Verfahrensschritte
Bei der Ethanolproduktion sind mehrere Verfahrensschritte erforderlich. So wer — den die Rohstoffreinigung, — aufbereitung und — hydrolyse auch als "Upstream Processing" bezeichnet. Darauf folgt die eigentliche alkoholische Garung (auch als Fermentation bezeichnet) inklusive der Hefebreitstellung. Nach der Garung folgt das "Downstream Processing" mit der Ethanolabtrennung und Konzentrierung sowie der Behandlung des Ruckstands der Destillation, der sogenannten Schlempe. Nachfolgend werden diese einzelnen Stufen diskutiert.
15.2.1 Rohstoffreinigung und — aufbereitung
Ziel der folgenden Ausfuhrungen ist die Darstellung der Reinigung und der Aufbereitung der Rohstoffe. Dabei wird unterschieden zwischen Zuckerruben und Zu — ckerrohr, die exemplarisch fur zuckerhaltige Rohstoffe betrachtet werden, Getreide und Kartoffeln — beispielhaft fur starkehaltige Biomassen — sowie lignocellulose — haltigen Rohstoffen.
Zuckerruben. Besonders problematisch ist die Reinigung der Zuckerruben, an denen i. Allg. rund 15 Gew.-% Erde anhaftet. Sie werden deshalb vom Anliefe — rungsbunker aus zunachst in einer Schwemmrinne zur Rubenwasche gefordert. Dabei werden die Ruben haufig schon mit einem Wasserstrahl aus einem Strahl — rohr abgespritzt bzw. mit Hilfe von Waschwasser transportiert. Zusatzlich dazu sind auch Abscheider fur Steine und Blatter vorhanden.
Die derart gewaschen Zuckerruben werden dann in einer Trommelschneidma — schine in Schnitzel zerkleinert. Im Anschluss daran wird mit Hilfe von 70 °C hei — Bem Wasser den Schnitzeln in Extraktionsturmen der Zucker entzogen. Dadurch gewinnt man den sogenannten Rohsaft mit ca. 16 % Zuckergehalt und etwa 2 % Begleitstoffen. Die Schnitzel werden nach der Extraktion ausgepresst, getrocknet und konnen u. a. als Tierfutter oder als Biogassubstrat verwendet werden. Nun wird durch die Zugabe von Kalk und Kohlensaure der Rohsaft von unerwunschten Begleitstoffen gereinigt. Dadurch konnen 30 bis 40 % der Begleitstoffe abgetrennt werden und man erhalt den klaren hellgelben Dunnsaft. Er wird danach in einem mehrstufigen Prozess aufkonzentriert. Das Produkt dieses Prozesses ist ein Dick — saft mit etwa 63 bis 65 % Zucker und 4 bis 5 % Verunreinigungen. Diese Dicksaft — Herstellung ist aufgrund des Verdampfungsprozess sehr energieintensiv, aber er — forderlich, um ihn uber langere Zeit lagern zu konnen. Dies ermoglicht es bei — spielsweise, die Ethanolanlage uber die Zeitspanne der Rubenkampagne hinaus zu betreiben.
Zuckerrohr. Schon bei der Ernte des Zuckerrohres werden die Blatter der Pflanze entfernt. Traditionell wird dies durch Abbrennen erreicht. U. a. aus Umweltschutz — grunden nimmt jedoch eine mechanische Blattentfernung durch Erntemaschinen immer mehr zu und wird mittlerweile auf mehr als 30 % der Anbauflache einge — setzt.
Die zu verarbeitenden Zuckerrohrhalme werden an der Anlage zunachst gewa — schen, um Verunreinigungen zu entfernen. Fur die anschlieBende Gewinnung des Zuckersaftes gibt es zwei Moglichkeiten. Die einfache Variante ist der Einsatz von Walzenpressen, mit denen der zuckerhaltige Saft aus den Halmen gepresst wird. Bessere Zuckerausbeuten sind durch ein mehrstufiges Extraktionsverfahren zu erzielen. Das Zuckerrohr durchlauft dazu eine Kaskade von Walzen, in denen es zerkleinert und ausgepresst wird. Zwischen den einzelnen Walzschritten wird das Material mit im Gegenstrom gefuhrtem Wasser ausgewaschen. Bei diesen Prozes — sen entstehen zwei Hauptfraktionen: eine vergarbare Zuckerlosung und die faseri — gen Ruckstande, die als Bagasse bezeichnet werden. Die Bagasse wird in der Regel zur Bereitstellung von Prozesswarme und Strom in einem Biomassekraftwerk verbrannt /15-10/, /15-33/.
