DE102007006483A1

DE102007006483A1 - Verfahren zur Gewinnung eines Wertproduktes, insbesondere Stärke, aus einem Getreidemehl

Info

Publication number: DE102007006483A1
Application number: DE102007006483A
Authority: DE
Inventors: Willi Dr.-Ing. Witt; Joachim Dipl.-Ing. Ringbeck; Conny Dipl.-Ing. Seemann; Dirk Dipl.-Ing. Lang
Original assignee: Westfalia Separator GmbH
Current assignee: GEA Mechanical Equipment GmbH
Priority date: 2007-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2008-08-14
Also published as: EP2120595A1; AU2008212870A1; WO2008095978A1; EA017054B1; US20100173358A1; IL200280A0; CA2680091C; UA100371C2; CA2680091A1; AU2008212870B2; EA200901087A1; CN101641018A

Abstract

Ein Verfahren zur Gewinnung eines Wertproduktes, insbesondere von Stärke und/oder Protein, aus einem Getreidemehl, bei dem i. das Getreidemehl mit Frisch- oder Prozesswasser zu einem Teig vermischt wird, ii. der Teig in wenigstens zwei Fraktionen getrennt wird, insbesondere zentrifugal in eine schwere A-Stärke-Fraktion, in eine Protein- und B-Stärke-Fraktion (Düsen-Phase des Dekanters) und in eine Pentosan-Fraktion, iii. aus wenigstens einer der bei der Trennung des Schrittes ii. erhaltenen Fraktionen Biogas erzeugt wird, das zur Energieerzeugung verwendet wird, und iv. wobei die zur Biogaserzeugung verwendete Fraktion wenigstens einem Liquefactionsschritt (Schritt 505) und einer Phasentrennung (Schritt 506) unterzogen wird, wobei aus der flüssigen Phase der Phasentrennung das Biogas erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines Wertproduktes, insbesondere Stärke und/oder Protein, aus einem Getreidemehl, insbesondere aus Weizenmehl.
Ein Verfahren zur Gewinnung von Stärke aus einem Getreidemehl, insbesondere aus Weizenmehl, ist in 6 dargestellt.
Danach wird das von den Halmen und Spelzen befreite Getreidekorn an eine Mühle geliefert, um dort weiter verarbeitet zu werden (Schritt 100: Mühle/Vermahlung).
In der Mühle wird das Getreide zunächst leicht angefeuchtet (konditioniert), um die äußere Schale des Korns aufzubrechen und die inneren Bestandteile frei zu legen. Die dabei entstehende Kleie (Schale) wird von dem noch groben Mehl und aus dem Prozess siebtechnisch herausgetrennt. Die Kleie kann später den entstandenen Nebenprodukten wie z. B. dem Futtermittel (koaguliertes Protein und Feinfasern) beigemischt werden, oder aber zur Energiegewinnung partiell aufgespalten oder direkt verbrannt werden.
Das Mehl durchläuft anschließend vorzugsweise mehrere Walzenstufen, bis die nötige Feinheit des Mehls erreicht ist – ggf. mit Zwischensiebungen um weitere unerwünschte Bestandteile zu entfernen und die notwendige Granulation und Ausbeute zu gewährleisten. Vor der Verarbeitung des Weizenmehles zu Gluten und Stärke sowie seinen Nebenprodukten wird das Mehl durch eine Lagerung konditioniert. Alternative Maß nahmen für eine Konditionierung sind z. B. eine Belüftung, Fluidisierung oder direkte Anreicherung mit Sauerstoff.
Nach Abschluss der Vermahlung wird das fertige Mehl mit Frisch- oder Prozesswasser in einem Verhältnis von 0,7 bis 1,0 Teilen bezogen auf 1 Teil Mehl zu einer Weizenmehl-Slurry (Teig) angerührt, die frei von trockenen Mehlpartikeln ist. Dem Teig wird im Anschluss daran mechanisch Energie über eine so genannte Hochdruckpumpe oder einen Lochscheibenmischer zugeführt, um die Matrix-Ausbildung, d. h. die Vernetzung und Agglomeration der Proteinfraktionen zu dem eigentlichen Nassgluten, zu unterstützen. Der so vorbehandelte Teig gelangt anschließend in einen mäßig gerührten Tank, in dem eine Verweilzeit von 0 bis 30 Minuten eingestellt wird (Schritt 101: Anteigung).
