DE102009000815A1

DE102009000815A1 - Verfahren zur Abtrennung flüchtiger Verbindungen

Info

Publication number: DE102009000815A1
Application number: DE102009000815A
Authority: DE
Inventors: Erik Franz Dipl.-Ing. Tusel
Original assignee: ACS AGROCHEMISCHE SYSTEME GmbH
Current assignee: ACS AGROCHEMISCHE SYSTEME GmbH
Priority date: 2009-02-12
Filing date: 2009-02-12
Publication date: 2010-08-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von flüchtigen Verbindungen aus feststoffhaltigen vergorenen Gemischen. Es zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein mindestens eine flüchtige Verbindung enthaltendes Gemisch insgesamt einem Trockner zugeführt wird, getrocknet wird und ein wenigstens eine flüchtige Verbindung enthaltender Brüden aus dem Trockner abgezogen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Abtrennung flüchtiger Verbindungen aus vergorenen Maischen mit hoher Ausbeute bei zugleich vermindertem Energiebedarf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von flüchtigen Verbindungen aus feststoffhaltigen Flüssigkeiten und insbesondere ein Verfahren zur Abtrennung von flüchtigen Verbindungen aus feststoffhaltigen vergorenen Maischen.
Zur Gewinnung von flüchtigen Verbindungen aus erneuerbaren Rohstoffen werden unterschiedliche zucker- oder kohlehydrathaltige Rohstoffe eingesetzt. Zuckerhaltige Rohstoffe wie verdünnte Melasse oder Zuckerrübensaft können direkt vergoren werden. Andere Kohlehydrate, insbesondere Stärke, werden in bekannte Verfahren in vergärbare Zucker, bevorzugt Glukose und Fructose, umgewandelt. Die zuckerhaltigen Substrate werden danach in wässriger Lösung durch geeignete Mikroorganismen, wie Hefen oder Bakterien, zu flüchtigen Verbindungen, wie z. B. Ethanol, Butanol und Aceton fermentiert. Je nach Gehalt an vergärbaren Substanzen in den verwendeten Substraten beträgt die Konzentrationen an flüchtigen Verbindungen, z. B. Ethanol, in den vergorenen Maischen zwischen 5 bis 14%, dem Fachmann sind auch Verfahren und Substrate bekannt, durch die Maischen mit niedrigeren und höheren Gehalten an flüchtigen Verbindungen erzeugt werden.
Bei der Herstellung und Aufbereitung der Rohstoffe werden aber nicht nur Zucker in die zu fermentierenden Substrate eingebracht und in ihnen gebildet, mit und aus den Rohstoffen werden auch gelöste und ungelöste Feststoffe unterschiedlicher Natur und Herkunft eingetragen, die dann in der vergorenen Maische enthalten sind. Zwar können durch dem Fachmann bekannte Maßnahmen alle ungelösten Feststoffe vollständig und die unerwünschten gelösten Feststoffe weitgehend vor der Fermentation aus dem Substrat entfernt werden, so dass nach der Fermentation nur noch die die flüchtige Verbindung bildenden Mikroorganismen abgetrennt werden müssen, um eine weitgehend reine Mischung von Wasser und einer flüchtigen Verbindung zu erhalten, eine solche Abtrennung von ungelösten und gelösten Feststoffen aus den Substraten erfordert aber zusätzliche Investitionen und einen vermehrten Einsatz an Energie.
Nach dem Stand der Technik wird die durch die Fermentation erzeugte flüchtige Verbindung destillativ aus der Maische abgetrennt.
