specified residual content.
  • the operating conditions of the Dampfpermeationsstrom with respect to pressure and temperature are given by the corresponding operating conditions, and can be chosen over this in a wide range.
  • the dewatered vaporous product is compressed in a second vapor compressor and heated via another heat exchanger, the bottom of the column.
  • the heat content of the hot condensate is used to preheat the feed to the column. In this way, the majority of the thermal energy required for the operation of the column is recovered from the overhead vapor of the column and used.
  • An essential advantage of the method is that both partial streams are compressed separately and their pressures and temperatures can be controlled separately.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol, Gluten, Kleie, Hefe und Kohlendioxid aus Getreide. Insbesondere betrifft die Erfindung verbesserte Verfahren zur Herstellung von Ethanol, Gluten, Kleie, Hefe und Kohlendioxid aus Getreide.

Description

Verbesserte Verfahren zur Herstellung von Ethanol, Gluten und Kleie aus Getreide
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol, Gluten, Kleie, Hefe und Kohlendioxid aus Getreide. Insbesondere betrifft die Erfindung verbesserte Verfahren zur Herstellung von Ethanol, Gluten, Kleie, Hefe und Kohlendioxid aus Getreide.
Die Fermentierung (Vergärung) zur Darstellung von Alkoholen aus dem Rohstoff Getreide ist eines der ältesten biotechnologischen Verfahren und wird u.a. für die Herstellung alkoholischer Getränke, wie Bier und Wein, eingesetzt. Industriell genutzter Alkohol kann durch die Fermentation von Getreide dargestellt werden. Entsprechende Alkohole, insbesondere Ethanol, werden als Ausgangsstoff für die Herstellung von pharmazeutischen Produkten und Rezepturen, kosmetischen Produkten und zur Synthese einer Reihe von Chemikalien verwendet.
Als Energieträger ist Ethanol seit langem bekannt, war jedoch aufgrund der im Vergleich zur Gewinnung von fossilen Energieträgern höheren Verfahrenskosten in der Vergangenheit nicht wirtschaftlich nutzbar. Durch die Verknappung der fossilen Erdölreserven und die im Kyoto-Abkommen geforderte CO2-Reduzierung hat die mögliche Nutzung von Bioethanol als Energieträger neue Bedeutung erlangt. Ökonomische sowie ökologische Interessen fordern eine Verbesserung der bestehenden Verfahren zur Herstellung von Ethanol sowie einen effizienten Einsatz der vorhandenen Biomasse im großen Umfang.
Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren zur Herstellung von Alkoholen aus Biomasse. Da völlig unterschiedliche Ausgangsstoff(Glucose, Stärke oder Cellulose) für diese Verfahren verwendet werden, u.a. Zuckerrohr, Zuckerrübe, Getreide, etc. unterscheiden sich auch die Verfahren zur Gewinnung des Bioalkohols stark voneinander. Auch bei Verwendung identischer Ausgangsstoffe gibt es unterschiedliche technologische und biologische Verfahrenskonzepte.
In herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus Getreide durch Fermentation wird üblicherweise:
(a) zunächst das Getreide vermählen,
(b) das gemahlene Getreide in Wasser suspendiert und mit Mikroorganismen, insbesondere Hefen, versetzt,
(c) die so erhaltene Fermenterbrühe wird fermentiert, und anschließend wird
(d) Ethanol durch thermische Trennung aus der Fermenterbrühe aufkonzentriert.
Die Abtrennung des Ethanols erfolgt üblicherweise durch Destillation. Dabei fällt als Reststoff Schlempe an, die üblicherweise konzentriert und als Dünger oder nach Trocknung als proteinhaltiges Futtermittel verwendet wird.
Beispiele für entsprechende Fermentationsverfahren und für einzelne Verfahrensschritte sind AT 398981 , DE 2944483 C2, DE 3007138 C2 und US 6569653 B1 Die bei den üblichen Verfahren anfallende Schlempe ist sehr proteinhaltig, die allgemein zu Futtermittel aufgearbeitet und verwendet wird, Schlempe kann nur bedingt als Dünger eingesetzt werden. Die Herstellung des Futtermittels, insbesondere die Trocknung der Schlempe bedeutet jedoch einen hohen Energieaufwand, der etwa 50% der Energie umfasst, die das gesamte Herstellungsverfahren einer Standardanlage für Bioethanol benötigt.
CO2 ist ein klimaschädliches Gas, dessen Freisetzung vermieden werden sollte, eine wirtschaftliche Nutzung wäre sinnvoll. Das Treibhausgas- Emissionshandelsgesetz vom 8.JuIi 2004 macht die Vermeidung und Reduktion von CO2 betriebswirtschaftlich sinnvoll.
Das bei einer Fermentation anfallende CO2 wird allgemein an die Umwelt abgeben, nachdem die Gase gereinigt und von umweltproblematischen Begleitstoffen getrennt wurden. Die Nutzung der mit CO2 angereicherten Luft z.b. durch Gartenbaubetriebe, ist nur bedingt möglich gewesen.
Das Gesamtverfahren nach dem Stand der Technik benötigt sehr große Mengen an Wasser, insbesondere für die Einmaischung werden pro Tonne verwendeten Getreides bis zu 3,5 m3 Frischwasser benötigt, dieses Wasser muss zum Teil kosten- und energieintensiv aufgearbeitet werden.
Bei allen nach dem Stand der Technik üblichen Verfahren stellt sich somit das Problem, dass der Energieverbrauch sehr hoch ist, dass die Kosten für Enzyme und Hilfsstoffe sehr hoch sind, dass kurze Reinigungsintervalle für die Anlage benötigt werden, dass für die Fermentation der Fermenterbrühe und das Gewinnen des Ethanols eine lange Verweilzeit benötigt wird, was dazu führt, dass die Anlage insgesamt apparativ sehr aufwendig wird, da sehr große Mengen von Flüssigkeiten und Feststoffen bewegt werden müssen. Anlagengrößen für Tageskapzitat von über 100m3/Ethanol sind daher nur unter erheblichen Aufwand zu realisieren. Es war deshalb die Aufgabe der Erfindung, den oben beschriebenen Nachteilen abzuhelfen oder sie zu verringern. Insbesondere war es die Aufgabe der Erfindung, den Energie- und Wasserbedarf einer Ethanol- Herstellung zu verringern, ohne die Ethanol-Ausbeute oder die Verfahrensdauer wesentlich zu beeinträchtigen.
Erfindungsgemäß wurde nunmehr gefunden, dass das Verfahren zur Ethanolherstellung insgesamt energie- zeit- und kostensparender durchgeführt werden kann, wenn eine auf bestimmte Weise gereinigte Stärke als Fermentationsedukt verwendet wird. Dementsprechend wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen gereinigter Stärke angegeben, umfassend die Schritte:
i) Mahlen von stärkehaltigem Getreide in einer Luftwirbelmühle zu einem Stärkemehl, so dass 90% der Partikel des Mehls eine Partikelgröße von 150-250 μm, vorzugsweise 180-220 μm und besonders bevorzugt von 190-
210 μm besitzen, ii) Abtrennen von Kleie vom Mehl, und anschließend iii) Abtrennen von Proteinen vom Mehl.