Im nächsten Prozessschritt wird der Teig erneut mit einer definierten Menge Wasser (Frisch- oder Prozesswasser) im Verhältnis 1 Teil Teig und 0,5 bis 1,5 Teile Wasser unmittelbar vor dem hier als vorteilhaft eingesetzten 3-Phasen-Dekanter in einem so genannten U-Rohr im Gegenstrom verdünnt. Im 3-Phasen-Dekanter (horizontale Zentrifuge) erfolgt dann die Trennung des Teiges unter Einfluss von Zentrifugalkräften mechanisch in drei verschiedene Fraktionen, und zwar die schwere A-Stärke-Fraktion (Unterlauf des Dekanters), in die Protein- und B-Stärke-Phasen (Düsen-Phase des Dekanters) und die Pentosan-Fraktion (Pentosane: Schleimstoffe; Hemicellulosen); (Schritt 102: Phasentrennung, vorzugsweise Dreiphasentrennung). Der Einsatz anderer Trennverfahren, insbesondere anderer Zentrifugen, ist denkbar, auch in Hinsicht auf die Erfindung.
Das Protein des Weizens, auch „Kleber" (Gluten) genannt, stellt aufgrund seiner speziellen Eigenschaften (Viskoelastizität) ein begehrtes Wertprodukt dar, das in der Lebensmittelindustrie (z. B. Bäckereien; Fleisch-/Wurstwaren) der Futtermittelindustrie (z. B. Fischfarmen) und vielen technischen Anwendungen (Klebstoffe, Papierstreichfarben) sehr gut abgesetzt werden kann.
Zur Gewinnung des hochwertigen Proteins durchläuft die Düsen-Phase aus dem Dekanter zunächst eine Siebung (Schritte 201, 202: Siebung), um den Gluten von der B-Stärke zu trennen. In dieser Siebstufe werden die Feinkornstärke (B-Stärke) und Fasern vom Gluten abgetrennt.
Als A-Stärke wird hier insbesondere Stärke mit einem Anteil von weniger als 40% Partikeln einer Korngröße von weniger als 10 μm und als B-Stärke eine granulare Stärke, in deren Fraktion der Anteil der Stärkekörner mit einem Partikeldurchmesser von weniger als 10 μm größer als 60% ist. Das Produkt B-Stärke besteht nicht zwangsweise nur aus derartigen Partikeln sondern kann auch weitere Bestandteile wie z. B. Pentosane zu einem gewissen Anteil enthalten.
Diese Siebung wird vornehmlich in 2 Stufen durchgeführt. Im folgenden Prozessschritt wird der Kleber einer Waschung (Schritt 203: Waschung) unterzogen, um weitere, eingeschlossene „Nichtproteinpartikel" sowie unerwünschte lösliche Bestandteile zu entfernen, bevor er im Anschluss daran entwässert (Schritt 204: Protein-Entwässerung) und getrocknet wird (Schritt 205: Protein-Trocknung).
Die aus der 3-Phasentrennung gewonnene A-Stärke wird – wie das Protein – in einer eigenständigen Linie weiter verarbeitet.
Zunächst erfolgt eine Sicherheits-Siebung (Schritt 301: A-Stärke-Siebung), um kleinste Glutenpartikel zu entfernen und zurück zu gewinnen.
Danach erfolgt eine weitere Siebung (Schritt 302: Fasersiebung), in der die Faserbestandteile von der A-Stärke getrennt werden.
Die A-Stärke wird zur Aufkonzentrierung und Waschung (Schritt 303: A-Stärke-Konzentzrierung) in einen Düsen-Teller-Separator (vertikale Zentrifuge) verbracht.
Im Anschluss an die Aufkonzentrierung erfolgt eine Stärke-Waschung (Schritt 304: A-Stärke-Waschung) mittels einer 5 bis 12 stufigen Hydrozyklon-Anlage oder einer 1 bis 2-stufigen 2- bzw. 3-Phasen-Separatoren-Linie, bevor die Stärke in einem weiteren Prozessschritt (Schritt 305: A-Stärke-Entwässerung) zunächst mittels eines Vakuumfilters, Entwässerungszentrifuge oder Dekanter entwässert und dann getrocknet (Schritt 306: A-Stärke-Trockung) wird.
Die gewaschene Stärke kann auch einer weiteren Behandlung wie z. B. einer chemischen und/oder physikalischen Modifikation vor der Trocknung unterzogen werden (hier nicht dargestellt).
Im Verlauf der Aufkonzentrierung in einem 3-Phasen-Separator (Schritt 303) wird die Stärke in zwei unterschiedliche Fraktionen aufgespalten, in eine schwere, großgranuläre Stärkefraktion (A-Stärke genannt) und eine feinere.