Besonders in älteren Anlagen werden nach dem Stand der Technik werden die zur fermentativen Herstellung von flüchtigen Verbindungen, z. B. Ethanol, benutzten stärkehaltige Rohstoffe wie Mais, Weizen, Roggen oder andere Getreidearten oder Knollenfrüchte wie Kartoffeln oder Maniok (Cassava) durch Hammer- oder Walzenmühlen zerkleinert. Das gesamte Mahlgut wird ohne weitere Reinigung oder Abtrennung von Begleitstoffen mit Wasser angeteigt, die darin enthaltene Stärke wird verflüssigt, verzuckert und vergoren. In der vergorenen Maische sind dann auch alle nicht vergärbaren Substanzen aus dem Rohmaterial enthalten, insbesondere Salze, Fette, Proteine, Cellulose und andere nicht vergärbare Kohlehydrate, und die zur Vergärung eingesetzten Mikroorganismen sowie deren Folge- und Zersetzungsprodukte. Werden zuckerhaltige Säfte aus Zuckerrohr oder Zuckerrüben oder verdünnte Melasse fermentiert, so enthalten auch diese Substarte und damit die vergorenen Maischen in entsprechender Zusammensetzung nicht fermentierbare gelöste und ungelöste Stoffe.
Die flüchtige Verbindung wird aus der vergorene Maische nach dem Stand der Technik in einer ersten Destillationskolonne, der so genannten Maischekolonne, die direkt oder indirekt beheizt wird, ausgetrieben, das am Kopf der Maischekolonne anfallende dampfförmige Gemisch aus Wasser und der flüchtigen Verbindung wird danach in einer oder mehreren nachfolgenden Kolonnen weiter gereinigt und auf die gewünschte Endkonzentration gebracht. Im Sumpf der Maische kolonne wird eine weitgehend von Ethanol befreite, wässrige Mischung erhalten, die alle gelösten und ungelösten nichtflüchtigen Stoffe enthält. Diese so genannte Schlempe stellt ein hoch belastetes Abwasser dar und muss noch weiter aufgearbeitet oder gereinigt werden.
Je nach Natur der eingesetzten Rohstoffe und der Vorreinigung des Substrates bilden sich an den Wänden und den Einbauten (Böden) in der Maischekolonne bei der Abtrennung der flüchtigen Verbindung, z. B. Ethanol, von der Schlempe Verschmutzungen und Ablagerungen. Diese treten verstärkt auf, wenn stärkehaltige Rohstoffe, wie oben beschrieben, ohne weitere Vorreinigung verarbeitet werden. Organische und anorganische Feststoffe können sich an den Einbauten und auf den Böden der Kolonne absetzten, durch die erhöhte Temperatur kann es zu Ausfällungen kommen, so dass die Einbauten der Kolonnen verkrusten und die Passagen für Dampf und Flüssigkeit so weit behindert werden, dass die Trennleistung der Kolonne erheblich vermindert ist. In diesem Fall muss der Produktionsprozeß unterbrochen und die Kolonne gereinigt werden, mit den damit verbundenen direkten Kosten und einem Ausfall an Produktion. Die angeführten Ausfällungen und Verkrustungen treten verstärkt bei höheren Betriebstemperaturen der Kolonne auf, daher werden Maischekolonnen häufig bei niedrigeren Temperaturen, teilweise auch unter Unterdruck, betrieben. Eine thermischen Kopplung der verschiedenen Destillationskolonnen und eine Rückgewinnung und Mehrfachnutzung der thermischen Energie, die wünschenswert wäre, ist dadurch erschwert oder unmöglich.
Nach dem Stand der Technik finden sich unterschiedliche Ansätze um die Nachteile des Einsatzes einer Maischekolonne zu vermeiden. So wird daher häufig vor einer Destillation die vergorene Maische in einer Zentrifuge in einen weitgehend feststofffreien Klarlauf und in eine Dickphase, die alle Feststoffe und Hefe enthält, aufgetrennt. Ein solches Verfahren ist z. B. in der DE 37 33 748 A1 beschrieben.
Somit ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zur Abtrennung flüchtiger Verbindungen aus feststoffhaltigen Gemischen, z. B. von Ethanol aus vergorener Maische, zur Verfügung zu stellen, welches effizient und energiesparend arbeitet.
