WO2018091004A1

WO2018091004A1 - Verfahren zur stofflichen und energetischen verwertung von reststoffen der zuckerrohrverarbeitung und anordnung zur durchführung des verfahrens

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Publication number: WO2018091004A1
Application number: PCT/DE2017/000123
Authority: WO
Inventors: Hans-Joachim Auerbach
Original assignee: APELT CHRISTINE
Current assignee: APELT CHRISTINE
Priority date: 2016-11-15
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2018-05-24
Anticipated expiration: 2019-05-15
Also published as: BR112019009768A2; MX2019005703A; CU24759B1; ZA201903651B; DE102016013620A1; CO2019005403A2; CU20190050A7; CN109937256A

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine technische Lösung angegeben, mit deren Hilfe flüssige und feste Reststoffe der Zuckerrohrverarbeitung unter Vermeidung von Umweltbelastungen stofflich und energetisch verwertet werden. Dazu werden erprobte biotechnologische Verfahrensschritte so eingesetzt, dass das in den Reststoffen enthaltene Potential an biogenem Kohlenstoff weitgehend energetisch erschlossen und die in den Reststoffen enthaltenen anorganischen Pflanzennährstoffe in überwiegend pflanzenverfügbarer Form erhalten bleiben. Dazu werden während der Zuckerrohrverarbeitung Gemische aus den flüssigen, feinteiligen und zerkleinerten festen Reststoffen hergestellt, während der Verarbeitungskampagne teilweise direkt verwertet und für die Verwertung außerhalb der Verarbeitungskampagne verlustarm in einem Lagerbereich (8) siliert. Die silierten Reststoffgemische werden in gleicher Weise wie die frischen Reststoffgemische biotechnologisch verwertet. Im angegebenen mehrstufigen biotechnologischen Prozess werden die rohfaser- und kohlehydratreichen Reststoffe zunächst in einer Hydrolysestation (11) behandelt. Die gewonnenen Hydrolysate werden aufeinanderfolgend in mehreren Fermenterstationen (12, 13) räumlich getrennt in unterschiedlichen anaeroben Milieus fermentiert, wobei jeweils adaptierte Mikrokulturen eingesetzt und an sich bekannte Apparate kulturerhaltend genutzt werden.

Description

Verfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung von Reststoffen der Zuckerrohrverarbeitung und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung von Reststoffen der Zuckerrohrverarbeitung und eine Anordnung zur

Durchführung des Verfahrens. Eine solche technische Lösung wird in der zuckerrohrbasierten Zucker-, Ethanol- und Hefeindustrie benötigt.

Stand der Technik

In der DE 2823255 C2 (1978) wird ein Verfahren zur Erhöhung der

Geschwindigkeit der von celluloseverdauenden Mikroorganismen bewirkten Cellulosevergärung beschrieben. Dazu wird vorschlagsgemäß vorgesehen, erprobte Chemikalien zur Beschleunigung des Prozesses in der

Cellulosefermentation zuzugeben.

Die DD 208173 (1980) offenbart ein Verfahren zur Gewinnung wasserlösslicher Saccharide aus cellulosehaltigem Material. Dazu wird vorgeschlagen, den Prozess der Holzverzuckerung, der bisher mit konzentrierter oder wässriger Salzsäure nach dem Bergius-Rheinau-Uhde-Verfahren oder mit verdünnter Schwefelsäure nach dem Scholler-Tornesch-Madison-Verfahren erfolgt, durch die

Vorbehandlung des Einsatzmaterials mit gasförmiger Flusssäure zu verbessern. Die in der DE 4226087 AI (1992) beschriebene technische Lösung in Form eines Verfahrens zur biologischen Aufbereitung organischer Substanzen, insbesondere zur anaeroben biologischen Hydrolyse mit anschließender Biomethanisierung und in Form einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens berücksichtigt die im Gesamtprozess beanspruchten drei Mikroorganismengruppen:

die hydrolytischen fermentativen Bakterien, die von den Wasserstoff

produzierenden acetogenen Bakterien verwertet werden, wobei diese wiederum von den Wasserstoff und Acetat verbrauchenden methanogenen Bakterien zu Methan und Kohlenstoffdioxid verwertet werden. Der entwickelte Vorschlag berücksichtigt, dass die meisten hydrolytischen Enzyme anaerober Mikroorganismen ihre größte Aktivität im pH-Bereich von 6,0 bis geringfügig darüber haben. Er nutzt die Erkenntnis, dass bei der

Biomethanisierung von organischen Feststoffen die anaerobe Hydrolyse der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist. Die gemeinsame Versäuerung der gelösten Bestandteile und die Hydrolyse von organischen Feststoffen hat bekanntlich den Nachteil, dass die Bildung der hydrolytischen Exoenzyme solange unterdrückt wird, bis die gelösten und leicht vergärbaren Substanzen vollständig versäuert sind. Im Falle einer kontinuierlichen Zufuhr von Substrat

stellt sich im Reaktor in Abhängigkeit von den Umsatzraten eine

Gleichgewichtskonzentration an unversäuerten und leicht vergärbaren Substanzen ein. Daraus folgt, dass die Bildung von Exoenzymen und damit die

Feststoffhydrolyse gehemmt ist. Diese Situation soll vorschlagsgemäß dadurch vermieden werden, dass die Feststoff-Hydrolyse mehrstufig und pH-Wert- gesteuert erfolgt. Die gesteuerte pH-Wert-Anhebung soll dadurch erreicht werden, dass der Austrag des ersten Reaktors zur Versäuerung der gelösten Einsatzstoffe und des zweiten Reaktors zur anaeroben Hydrolyse von Feststoffen gemeinsam dem dritten Reaktor zur Methanfermentation zugeführt werden.

Die EP 566 056 AI (1992) beschreibt hingegen ein dreistufiges

Verwertungsverfahren zur biotechnologischen Behandlung organischer

Substanzen, das ebenfalls für organische Reststoffe aus industriellen Prozessen anwendbar erscheint. Es unterscheidet zwischen Versäuerung, Feststoffhydrolyse und Methanisierung, wobei die Wirksamkeit des Verwertungsprozesses durch eine gezielte Steuerung der pH-Werte in den einzelnen Prozessstufen zu

verbessern sein soll.

Die DE 43 33 648 AI (1993) offenbart ein Verfahren zur Verwertung von biogenen Reststoffen als Kombination einer temperaturaktivierten Flüssigphasen- hydrolyse mit einer nachgeordneten anaeroben Fermentationsstufe. Die thermisch aktivierte Hydrolyse findet dabei bei Temperaturen von etwa 300 °C statt, wodurch es praktisch zur Pyrolyse eines Teiles des in den biogenen Reststoffen enthaltenen Kohlenstoffs und zu einem fermentierbaren Rückstand kommt. Die in beiden Prozessstufen anfallenden Brenngase dienen in erster Linie der Erhitzung eines Wärmeträgers für die Hydrolysestufe, um energieautark aus den biogenen Reststoffen einen weitgehend von organischen Anteilen und organischen Schadstoffen befreiten und unproblematisch deponierbaren

Fermentationsrest zu erhalten.

Mit der EP 1320388 B l (2000) wird ein Konzept zur Trennung von

Aufschlämmungen und zur Herstellung von Biogas bekannt gemacht. Darin ist der Hinweis auf das erforderliche Strippen bzw. Austreiben von Ammoniak aus den zu behandelnden Substraten und auf das alkalische und thermische

Hydrolysieren in Form einer anaeroben Hydrolyse bei 60 °C und wenigstens 8 Stunden Behandlungszeit als Voraussetzung für eine erhöhte Methanbildung enthalten. Die Methanisierung des organischen Substrates erfolgt gemäß dem offengelegten Konzept nach den vorangehenden Verfahrensschritten durch die Hydrolyse bei 100 bis 200 °C unter Zusatz von Ca(OH)₂ und/oder von CaO, einer Ammoniakstrippung bei Austrag von gebildeten Orthophosphaten und des Erhalts eines weitgehend entkeimten Produktes.