Die Feinkornstärke wird über die mittlere Phase des Separators abgeführt, und zusammen mit der gesiebten Feinkornstärke aus der Proteinsiebung auf einen weiteren Separator gefahren (Schritt 402: Recovery-Separator). In diesem Separator wird die eventuell klassierte granuläre, großkörnige A-Stärke zurückgewonnen und der A-Stärke-Linie wieder zugefünhrt, während die wiederum in der Mittelphase ausgetragene granuläre kleinkörnige B-Stärke in einer „B-Stärke"-Linie weiter verarbeitet wird.
Die so abgetrennte B-Stärke wird in dieser Prozessführung als ein weiteres Nebenprodukt gewonnen, in dem sie zunächst mittels eines Dekanters entwässert (Schritt 403: B-Stärke-Entwässerung) und im Anschluss daran getrocknet wird (Schritt 404: B-Stärke-Trockung).
Der Überschuss des Prozesswassers, insbesondere aus dem Schritt 402: Stärke-Recovery bzw. -Rückgewinnung) sowie ggf weiterer Prozesswasserüberschuss aus den anderen Verfahrensschritten wird vorzugsweise zusammengeführt (Schritt 501: Prozesswasseraufbereitung).
Sodann wird mittels einer Phasentrennung (Schritt 502: 2-Phasentrennung) Flüssigkeit von im Prozesswasser verbliebenen Feststoffen getrennt, die z. B. getrocknet und als Futtermittel verwendet werden können (Schritt 504: Futtermittel: Trocknung).
Die mit dem Oberlauf ausgetragenen gelösten und flüssigen Bestandteile können in eine Eindampfanlage (Schritt 503: Eindampfung) gefahren werden, in welcher der Flüssigkeitsstrom weiter aufkonzentriert wird, bevor eine weitere Aufbereitung z. B. in einer biologischen Abwasserbehandlung erfolgt. Das verbliebene Konzentrat der Eindampfanlage wird mit der Kleie aus der Vermahlung gemischt und zusammen mit dem Konzentrat aus der 2-Phasentrennung gemischt und getrocknet (Schritt 504).
Im Prozessschritt der Phasentrennung 502 sind vorzugsweise Dekanter, selbstklärende Separatoren oder 3-Phasen-Separatoren einsetzbar.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, dieses bekannte Verfahren derart weiter zu entwickeln, dass seine Wirtschaftlichkeit erhöht wird.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Gewinnung eines Wertproduktes, insbesondere von Stärke und/oder Protein, aus einem Getreidemehl, bei dem i. das Getreidemehl mit Frisch- oder Prozesswasser zu einem Teig vermischt wird, ii. der Teig in wenigstens zwei Fraktionen getrennt wird, insbesondere zentrifugal in eine schwere A-Stärke-Fraktion, in eine Protein- und B-Stärke-Fraktion (Düsen-Phase des Dekanters) und in eine Pentosan-Fraktion, iii. wobei aus wenigstens einer der bei der Trennung des Schrittes ii. erhaltenen Fraktionen Biogas erzeugt wird, das zur Energieerzeugung verwendet wird, und iv. die zur Biogaserzeugung verwendete Fraktion wenigstens einem Liquefactionsschritt (Schritt 505) und einer Phasentrennung (Schritt 506) unterzogen wird, wobei aus der flüssigen Phase der Phasentrennung das Biogas erzeugt wird.
Nach einer bevorzugten Variante wird die Proteinphase in Verfahrensschritten zur Proteinverarbeitung zu einem Proteinprodukt weiterverarbeitet, die A-Stärke-Fraktion zu einem A-Stärkeprodukt weiterverarbeitet und aus der B-Stärke wird Biogas erzeugt.
Ergänzend ist es zweckmäßig, wenn die B-Stärke mit Kleie und der Pentosanfraktion aus der Dreiphasentrennung (Schritt 102) zu Biogas verarbeitet wird.
Vorteilhaft erfolgt eine Einbeziehung der Liquefaction und einer Phasentrennung in einen Prozess einer Biogasanlage, sowie die Gewinnung von Energie direkt aus den bei der Stärkeherstellung natürlichen anfallenden Poly- und Oligosacchariden.
Ein Unterschied zu einer „herkömmlichen" Biogasanlage liegt in der vorhergehenden Wärme- und enzymatischen Behandlung, sowie der nachfolgenden Abtrennung der mikrobiologisch sehr schwer verwertbaren Substanzen (z. B. Proteine, Phospholipoproteine, Cellulosen).