Gelöst wird diese Aufgabe mittels eines Verfahrens, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens ein mindestens eine flüchtige Verbindung enthaltendes feststoffhaltiges Gemisch insgesamt einem Trockner zugeführt wird, getrocknet wird, und ein wenigstens eine flüchtige Verbindung enthaltender Brüden aus dem Trockner abgezogen wird.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung baut auf den Merkmalen des Standes der Technik dadurch auf, dass wenigstens ein feststoffhaltiges, eine flüchtige Verbindung enthaltenes Gemisch, z. B. eine Ethanol enthaltende vergorene Maische, einem Trockner zugeführt wird, getrocknet wird, und ein wenigstens eine flüchtige Verbindung enthaltender Brüden aus dem Trockner abgezogen wird. Dabei wird der Brüden verstanden als ein mindestens die flüchtige Verbindung und Wasserdampf enthaltendes Dampfgemisch, das auch Luft enthalten kann, wie es beispielsweise beim Trocknen von Feststoffen oder Verdampfen von Flüssigkeiten entsteht; andere Ausdrücke für Brüden sind Wrasen oder Brodem. Somit baut das Verfahren auf den Merkmalen des Standes der Technik dadurch auf, dass wenigstens eine vergorene feststoffhaltige Maische einem Trockner zugeführt wird, getrocknet wird, und ein wenigstens eine flüchtige Verbindung enthaltender Dampf und/oder mit Wasserdampf gesättigte Luft aus dem Trockner abgezogen wird. Der Dampf kann gesättigt oder nicht gesättigt sein.
Es hat sich nun in überraschender Weise gezeigt, dass nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung bei der Herstellung und Abtrennung von flüchtigen Verbindungen aus ungereinigten Substraten und Maischen auf den Betrieb einer Maischekolonne verzichtet werden kann und somit die durch Verkrustungen verursachten Stillstände und Produktionsausfälle vermieden werden können.
Erreicht wird dies, in dem die Abtrennung der flüchtigen Verbindung aus der Maische mit einer ersten Stufe der Trocknung der sonst von der flüchtigen Verbindung befreiten Schlempe in einem Arbeitsgang vereinigt wird. Die vergorene Maische wird dazu ohne weitere Vorbehandlung direkt in die erste Stufe eines Trockners gegeben. Die in der Maische enthaltene flüchtige Verbindung, z. B. Ethanol, geht in den im Trockner frei gesetzten Dampf oder Brüden über und wird mit diesem abgezogen und in an sich bekannter Weise weiter aufkonzentriert und gereinigt. In weiteren Stufen des Trockners wird die vom Alkohol befreite Schlempe in bekannter Weise vom restlichen Wasser befreit und getrocknet.
Im Gegensatz zum Stand der Technik wird nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung auf eine Rückführung der Hefe in die Fermentation verzichtet, die ohne Reinigung des Substrates vor der Vergärung sowieso in nur sehr begrenztem Umfang möglich ist. Die vergorene Maische wird vielmehr direkt einem Trockner zugeführt, dessen Betrieb durch keine der vorgenannten Einschränkungen bezüglich Betriebsdruck und Temperatur begrenzt ist. Das Verfahren ist für die Verwendung von Trocknern unterschiedlicher Bauart geeignet,
In den oben beschriebenen, nach dem Stand der Technik arbeitenden Anlagen, in denen die zur Vergärung gelangenden Substrate nicht vorgereinigt und die nicht vergärbaren Substanzen nicht abgetrennt werden, erfolgt die Vergärung absatzweise, im so genannten „Batch Verfahren”. Hierbei werden ein oder mehrere Gärbehälter mit dem Substrat gefüllt, es wird Hefe aus einem Ansetz- oder Anzuchtbehälter zugesetzt. Zunächst erfolgt ein Wachstum der Hefe, diese Phase geht in diejenige der Umwandlung der vergärbaren Zucker in Alkohol über. Nach dem Ende der Vergärung werden die Behälter entleert und neu befüllt. Eine Rückführung von Hefe aus einem Behälter nach der Vergärung ist nur sehr begrenzt möglich, nur ein kleiner Teil der vergorenen Maische kann in den Behälter zur Anzucht von Hefe zurückgeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung kann somit ein Anteil von 1 bis 10% der vergorenen Maische in den Behälter zur Anzucht frischer Hefe zurückgeführt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der eingesetzte Trockner eine, vorzugsweise mehrere Stufen.