Die DE 10 2004 042 688 AI (2004) beschreibt ein Verfahren zur Beschleunigung der Faulprozesse in Abwasserreinigungs- und Biogasanlagen, wobei sich die Zusammensetzung eines zuzuführenden enzymhaltigen Präparates

zur Verbesserung der Homogenitätseigenschaften von zu behandelnden Substraten an der Zusammensetzung des Substrates oder der hydrolysierbaren

Stofffraktion orientiert.

Die WO 2007 075 762 A2 (2005) beschreibt ein modifiziertes zweistufiges Verfahren zur Biogaserzeugung aus biogenen Reststoffen, das einen zusätzlichen Puffer für die in der Hydrolysestufe entstehenden flüchtigen Fettsäuren enthält. Das Material aus diesem Puffer wird bei Erfordernis gemeinsam mit Gärsubstrat aus dem Methanisierungsreaktor zurück in die Hydrolysestufe zirkuliert, um offensichtlich neben der pH- Wert-Beeinflussung die Anreicherung der an die konkreten Verwertungsanforderungen adaptierten Mikrokulturen bereits in der Hydrolysestufe des Verwertungsprozesses zu bewirken. Das Journal of Applied Sciences 2007 (21.) 3249-3255 veröffentlicht den Beitrag „Proximate and Ultimat Analyses of Bagasse, Sorghum ans Millet Straws as Precursors for Active Carbons" Hinweise für die Verwertung dieser Reststoffe dadurch, dass die Zerkleinerung auf Partikelgrößen zwischen 0,0425 und

1 ,18 mm die Verwertung der lignocellulosereichen Reststoffe entscheidend erleichtert.

Die DE 10 2008 024 423 AI (2009) offenbart ein Verfahren zur energetischen abfallfreien Verwertung von pflanzlichen Rohstoffen, insbesondere von

Zuckerrüben oder Süßkartoffeln, die in Energieträger, wie Ethanol und Methan, und in Düngemittel umgewandelt werden. Vorgeschlagen wird hier zunächst die hyrolytische Vorbehandlung der Einsatzstoffe zur Gewinnung von zu Ethanol fermentierbaren Zuckern, die Abtrennung des Ethanols, verbunden mit der Methanfermentation der biogenen Reststoffe der Ethanolgewinnung. Die sowohl bei der Ethanolfermentation als auch aus der Aufbereitung der bei der

Methanfermentation gewinnbaren Biogase anfallenden C0₂-reichen Gase sollen einem Biomassereaktor zugeführt werden, mit dessen Hilfe das C0₂-reiche Gas für das Algenwachstum genutzt wird, wobei die im Biomassereaktor wachsende Biomasse erneut der Hydrolysestufe zugeführt wird.

In der DE 10 2009 030 960 AI (2009) wird eine weiterentwickelte Anlage zur Herstellung von Alkohol aus Zuckerrohr beschrieben. Diese Anlagenentwicklung soll den Stand der Technik überbieten, der durch den Betrieb einer

Zerkleinerungsstufe für das Zuckerrohr, einer Extraktionsstufe zur Gewinnung von Zuckersaft und Bagasse, einer Reinigungsstufe für den Zuckersaft, einer den Zuckersaft zu alkoholhaltiger Maische vergärenden Fermentationsstufe, einer die Maische in Rohalkohol und Vinasse trennende Destillationsanlage, einer den Rohalkohol entwässernden Entwässerungsstufe, einen durch Verbrennen der Bagasse beheizten Hochdruckdampferzeuger und einen durch den mit

Hochdruckdampf betriebenen Turbogenerator gekennzeichnet ist. Die

Verbesserung soll vor allem mit der Zwischenschaltung einer Vorkonzentrations- stufe zur Erhöhung der Zuckerkonzentration im Zuckersaft vor der Fermentation durch Einsatz des Abdampfes des Turbogenerators erreicht werden. Der die Vorkonzentrationsstufe verlassende Abdampf wird sowohl für den

Destillationsprozess als auch für die Entwässerung des Rohalkohols und für die Aufkonzentration der Vinasse eingesetzt. Auf diese Weise sollen beachtliche Verbesserungen hinsichtlich der Anlagendimensionierung und der zu

bewältigenden Mengenströme erreicht werden, ohne den üblichen spezifischen Energiebedarf in Höhe von 2,8 bis 3,0 kWh/ je Liter Alkohol zu überschreiten.

Mit der DE 10 2009 026 1 14 AI (2009) werden besondere Mikroorganismen zur Behandlung von Biomasse beschrieben. Danach kann die Zugabe einer Kultur von Ruminobacillus in Form einer Kultursuspension, in Form trockener,

gefriergetrockneter oder feuchter Zellpellets oder auch in Form von

Sporensuspensionen, Sporenpräparaten oder trockener, gefriergetrockneter oder feuchter Sporenpellets vorgenommen werden.

Die DE 10 2010007 305 B4 (2010) enthält die Erläuterung einer Biogasanlage und ein Verfahren zum Erzeugen eines Festbrennstoffes. Diese technische

Lösung berührt den Erfindungsgegenstand insofern, als die Behandlung der eingesetzten Biomasse in wenigstens zwei Stufen durchgeführt werden soll, wobei die erste Stufe eine Hydrolysestufe und die zweite Stufe eine

Methanisierungsstufe ist. Vorgesehen ist die gesonderte thermische Nutzung der in der Hydrolysstufe entstehenden Brenngase zur Gewinnung der für den

Verwertungsprozess der Biomasse benötigten thermischen Prozessenergie. Infolge der separaten Verwertung der Hydrolysegase kann das in der Methanisierungsstufe gewinnbare Biogas mit einem deutlich über dem üblichen Qualitätsniveau liegenden Methangehalt erwartet werden.

Die WO 2013 001 368 A2 (201 1) beschreibt ein Verfahren zur Gewinnung von organischen Düngemitteln mit hoher Nährstoffkonzentration und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Diese technische Lösung konzentriert sich auf die Rückgewinnung des Ammoniums aus dem bei der Phasentrennung der

Rückstände einer Methanfermentation anfallenden Biofiltrat unter Einsatz der schwefelsauren Prozessflüssigkeit aus der biologischen Gasentschwefelung und auf die Trocknung der feststoffreichen Produkte der Phasentrennung, bei der unter Verzicht auf den Einsatz von Chemikalien Verluste an Pflanzennährstoffen vermieden werden.

Die WO 2013 000 945 AI (201 1) enthält einen Vorschlag zur

Biogasertragserhöhung unter Einsatz von Bagasse aus der Verarbeitung von Zuckerrohr durch ein Verfahren, bei dem einem aus Bagasse hergestellten

Schlamm im Zuge der Vorbehandlung ein oder mehrere Enzyme zugesetzt werden.