Insgesamt wird eine niedrige Zeit bis zum Abschluss der Biogaserzeugung erreichbar. Durch die „Spaltung" in niedermolekulare Zucker werden diese den Säure- und Essigsäure-Bildenden Bakterien leicht zugänglich gemacht, d. h. diese können das angebotene Substrat schnell verstoffwechseln.
Dadurch sind die benötigten Verweilzeiten bezogen auf die Beladung in den Reaktoren niedrig und sie bedürfen dadurch nur einer relativ kleinen Bauweise. Hinsichtlich der COD-Frachten wird ein guter, hoher Wert erreicht. Derart wird in einfacher Weise eine wirtschaftlich und technisch beherrschbare und sinnvolle Verarbeitung einer oder mehrerer Phasen bzw. Fraktionen aus dem Stärkeherstellungsprozess zu Biogas möglich.
Ein besonderer Vorteil ist die derart erfolgende Verwendung von Nebenprodukten aus der Protein- und Stärkegewinnung zur direkten Erzeugung von Energie. Bislang werden alle Produkte entweder direkt vertrieben oder in andere Produkte umgewandelt (Modifizierung, Verzuckerung, Ethanol-Gewinnung). Die gewonnene Energie kann wiederum direkt wieder in die Anlage zurückgeführt werden, zum einen als elektrische und/oder zum anderen als thermische Energie (Blockheizkraftwerk, Gasmotor, Gasturbine).
Das aus der Methanstufe ablaufende Wasser kann vorteilhaft in einem nachfolgenden Membransystem aufbereitet werden. Dabei werden die Membranen gering belastet und es ergeben sich hohe Fluxraten. Das aus der Membrananlage gewonnene Permeat kann als Prozesswasser wieder in die Anlage zurückgeführt werden.
Zum Hintergrund von Biogasanlagen sei auf „Konstandt, H. G." (1976). Engineering, Operation and economics of methane gas fermentation, Göttingen: Seminar: Microbiol. Energy Conservation und auf „Kleemann, M. & Meliß, M." (1993), Regenerative Energiequellen, Zweite, völlig neu bearbeitete Auflage. Berlin: Springer, verwiesen, die auch beispielhaft in Hinsicht auf Zahlenangaben der Beschreibung heranzuziehen sind.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1–5 Verfahrensschemata verschiedener Varianten eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
6 ein Verfahren nach dem Stand der Technik.
Analog zu 6 kann zunächst die Verarbeitung des Getreides bzw. des daraus erzeugten Mehles in den Schritten 100 bis 102, 201 bis 205 und 301 bis 306 nach Art der 6 bzw. in den bereits beschriebenen Prozessschritten erfolgen.
Im Gegensatz zu 6 wird die B-Stärke aber nach den Verfahrenvarianten der 2 bis 6 in dieser Prozessführung nicht direkt als Produkt gewonnen, sondern vorzugsweise gemeinsam mit den Stoffströmen aus der 3-Phasentrennung des Schrittes 102 (Pentosane), der Fasersiebung (Schritte 302 und ggf. 401) A- und ggf. B-Stärke Fasersiebung) dem überschüssigen Prozesswasser (Schritt 501: Prozesswassersammlung/ aufbereitung) und der Kleie aus der Vermahlung des Schrittes 100 zusammengeführt und als Gemisch einer so genannten Liquefaction bzw. Verflüssigung (Schritt 505) unterzogen.
In der Liquefaction (Schritt 505) werden – wie in 1 beispielhaft dargestellt – verschiedene Stoffströme aus dem Prozess zusammengeführt.
Dabei handelt es sich vorzugsweise um die Pentosanfraktion aus dem Schritt 102 und den Überschuss des Prozesswassers, insbesondere aus dem Schritt 402: Stärke-Recovery bzw. -Rückgewinnung sowie ggf weiteren Prozesswasserüberschuss aus anderen Verfahrensschritten.
In der Liquefaction 505 werden die Inhaltsstoffe der in die Liquefaction gegebenen Ströme einer enzymatischen sowie einer thermischen Behandlung unterzogen, um die verbliebenen makromolekularen Kohlenstoffverbindungen (z. B. Stärke, Cellulosen, Hemicellulosen) in kleinere Einheiten aufzuspalten und das verbliebene Eiweiß zu koagulieren und auszufällen.
Für die Aufspaltung der makromolekularen Kohlenhydrate und der anschließenden Verzuckerung werden verschiedene Enzyme (z. B. Cellulasen (Genencor 220); und SPEZYME FRED (Genencor)) hinzugegeben, die bei verschiedenen Temperaturstufen (I: 40°C–60°C, insbesondere 45°C–55°C, beispielsweise 50°C und II: 80°C bis 95°C, insbesondere 85°C bis 95°C, beispielsweise 90°C) wirksam werden. Bei dieser stufenweisen Temperaturbehandlung werden parallel die Eiweiße denaturiert und fallen zusammen mit den Feinfasern und Phospholipoproteinen als so genanntes Eiweiß-Koagulat aus.