Dabei ist das Mahlen des Getreides in einer Luftwirbelmühle von besonderer Bedeutung. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass für die energiesparende Durchführung eines Fermentationsverfahrens die schonende
Vermahlung von Getreide besonders förderlich ist. Wenn die Feinstruktur der
Stärkepartikel des gemahlenen Getreides derjenigen des ungemahlenen
Getreides nahe kommt, kann eine besonders gute Fermentation und Abtrennung des Ethanols von der Fermenterbrühe bzw. Maische erreicht werden. Beste
Ergebnisse für eine schonende Vermahlung wurden mit einer Luftwirbelmühle erzielt.
Als Getreide im Sinne dieser Erfindung werden insbesondere Weizen, Mais oder Tritikale verwendet. Die Verwendung von Weizen ist besonders bevorzugt. Die Kleie wird vorzugsweise mit einer Siebanlage abgetrennt. Zum Abtrennen de Proteine wird die gemahlene Stärke vorzugsweise mit Wasser eingemaischt und die Proteine durch Sieben abgetrennt und optional getrocknet. Die abgetrennten Proteine werden vorzugsweise zu Gluten weiterverarbeitet. Erfindungsgemäß wird weiter ein eigentliches Verfahren zur Herstellung von Ethanol angegeben, das die mit dem oben beschriebenen Aufreinigungsverfahren herstellbare Stärke verwendet. Das Verfahren umfasst die Schritte:
iv) Bereitstellen gereinigter Stärke, v) Fermentieren der in Schritt iv) bereitgestellten Stärke durch Mikroorganismen zu einer Fermenterbrühe, gegebenenfalls nach Verflüssigen der Stärke, vi) Herstellen einer Maische durch Abtrennen von Mikroorganismen aus der
Fermenterbrühe, vii) Abtrennen von Ethanol aus der Maische.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren konnte überraschende Vorteile erreicht werden: Durch die Verwendung von Luftwirbelmühlen, die die natürliche Feinstruktur der Stärke, des Proteins und der Kleie erhalten, können Teilchengrößen von 200 μm erreicht werden. Die Beibehaltung der natürlichen Struktur der Stärke, der Kleie wie der Proteine erlaubt es eine Abtrennung der Kleie und Proteine von der Stärke bevor eine enzymatische oder thermische Behandlung des Substrates durchgeführt werden muss. Es ergeben sich insbesondere Vorteile bei der Fermentation; hier wurden wesentlich kürze Fermentationszeiten erreicht, herkömmliche Verfahren benötigen Fermentationszeiten von 60 Stunden für einen Fermentationszyklus, durch das erfindungsgemäßen Verfahren wurde eine Fermentationszeit von unter 40 Stunden erreicht, dadurch konnte der apparative Aufwand erheblich eingeschränkt werden. Es konnte der Einsatz von Enzymen reduziert werden, die Kosten für die Wasseraufbereitung wurde gesenkt, Frischwasser wird nicht benötigt, Abwässer haben keine nennenswerte Belastung und können an Verbraucher abgeben werden. Erfindungsgemäß konnte weiterhin überraschend erreicht werden, dass durch die Abtrennung aller Nebenprodukte vor der thermischen Aufbereitung keine Schlempe mehr anfällt, wodurch wesentliche Vorteilen bei der Destillation erreicht werden. Der wässrige Rückstand der Destillation und Rektifikation enthält als Hauptbestandteil organische Verbindungen, die thermisch oder anderweitig verwendet werden können. Vorteile ergeben sich bei einer Destillation zum Abtrennen des Ethanols im Wesentlichen durch Energie- und Zeitersparnis sowie eine erhebliche Einsparung bei der Aufarbeitung der Nebenprodukte (Kleie, Proteine, Hefe).
Das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere wenn das eigentliche Verfahren der Ethanolherstellung kombiniert wird mit dem Verfahren zum Herstellen gereinigter Stärke, erlaubt somit auf vorteilhafte Weise die Herstellung von Ethanol, Gluten, Kleie, Hefe und Kohlendioxid aus Getreide.
Die Nebenprodukte Protein, Kleie und die aus der Festphase der Schlempe erhaltene Hefe sind als Futtermittel einsetzbar und qualitativ hochwertiger, als Futtermittel die nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt werden, da die Nebenprodukte erfindungsbedingt einer geringen thermischen Belastung ausgesetzt wurden.
Vorzugsweise wird das Getreide zunächst vor der Zerkleinerung durch Zugabe von Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, einer Quellung unterzogen. Das Getreide wird dann in gequollenem Zustand gemahlen, da sich die Kleie in diesem Zustand gut abtrennen lässt, die Kleie wird durch Siebe abgetrennt.
Luftwirbelmühlen versetzen das Mahlgut in extreme Turbulenzen und durch Prallwirkung von Partikel auf Partikel sowie durch Prallwirkung mit dem Werkzeug wird das Mahlgut durch Impulsübertragung zerkleinert. Das Mahlgut wird durch Luftwirbel aufgenommen und beschleunigt, die Rotation der Luft wird durch die hohe radiale Beschleunigung und die hohen Bahngeschwindigkeit des drehenden Werkzeugs induziert. Eine hohe Luftmenge führt das zerkleinerte Getreide effizient ab und ermöglicht eine geringe thermische Belastung des Getreides.
Die Vermahlung des Getreides mit Luftwirbelmühlen ermöglicht die Abtrennung der Proteine bevor die Verflüssigung, Verzuckerung unter Zuge von Enzymen eingeleitet wird, die Proteine werden durch Dekantieren abgetrennt und getrocknet, wodurch eine Stärkemilch und Gluten erhalten werden. Die in der Stärkemilch enthaltenen Kohlehydrate werden in herkömmlicher Weise enzymatisch verflüssigt, verzuckert und anschließend fermentiert.
Äquivalente Mengen Ethanol zur eingesetzten Stärke werden während der Fermentation, durch die Hefen, die allgemein zum Starten der Fermentation zugegeben werden, gebildet. Die Fermentation kann nach einem der im Stand der Technik bekannten Verfahren durchgeführt werden. Die Fermentation kommt zum Stillstand, wenn alle fermentierbaren Kohlenhydrate vergoren sind. Nach der Beendigung der Fermentation werden die Mikroorganismen und insbesondere die Hefe separiert und zu Futterhefe aufgearbeitet.
Das bei der Fermentation entstehende CO2 stammt aus erneuerbaren Rohstoffen und weist nur geringe Verunreinigungen mit anderen Gasen auf gegenüber konventionell erzeugtem CO2. Es kann aus der Fermenterabluft aufgefangen, in herkömmlicher Weise separiert und kondensiert werden.