Getreide. Bei Getreide sind ublicherweise auBer einem Sicherheitssieb keine wei — teren Reinigungsschritte erforderlich, sodass das Getreidekorn nahezu unmittelbar der Zerkleinerung zugefuhrt werden kann. Dadurch soll sichergestellt werden, dass die im Rohstoff enthaltenen Starkeanteile (und damit die vergarbaren Inhaltsstoffe) aus dem Zellverband moglichst vollstandig freigesetzt werden konnen. Dazu ist eine entsprechende Zerkleinerung der Rohstoffe unumganglich. Dies ist mit Hilfe von Muhlen oder Dispergiermaschinen moglich.
Muhlen. Zur Vermahlung von Getreide werden in Ethanolanlagen fast ausschlieB — lich Hammermuhlen zur trockenen und zur nassen Vermahlung eingesetzt.
Bei der trockenen Vermahlung wird ein befriedigender Zerkleinerungsgrad in Hammermuhlen mit einem 1,5 mm-Sieb erreicht. Wegen ihrer besseren Stabilitat werden dabei meist Schlitzsiebe eingesetzt, obwohl sie zu einem deutlich schlech — teren Mahlergebnis als Lochsiebe mit gleichem Durchmesser fuhren. Auch muss die Muhle mit einer Staubabscheidung ausgerustet werden. Eine solche trockene Vermahlung hat jedoch den Vorteil, dass sie uber Nacht ausgefuhrt werden kann, da das Schrot in Silos zwischengelagert werden kann und am T age zur Weiterver- arbeitung bereit steht (d. h. Prozessentkopplung).
Bei der Nassvermahlung wird das Wasser zusammen mit dem Rohstoff in die Mahlkammer eingetragen. Der in der Muhle entstehende Maischebrei wird danach sofort in den Maischapparat gepumpt. Die nasse Vermahlung ist damit, anders als bei der entkoppelt stattfindenden trockenen Vermahlung, ein zeitlicher und damit integraler Bestandteil des Maischprozesses. Insgesamt ermoglicht die Nassvermahlung zwar einen erhohten Materialdurchsatz als die trockene Vermahlung, fuhrt aber bei gleichem Siebeinsatz zu schlechteren Mahlergebnissen.
Als Alternative zu diesen beiden Methoden kann auch eine trockene Vermahlung durchgefuhrt werden. Hierzu wird lediglich der zu vermahlende Rohstoff in die Mahlkammer gefordert (trockene Vermahlung), wahrend das zur Forderung des Schrotes benotigte Wasser nur in die Mehlkammer der Muhle eingetragen wird.
Dispergiermaschinen. Bei der Rohstoffzerkleinerung sollte im Idealfall jede ein — zelne Zelle aufgebrochen werden. Dieses Ziel ist mit Hammermuhlen nicht anna — hernd zu erreichen. Deshalb kommen Rotor-Stator-Dispergiermaschinen zum Ein — satz. Diese kontinuierlich arbeitenden Inline-Rotor-Stator-Maschinen werden in das Rohrleitungssystem der Anlage integriert und die zu verarbeitende Maische wird — nach einer Vorzerkleinerung der Rohstoffe — durch diese Maschinen hin- durchgepumpt. Dadurch werden bei relativ geringem Energieaufwand praktisch alle Teilchen der Maische erfasst.