Zusammen mit diesem Koagulat werden auch Phosphor-, Schwefel- und Stickstoffverbindungen ausgefüllt, die sich mikrobiologisch nur schwer und über einen längeren Zeitraum abbauen lassen. Die Abtrennung dieser Stoffe ist vorteilhaft für eine gute Effizienz der Biogasanlage, ebenso wie die Aufspaltung von Poly- und Oligosacchariden in niedermolekulare Verbindungen.
Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der guten Aufbereitung des verbleibenden Abwassers aus dem Methanreaktor zu Prozesswasser in einer Membranfiltrationsanlage, da die Verstopfungsgefahr der Membrane eher geringer ist.
In dem nachfolgenden Prozessschritt der Phasentrennung (Schritt 506: Phasentrennung) (Dekanter, selbstklärender Separator oder 3-Phasen-Separator) werden dann die so gefällten festen Bestandteile von der flüssigen Phase getrennt.
Bei den Feststoffen handelt es sich dabei um die restlichen festen Bestandteile, die durch die Enzyme und Hitze nicht beeinflusst werden konnten, sowie die koagulierten Proteine und Phospholipoproteine (Eiweiß-Koagulat).
Diese entwässerte Masse kann als Futtermittel, Düngungs- oder Verbrennungsmaterial weiter verwertet werden (Schritt 507).
Gleichzeitig wird hierdurch der Gehalt an P-, N- und S-Verbindungen in der verzuckerten Lösung erheblich reduziert, was in vorteilhafter Weise eine spätere anaerobe Behandlung wesentlich verbessert.
Die gelösten, niedermolekularen Zucker aus der mechanischen Trennung werden in einen Versäuerungs-Reaktor verbracht, in dem sie mikrobiologisch zu verschiedenen Kohlenstoffsäuren und Alkoholen verstoffwechselt werden. Die Umsetzung dieses Vorganges erfolgt z. B. durch fermentative Mikroorganismen der Gattungen Pseudomonas, Clostridium, Lactobacillus und Bacteroides. Die Verweilzeit in diesem Prozessschritt (Schritt 601: Acidogenese) kann bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel) ungefähr mit 2 Tagen angenommen werden.
Die in der Acidogenese entstehenden Stoffwechselprodukte aus der Versäuerungsstufe werden anschließend in einem zweiten Reaktor, dem so genannten Methanreaktor, ebenfalls mikrobiologisch zu Essigsäure umgewandelt, wobei in diesem Schritt z. B. der Mikroorganismus Syntrophomonas wolfei beteiligt ist (Schritt 602: Acetogenese; Methanogenese).
Die gewonnene Essigsäure wird dann anaerob von Methanbildnern (z. B. Methanobacterium bryantii) zu Methan und Kohlenstoffdioxid verstoffwechselt. Die Dauer dieses Prozessschrittes bzw. die Verweilzeit beträgt ungefähr 10 Tage, wobei der Reaktor eine COD-Beladung von ca. 15–25 kg/m³ zu bewältigen hat.
Das so gewonnene Gasgemisch (Biogas) wird aufgefangen und vorzugsweise in einem Blockheizkraftwerk (Schritte 603 Blockheizkraftwerk BHKW; Energieerzeugung 604) in Energie, vorzugsweise in thermische und elektrische Energie, z. B. mittels einer Gasturbine oder eines Gasmotors umgewandelt.
Bei der anaeroben Fermentation der Substrate im Methanreaktor verbleiben noch geringfügig Reststoffe und Flüssigkeit, die aus dem Reaktor wieder abgeführt werden müssen. Um das verbliebene Wasser aus der Fermentation wieder nutzbar zu machen, wird es in einer Membrananlage (Schritt 701: Membranfiltration) aufbereitet. Diese Anlage kann sich aus einer oder mehreren, so zwei oder drei Stufen zusammensetzen.
So könnte mit nur einer einzigen Membranstufe (Umkehrosmose) gearbeitet werden.
Wird mit zwei Membranstufen gearbeitet, können in einer ersten Stufe (Mikro-/Ultrafiltration) beispielsweise zunächst Partikel beispielsweise mit einem Durchmesser > 1 μm abgetrennt werden. Das so gewonnene Permeat wird dann in der 2. Stufe durch eine Umkehrosmose weitestgehend entmineralisiert, damit es wieder als Prozesswasser eingesetzt werden kann.