Die DE 10 2014 001 912 AI (2014) macht ein Verfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung biogener Reststoffe von Anlagen zur Gewinnung von Bioethanol und eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens bekannt. Es sieht vor, aus den anfallenden Reststoffen eine Biosuspension mit einem

Trockensubstanzgehalt zwischen 12 und 18 % zu erzeugen, diese Biosuspension in einer Hydrolysestation aerob zu behandeln, das gewonnene Hydrolysat in wenigstens einem hydraulisch umgewälzten Fermenter mittels einer Spezialkultur zu fermentieren und das Potential der mit den Einsatzstoffen eingesetzten

Pflanzennährstoffen durch die feste Phase der anfallenden Fermentationsreste und durch die flüssigen Waschmedien aus der Hemmstoffentfrachtungsstation nutzbar zu machen. Die DE 10 2014 005 270 AI (2014) beschreibt ein Verfahren zur Befähigung von Methanfermentationsverfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung von lignocellulosehaltigen biogenen Einsatzstoffen und eine Anordnung zur

Durchführung dieses Verfahrens. Die kennzeichnenden Merkmale dieser technischen Lösung sehen vor, die bestehenden Silagelager für das Einlagern der trockenen lignocellulosischen Erntereste zu nutzen, die lignocellulosische

Erntereste auf Faserlängen von weniger als 10 mm zu zerkleinern, den

Trockensubstanzgehalt der Biosuspension auf 12 bis 18 % einzustellen, die Erntereste bedarfsweise thermomechanisch aufzuschließen, die zerkleinerten Erntereste unter Einsatz von Biofiltraten zu suspendieren, die hydrolytische Behandlung der Biosuspension in einer der Fermenterstation vorgeschalteten Hydrolysestation vorzunehmen, die hydrolytische Behandlung aerob

durchzuführen und wenigstens die erste Stufe der Methanfermentation mittels hydraulisch gemischter Fermentationsapparate durchzuführen. Diese technische Lösung kommt bereits dem Gegenstand der Erfindung sehr nahe, ohne

unmittelbar auf die biotechnologische Verwertung der Reststoffe der

Zuckerrohrverarbeitung anwendbar zu sein.

Im International Journal of molecular Sciences 2015 (16) 20685-20707 wird unter dem Titel„Biogas Production from Sugarcane Waste: Assessment on Kinetic Challenges for Process Designing" auf die mit bekannten Mitteln

erreichbaren Methanausbeuten aus der Fermentation von Reststoffen der

Zuckerrohrverarbeitung hingewiesen, die zwischen 5 und 181 Normkubikmeter Methan je t eingesetzter Frischmasse schwanken.

Den bisher bekannt gemachten technischen Lösungsvorschlägen, die den

Erfindungsgenstand berühren, haftet der gemeinsame Mangel an, dass entweder die angestrebten Zielstellungen für die Verwertung der überwiegend

lignocellulosischen Reststoffe aus der Zuckerrohrverarbeitung nur durch einen Zusatz von ausgewählten Chemikalien und/oder Enzyme bzw. der regelmäßigen Zuführung von speziellen Mikrokulturen erreichbar sind oder dass nur Teile einer wirksamen technischen Gesamtlösung enthalten sind, deren

Zusammenfassung für die angestrebte Problemlösung auch für den

eingewiesenen Fachmann nicht naheliegend ist.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, für die besonderen

Anforderungen der weit verbreiteten Verarbeitungsstätten von Zuckerrohr eine technische Lösung zu entwickeln, die unabhängig von der am jeweiligen Standort der Verarbeitungsstätte vorgesehenen Verwertungsprozesse, wie

Zuckergewinnung, Ethanolerzeugung, Kohlenstoffdioxid-Aufbereitung und/oder Hefeproduktion, die anfallenden biogenen Reststoffe

- Zuckerrohrstroh,

- Zuckerrohrspitzen, - Bagasse,

- Filterpress,

- Melasse,

- Vinasse oder

- Hefeabwasser

entsprechend dem jeweiligen Anfall während der unmittelbaren

Produktionskampagnen ganzjährig, umweltgerecht, mit hoher energetischer Effizienz und unter Vermeidung von Verlusten an in den eingesetzten Reststoffen enthaltenen Pflanzennährstoffen zu verwerten. Beschreibung der Erfindung

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß des Anspruchs 1 und durch eine Anordnung gemäß des Anspruchs 12 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der technischen Lösung sind in den

Unteransprüchen gekennzeichnet.

Danach ist die energetische und stoffliche Verwertung von Reststoffen der Zuckerrohrverarbeitung durch die aufeinanderfolgenden Prozessschritte

- Entnahme des erntereifen Zuckerrohrs und eines Teiles der

Zuckerohrspitzen und des Zuckerrohrstrohs von der Zuckerrohrplantage,

- Zerkleinern und Pressen des Erntegutes in der Verarbeitungsstätte,

- Zwischenstapeln der anfallenden Bagasse,

- energetische Verwertung der Bagasse zur Elektroenergie- und

Prozessdampfgewinnung,

- Rohsaftreinigung mit der Gewinnung von Pressmud,

- Zuckersafteindickung mit der Gewinnung von kristallinem Zucker und Melasse sowie in besonderen Fällen zusätzlich durch

- die Gewinnung von Bioethanol auf der Grundlage von Zuckersaft und/oder Melasse und

- die Gewinnung von Hefen auf der Basis der bei der Bioethanolerzeugung anfallenden Vinasse

gekennzeichnet. Parallel zur unmittelbaren Verwertung von Anteilen der anfallenden biogenen Reststoffe werden die überschüssigen Mengen der bei der Zuckerrohrverarbeitung anfallenden Bagasse, des Pressmuds und/oder weiterer flüssiger und festen Reststoffe der Zuckerrohrverarbeitung zu einem Substrat mit

einem mittleren Trockensubstanzgehalt zwischen 30 und 45 % gemischt und gemeinsam siliert. Bei der unmittelbaren Verwertung aus dem laufenden

Zuckerrohr-Verarbeitungsprozess werden Anteile der anfallenden Bagasse und weiterer festen Reststoffe der Zukerrohrverarbeitung und/oder Silage aus dem Silierprozess zu Mahlgut mit Faserlängen von weniger als 10 mm zerkleinert. Anschließend wird aus dem Mahlgut gemeinsam mit Pressmud und flüssigen Prozessmedien eine Biosuspension erzeugt. Diese Biosuspension wird zunächt einer räumlich von der Fermentation getrennten hydrolytischen Behandlung unterworfen. Das bei der hydrolytischen Behandlung gewonnene Hydrolysat wird unter Einsatz von kulturerhaltenden Fermentationstechniken im mesophilen Milieu fermentiert. Die anaerobe Methanfermentation wird über eine

Mindestbehandlungszeit von wenigstens 15 Tagen aufrechterhalten. Wenigstens die bei der Fermentation anfallenden Biogase werden räumlich von der

Fermentation getrennt biologisch entschwefelt. Die Fermentationsrückstände aus der Methanfermentation werden in eine feste Phase mit im Mittel 30 %

Trockensubstanzgehalt und in Biofiltrat mit weniger als 6 %

Trockensubstanzgehalt getrennt. Die bei der Trennung der

Fermentationsrückstände anfallenden keimreichen Biofiltrate werden anteilig oder vollständig zur Herstellung einer Biosuspension aus den Reststoffen der

Zuckerrohrverarbeitung eingesetzt.