Von Vorteil ist es dabei, wenn in einer bevorzugten Ausführungsform bei einer mehrstufigen Ausführung des Trockners die einzelnen Stufen bei unterschiedlichen Temperaturen und/oder Drücken betrieben werden. Vorzugsweise wird die erste Stufe des Trockners unter Normaldruck oder leichtem Überdruck arbeiten, die weiteren Stufen unter Normaldruck oder Unterdruck.
Die Beheizung des Trockners kann mit Dampf oder einem anderen Wärmeträger erfolgen, vorzugsweise auch mit dem verdichteten Brüden einer Stufe des Trockners.
Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn die Brüden der unterschiedlichen Stufen des Trockners getrennt abgezogen werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Stufen des Trockners so aufgeteilt, dass bei einer Abdampfung von 30 bis 60%, vorzugsweise 40% bis 45% des Flüssigkeitsgehaltes der Maische ein Brüden aufgefangen wird, der den ursprünglich in der Maische vorhanden Anteil an flüchtigen Verbindungen enthält.
Weiter ist es von Vorteil, wenn der aus dem Trockner abgezogene, die flüchtigen Verbindungen enthaltende Brüden in einer oder mehreren Destillationskolonnen bis zur gewünschten Endkonzentration destilliert wird. Eine Verbindung des Verfahrens der Erfindung mit einem Destillationsverfahren verbindet die Vorzüge beider Verfahren.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die von flüchtigen Verbindungen freie restliche Maische vollständig getrocknet wird. Vollständig bezeichnet hierbei eine Trocknung, bei der so viel Feuchtigkeit wie möglich entzogen wird. In Abhängigkeit von der Ausgangssubstanz bzw. dem Verfahren kann eine gewisse Restfeuchtigkeit bestehen bleiben.
Darüber hinaus ist es von Vorteil wenn der getrennt abgezogene Brüden einer Stufe des Trockners zur Beheizung einer vorhergehenden Stufe des Trockners verwendet wird. Dies ermöglicht eine erhebliche Energieeinsparung.
Von besonderem Vorteil ist es dabei, wenn der Brüden einer Stufe verdichtet und zur Beheizung derselben Stufe des Trockners dient.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird von der vergorenen Maische vor der Zuführung in den Trockner ein geringer Anteil abgezogen und in einen Anzuchtbehälter für Hefe geführt. Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn der in den Anzuchtbehälter geführte Anteil der vergorenen Maische zwischen 1 und 10% der gesamten Maische beträgt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die flüchtige Verbindung, welche durch das Verfahren gewonnen wird, Ethanol.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Diese Ausführungsform dient lediglich der Veranschaulichung der Erfindung und ist keineswegs in einschränkendem Sinne zu verstehen. Für den Fachmann ist erkenntlich, dass das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung auf eine Vielzahl von Anwendungen zur Abtrennung flüchtiger Verbindungen aus feststoffhaltigen Gemischen angewendet werden kann.