Wird mit drei Membranstufen gearbeitet, können in einer ersten Stufe (Mikro-/Ultrafiltration) beispielsweise zunächst Partikel beispielsweise mit einem Durchmesser > 1 μm abgetrennt werden. Als zweite Stufe wäre in Hinsicht auf das Permeat der ersten Stufe eine Stufe der Niederdruckumkehrosmose mit dem Vorteil eines eher niedrigen Energieverbrauchs und als dritte Stufe eine Hochdruckumkehrosmose denkbar.
Die verbliebenen Retentate (Schritt 702: Retentat) aus den Aufreinigungsstufen können aufgrund des angereicherten Mineral- und Nährstoffgehaltes ggf. als Dünger verkauft werden.
Das Permeat ist wieder als Prozesswasser einsetzbar und kann z. B. in die Prozesswasseraufbereitung bzw. -sammlung zurückgeleitet werden.
In den 2 bis 5 sind weitere Möglichkeiten der Prozessführung zur Gewinnung der Energieträger, der Nebenproduktverwertung (Futtermittel, Quellstärke) sowie einer angehängten Prozesswassergewinnung dargestellt.
2 zeigt eine veränderte Prozessführung auf, in der der Anlagenteil des Schrittes 401 für die B-Stärke-Fasersiebung aus dem Prozess entfernt ist, da die Fasern im späteren Verfahren diesem Produktstrom wieder zugeführt werden. Aus dieser Fahrweise ergibt sich, dass die rückgewonnene Stärke aus dem Recovery-Separator (Schritt 402) wieder vor die Fasersiebung des Schrittes 302 der A-Stärke geleitet werden muss, um die A-Stärke von den Fasern wiederum zu trennen.
3 beschreibt die alternative Verwendung des aus Variante B gewonnenen Futtermittels (Schritt 507). Anstatt diese restlichen Bestandteile als Futtermittel zu verwenden, besteht die Möglichkeit diese Stoffe (Proteine, Restfasern, etc.) ebenfalls in einer getrennten Biogasanlage in den Schritten „Acidogenese" (Schritt 601') und Acetogenese (Schritt 602') vorzugsweise parallel zu den Schritten 601 und 602 zu Methan zu fermentieren, um die Energieausbeute zu steigern.
Eine weitere Möglichkeit stellt 4 dar. Um die Effektivität aufgrund der Spezifität der Enzyme zu erhöhen, werden die Pentosane und die Kleie in eine getrennte Liquefaction (Schritt 505': Verflüssigung bzw. Liquefaction II) gefahren, wo spezielle Pentanasen und Cellulasen zum Einsatz kommen.
Die Feinkornstärke und Feinfasern aus dem Recovery-Separator, der Fasersiebung und der Prozesswasseraufbereitung werden ebenfalls in eine eigene Liquefaction gefahren (Schritt 505: Verflüssigung bzw. Liquefaction I).
Die Ströme aus der getrennten Liquefaction (Schritte 505 und 505') werden vor der mechanischen Trennung des Schrittes 506 wieder zusammengeführt.
Ferner ist als eine weitere Alternative die Prozessvariante der 5 anzuführen. Bei der Prozessführung dieser Variante wird auf einen Teil der Energiegewinnung zugunsten eines weiteren Produktes verzichtet.
Im Gegensatz zu den vorangegangenen Varianten wird die im Prozessverlauf anfallende B-Stärke nicht als Energieträger in der Gasfermentation eingesetzt, sondern als ein Wertprodukt (z. B. Quellstärke) gewonnen.
Nachfolgend sei beispielhaft die Energiebilanz des erfindungsgemäßen Verfahrens betrachtet.
Zur theoretischen Betrachtung der Gasausbeute und der daraus gewinnbaren Energie dient folgende Reaktionsgleichung als Ausgangsbasis (vereinfacht): 2C₆H₁₂O₆ → 6CH₄ + 6CO₂

Molare Masse Glucose 180 g/mol für Saccharose entsprechend 360 g/mol

Molare Masse Methan 16 g/mol

Spez. Enthalpie Methan 802 KJ/mol
Aus einem Kilogramm Stärke erhält man somit ca. 0,2667 Kg Methan.
Diese Menge Methan hat einen Energiewert von 13,4 MJ.
Pro Tonne Stärke kann somit eine Energiemenge von 13,4 GJ gewonnen werden.