Durch die Fermentation und die anschließende Abtrennung der Hefe wird eine Maische erhalten. Der in der Maische vorhandene Alkohol wird vorzugsweise destilliert und rektifiziert, dabei können die bekannten Verfahren zur Destillation und Rektifikation eingesetzt werden. Die Entwässerung des abgetrennten Ethanols erfolgt vorzugsweise durch Membransiebe. Durch die erfindungsgemäße Abtrennung der Kleie und der Proteine entstehen in der Fermentation weniger Alkoholnebenbestandteile zum Ethanol. Dies führt zu einem qualitativ hochwertigen Rohalkohol und reduziert damit den Destillationsund Rektifikationsaufwand. Der Wirkungsgrad von eingesetzter Energie zu gewonnenem Ethanol wird, durch das Verfahren der Verwendung einer fast gänzlich von Feststoffen befreiten Maische, verbessert.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das durch die Destillation, Rektifikation und Dehydrierung erhaltene Wasser rezirkuliert und dem Prozess wieder zugeführt werden. Die Erfindung betrifft demgemäss insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von Ethanol aus Getreide, umfassend die Schritte:
a) Quellenlassen des Getreides,
b) Mahlen des gequollenen Getreides in einer Luftwirbelmühle, so das 90% der Partikel des Mahlgutes eine Teilchengröße von 200 μm erreichen,
c) Abtrennen der Kleie vom Mahlgut mit einer Siebanlage,
d) Abtrennen von Proteinen durch einen Dekanter und Trocknen der Proteine,
e) Fermentieren der von Kleie und Proteinen abgereicherten Stärke mit einem Mikroorganismus, vorzugsweise einer Hefe, und
f) Abtrennen des Mikroorganismus,
g) wobei das durch die Fermentation entstandene CO2 in aufgefangen und ggf. gereinigt und verflüssigt wird,
h) Abtrennen von Ethanols aus der in Schritt f) erhaltenen Ethanol/Wasser- Lösung, vorzugsweise durch Destillation und
i) optional Absoluieren des erhaltenen Ethanols durch ein Pervaporationsverfahren.
In Fermentationsverfahren, insbesondere zum Herstellen von Ethanol in einem erfindungsgemäßen Verfahren wie oben beschrieben, ist das Herstellen geeigneter Zuckerlösungen als fermentierbare Ausgangsstoffe ein wiederkehrendes Problem. Als Nachteil herkömmlicher Zuckerlösungen wird insbesondere angesehen, dass ein hoher Anteil nicht verwertbaren Abfalls bei der Fermentation und ein hoher Anteil an Schlempe bei einer anschließenden Destillation anfällt. Eine weitere Aufgabe war es deshalb, Zuckerlösungen als Ausgangsstoffe für Fermentationen und vorzugsweise anschließende Destillationen sowie entsprechende Fermentations- und Destillationsverfahren anzugeben, mit denen die Nachteile des Standes der Technik vermieden oder verringert werden können.
Erfindungsgemäß wird deshalb ebenfalls Verfahren zum Herstellen einer ersten Zuckerlösung bereitgestellt, umfassend die Schritte:
aa) Herstellen oder Bereitstellen einer Stärkemilch,
ab) thermisches Verflüssigen der Stärke der Stärkemilch,
ac) Spalten der Stärke zum Gewinnen Mono-, Di- und/oder Oligosacchariden,
ad) Abtrennen von Fetten, Ölen und Proteinen aus der in Schritt ac) erhaltenen Stärkemilch, und
ae) Gewinnen der ersten Zuckerlösung als Permeat einer ersten Membranfiltration der in Schritt ac) und/oder ad) erhaltenen Stärkemilch.
Die erste Zuckerlösung ist weitgehend frei von schwer vergärbaren Bestandteilen und eignet sich daher besonders, das Anfallen einer Destillations-Schlempe zu vermeiden oder zu verringern. Die erste Zuckerlösung ist bei geeigneter Ausführung des Verfahrens steril. Zudem fallen bei der Herstellung der ersten Zuckerlösung keine schwer zu entsorgenden Abfälle an; stattdessen können die abgetrennten Fette, Öle und Proteine als Futtermittel verwendet werden.
Bevorzugt ist dabei ein Verfahren, bei dem erste Zuckerlösung einen Anteil von nicht mehr als 0.01 Gew.-% Stärke enthält, wobei die erste Zuckerlösung besonders bevorzugt stärkefrei ist.
Insbesondere bevorzugt umfasst die erste Zuckerlösung einen Anteil von 15 - 25 Gew.-% Glucose, besonders bevorzugt von 18 - 22 Gew.-% Glucose. Solche Zuckerlösungen lassen sich besonders leicht und rückstandsfrei zur Ethanolgewinnung vergären.
Zum weiteren Verringern des Anteils nicht zu Zuckerlösung umgesetzter Stärkemilch-Bestandteile und zum Vergrößern der Zuckerausbeute ist es bevorzugt, einen ersten Retentat-Teilstrom der ersten Membranfiltration der in Schritt ac) zu spaltenden Stärkemilch zum Durchführen von Schritt ac) zuzugeben. Vorzugsweise werden von der in die Membranfiltration eingesetzten Stärkemilch 25-30 Vol.-%, bevorzugt 27 Vol.-%, als Retentat-Teilstrom zum Durchführen von Schritt ac) zurückgeführt.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen einer zweiten Zuckerlösung bereitgestellt, umfassend die Schritte:
ba) Herstellen oder Bereitstellen einer Pentosanfraktion einer Stärkemilch,
bb) optional Aufkonzentrieren der Pentosanfraktion,
bc) Spalten von Zellulose und/oder Hemicellulose der Pentosanfraktion, vorzugsweise unter Säurezusatz und besonders bevorzugt unter Säurezusatz in einem Entspannungsverdampfer,
bd) Abtrennen von Fetten, Ölen und Proteinen aus der in bd) erhaltenen Pentosanfraktion, und
be) Gewinnen der zweiten Zuckerlösung als Permeat einer dritten Membranfiltration der in Schritt bc) und/oder bd) erhaltenen Pentosanfraktion.
Die zweite Zuckerlösung ist ebenfalls weitgehend frei von schwer vergärbaren Bestandteilen und eignet sich daher besonders, das Anfallen einer Destillations- Schlempe zu vermeiden oder zu verringern. Dies ist insbesondere vorteilhaft, weil die zum Herstellen der zweiten Zuckerlösung eingesetzte Pentosan-Fraktion einen hohen Anteil an sich nicht oder nur schwer vergärbarer Substanzen, insbesondere Zellulose und/oder Hemizellulose enthält. Die zweite Zuckerlösung ist bei geeigneter Ausführung des Verfahrens steril. Zudem fallen bei der Herstellung der zweiten Zuckerlösung keine schwer zu entsorgenden Abfälle an; stattdessen können die abgetrennten Fette, Öle und Proteine als Futtermittel verwendet werden.
Bevorzugt ist dabei ein Verfahren, bei dem zweite Zuckerlösung einen Anteil von nicht mehr als 0.01 Gew.-% Stärke enthält, wobei die erste Zuckerlösung besonders bevorzugt stärkefrei ist.
Insbesondere bevorzugt umfasst die zweite Zuckerlösung einen Anteil von 15 - 25 Gew.-% Glucose, besonders bevorzugt von 18 - 22 Gew.-% Glucose. Solche Zuckerlösungen lassen sich besonders leicht und rückstandsfrei zur Ethanolgewinnung vergären.
In einem besonders bevorzugten Verfahren wird ein Retentat-Teilstrom der ersten Membranfiltration der in Schritt bc) zu spaltenden Pentosanfraktion zum Durchführen von Schritt bc) zugegeben. Durch diese Verfahrensgestaltung kann die Ausbeute an Zuckerlösung gemessen an der Gesamtmenge eingesetzter Stärkemilch und Pentosan-Fraktion vorteilhaft erhöht werden. Vorzugsweise werden von der in der ersten Membranfiltration eingesetzten Stärkemilch 1- 5 Vol.-%, bevorzugt 3 Vol.-%, als Retentat-Teilstrom zum Durchführen von Schritt bc) zurückgeführt.