Ausführungsbeispiel
Eine ethanolhaltige vergorene Maische wird einem geeigneten Trockner zugeführt, der vorzugsweise mehrstufig aufgebaut ist. Thermodynamische Rechnungen zeigen, dass je nach Ethanolgehalt der vergorenen Maische, der Temperatur und des Druckes im Trockner, durch das Abdampfen von 30% bis 60%, vorzugsweise 40% bis 45%, der in der Maische enthaltenen Flüssigkeit praktisch der gesamte Alkohol entfernt werden kann, der noch flüssige Rest der Maische ist dann frei von Ethanol. Der in den ersten Stufen des Trockners erhaltene ethanolhaltige Brüden wird kondensiert und flüssig, vorzugsweise auch dampfförmig einer Rektifikationskolonne zugeführt und in an sich bekannter Weise aufkonzentriert. Dieser Brüden weist somit einen Ethanolgehalt auf, der um den Faktor 2 bis 3 höher ist als der Ethanolgehalt der ursprünglichen Maische, was, zu einer deutlichen Einsparung an Energie in der weiteren Rektifikation und Aufkonzentrierung führt. Es können somit auch vorteilhaft solche Maischen bearbeitet werden, die einen für die weitere Aufkonzentrierung sonst ungünstig niedrigen Ethanolgehalt aufweisen. Ferner ist der Gehalt an Verunreinigungen in der vergorenen Maische ohne Einfluß auf die Effizienz des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung. Darüber hinaus können Flüssigkeiten mit beliebigem Feststoffgehalt in einem Trockner verarbeitet werden.
Die von Ethanol befreite Maische wird in der üblichen Weise bis zur Trockene eingedampft, das erhaltene Produkt ist von mindestens gleicher Qualität wie das durch die Trocknung einer Schlempe nach der konventionelle Abtrennung des Alkohols aus einer Maische in einer Maischekolonne oder aus der Dickphase einer Zentrifuge erhaltene Produkt. Die in den Brüden dieser Stufen enthaltene Wärme kann ebenfalls für die Beheizung des Trockners benutzt werden. Die erhaltenen Kondensate, die frei von nicht flüchtigen Bestandteilen sind, können, zumindest teilweise, in den Prozeß zurück geführt werden, etwa zum Anteigen des stärkehaltigen zerkleinerten Rohmaterials In diesem Fall benötigt die Herstel lung von Ethanol nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung nur noch ein Minimum an Prozeßwasser und liefert geringe Mengen an Abwasser.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Abtrennung flüchtiger Verbindungen aus vergorenen Maischen mit hoher Ausbeute bei zugleich vermindertem Energiebedarf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3733748 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Abtrennung von flüchtigen Verbindungen aus feststoffhaltigen Gemischen, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein mindestens eine flüchtige Verbindung enthaltendes feststoffhaltiges Gemisch insgesamt einem Trockner zugeführt wird, getrocknet wird und ein wenigstens eine flüchtige Verbindung enthaltender Brüden aus dem Trockner abgezogen wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein mehrstufiger Trockner verwendet wird.
Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Stufen des mehrstufigen Trockners bei unterschiedlichen Temperaturen und/oder Drücken betrieben werden.
Verfahren nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Brüden der unterschiedlichen Stufen des Trockners getrennt abgezogen werden.
Verfahren nach Patentanspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufen des Trockners so aufgeteilt werden, dass bei einer Abdampfung von 30 bis 60%, vorzugsweise 40% bis 45%, des Flüssigkeitsgehaltes des feststoffhaltigen Gemisches ein Brüden aufgefangen wird, der den ursprünglich in dem feststoffhaltigen Gemisch vorhanden Anteil an flüchtigen Verbindungen enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Trockner abgezogene, die flüchtigen Verbindungen enthaltende Brüden in einer oder mehreren Destillationskolonnen bis zur gewünschten Endkonzentration destilliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von flüchtigen Verbindungen befreite feststoffhaltige Gemisch vollständig getrocknet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der getrennt abgezogene Brüden einer Stufe des Trockners zur Beheizung einer vorhergehenden Stufe verwendet wird.
Verfahren nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brüden einer Stufe verdichtet und zur Beheizung derselben Stufe des Trockners dient.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das feststoffhaltige Gemisch eine vergorenen Maische ist
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flüchtige Verbindung ein Alkohol ist.
Verfahren nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkohol Ethanol ist.
Verfahren nach Patentanspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkohol Butanol ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flüchtige Verbindung Aceton ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von der vergorenen Maische vor der Zuführung in den Trockner ein geringer Anteil abgezogen und in einen Anzuchtbehälter für Hefe geführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in den Anzuchtbehälter geführte Anteil der vergorenen Maische zwischen 1 und 10% der gesamten Maische beträgt.