Eine mittelgroße Weizenstärkeanlage verarbeitet ca. 10 Tonnen Mehl pro Stunde, was ungefähr einer Getreidemenge von 12,5 t/h entspricht. Für die Energiegewinnung fallen daraus ca. 2900 Kg nutzbare Kohlenhydrate an. Eine Anlage mit dieser Verarbeitungsleistung kann somit theoretisch in einer Stunde rund 10,8 MWh Energie erzeugen.
Der geschätzte Energiebedarf einer solchen Anlage (ohne B-Stärke-Trocknung, Fasertrocknung und Eindampfanlage) beträgt ungefähr 307,5 KWh/t Mehl elektrisch und 2,2 GJ/t Mehl thermisch (Dampf).
Geht man bei der Umsetzung von Methangas in elektrische Energie von einem realistischen Wirkungsgrad von n = 0,3 aus, so können aus dem aus der Stärke gewonnenen Gas 326 KWh elektrische Energie pro Tonne Mehl gewonnen werden.
Geht man ferner davon aus, dass durch eine Kraft-Wärme-Kopplung die verlorene Energie bei der Stromerzeugung in Wärme und letztlich in Dampf umgesetzt werden kann, stehen für die Dampferzeugung noch 2,74 GJ/t Mehl an Energie zur Verfügung. Mit einem Wirkungsgrad von η = 0,88 ergibt sich somit eine Energiemenge von 2,4 GJ die in die Dampferzeugung einfließen kann.
Es ist ersichtlich, dass die benötigte Energie für den Betrieb der Anlage aus der gewonnenen Energie der Biogasproduktion abgedeckt wird und diese somit energieautark betrieben werden könnte.
Zum Vergleich sind in der Literatur folgende Werte für die Gas-Ausbeute aus Biogasanlagen zu finden:

Aus Kohlenhydraten 790 Ln Biogas/Kg TS mit einem Methananteil von 50%

Energiegehalt Biogas ca. 5 KWh/Nm³ (Erdgas: ca. 10 KWh/Nm³)
Somit erhält man aus 290 kg Kohlenhydraten/t Mehl ungefähr eine Energiemenge von 1145,5 KWh/t Mehl, bei einer Anlagenleistung von 10 t/h entsprechend 11,45 MWh.

Ln:: Norm-Liter
Nm³:: Norm-Kubikmeter
TS:: Trockensubstanz

Claims

Verfahren zur Gewinnung eines Wertproduktes, insbesondere von Stärke und/oder Protein, aus einem Getreidemehl, bei dem i. das Getreidemehl mit Frisch- oder Prozesswasser zu einem Teig vermischt wird, ii. der Teig in wenigstens zwei Fraktionen getrennt wird, insbesondere zentrifugal in eine schwere A-Stärke-Fraktion, in eine Protein- und B-Stärke-Fraktion (Düsen-Phase des Dekanters) und in eine Pentosan-Fraktion, dadurch gekennzeichnet, dass iii. aus wenigstens einer der bei der Trennung des Schrittes ii. erhaltenen Fraktionen Biogas erzeugt wird, das zur Energieerzeugung verwendet wird, und iv. wobei die zur Biogaserzeugung verwendete Fraktion wenigstens einem Liquefactionsschritt (Schritt 505) und einer Phasentrennung (Schritt 506) unterzogen wird, wobei aus der flüssigen Phase der Phasentrennung (Schritt 506) das Biogas erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die i. Proteinfraktion in Verfahrensschritten zur Proteinverarbeitung zu einem Proteinprodukt weiterverarbeitet wird ii. die A-Stärke-Fraktion zu einem A-Stärkeprodukt weiterverarbeitet wird und iii. aus wenigstens einer oder beiden Fraktionen der B-Stärke-Fraktion und der Pentosanfraktionen das Biogas erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die B-Stärke mit Kleie und der Pentosanfraktion aus der Dreiphasentrennung (Schritt 102) zu Biogas verarbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Liquefaction (Schritt 505) verschiedene Stoffströme aus dem Verfahren in einer Prozesswasseraufbereitung (Schritt 501) zusammengeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Prozesswasseraufbereitung (Schritt 501) die Pentosanfraktion (Schritt 102), der Überschuss des Prozesswassers aus Schritt 402 (Schritt 402: Stärke-Recovery bzw. -Rückgewinnung) sowie ggf weiterer Prozesswasserüberschuss aus anderen Verfahrensschritten zusammengeführt werden.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch, aus welchem das Biogas erzeugt werden soll, insbesondere das zusammengeführte Gemisch aus Anspruch 4 oder 5, in dem Liquefactionsschritt (Schritt 505) einer enzymatischen und thermischen Behandlung unterzogen wird, um Proteine zu koagulieren und um makromolekulare Kohlenstoffverbindungen (Stärke, Cellulosen, Hemicellulosen) in kleinere Einheiten (z. B. Glucose, Maltose, Fructose) aufzuspalten.