Besonders bevorzugt sind solche Verfahren zum Herstellen einer ersten oder zweiten Zuckerlösung, bei denen der Stärkemilch in Schritt ac) und/oder der Pentosanfraktion in Schritt bc) Verzuckerungsenzyme zugesetzt werden. Die Verzuckerungsenzyme unterstützen vorteilhaft das Spalten der Stärke, Zellulose- und/oder Hemizellulose-Bestandteile zu leichter fermentierbaren Zuckern.
Zum Herstellen der Stärkemilch in Schritt aa) der Hauptstrom und/oder zum Herstellen einer Pentosanfraktion in Schritt ba) der Nebenstrom wird besonders bevorzugt eine in einem Dreiphasen-Dekanter gereinigten Stärkemilch verwendet. Solche Hauptstrom- und Nebenstromfraktionen einer Stärkemilch lassen sich mit herkömmlichen Dreiphasen-Dekantern leicht herstellen. Der Ausdruck "Hauptstrom" bezeichnet dabei eine Stärkemilch mit folgender Zusammensetzung (Durchschnitts-Angaben, in Gew.-%): 31 % Stärke, 0,8 % Proteine, 0,3 % Fette, 0,1 % Pentosane, 0,2 % Salze und Mineralien, 0,2 % Zellulose, Rest Wasser. Der Ausdruck "Nebenstrom" bezeichnet dabei eine Pentosanfraktion mit folgender Zusammensetzung: (Durchschnitts-Angaben, in Gew.-%): 5% Stärke, 2 % Proteine, 0,3 % Fette, 1 % Pentosane, 0,3 % Salze und Mineralien, 2 % Zellulose, Rest Wasser.
Ferner bevorzugt ist es, wenn eine gereinigte Stärke wie oben beschrieben in einem wässrigen Lösungsmittel aufgenommen und anschließend wie oben beschrieben in einem Dreiphasen-Dekanter aufgereinigt wird zum Gewinnen gereinigter Stärkemilch und/oder einer Pentosanfraktion. Die oben beschriebene erfindungsgemäße gereinigte Stärke ist besonders vorteilhaft gereinigt von schwer fermentierbaren Bestandteilen und unterstützt so das Vermeiden von Schlempe bei einer Destillation und das Vermeiden von Abfällen bei der Herstellung der leicht fermentierbaren Zuckerlösung.
Besonders bevorzugt wird ein zweiter Retentat-Teilstrom der ersten Membranfiltration der in Schritt bc) zu spaltenden Pentosanfraktion zum Durchführen von Schritt bc) zugegeben. Dabei werden bevorzugt von 100 t der gesamten in die Membranfiltration eingesetzten Pentosanfraktion 30 1 zum Durchführen von Schritt bc) zurückgeführt.
Mit den erfindungsgemäß hergestellten oder herstellbaren Zuckerlösungen kann ein besonders vorteilhaftes Fermentationsverfahren durchgeführt werden. Das Fermentationsverfahren, vorzugsweise zum Herstellen von Ethanol, umfasst dabei die Schritte:
ca) Bereitstellen einer ersten oder zweiten Zuckerlösung wie oben beschrieben,
cb) Durchführen der Fermentation zum Herstellen einer Fermenterbrühe, cc) Abtrennen von Mikroorganismen aus der Fermenterbrühe zum Herstellen einer Maische,
cd) Reinigen der in Schritt cc) erhaltenen Maische durch Membranfiltration zu einem Permeat.
Das so erhaltene Permeat ist vollständig oder weitgehend frei von schlempebildenden Bestandteilen und deshalb besonders geeignet zum Durchführen einer Destillation, insbesondere zur Ethanolgewinnung.
Ein Teil der in Schritt cc) abgetrennten Mikroorganismen der in Schritt ca) bereitgestellten Zuckerlösung wird vorzugsweise zum Durchführen von Schritt cb) zugeführt, und ein anderer Teil der in Schritt cc) abgetrennten Mikroorganismen wird vorzugsweise zu einem Mikroorganismen-Trockenprodukt getrocknet. Auf diese Weise kann die Menge an nicht fermentierten Stoffen weiter verringert werden.
Besonders bevorzugt ist es, in einem Hauptstrom-Fermentationsverfahren eine erste Zuckerlösung wie beschrieben zu fermentieren, in einem Nebenstrom- Fermentationsverfahren eine zweite Zuckerlösung wie beschrieben zu fermentieren wird, und die jeweils in Schritt cd) erhaltenen Permeate zu vereinigen. Auf diese Weise können beide Fermentationen optimal zum Erreichen einer hohen Fermentationsprodukt-Ausbeute (insbesondere Ethanol- Ausbeute) gesteuert werden.
Ein erfindungsgemäß bevorzugtes Destillationsverfahren umfasst die Schritte:
da) Durchführen einer Destillation zum Herstellen eines Destillationsproduktdampfes,
db) Komprimieren eines ersten Destillationsproduktdampf-Teilstroms in einem Brüdenverdichter, Betreiben eines Wärmetauschers mit dem komprimierten Teilstrom zum Gewinnen von Wärme zum Betreiben der Destillation und zum Gewinnen eines Kondensats als Rücklauf für die Destillation, und/oder
de) Aufreinigen eines zweiten Destillationsproduktdampf-Teilstroms in einem Permeations- oder Pervaporationsschritt zum Gewinnen eines gereinigten Destillationsproduktes und eines abgereicherten Destillationsproduktdampf- Teilstroms, wobei der abgereicherte Destillationsproduktdampf-Teilstrom in einem Brüdenverdichter komprimiert und in einem Wärmetauscher zum Gewinnen von Wärme zum Betreiben der Destillation und zum Gewinnen eines Kondensats als Rücklauf für die Destillation eingesetzt wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Destillationsverfahren, bei dem insbesondere ein Permeat eines erfindungsgemäßen Fermentationsverfahrens destilliert werden kann, wird vorteilhaft viel Wärme zurückgewonnen, so dass nur eine minimale Beheizung der verwendeten Destillationsvorrichtung benötigt wird. Ferner können die Betriebsbedingungen des Permeations- oder Pervaporationsschritt.es dem jeweils durch Destillation zu gewinnenden Produkt optimal angepasst werden.
Bei einer Ethanol-Destillation mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Destillationsverfahrens weist der Destillationsproduktdampf einen Ethanolgehalt von vorzugsweise zumindest 80 Gew.-%, besonders bevorzugt zumindest 85 Gew.-% auf und besonders bevorzugt 85-90 Gew.-%.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele näher beschrieben, ohne dass die Beispiele den Schutzbereich der Ansprüche einschränken:
Wie in Figur 1 gezeigt, wird das Getreide, das vorzugsweise in einem Silo gelagert wird, in das Verfahren eingebracht. Das Getreide wird in einer Luftwirbelmühle gemahlen und die Kleie durch Abscheidung entfernt. Proteine werden dekantiert und abgeschieden. Durch dieses Vorgehen wird eine Stärkemilch erhalten, das die gesamten verwertbaren Kohlehydrate des Getreides enthält. Die nicht alkoholbildenden Bestandteile sind somit vor dem Fermentationsprozess separiert. Diese Stärkemilch wird mit Enzymen verflüssigt und verzuckert.
Diese Stärkemilch dient als Substrat für eine Fermentation, zum Starten der Fermentation werden Hefe und Nährstoffe zugegeben.