Damit steht für die Lösung der Aufgabe eine geschlossene verfahrenstechnische Lösung zur Verfügung, die für die besonderen Anforderungen der

Zuckerrohrverarbeitung geeignet ist:

a) Es sollen neben den festen Reststoffen der Zuckerrohrverarbeitung, wie

Zuckerrohrstroh, Zuckerrohrspitzen, Bagasse und Pressmud, auch möglichst große Anteile der flüssigen Reststoffe, wie Kondensate, Melasse, Vinasse oder Abwässer der Hefeproduktion verwertet werden. b) Die Gesamtmenge der biogenen Reststoffe soll im Interesse einer

vorteilhaften Auslastung der für die Verwertung benötigten technischen Ausrüstungen möglichst gleichmäßig über das gesamte Kalenderjahr stofflich und energetisch verwertet werden können.

c) Die bei der Reststoffverwertung erzielbaren spezifischen Energieausbeuten sollen eine Größenordnung erreichen, mit denen die überschüssigen Anteile zumindest die Anforderungen an die Bereitstellung der für die

Zuckerrohrverarbeitung benötigten elektrischen und thermischen

Prozessenergiemengen während der Verarbeitungskampagnen erfüllen.

d) Die aus der veränderten Versorgung der Zuckerrohrverarbeitungsstätten am jeweiligen Standort mit den benötigten Mengen an elektrischer und

thermischer Prozessenergie und aus der Verwertung biogenen Reststoffe der Zuckerrohrverarbeitung resultierenden Umweltbelastungen sollen jeweils auf ein technisch nicht unterbietbares Minimum reduziert werden.

e) Die verfahrenstechnische Lösung für die Reststoffverwertung der

Zuckerrohrverarbeitung soll sowohl während der Wachstumsphase des Zuckerrohrs (Regenzeit) als auch in der 5 Ernte- und

Verarbeitungskampagne des Zuckerrohrs (Trockenzeit) nutzbar sein, e) Für zeitweilig erhöhte energetische Anforderungen an die

Reststoffverwertung sollen mit der bereitgestellten verfahrenstechnischen Lösung in einem angemessenen Umfang auch zusätzliche Reststoffmengen aus benachbarten Zuckerrohrverarbeitungsstätten und/oder in Form

zusätzlichen Zuckerrohrstrohs aus naheliegenden Zuckerrohrplantagen oder in Form von silierten Reststoffgemischen verwertet werden können.

f) Zur Minimierung des Einsatzes von chemischen und mineralischen

Düngemitteln in den Zuckerrohrplantagen soll das in den verwerteten biogenen Reststoffen aus der Zuckerrohrverarbeitung enthaltene Potential an Pflanzennährstoffen möglichst vollständig erhalten bleiben und in Form der gewonnenen organischen Stickstoff-Phosphor-Kali und Schwefel- Düngemittel in den Wirtschaftskreislauf zurückgeführt werden können.

In einer bevorzugten Ausfgührungsform der Erfindung ist vorgesehen, die zur Silierung vorgesehenen festen Reststoffe der Zuckerrohrverarbeitung, wie Bagasse, Zuckerrohrstroh und Zuckerrohrspitzen, auf Faserlängen von weniger als 40 mm vorzuzerkleinern. Außerdem können dem Siliergut

handelsübliche Silierhilfsmittel zugesetzt werden, die den aeroben und/oder den anaeroben Kohlenstoffabbau während der Lagerzeit des Reststoffgemisches im Silo wirksam behindern.

Es ist auch vorgesehen, als flüssige Prozessmedien bei der Herstellung der Biosuspension immer zuerst möglichst vollständig die keimhaltigen Biofiltrate aus der Phasentrennung der Fermentationsrückstände einzusetzen. Zusätzliches Prozesswasser, beispielsweise aus der Speicherung von Niederschlagswässern oder in Form von Grund- und/oder Oberflächengewässern, soll darüber hinaus für die Herstellung der Biosuspension nur zum Einsatz kommen, wenn die am Standort der Reststoffverwertungsanlage verfügbaren flüssigen Reststoffe in Form von Kondensaten, Melasse, Vinasse oder Abwässern der Hefeproduktion nicht ausreichend zur Verfügung stehen.

Gemäß einer anderen Ausführungsvariante wird die hydrolytische Behandlung der erzeugten Biosuspension aerob oder semi-aerob durchgeführt und zumindest über 24 Stunden, vorzugsweise mehr als 48 Stunden, aufrechterhalten.

Zur Ausgestaltung des Verfahrens ist es möglich, als kulturerhaltende

Fermentationstechniken wahlweise Pfropfenstromapparate, hydraulisch teildurchmischte Fermentationsapparate oder batchweise genutzte Rührbehälter zu nutzen. Es ist möglich, im Interesse einer maximalen energetischen Nutzung der verfügbaren Reststoffe der Zuckerrohrverarbeitung das Gärsubstrat aus der Fermentation im mesophilen Milieu einer Nachfermentation im thermophilen Milieu zu unterwerfen.

Gemäß einer weiteren Verfahrensausgestaltung wird die Biosuspension für den Einsatz in die Hydrolysestufe mit einem mittleren Trockensubstanzgehalt von wenigstens 13 % erzeugt. Im Falle des Einsatzes von Biofiltrat aus der

Phasentrennung der Fermentationsrückstände als Teil der Suspendierflüssigkeit wird zur Vermeidung von für die aktiven Mikrokulturen toxisch wirkenden Konzentrationen von gelöstem Ammoniak im Gärubstrat dem Biofiltrat vor dem Wiedereinsatz in das biotechnologische System in an sich bekannter Weise Ammonium entzogen. Das dem Biofiltrat entzogene Ammonium wird bevorzugt unter Einsatz der bei der biologischen Biogasentschwefelung anfallenden schwefelsauren Prozessflüssigkeit in einer wässrigen Ammoniumsulfatlösung gebunden und wahlweise in dieser Form als Stickstoff- und schwefelreicher Flüssigdünger oder im Gemisch mit der Festphase aus der Phasentrennung der Fermentationsrückstände als streufähiger organischer Stickstoff-Phosphor-Kali- Schwefeldünger bereitgestellt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der technischen Lösung sollen zumindest die in der Fermentationsstation gewonnenen Biogase durch übliche Blockheizkraftwerkstechnik mittels Hubkolbenmaschinen (BHKW) oder durch Gas- und Dampfturbinen-Kombinationen (GuD) zur Gewinnung von

Elektroenergie, Prozessdampf, Heißwasser mit Temperaturen von 1 10 bis 130 °C und/oder Warmwasser mit Temperaturen zwischen 60 und 90 °C genutzt werden.

Die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens steht in Verbindung mit einer intermittierend betriebenen Verarbeitungsstätte für Zuckerrohr, der in besonderen Fällen eine die anfallende Melasse verarbeitende Bioethanolanlage

und an ausgewählten Standorten eine die Vinasse der Bioethanolanlage

verwertende Hefeproduktionsanlage nachgeordnet ist. Die vorgeschlagene technische Lösung besteht aus einem Lager für die anfallenden Reststoffe, der biotechnologischen Reststoff-Verwertungsanlage und einer Kraftwerksanlage zur Gewinnung von elektrischer und thermischer Energie. Dabei ist das Lager für die anfallenden und vorzerkleinerten Reststoffe ein großvolumiges Fahrsilo aus voneinander getrennten und innerhalb einer Füllzeit von 10 bis 20 Tagen zu verschließenden Lagerbereichen. Die gefüllten Lagerbereiche sind mit den Luftzutritt und das Eindringen von Witterungsfeuchte behindernden Abdeckungen ausgestattet. Für die Nachzerkleinerung des Zuckerrohrstrohs, der

Zuckerrohrspitzen, der Bagasse und/oder der Silage aus den Silobereichen ist eine die Zerkleinerung auf maximal 10 mm Faserlänge sichernde Zerkleinerungsstation technologisch vor der Biosuspensionsstation angeordnet.