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Aufspaltung makromolekularer Kohlenhydrate und eine anschließende Verzuckerung vorzugsweise verschiedene Enzyme (z. B. Cellulasen (Genencor 220); und SPEZYME FRED (Genencor)) den Strömen in der Liquefaction hinzugegeben werden, die bei verschiedenen Temperaturstufen wirksam werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Enzyme den Strömen in der Liquefaction hinzugegeben werden, die bei verschiedenen Temperaturstufen I von 40°–60°C, insbesondere 45° bis 55°C, beispielsweise 50°C und II von 80°C bis 95°C, insbesondere 85°C bis 95°C, beispielsweise 90°C wirksam werden, so dass bei der stufenweisen Temperaturbehandlung parallel Eiweiße denaturiert werden, die zusammen mit den Feinfasern und Phospholi poproteinen als so genanntes Eiweiß-Koagulat ausgefällt werden und dass zusammen mit diesem Koagulat auch Phosphor-, Schwefel- und Stickstoffverbindungen ausgefällt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem der Liquefaction folgenden Prozessschritt der Phasentrennung (Schritt 506: Phasentrennung) (Dekanter, selbstklärender Separator oder 3-Phasen-Separator) die in der Liquefaction gefällten festen Bestandteile von der flüssigen Phase getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die entwässerte Masse aus der Phasentrennung (506) als Futtermittel, Düngungs- oder Verbrennungsmaterial verwertet wird (Schritt 507).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasentrennung (Schritt 506) in einem Dekanter, einem selbstklärenden Separator, in einem 3-Phasen-Separator oder mittels einer Filtration erfolgt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gelöste Stoffe, insbesondere niedermolekulare Zucker, aus der Phasentrennung (Schrittes 506) einer Acidogenese (Schritt 507) unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die gelösten Stoffe, insbesondere die niedermolekularen Zucker, bei der Acidogenese (Schritt 507) in einen Versäuerungs-Reaktor verbracht werden, in dem sie mikrobiologisch zu verschiedenen Kohlenstoffsäuren und Alkoholen verstoffwechselt werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit in der Acidogenese (Schritt 507) weniger als 4 Tage, vorzugsweise 2 Tage, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Acidogenese (Schritt 507) entstehenden Stoffwechselprodukte aus der Versäuerungsstufe anschließend in einem zweiten Reaktor, dem so genannten Methanreaktor, mikrobiologisch zu Essigsäure umgewandelt werden (Schritt 602: Acetogenese; Methanogenese) und dass die gewonnene Essigsäure vorzugsweise dann anaerob von Methanbildnern (z. B. Methanobacterium bryantii) zu Methan und Kohlenstoffdioxid verstoffwechselt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Prozessschrittes (507) bzw. die Verweilzeit weniger als 14 Tage, vorzugsweise 10 Tage, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor eine COD-Beladung von ca. 15–25 kg/m³ zu bewältigen hat.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gewonnene Gasgemisch (Biogas) aufgefangen und vorzugsweise in einem Blockheizkraftwerk (Schritte 603 Blockheizkraftwerk BHKW; Energieerzeugung 604) in Energie, vorzugsweise in thermische und/oder elektrische Energie, z. B. mittels einer Gasturbine oder eines Gasmotors umgewandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Flüssigkeit aus dem Reaktor in einer wenigstens einstufigen Membrananlage einer Filtration unterzogen wird (Schritt 701: Membranfiltration).
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Stufe Partikel mit einem größeren Durchmesser abgetrennt werden und dass das so gewonnene Permeat in der 2. Stufe durch eine Umkehrosmose so entmineralisiert, dass es wieder als Prozesswasser eingesetzt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Stufe Partikel mit einem größeren Durchmesser abgetrennt werden und dass das so gewonnene Permeat in der 2. Stufe einer Niederdruckumkehrosmose in einer dritten Stufe einer Hochdruckumkehrosmose unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 19, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Permeat in die Prozesswasseraufbereitung (501) zurückgeleitet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pentosane und die Kleie in einer ersten Liquefaction (Schritt 505': Verflüssigung bzw. Liquefaction II) und Feinkornstärke und Feinfasern in einer separaten Liquefaction in getrennten Strömen verarbeitet werden (Schritt 505: Verflüssigung bzw. Liquefaction I).
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ströme aus der getrennten Liquefaction (Schritte 505 und 505') vor der Phasentrennung (Schritt 506) wieder zusammengeführt werden.