Die Fermentation erzeugt eine alkoholische Maische, aus der nach Beendigung der Fermentation die entstanden Hefe abgeschieden und separiert wird. Dadurch wird ein Futtermittel erhalten, das sehr gut für die Fütterung von Tieren, insbesondere Kühen, Schweinen, Pferden, Hühnern etc. verwendet werden kann.
Das bei der Fermentation entstehende CO2 wird gewaschen und von anderen Gasen gereinigt, es wird in herkömmlicher Weise separiert und kondensiert.
Die so gewonnene Ethanol/Wasser-Lösung wird nach einem Stand der Technik üblichen Verfahren in einer Destillationsanlage für die Gewinnung von Rohalkohol eingesetzt. Bei der Destillation entsteht Rohalkohol, welcher durch Rektifikation zu Bioethanol oder Neutralalkohol aufgereinigt wird. Die vollständige Entwässerung wird durch ein Membransiebverfahren geleistet. Die Reinheit des so erhaltenen Produktes kann bis zu 99,6 vol.% betragen.
Figur 2 zeigt ein weiteres, detaillierteres Fließschema eines erfindungsgemäßen Verarbeitungsverfahrens zur Ethanolgewinnung.
Durch einen Dreiphasen-Dekanter wird die Stärkemilch in drei Fraktionen zerlegt, deren eine die Proteine bilden, die in bekannter Weise aufgearbeitet und gereinigt werden können; die in dieser Fraktion noch enthaltenen Stärke wird durch Waschen abgetrennt und im Hauptstrom weiter verarbeitet. Als zweite wird eine Pentosanfraktion abgetrennt, die neben Stärke fast alle Reststoffe, Pentosen, Cellulose und Hemicellulosen enthält und als Nebenstrom weiterverarbeitet wird. Die dritte Fraktion bildet einei gereinigte Stärkemilch, die als Hauptstrom weiter verarbeitet wird. Vor der Vergärung werden sowohl aus dem Haupt- als auch dem Nebenstrom die Feststoffe abgetrennt, so dass in der Destillation nur das so genannte Lutterwasser anfällt, das zum größten Teil zum Anteigen des Mehls und zur Verdünnung wieder im Prozeß benutzt wird.
Verarbeitung des Hauptstromes
Die durch den Dreiphasen-Dekanter abgetrennte Stärkemilch wird zur Verflüssigung und Lösung der Stärke in einer Serie von Wärmetauschern in mehreren Stufen aufgeheizt, wobei ihre Viskosität mit der Temperatur zunächst stark ansteigt, durch ein Maximum geht und wieder abfällt. Die Stärkemilch wird in Zwischenbehältem über einen Zeitraum von 0,5 bis 3 h, vorzugsweise 1 bis 1 ,5 h bei einer Temperatur zwischen 80 bis 90° C, vorzugsweise 85° C gehalten, bis die Viskosität hinreichend erniedrigt ist. In einer zweiten Stufe wird sie dann auf eine Temperatur von 85 bis 115° C, vorzugsweise 102 bis 105° C, gebracht und über eine Zeitspanne von 0,5 bis 3 h, vorzugsweise 40 bis 80 min, bei dieser Temperatur gehalten, wobei sie sterilisiert wird und alle Mikroorganismen abgetötet werden. Die Beheizung der letzten Stufe des Wärmetauschers erfolgt mit Dampf, die im Prozeß davor befindlichen Wärmetauscher werden zur Wärmerückgewinnung mit dem bereits verflüssigten heißen Stärkemilch beheizt, die dabei gekühlt wird. Sowohl vor dem Eingang in die Stufe der ersten Wärmetauscher als auch in den Zwischenstufen und vor der letzten Stufe können geeignete Verflüssigungsenzyme zugesetzt werden. Nach der Verflüssigung wird die auf 30 bis 40° C, vorzugsweise etwa 35° C, abgekühlten Stärkelösung gegebenenfalls zur Erniedrigung des Gehalts an Trockensubstanz verdünnt und es werden geeignete Verzuckerungsenzyme zugefügt. Die Lösung wird über einen Zeitraum von 1 bis 20 h, vorzugsweise 2 bis 10 h in Behältern unter Rühren gelagert, bis der Verzuckerungsprozeß abgeschlossen ist. Die Dauer des Verzuckerungsprozesses hängt von der Art und Konzentration der eingesetzten Enzyme ab. In einer Zentrifuge werden die noch in der verzuckerten Stärkelösung enthaltenen Fette und Öle und sowie die restliche Eiweißstoffe abgetrennt und aus dem Prozeß ausgeschleust. In einer anschließenden ersten Membranfiltration werden die Verzuckerungsenzyme sowie die nicht vollständig abgebauten Stärkebruchstücke und Oligosaccharide zurückgehalten, die als Permeat erhaltenen gereinigte und sterile Zuckerlösung weist einen Glucose-Trockengehalt von vorzugsweise 18-22 Gew.-% auf und wird, gegebenenfalls nach einer Zwischenlagerung, zur Hauptstrom- Fermentation geführt.
Das Retentat der Membranfiltration wird in zwei Teilströme aufgeteilt. Ein erster Teilstrom wird in den Eingang der Verzuckerung zurückgeführt, um die Konzentration der Enzyme in diesem Verfahrensschritt zu erhöhen und die Verzuckerung in optimaler Zeit mit einem minimalen Zusatz an frischen Enzymen durchzuführen. Das Retentat der Membranfiltration enthält neben Enzymen und Bruchstücke der Ausgangsstärke zusätzlich noch Pentosane und Hemicellulosen, die durch die eingesetzten Verzuckerungsenzyme nicht oder nur teilweise aufgespalten werden. Um eine Auf konzentrierung dieser Stoffe durch die Rückführung in die Verzuckerung zu vermeiden, wird ein zweiter Teilstrom des Retentats der ersten Membranstufe, gegebenenfalls nach einer Zwischenlagerung, in den Nebenstrom geführt.
Die Fermentation der sterilen Zuckerlösung des Hauptstromes erfolgt in geschlossenen Rührbehältern an sich bekannter Bauart. Sie sind mit einem Kühlmantel zur Abfuhr der bei der Fermentation entstehenden Wärme sowie mit Anschlüssen zur Reinigung und Sterilisation, zur Zufuhr des Substrates, von Nährlösung, Druckluft, frischer und zurück geführter Hefemilch sowie zur Abführung der vergorenen Maische und des entstehenden Kohlendioxids versehen. Letzteres wird in einer Kolonne mit Wasser gewaschen, bevor es in die Atmosphäre entlassen oder einer weiteren Nutzung zugeführt wird.
Mehrere Fermenter können sowohl in Reihe als auch parallel betrieben werden. Durch eine geeignete Betriebsweise und Selektion der Hefe kann bei einer Temperatur zwischen 28 und 35°C, vorzugsweise bei 32° C gearbeitet werden, mit einer hohen Konzentration der Hefe, vorzugsweise durch den Einsatz flockulierender Hefen und deren Rückführung. Dadurch kann nicht nur die Fermentationszeit verkürzt werden, es wird auch die Bildung primärer und sekundärer Nebenprodukte unterdrückt und eine höhere Ausbeute und Reinheit des Endproduktes erreicht.