Für die Biosuspensionsherstellung aus dem die Zerkleinerungsstation

verlassenden Mahlgut, aus den verfügbaren flüssigen Reststoffen und dem

Biofiltrat aus der Phasentrennstation für die Fermentationsrückstände ist der Zerkleinerungsstation eine Biosuspensionsstation nachgeordnet. Zwischen der Biosuspensionsstation und der Fermenterstation ist eine von der Fermentationsstation räumlich getrennte Hydrolysestation angeordnet. Für die Methanfermentation der in der Hydrolysestation gewonnenen Hydrolysate sind kulturerhaltende Fermentationstechniken vorgesehen. Für die Gasentschwefelung ist wenigstens ein räumlich von der Fermentionsstation getrennter biologischer Apparat zur Gasentschwefelung angeordnet. Zwischen der Phasentrennstation für die anfallenden Fermentationsrückstände und der Biosuspensionsstation ist eine die in der Phasentrennstation gewonnenen Biofiltrate von Anteilen des

enthaltenen Ammoniums abreichernde Hemmstoffentfrachtungsstation

angeordnet.

Eine mit diesen Komponenten ausgestattete Anlage ist in der Lage, die entwickelte verfahrenstechnische Lösung vollständig durchzuführen. Die vorgeschlagene Anordnung kann mit zusätzlichen Wirkungen auch in bevorzugten

Ausführungsvarianten gestaltet sein. Dazu sind die biotechnologischen

Prozessbehälter mit an die lignocellulosereichen Einsatzstoffe adaptierten

Mischkulturen ausgestattet. Die kulturerhaltenden Fermentationstechniken sind wahlweise Pfropfenstromapparate, hydraulisch teildurchmischte

Fermentersysteme und/oder batchweise betriebene Rührbehälter.

Die Anlagenkomponenten Reststofflager, Biosuspensionsstation,

Hydrolysestation, Tank für die Fermentationsrückstände, Biofiltrattank,

Gasspeicher sind in erster Linie der Prozessentkopplung dienende Einrichtungen. Indem die Anlagenkomponenten zur Duchführung der vorgeschlagenen

verfahrenstechnischen Lösung entweder Behälter und technische Einrichtungen ohne oder mit redundant ausgeführten Mechanismen sind und grundsätzlich alle verschleiß- oder störanfälligen Rührwerke, Gebläse- und Pumpenstationen mit wenigstens 50 %-iger Reserve ausgelegt sind, ist die erfindungsgemäße technische Lösung auch die Voraussetzung

- für die ununterbrochene Bereitstellung der für die Zuckerrohrverarbeitung benötigten Prozessenergiemengen,

- für die Vermeidung von Beeinträchtigungen des Betriebes der Anlagen zur Zuckerrohrverarbeitung durch erforderliche Störungsbeseitigungen in den Anlagen zur Zwischenlagerung, dem Transport der Bagasse zu den

Dampferzeugern, der Verbrennung von Bagasse zur Dampferzeugung, den Einrichtungen zur Ascheentsorgung sowie den Turbogeneratoren zur Elektroenergiegewinnung,

- für die dauernde Vermeidung von Umweltbelastungen aus den

Kesselabgasen, aus dem Ascheanfall der Verbrennungsanlagen, aus der Lärmbeeinträchtigung, aus der Abwasserbehandlung und aus dem Einsatz von fossilen Brennstoffen für die Ethanol- und Hefeproduktion sowie aus dem Einsatz von chemischen und mineralischen Düngemitteln in den Zuckerrohrplantagen,

- für die ganzjährige Bereitstellung von überschüssiger und grundlastfähiger Elektroenergie in die regionalen Elektroenergieverteilungsnetze,

- für die Steigerung der Zuckerrohrproduktion infolge der standortgebunden und Bereitstellung von hochwirksamen organischen Volldüngemitteln zu den agrotechnisch optimalen Zeitpunkten,

- für die Vermeidung von unnötigen Massentransporten von festen und flüssigen Reststoffen aus der Zuckerrohrverarbeitung zu Entsorgungsplätzen und

- für die Gewinnung von handelbaren Zertifikaten als Folge von

Emissionsminderungen aus der Vermeidung von Reststoffdeponien und von Abwasserbehandlungsanlagen, aus der ausschließlichen Nutzung regenerativer Quellen für die Energiegewinnung und für die Gewinnung von organischen Düngemitteln sowie aus der Vermeidung von Transporten.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachfolgend mit Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

In der beigefügten Zeichnung zeigen:

Fig. 1 : das Verfahrensschema für eine Anlage zur

Reststoffverwertung an einer Verarbeitungsstätte von Zuckerrohr zur Erzeugung von Zucker und Melasse;

Fig. 2: das Verfahrensschema für eine Anlage zur Reststoffverwertung an einer Verarbeitungsstätte von Zuckerrohr zur Erzeugung von Zucker und Bioethanol; Fig. 3 : das Verfahrensschema für eine Anlage zur Reststoffverwertung an einer Verarbeitungsstätte von Zuckerrohr zur Erzeugung von Zucker, Bioethanol und Hefe;

Beispiel 1:

Gemäß Fig. 1 werden in einer Verarbeitungsstätte von Zuckerrohr 1 in einer Verarbeitungskampagne von 130 d/a 650.000 t Zuckerrohr bzw. im Mittel 5.000 t/d verarbeitet. Dabei fallen jährlich etwa 188.000 t Bagasse an, die in einem 800 t fassenden Bagasselager 3 zwischengestapelt werden. Dem nach der Zuckerrohrzerkleinerung und dem anschließenden Pressvorgang neben der Bagasse anfallenden Rohzuckersaft werden bei der mechanischen Reinigung jährlich 28.350 t Verunreinigungen in Form von so genanntem Pressmud entzogen und in einem Pressmud-Zwischenlager 4 zwischengestapelt. Bei der thermischen Aufkonzentration des gereinigten Zuckersaftes wird neben kristallinem

Rohrzucker Melasse gewonnen, die in einem Melassetank 2 zur Verarbeitung in einer Bioethanolanlage 5 zwischengestapelt wird. Die anfallenden biogenen Reststoffe Bagasse und Pressmud werden erfindungsgemäß einer ganzjährigen biotechnologischen Verwertung zugeführt. Die für die stoffliche und energetische Verwertung der Reststoffe genutzte Anlage besteht aus

- einer Vorzerkleinerungsstation 7,

- einem Lagerbereich 8,

- einer Zerkleinerungsstation 9,

- einer Biosuspensionsstation 10,

- einer Hydrolysestation 11,

- einer Hauptfermenterstation 12,

- einer Nachfermenterstation 13,

- einem Tank für die anfallenden Fermentationsrückstände 14,

- einer Phasentrennstation,

- wenigstens einem Biofiltrattank 16,

- einer Hemmstoffentfrachtungsstation 17,

- wenigstens einem Gasentschwefelungsapparat 18,

- einem Biosäuretank 21,

- wenigstens einem Gasspeicher 19, - einer Kraftwerksanlage 20 und

- einem Prozesswassertank 22.