Die Zerkleinerungswirkung derartiger Rotor-Stator-Dispergiermaschinen beruht darauf, dass infolge der hohen Umfangsgeschwindigkeit des Rotors ein Geschwin- digkeitsgefalle zwischen Rotor und Stator erzeugt wird. Das im Scherspalt (Ab- stand von Rotor und Stator) befindliche Medium erfahrt dadurch eine hohe Scher- geschwindigkeit. Infolge dessen und der hemmenden Viskositat unterliegt das Medium einer Schubspannung. Ist nun die Festigkeit eines im Medium mitgerisse- nen Teilchens geringer als die durch die Schergeschwindigkeit resultierende Schubspannung, wird das Teilchen zerkleinert. Diese so entstandenen Teilchen verteilen sich homogen in der gesamten Rohstoff-Suspension. Zusatzlich bean- spruchen sich bei ausreichend hoch konzentrierten Suspensionen die Teilchen durch gegenseitige Reibung. Diese fuhrt ebenfalls zu Schubspannungen an der Teilchenoberflache und dadurch zum Herausbrechen kleinerer Oberflachenparti- kel. Die Dispergierwirkung durch Zerlegen des Medienstroms in viele Einzelstro- me sowie die mechanische Scherwirkung an den Flanken der Werkzeuge sind dabei von untergeordneter Bedeutung.
Die Rotor-Stator-Systeme wirken dabei auf die sie passierenden Stoffstrome etwa nach dem folgenden Schema ein (Abb. 15.1).
— Eintritt der Rohstoff-Suspension (Wasser und starkehaltiger Rohstoff, Maische) axial in die Dispergierkammer.
— Beschleunigung des Mediums auf das Niveau der Rotor-Umfangsgeschwindig — keit.
— Eintritt in den ersten Scherspalt zwischen Rotor und Stator.
— Einwirkung der erzeugten Turbulenzfelder auf die Teilchen.
— Austritt aus dem Scherspalt.
— Eintritt in einen nachfolgenden Scherspalt oder Austritt aus der Maschine.
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Abb. 15.1 Funktionsprinzip eines Rotor-Stator-Dispergiermaschine (adaptiert nach /15-32/)
Zusatzlich kommt es zu hochfrequenten Kompressions — und Dekompressionskraf — ten, die das Gefuge der suspendierten Teilchen intensiv beeinflussen; dies fuhrt beispielsweise zu einer Lockerung des Hornendosperms von Mais.
Kartoffeln. Kartoffeln werden, um sie im Zeitraum einer Kampagne von Erntebe — ginn (Ende September) bis etwa April des darauf folgenden Jahres verarbeiten zu konnen, oft zunachst in groBen Lagerhallen in einer Schutthohe von 6 m und mehr gelagert. Deshalb sollte schon bei dem Einlagern der erntefrischen Kartoffeln uber Schuttelroste oder Siebtrommeln moglichst viel der anhaftenden Erde und der mit angelieferten Krautresten abgeschieden werden.
Die Lagerraume sind im Boden mit Luftkanalen durchzogen, uber die Frischluft von unten nach oben durch die Kartoffeln gedruckt werden kann. Dies dient zur Kuhlung; auBerdem wird dadurch ein Schwitzen im Kartoffellager verhindert. Ein Verstopfen der Zwischenraume zwischen den Kartoffeln durch anhaftende Erde fuhrt hierbei zwangslaufig zum Verderb der betroffenen Nester.
Aus dem Lager werden die Kartoffeln zur Verarbeitung uber Schwemmrinnen, in die warmes Kuhlwasser gepumpt wird, uber Steinabscheider zur Kartoffelwa — sche gefordert. Neben der Reinigung wird so bereits ein gewisses Anwarmen der kalt aus dem Lager kommenden Kartoffeln erreicht.
AnschlieBend erfolgt eine Zerkleinerung, die im Wesentlichen der des Getreides entspricht.
Lingnocellulosehaltige Rohstoffe. Eine Vielzahl von unterschiedlichsten ligno — cellulosehaltigen Roh — und Abfallstoffen sind fur den Einsatz zur Ethanolerzeu — gung denkbar. Darunter fallen z. B. verschiedene Hart — und Weichholzer, Stroh und entsprechende organische Abfalle. Je nach Art und Beschaffenheit des einge — setzten Stoffes mussen die jeweils erforderlichen Reinigungs — und Zerkleinerungs — schritte ausgewahlt werden. Dafur kommen neben Muhlen auch Hacksler und Schredder in Betracht.