Nach Beendigung der Fermentation wird eine Maische mit einem Alkoholgehalt von 6 bis 14%, vorzugsweise 8-12% und einem TS- Gehalt an Hefe zwischen 5 und 8% erhalten. Die Maische wird zentrifugiert, der Klarlauf mit einem Hefegehalt von weniger als 0,5% wird in einer zweiten Membranstufe weiter gereinigt, das nur noch aus Wasser, Alkohol und einigen gelösten Mineralien bestehende Permeat in Zwischentanks gelagert und zur Destillationskolonne geführt. Das Retentat dieser Membranstufe wird zum Eingang der Zentrifuge geführt. Ein Teilstrom der Dickphase aus der Zentrifuge, die Hefemilch, mit einem TS- Gehalt von 18 bis 20% wird zur Abtrennung des Alkohols nach Vorwärmung in einem Vakuumverdampfer bei einer Temperatur von 44 bis 48°C auf einen Restgehalt an Alkohol von weniger als 2% eingedampft, ein zweiter Teilstrom wird direkt in die Fermentation zurück geführt. Der Brüden aus der Eindampfung wird verdichtet und beheizt den Vakuumverdampfer, das Kondensat wird mit dem Klarlauf vereinigt. Ein Anteil der eingedampften Dickphase wird mit Wasser verdünnt und, gegebenenfalls nach Zusatz von Nährstoffen, als Hefemilch in die Hauptstrom- Fermentation zurückgeführt, der andere Anteil wird gesondert weiter eingedampft und getrocknet und bildet als Trockenhefe ein weiteres Nebenprodukt.
Verarbeitung des Nebenstromes
Zur Nutzung der in ihr enthaltenen vergärbaren Substanzen wird die durch den Dreiphasen-Dekanter abgetrennte, sehr verdünnte Pentosanfraktion, gegebenenfalls nach einer Zwischenlagerung, vorgewärmt und in einem Entspannungsverdampfer bei einer Temperatur von 70 bis 85° C, vorzugsweise 74 bis 800C, aufkonzentriert. Der hierbei entstehende Dampf wird durch einen Brüdenkompressor verdichtet und dient zur Beheizung des Verdampfers, das abgekühlte Kondensat wird als Prozeßwasser genutzt. Der zweite Teilstrom des Retentats aus der ersten Membranfiltration nach der Verzuckerung des Hauptstromes wird mit dem durch Eindampfen vorkonzentrierten Nebenstrom vereinigt und in mehreren Stufen auf eine Temperatur von 1 10 bis 1600C, vorzugsweise 125 bis 1500C aufgeheizt und für 10 bis 60 min, vorzugsweise 20 bis 40 min, bei dieser Temperatur und einem Druck von 3 bis 6 bar, vorzugsweise 4 bis 5 bar, gehalten. Anschließend wird schlagartig auf einen Druck von 150 bis 250 mbar in einen Entspannungsbehälter entspannt. Der anfallende Dampf wird über einen Brüdenkompressor verdichtet und dient ebenfalls zur Beheizung des vorgeschalteten Eindampfers.
Durch die hohe Temperatur und die schlagartige Entspannung wird die in der Nebenstromfraktion enthaltenen Zellulose und Hemicellulose gespalten und es werden auch die durch die Enzyme nicht in Monosaccharide gespaltenen Stärkebruchstücke weiter abgebaut. Durch Zugabe von Säure während der Aufheizung kann dieser Vorgang beschleunigt werden.
Im unteren Teil des Entspannungsbehälters wird eine bereits teilweise verzuckerte sterile Lösung des Nebenstromes mit einem TS Gehalt von 30 bis 35% erhalten. Zur vollständigen Verzuckerung werden Enzyme zugesetzt und die Lösung in Behältern über einen Zeitraum von 1 bis 20 h, vorzugsweise 2 bis 10 h gerührt. Sie wird anschließend zentrifugiert, um Fette und Proteine auszuschleusen. In der, gegebenenfalls nach einer Zwischenlagerung folgenden dritten Membranfiltration wird als Permeat eine sterile Zuckerlösung erhalten, die neben Glucose noch weitere Hexosen und Pentosen enthält und zur Nebenstrom- Fermentation geführt wird. Das Retentat aus der Membranfiltration des Nebenstromes enthält die abgetrennten Verzuckerungsenzyme, es wird zentrifugiert, um nicht vergärbare Feststoffe auszuschleusen, und in die Verzuckerungsbehälter zurück geführt.
Die Fermentation der sterilen Zuckerlösung des Nebenstromes erfolgt in geschlossenen Rührbehältern an sich bekannter Bauart, entsprechend denen der
Fermentation des Hauptstromes. Sie sind mit einem Kühlmantel zur Abfuhr der bei der Fermentation entstehenden Wärme sowie mit Anschlüssen zur Reinigung und Sterilisation, zur Zufuhr des Substrates, von Nährlösung, Druckluft, frischer und zurück geführter Hefemilch sowie zur Abführung der vergorenen Maische und des entstehenden Kohlendioxids versehen. Letzteres wird in einer Kolonne mit Wasser gewaschen, bevor es in die Atmosphäre entlassen oder einer weiteren Nutzung zugeführt wird.
Mehrere Fermenter können sowohl in Reihe als auch parallel betrieben werden. Durch eine geeignete Betriebsweise und Selektion der Hefe kann bei einer Temperatur zwischen 28 und 35°C, vorzugsweise bei 32° C gearbeitet werden, mit einer hohen Konzentration der Hefe, vorzugsweise durch den Einsatz flockulierender Hefen und deren Rückführung. Dadurch kann nicht nur die Fermentationszeit verkürzt werden, es wird auch die Bildung primärer und sekundärer Nebenprodukte unterdrückt und eine höhere Ausbeute und Reinheit des Endproduktes erreicht. Bei der Auswahl der Hefen sind solche vorzuziehen, die auch Pentosen zu Alkohol vergären können.
Die Maische wird zentrifugiert, der Klarlauf mit einem Hefegehalt von weniger als 0,5% wird in einer vierten Membranstufe weiter gereinigt, das nur noch aus Wasser, Alkohol und einigen gelösten Mineralien bestehende Permeat in Zwischentanks gelagert und mit der entsprechenden gereinigten Maische des Hauptstromes zur Destillationskolonne geführt. Das Retentat dieser vierten Membranstufe wird zum Eingang der Zentrifuge geführt. Ein Teilstrom der Dickphase aus der Zentrifuge, die Hefemilch, mit einem TS- Gehalt von 18 bis 20% wird zur Abtrennung des Alkohols nach Vorwärmung in einem Vakuumverdampfer bei einer Temperatur von 44 bis 48°C auf einen Restgehalt an Alkohol von weniger als 2% eingedampft, ein zweiter Teilstrom wird direkt in die Nebenstrom-Fermentation zurück geführt. Der Brüden aus der Eindampfung wird verdichtet und beheizt den Vakuumverdampfer, das Kondensat wird mit dem Klarlauf vereinigt. Ein Anteil der eingedampften Dickphase wird mit Wasser verdünnt und als Hefemilch in die Nebenstrom-Fermentation zurückgeführt, der andere Anteil wird mit dem entsprechenden Anteil aus dem Hauptstrom gesondert weiter eingedampft und getrocknet und bildet als Trockenhefe ein weiteres Nebenprodukt. Destillation:
Bei der Destillation oder Rektifikation fällt das Produkt am Kopf der Destillationskolonne dampfförmig an, der Dampf wird im Allgemeinen anschließend kondensiert, ein Teil wird als Rücklauf auf den Kopf der Kolonne gegeben, der andere Teil stellt das gewünschte Produkt dar. Der Wärmeinhalt des Kopfdampfes geht meist verloren, seine Temperatur ist geringer als die am Sumpf der Kolonnen, er kann also nicht direkt zur Beheizung der Kolonnen eingesetzt werden. Dem Fachmann ist bekannt, dass in Sonderfällen der Kopfdampf in einem Brüderverdichter komprimiert werden kann, durch die Kompression steigt sein Druck und seine Temperatur auf ein solches Niveau, dass er nunmehr zur Beheizung des Sumpfes der Kolonne dienen kann.