Im Ausführungsbeispiel wird die Behandlung der Reststoffe in der

Vorzerkleinerungsstation 7 mit Hilfe eines Shredders vorgenommen, der aus der beim Betrieb der Verarbeitungsstätte für Zuckerrohr 1 anfallenden Bagasse, des Pressmuds und eines Teiles des insgesamt benötigten Prozesswassers aus dem Prozesswassertank 22 ein Materialgemisch mit maximal 40 mm Faserlänge und einem mittleren Trockensubstanzgehalt zwischen 35 und 45 % herstellt. Dieses Materialgemisch wird in einem Mengenstrom zwischen 600 und 750 t/d unmittelbar der Zerkleinerungsstation 9 zugeführt. Das während der jährlichen Verarbeitungskampagne von 130 Tagen zusätzlich anfallende Materialgemisch wird im Mengenstrom zwischen 1.085 und 1.350 t/d dem Lagerbereich 8

zugeführt und dort siliert. Dazu besteht der Lagerbereich 8 aus mehreren nebeneinander angeordneten und befahrbaren Siloboxen, die eine Länge von 130 m, 16 m lichte Breite und 6 m hohe Seitenwände besitzen. In diese Siloboxen wird das zu silierende Materialgemisch eingelagert und in an sich bekannter Weise durch schichtweises Überfahren mit geeigneten mobilen Geräten luftarm verdichtet und spätestens innerhalb von etwa 10 Tagen oberflächlich gegen Luftzutritt und gegen Eindringen von Witterungsfeuchte in den Silokörper abgedichtet. Das verdichtete Materialgemisch im Lagerbereich 8 weist eine mittlere Dichte zwischen 400 und 600 kg/m³ auf, so dass in jeder Silobox etwa 13.500 m³ und damit zwischen 5.400 und 8.100 t eingelagert sind. Im Falle von Produktionsstörungen in der Verarbeitungsstätte für Zuckerrohr 1 während der Verarbeitungskampagne kann somit bereits aus dem silierten Materialvorrat der planmäßige Betrieb der biotechnologischen stofflichen und energetischen

Reststoffverwertung aufrechterhalten werden. Für die Gewährleistung der energetischen Effekte bei der biotechnologischen Reststoffverwertung kommt es auf besondere Stoffumwandlungen im Silierprozess nicht an. In erster Linie soll der anaerobe oder aerobe Kohlenstoffverlust während der Lagerung des feuchten Reststoffgemisches im Lagerbereich 8 wirksam behindert werden. Unabhängig davon, ob die zu verwertenden Reststoffe unmittelbar aus dem laufenden

Produktionsprozess der Verarbeitungsstätte für Zuckerrohr 1 oder aus dem Lagerbereich 8 stammen, wird die täglich zu verwertende Reststoffmenge von etwa 592 t, bezogen auf Bagasse und Pressmud, der Zerkleinerungsstation 9 zugeführt, in der mehrere Zerkleinerungsaggregate in Form von Koller- oder Hammermühlen parallel betrieben werden. Das erzeugte Mahlgut wird unmittelbar in die unterhalb der Zerkleinerungsstation 9 angeordnete Biosuspensionsstation 10 eingetragen. In die Biosuspensionsstation 10 wird außerdem aus dem Prozesswassertank 22 weitere Flüssigkeit zugeführt, damit die erzeugte Biosuspension einen mittleren

Trockensubstanzgehalt von etwa 15 % aufweist. Der Transport der Prozessmedien erfolgt ab dieser Verfahrensstufe ausnahmslos mittels Pumptechnik. Im

Ausführungsbeispiel werden für den Transport von Biosuspension, Hydrolysat, Fermentationsrückständen und Biofiltrat nur Verdrängungspumpen in Form von Exzenterschnecken- und/oder Drehkolbenpumpen genutzt. Die erzeugte

Biosuspension gelangt mit Hilfe der Biosuspensionspumpen zur Hydrolysestation 11, die aus meheren batchweise aerob und semi-aerob betriebenen Hydrolysetanks besteht, mit deren Hilfe eine hydrolytische Behandlung der Biosuspension über mindestens zwei Tage gewährleistet wird. Dabei wird ein Hydrolysat mit

Temperaturen zwischen 50 und 60 °C und mit einem pH-Wert von 4.5 bis 5,5 gewonnen. Das in der Hydrolysestation 11 anfallende Reaktionsgas enthält wegen der zugeführten Luft neben Sauerstoff und Stickstoff auch Wasserstoff,

Schwefelwasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Dieses Reaktionsgas wird gemeinsam mit den Reaktionsgasen aus der Hauptfermenterstation 12 und aus der

Nachfermenterstation 13 der Rohgasleitung zugeführt. Der damit im Rohgas enthaltende Sauerstoff dient in der Gasentschwefelungsstation, die aus mehreren parallel geschalteten Gasentschwefelungsapparaten 18 besteht, zur extremen Minderung des Schwefelwasserstoffgehaltes im Rohgas und gleichzeitig zur Gewinnung einer schwefelsauren Biosäure, die dem Biosäuretank 21 zugeführt wird. Mit den Hydrolysatpumpen werden die parallel geschalteten Apparate der Hauptfermenterstation 12 beschickt. Bei diesen Fermentationsapparaten handelt es sich um kulturerhaltende hydraulisch umgewälzte Fermentersysteme, in denen ein mesophiles Milieu aufrechterhalten wird. Infolge der räumlich von der

Fermentation getrennten Hydrolyse und Versäuerung der eingesetzten

Biosuspensionen kann in der Hauptfermenterstation 12 durch die dort eingesetzten adaptierten mesophilen Mikrokulturen der Hauptteil der energiereichen Biogase gewonnen werden. Die mit dem Hydrolysat aus der Hydrolysestation 11

mitgeführte thermische Energie dient im Wesentlichen in der Hauptfermenter- station 12 zum Ausgleich der Energieströme, die sich aus den abgeführten

Biogasmengen und aus den Energieverlusten durch die wärmeisolierten

5 Umhüllungskonstruktionen der Apparate in der Hauptfermenterstation 12 ergeben.

Die in der Hauptfermenterstation 12 gewonnenen Gärsubstrate gelangen abwechselnd in batchweise betriebenen Fermenter der Nachfermenterstation 13, die als kulturerhaltende Rührapparate ausgebildet sind. In diesen jeweils nur teilweise periodisch entleerten Apparaten wird bei Temperaturen zwischen 52 und

10 55 °C ein thermophiles Milieu aufrechterhalten. Damit wird nicht nur ein

beschleunigter Abbau eines weiteren Teiles des verbliebenen Kohlenstoffs erreicht, sondern eine wirksame Abreicherung von Schadkeimen als

Voraussetzung für den Einsatz der Fermentationsreste als organischer Stickstoff- Phosphor-Kali-Schwefel-Dünger für die Pflanzenproduktion erreicht. Die

15 ausgewiesenen Biogasmengen aus dem überwiegend rohfaserreichen Reststoffen der Zuckerrohrverarbeitung werden hauptsächlich durch das Zusammenwirken von sechs Faktoren erreicht:

1. Räumliche Trennung der biotechnologischen Verfahrensstufen hydrolytische Behandlung, Fermentation im mesophilen Milieu, Nachfermentation im

0 thermophilen Milieu;

2. Aerobe und semi-aerobe hydrolytische Behandlung der suspendierten

rohfaserreichen Reststoffe;

3. Realisierung der aeroben hydrolytischen Behandlung, der Fermentation im mesophilen Milieu und der Nachfermentation im thermophilen Milieu bei 5 weitgehendem Erhalt der an die Einsatzstoffqualität adaptieren Mikrokulturen;

4. Gewährleistung einer anaeroben Mindestbehandlungszeit in der

Hauptfermenterstation 12 und in der Nachfermenterstation 13 von wenigstens 25 Tagen;

5. Vermeidung Wirksamwerdens der Fermentationsgifte Sauerstoff, gelöster 0 Ammoniak und gelöster Schwefelwasserstoff in die Hauptfermenterstation 12 und in die Nachfermenterstation 13;

6. Rückführung eines wesentlichen Anteils der bei der hydrolytischen

Behandlung und bei der Fermentation wachsenden Keime in den biotechnologischen Prozess in Form des grundsätzlichen Recyclings der aus den Fermentationsrückständen gewonnenen Biofiltrate.