Hat der Dampf am Kopf der Kolonnen eine annähernd azeotrope Zusammensetzung, so wird er häufig direkt in eine Dampfpermeationsanlage geleitet. Damit der Dampf die für die Dampfpermeationsanlage optimale Temperatur aufweist, wird die Kolonne häufig bei einem höheren Druck als Atmosphärendruck betrieben. Meist liegt gesättigter Dampf vor, bei bestimmten Membranen kann der Dampf auch überhitzt sein. Auch der Produktdampf der Dampfpermeationsanlage hat im Allgemeinen keine ausreichende Temperatur, um den Sumpf der Kolonnen zu beheizen.
Es hat sich nun in überraschender Weise gezeigt, dass auch der Produktdampf der Dampfpermeationsanlage durch einen Brüdenverdichter komprimiert und damit seinen Temperatur auf ein solches Niveau gebracht werden kann, dass der Sumpf der Kolonne mit dem Produktdampf beheizt werden kann. Damit ist es möglich, eine Kombination aus einer Destillations- oder Rektifikationskolonne mit einer nachgeschalteten Dampfpermeation mit einem Minimum an Heizenergie zu betreiben und die sonst im Produktdampf erhaltene Wärme zu nutzen.
Das nachfolgend beschriebene Verfahren zut Entwässerung oder Absolutierung von Ethanol kann auch verwendet werden für die Abtrennung von Wasser aus anderen, mit Wasser Azeotrope bildenden Komponenten. Diese können die höheren Alkohole wie 2-Propanol, Butanol oder die Pentanole sein, aber auch Ketone wie Butanon, Ester wie Ethylester oder Äther sein. Für den Fachmann ist ferner klar, dass auch ternäre oder höhere Azeotrope in gleicher Weise vorteilhaft mit dem Verfahren entwässert werden können. Ferner ist klar, dass beim Einsatz geeigneter Membranen auch rein organische Mischung getrennt werden können, als Beispiele seien die Abtrennung von Methanol aus Gemischen mit seinen Estern oder mit Aceton genannt, oder die Abtrennung von Aromaten wir Benzol aus seinen Gemischen mit aliphatischen Kohlenwasserstoffen.
Die Destillationskolonne wird so betrieben, dass am Kopf ein dampfförmiges Ethanol - Wasser - Gemisch annähernd azeotroper Zusammensetzung anfällt. Es hängt von den Erfordernissen an die Reinheit des entwässerten Ethanois ab, wie weit Verunreinigungen entfernt werden müssen. Soll der produzierte Alkohol z.B. als Kraftstoff eingesetzt werden, so ist es häufig ausreichend, nur auf einen Ethanoigehalt von etwa 85 Gew.% zu destillieren und das restliche Wasser durch die Membraneinheit zu entfernen, andernfalls muss näher an das Azeotrop destilliert werden. Der anfallende Dampf wird in zwei Teilströme aufgeteilt. Ein Teilstrom wird in einem Brüdenverdichter komprimiert und in einem Wärmetauscher, der den Sumpf der Kolonne aufheizt, kondensiert. Das heiße Kondensat wird am Kopf der Kolonne als Rücklauf für die Rektifikation aufgegeben. Der zweite Teilstrom vom Kopf der Kolonne wird in einen Dampfpermeationsanlage geleitet und das Wasser bis zu dem spezifizierten Restgehalt entfernt. Die Betriebsbedingungen der Dampfpermeationsanlage bezüglich Druck und Temperatur sind durch die entsprechenden Betriebsbedingungen vorgegeben, und können über diese in weiten Bereichen gewählt werden. Das entwässerte dampfförmige Produkt wird in einem zweiten Brüdenkompressor verdichtet und beheizt über einen weiteren Wärmetauscher den Sumpf der Kolonne. Der Wärmeinhalt des heißen Kondensats dient zur Vorheizung des Zulaufs zur Kolonne. Auf diese Weise wird die der größte Teil der für den Betrieb der Kolonne benötigte thermische Energie aus dem Kopfdampf der Kolonne zurück gewonnen und genutzt. Ein wesentlicher Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass beide Teilströme getrennt verdichtet und ihre Drücke und Temperaturen getrennt geregelt werden können. Zwar ist es mögliche, den gesamten Dampf am Kopf der Kolonne in einem Brüdenverdichter zu komprimieren und so die für die Beheizung der Kolonne erforderliche Temperatur zu erreichen, und erst danach in einen Teilstrom für den Rücklauf und einen zweiten für die Dampfpermeationsanlage aufzuteilen. Dann muss die Dampfpermeationsanlage aber bei der für die Beheizung des Kolonnensumpfes erforderlichen Temperatur betrieben werden, was die Freiheit zur Wahl der Betriebsbedingungen stark einschränkt. Ferner erfährt der Dampf beim Durchströmen durch die Dampfpermeationsanlage einen gewissen Druckverlust wodurch seine Temperatur von der des Teilstromes für den Rücklauf abweichen wird. Daher ist eine solche Zusammenschaltung von einer Kolonne, einer Dampfpermeation und einer Brüdenverdichtung weniger bevorzugt.
Erfindungsgemäß weist das Gesamt-Verfahren einen Energiebedarf auf, der sich zusammensetzt aus:
1 Energieverbrauch Destillation/Rektifikation/Dehydrierung:
Dampfbedarf: 1590 kg/t Ethanol x 2,10 MJ/kg = 3339 MJ/t Ethanol
Strombedarf: 490 kWh/t Ethanol x 3,6 MJ/kg = 1764 MJ/t Ethanol
Energieverbrauch insgesamt = 5103 MJ/t Ethanol.
2 Energieverbrauch der Nebenproduktproduktion:
Dampfbedarf: 1410 kg/t Ethanol x 2,10 MJ/kg = 2961 MJ/t Ethanol;
Strombedarf: 300 kWh/t Ethanol x 3,6 MJ/kg = 1080 MJ/t Ethanol.
Energieverbrauch insgesamt = 3041 MJ/t Ethanol. 3 Als Energieverbrauch des Gesamtprozess ergibt (3.1 und 3.2) sich somit:
Dampfbedarf von 3000 kg/t Ethanol x 2,02 MJ/kg = 6300 MJ/kg
Stromverbrauch von 790 kWh/t Ethanol x 3,6 MJ/kg = 2844 MJ/kg.
Die Produktion aller Produkte benötigt damit einen Energieverbrauch von 9144 MJ/t Ethanol.
Die Energiebilanz herkömmlicher Verfahren ergibt demgegenüber:
Dampfbedarf für die Destillation/Rektifikation, Absolutierung, Trocknung der Getreideschlämpe,
7000 kg/t Ethanol x 2, 10 MJ/kg = 14700 MJ/t Ethanol,
- Strombedarf für die Destillation/Rektifikation, Absolutierung,
Trocknung der Getreideschlämpe,
330 kWh/t Ethanol x 3,6 MJ/kg = 1188 MJ/t Ethanol,
Dies entspricht einem Gesamtenergieverbrauch von 15888 MJ/t Ethanol.
Es zeigt sich, dass der Erfindung zu Grunde liegendem Verfahren 6744 MJ/t Ethanol weniger Energie verbraucht als die dem Stand der Technik üblichen
Verfahren. Dies entspricht einer Reduzierung des Energieverbrauchs um 43%.
Die Erfindung zur Darstellung von Ethanol aus Getreide benötigt lediglich etwa
57% der Energie, die für die Durchführung herkömmlicher Verfahren zur
Herstellung von Ethanol aus Getreide benötigt werden. Dies belegt die Vorteile der Erfindung des Verfahrens zur Herstellung von Bioethanol, Gluten, Hefe und
Kleie.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von gereinigter Stärke, umfassend die Schritte: i) Mahlen von stärkehaltigem Getreide in einer Luftwirbelmühle zu einem Stärkemehl, so dass 90% der Partikel des Mehls eine Partikelgröße von 150 bis 250 μm besitzen, ii) Abtrennen von Kleie vom Mehl, und anschließend iii) Abtrennen von Proteinen vom Mehl.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , ferner umfassend die Verarbeitung der abgetrennten Proteine zu Gluten.
3. Gereinigte Stärke, herstellbar nach einem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche.
4. Verfahren zur Herstellung von Ethanol, umfassend die Schritte: iv) Bereitstellen gereinigter Stärke nach Anspruch 3, v) Fermentieren der in Schritt iv) bereitgestellten Stärke durch Mikroorganismen zu einer Fermenterbrühe, gegebenenfalls nach
Verflüssigen der Stärke, vi) Herstellen einer Maische durch Abtrennen von Mikroorganismen aus der
Fermenterbrühe, vii) Abtrennen von Ethanol aus der Maische.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ethanol destillativ von der Fermenterbrühe abgetrennt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das abgetrennte Ethanol durch ein Pervaporationverfahren entwässert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, ferner umfassend das Auffangen von bei der Fermentation freigesetztem CO2.
8. Verfahren zum Herstellen einer ersten Zuckerlösung, umfassend die Schritte:
aa) Herstellen oder Bereitstellen einer Stärkemilch,
ab) thermisches Verflüssigen der Stärke der Stärkemilch,
ac) Spalten der Stärke zum Gewinnen Mono-, Di- und/oder Oligosacchariden,
ad) Abtrennen von Fetten, Ölen und Proteinen aus der in Schritt ac) erhaltenen Stärkemilch, und
ae) Gewinnen der ersten Zuckerlösung als Permeat einer ersten Membranfiltration der in Schritt ac) und/oder ad) erhaltenen Stärkemilch.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zuckerlösung stärkefrei ist.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Zuckerlösung einen Anteil von 15 - 25 Gew.-% Glucose enthält.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Retentat-Teilstrom der ersten Membranfiltration der in Schritt ac) zu spaltenden Stärkemilch zum Durchführen von Schritt ac) zugegeben wird.
12. Verfahren zum Herstellen einer zweiten Zuckerlösung, umfassend die Schritte:
ba) Herstellen oder Bereitstellen einer Pentosanfraktion einer Stärkemilch,
bb) optional Aufkonzentrieren der Pentosanfraktion, bc) Spalten von Zellulose und/oder Hemicellulose der Pentosanfraktion, vorzugsweise unter Säurezusatz,
bd) Abtrennen von Fetten, Ölen und Proteinen aus der in bd) erhaltenen Pentosanfraktion, und
be) Gewinnen der zweiten Zuckerlösung als Permeat einer dritten Membranfiltration der in Schritt bc) und/oder bd) erhaltenen Pentosanfraktion.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zuckerlösung stärkefrei ist.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zuckerlösung einen Anteil von 15-25 Gew.-% Glucose enthält.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Retentat-Teilstrom der ersten Membranfiltration der in Schritt bc) zu spaltenden Pentosanfraktion zum Durchführen von Schritt bc) zugegeben wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Stärkemilch in Schritt ac) und/oder der Pentosanfraktion in Schritt bc)
Verzuckerungsenzyme zugesetzt werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen der Stärkemilch in Schritt aa) der Hauptstrom und/oder zum Herstellen einer Pentosanfraktion in Schritt ba) der Nebenstrom einer in einem Dreiphasen-Dekanter gereinigten Stärkemilch verwendet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine gereinigte Stärke nach Anspruch 3 in einem wässrigen Lösungsmittel aufgenommen und anschließend in einem Dreiphasen-Dekanter aufgereinigt wird zum Gewinnen eines Hauptstromes und/oder eines Nebenstromes.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Retentat-Teilstrom der ersten Membranfiltration der in Schritt bc) zu spaltenden Pentosanfraktion zum Durchführen von Schritt bc) zugegeben wird.
20. Zuckerlösung, herstellbar oder hergestellt nach einem der Ansprüche 8 bis 19.
21. Fermentationsverfahren, vorzugsweise zum Herstellen von Ethanol, umfassend die Schritte:
ca) Bereitstellen einer ersten oder zweiten Zuckerlösung nach Anspruch 20,
cb) Durchführen der Fermentation zum Herstellen einer Fermenterbrühe,
cc) Abtrennen von Mikroorganismen aus der Fermenterbrühe zum Herstellen einer Maische,
cd) Reinigen der in Schritt cc) erhaltenen Maische durch Membranfiltration zu einem Permeat.
22. Fermentationsverfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der in Schritt cc) abgetrennten Mikroorganismen der in Schritt ca) bereitgestellten Zuckerlösung zum Durchführen von Schritt cb) zugeführt wird, und ein anderer Teil der in Schritt cc) abgetrennten Mikroorganismen zu einem Mikroorganismen-Trockenprodukt getrocknet werden.
23. Fermentationsverfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Hauptstrom-Fermentationsverfahren eine erste Zuckerlösung nach Anspruch 20 fermentiert wird, in einem Nebenstrom- Fermentationsverfahren eine zweite Zuckerlösung nach Anspruch 20 fermentiert wird, und die jeweils in Schritt cd) erhaltenen Permeate vereinigt werden.
24. Destillationsverfahren, umfassend die Schritte:
da) Durchführen einer Destillation zum Herstellen eines Destillationsproduktdampfes,
db) Komprimieren eines ersten Destillationsproduktdampf-Teilstroms in einem Brüdenverdichter, Betreiben eines Wärmetauschers mit dem komprimierten
Teilstrom zum Gewinnen von Wärme zum Betreiben der Destillation und zum Gewinnen eines Kondensats als Rücklauf für die Destillation, und/oder
de) Aufreinigen eines zweiten Destillationsproduktdampf-Teilstroms in einem Permeations- oder Pervaporationsschritt zum Gewinnen eines gereinigten Destillationsproduktes und eines abgereicherten Destillationsproduktdampf- Teilstroms, wobei der abgereicherte Destillationsproduktdampf-Teilstrom in einem Brüdenverdichter komprimiert und in einem Wärmetauscher zum Gewinnen von Wärme zum Betreiben der Destillation und zum Gewinnen eines Kondensats als Rücklauf für die Destillation eingesetzt wird.
25. Destillationsverfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Destillationsproduktdampf einen Ethanolgehalt von zumindest 80 Gew.-% besitzt.
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