Die aus der Nachfermenterstation 13 periodisch entnommenen Stoffströme werden in den Tank für die Fermentationsrückstände 14 überführt. Diese

Komponente dient damit nicht nur der Prozessentkopplung, sondern zugleich der Bevorratung der Fermentationsrückstände für die dosierte Zuführung der

Fermentationsrückstände zur Phasentrennstation 15. In der Phasentrennstation 15 besitzt das nicht vollständig abgebaute Potential an Rohfasermasse in den

Fermentationsrückständen die wichtige Funktion der bevorzugt mittels einfacher Pressschnecken-Separatoren zu realisierenden Trennung der

Fermentationsrückstände in trockensubstanzreiche Presskuchen und

trockensubstanzarme Biofiltrate. Während die Presskuchen als schüttgutartige organische NPKS-Düngemittel genutzt werden, gelangen die anfallenden

Biofiltrate in den Biofiltrattank 16. Diese Komponente dient damit nicht nur der Prozessentkopplung, sondern zugleich der Bevorratung der Biofiltrate für die dosierte Zuführung der Biofiltrate zur Hemmstoffentfrachtungsstation 17. Die Hemmstoffentfrachtungsstation 17 dient in an sich bekannter Weise dem

Austreiben eines Anteils der im Biofiltrat enthaltenen Ammoniums in Form ammoniakhaltiger Wrasen und dem Auswaschen des Ammoniaks aus diesen Wrasen mittels der im Biosäuretank 21 enthaltenen schwefelsauren Biosäure zu einer wässrigen Ammoniumsulfatlösung. Die zumindest teilweise vom

enthaltenen Ammonium befreite Menge der anfallenden Biofiltrate gelangen aus der Hemmstoffentfrachtungsstation 17 unmittelbar in die Biosuspensionsstation 10, in der sie die wichtigste Verdünnungskomponente für die Fluidisierung der festen Reststoffe aus der Verarbeitungsstätte für Zuckerrohr 1 bildet.

In den Gasspeicher 19, mit dem im Ausführungsbeispiel der Tank für die

Fermentationsrückstände 14 abgedeckt und der als Doppelmembranspeicher ausgebildet ist, gelangt neben dem dort noch entbindenden Restgas zusätzlich nur entschwefeltes Biogas aus der den Gasentschwefelungsapparaten 18. Damit wird eine Diffusion von Mercaptanen durch die eingesetzten polymeren Gasmembranen und damit eine störende Emission dieser Geruchsstoffe aus dem

Überdruckventil der luftgestützten Witterungsschutzmembran des Gasspeichers 19 vermieden. Der Gasspeicher 19 dient sowohl der Entkopplung der Prozessstufen Fermentation und energetische Gasverwertung in der Kraftwerksanlage 20. Für die

Gasverwertung erfolgt die Trocknung des feuchtegesättigten Biogases aus dem Gasspeicher 19, die Verdichtung des getrockneten Biogases auf wenigstens 1 , 15 bar und die energetische Nutzung in Blockheizkraftwerken mit Hubkolbenmotoren bei mittleren elektrischen Wirkungsgraden von 40 % und gesamten energetischen Wirkungsgraden von etwa 85 %. Zur Bereitstellung der erforderlichen

thermischen Energie in der konventionellen Verarbeitungsstätte für Zuckerrohr 1 wird aus den Motorenabgasen der eingesetzten Blockheizkraftwerke mittels Abhitze-Kesseltechnik Nassdampf im Temperaturbereich zwischen 140 und 180 °C erzeugt. Die Gesamtbilanz der stofflichen und energetischen Verwertung gemäß dieses Beispiels ist wie folgt gekennzeichnet:

Bezeichnung DimenBagasse Press- ProzessSumme sion mud wasser

Einsatzstoffe (OS) t/a 187.900 28.350 56.100 272.350

Trockensubstanzgehalt (TS) % OS 50 25 0 37, 1 organischer Anteil

der TS (oTS) % TS 88 83 0 87,6 spezifischer

Methanertrag Nl/kg oTS 422 455 0 424,2

Methanertrag TmVa 34.889 2.677 0 37.566

Energieertrag (FWA) GWh/a 348,9 26,8 0 375,7 elektrische Arbeit

0,4 * FWA GWh/a 139,6 10,7 0 150,3 elektrische Leistung MW 17,0 1 ,3 0 18,3 thermische Arbeit

0,45 * FWA GWh/a 157, 1 12, 1 0 169,2 thermische Leistung MW 19, 1 1 ,5 0 20,6

Gasmenge kt/a 65,5 5,0 0 70,5

NPKS-Düngemittel kt/a 189,6 12,3 0 201 ,9

Summe Output kt/a 198,3 13,6 0 272.4 Beispiel 2:

Gemäß Fig. 2 werden in einer Verarbeitungsstätte von Zuckerrohr 1 in einer Verarbeitungskampagne von 150 d/a 215.000 t Zuckerrohr bzw. im Mittel 1.450 t/d verarbeitet. Dabei fallen jährlich etwa 65.000 t Bagasse an, die in einem 400 t fassenden Bagasselager 3 zwischengestapelt werden. Dem nach der

Zuckerrohrzerkleinerung und dem anschließenden Pressvorgang neben der Bagasse anfallenden Rohzuckersaft werden bei der mechanischen Reinigung jährlich 9.500 t Verunreinigungen in Form von so genanntem Pressmud entzogen und in einem Pressmud-Zwischenlager 4 zwischengestapelt. Bei der thermischen Aufkonzentration des gereinigten Zuckersaftes wird neben kristallinem

Rohrzucker Melasse gewonnen, die in einem Melassetank 2 zur bevorzugten Verarbeitung in einer Bioethanolanlage 5 zwischen gestapelt wird. Von der in der Bioethanolanlage 5 anfallenden Vinasse werden insgesamt 49.750 t zur Deckung des Flüssigkeitsbedarfs des Biokraftwerkes eingesetzt, wobei diese Menge nicht mehr in der bisherigen Weise entsorgt werden muss. Zusätzlich werden die mit dem Zuckerrohr anfallenden Strohmengen während der Kampagne für die

Zuckerrohrverarbeitung im Umfang von 47.000 t geborgen. Die insgesamt anfallenden biogenen Reststoffe Zuckerrohrstroh, Bagasse, Pressmud und Vinasse werden analog Beispiel 1 erfindungsgemäß einer ganzjährigen biotechnologischen Verwertung zugeführt. Im Ausführungsbeispiel wird die Behandlung der

Reststoffe in der Vorzerkleinerungsstation 7 mit Hilfe eines Shredders

vorgenommen, der aus der beim Betrieb der Verarbeitungsstätte für Zuckerrohr 1 anfallenden Bagasse, des Pressmuds, des zusätzlich geborgenen Zuckerrohrstrohs und der insgesamt benötigten Vinasse aus dem Prozesswassertank 22 ein

Materialgemisch mit maximal 40 mm Faserlänge und einem mittleren

Trockensubstanzgehalt von etwa 37,6 % herstellt. Dieses Materialgemisch wird in einem Mengenstrom zwischen 460 und 475 t/d unmittelbar der

Zerkleinerungsstation 9 zugeführt. Das während der jährlichen

Verarbeitungskampagne von 150 Tagen zusätzlich anfallende Materialgemisch wird im Mengenstrom zwischen 665 und 690 t/d dem Lagerbereich 8 zugeführt und dort siliert. Die weitere Behandlung des originalen Materialgemisches oder außerhalb der Zuckerrohr-Verarbeitungskampagne der entsprechenden

Silagemengen erfolgt in gleicher Weise, wie im Beispiel 1 ausgeführt. Die Gesamtbilanz der stofflichen und energetischen Verwertung gemäß dieses Beispiels ist wie folgt gekennzeichnet:

Beispiel 3:

Gemäß Fig. 3 werden in einer Verarbeitungsstätte von Zuckerrohr 1 in einer Verarbeitungskampagne von 165 d/a 515.000 t Zuckerrohr bzw. im Mittel 3.120 t/d verarbeitet. Dabei fallen jährlich etwa 155.000 t Bagasse an, die in einem 600 t fassenden Bagasselager 3 zwischengestapelt werden. Dem nach der Zuckerrohrzerkleinerung und dem anschließenden Pressvorgang neben der Bagasse anfallenden Rohzuckersaft werden bei der mechanischen Reinigung jährlich 22.000 t Verunreinigungen in Form von so genanntem Pressmud entzogen und in einem Pressmud-Zwischenlager 4 zwischengestapelt. Bei der thermischen Aufkonzentration des gereinigten Zuckersaftes wird neben kristallinem

Rohrzucker Melasse gewonnen, die in einem Melassetank 2 zur Verarbeitung in einer Bioethanolanlage 5 zwischengestapelt wird. Die in der Bioethanolanlage 5 anfallenden Vinasse wird vollständig zur Hefeproduktion in einer angeschlossenen Hefeproduktionsanlage 6 eingesetzt. Von dem dort anfallenden Abwasser werden 1 13.400 t zur Deckung des Flüssigkeitsbedarfs des Biokraftwerkes eingesetzt, wobei diese Menge nicht mehr in der bisherigen Weise entsorgt werden muss. Zusätzlich werden die mit dem Zuckerrohr anfallenden Strohmengen während der Zuckerrohrverarbeitungskampagne im Umfang von 1 10.000 t geborgen. Die insgesamt anfallenden biogenen Reststoffe Zuckerrohrstroh, Bagasse, Pressmud und Hefeabwasser werden analog Beispiel 1 erfindungsgemäß einer ganzjährigen biotechnologischen Verwertung zugeführt. Im Ausführungsbeispiel wird die Behandlung der Reststoffe in der Vorzerkleinerungsstation 7 mit Hilfe eines Shredders vorgenommen, der aus der beim Betrieb der Verarbeitungsstätte für Zuckerrohr 1 anfallenden Bagasse, des Pressmuds, des zusätzlich geborgenen Zuckerrohrstrohs und des insgesamt benötigten Hefeabwassers aus dem

Prozesswassertank 22 ein Materialgemisch mit maximal 40 mm Faserlänge und einem mittleren Trockensubstanzgehalt von etwa 37,6 % herstellt. Dieses

Materialgemisch wird in einem Mengenstrom zwischen 1.090 und 1.100 t/d unmittelbar der Zerkleinerungsstation 9 zugeführt. Das während der jährlichen Verarbeitungskampagne von 165 Tagen zusätzlich anfallende Materialgemisch wird im Mengenstrom zwischen 1.320 und 1.340 t/d dem Lagerbereich 8 zugeführt und dort siliert. Die weitere Behandlung des originalen Material- gemisches oder außerhalb der Zuckerrohr-Verarbeitungskampagne der

entsprechenden Silagemengen erfolgt in gleicher Weise, wie im Beispiel 1 ausgeführt.

Die Gesamtbilanz der stofflichen und energetischen Verwertung gemäß dieses Beispiels ist wie folgt gekennzeichnet: Bezeichnung DimenZuckerBagasse Press- HefeabSumme sion rohrmud wasser

stroh

Einsatzstoffe (OS) t/a 1 10.000 155.000 22.000 1 13.400 400.400

Trockensubstanzgehalt (TS) % OS 60 50 25 1 ,2 37,6 organischer Anteil

der TS (oTS) % TS 90 88 83 65 88,5 spezifischer Nl/kg

Methanertrag oTS 325 422 455 390 377

Methanertrag TmVa 19.305 28.780 2.077 345 50.507

Energieertrag (FWA) GWh/a 193,0 287,8 20,8 3,4 505,0 elektrische Arbeit

0,4 * FWA GWh/a 77,2 1 15,1 8,3 1 ,4 202,0 elektrische Leistung MW 9,4 14,0 1 ,0 0,2 24,6 thermische Arbeit

0,45 * FWA GWh/a 86,8 129,5 9,4 1 ,5 227,2 thermische Leistung MW 10,6 15,8 1 ,1 0,2 27,7

Gasmenge kt/a 36,2 54, 1 3,9 0,6 94,8

NPKS-Düngemittel kt/a 151 ,4 156,5 9,6 -1 1 ,9 305,6

Summe Output kt/a 187,6 210,6 13,5 -1 1 ,3 400,4

Bezugszeichenliste

1 Verarbeitungsstätte für Zuckerrohr

2 Melassetank

3 Bagasselager

4 Pressmud-Zwischenlager

5 Bioethanolanlage

6 Hefeproduktionsanlage

7 Vorzerkleinerungsstation

8 Lagerbereich

9 Zerkleinerungsstation

10 Biosuspensionsstation

1 1 Hydrolysestation

12 Hauptfermenterstation

13 Nachfermenterstation

14 Tank für die Fermentationsrückstände

15 Phasentrennstation

16 Biofiltrattank

17 Hemmstoffentfrachtungsstation

18 Gasentschwefelungsapparat

19 Gasspeicher

20 Kraftwerksanlage

21 Biosäuretank

22 Prozesswassertank

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur stofflichen und energetischen Verwertung von Reststoffen der Zuckerrohrverarbeitung, enthaltend die Entnahme des erntereifen Zuckerrohrs und eines Teiles der Zuckerohrspitzen und des Zuckerrohrstrohs von der Zuckerrohrplantage, das Zerkleinern und Pressen des Erntegutes in der Verarbeitungsstätte, das Zwischenstapeln der anfallenden Bagasse, die energetische Verwertung der Bagasse zur Elektroenergie- und

Prozessdampfgewinnung, die Rohsaftreinigung mit der Gewinnung von Pressmud sowie die Zuckersafteindickung mit der Gewinnung von

kristallinem Zucker und Melasse, dadurch gekennzeichnet,

dass wenigstens Anteile der bei der Zuckerrohrverarbeitung anfallenden Bagasse, des Pressmuds und/oder weiterer flüssiger und festen Reststoffe der Zuckerrohrverarbeitung gemeinsam siliert werden,

dass Anteile der anfallenden Bagasse und weiterer festen Reststoffe der Zuckerrohrverarbeitung und/oder Silage aus dem Silierprozess zu Mahlgut mit Faserlängen von weniger als 10 mm zerkleinert werden,

dass aus dem Mahlgut gemeinsam mit Pressmud und flüssigen Prozessmedien eine Biosuspension erzeugt wird,

dass die Biosuspension räumlich von der Fermentation getrennt hydrolytisch behandelt wird,

dass das bei der hydrolytischen Behandlung gewonnene Hydrolysat unter Einsatz von kulturerhaltenden Fermentationstechniken im mesophilen Milieu fermentiert wird,

dass die anaerobe Methanfermentation über eine Mindestbehandlungszeit von wenigstens 15 Tagen aufrechterhalten wird,

dass wenigstens die bei der Fermentation anfallenden Biogase räumlich von der Fermentation getrennt biologisch entschwefelt werden,

dass die Fermentationsrückstände in eine feste Phase mit im Mittel 30 % Trockensubstanzgehalt und in Biofiltrat mit weniger als 6 %

Trockensubstanzgehalt getrennt werden und

dass die Biofiltrate anteilig oder vollständig zur Herstellung einer

Biosuspension aus den Reststoffen der Zuckerrohrverarbeitung eingesetzt werden. Verfahren nach dem Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,

dass die zur Silierung vorgesehenen festen Reststoffe der

Zuckerrohrverarbeitung, wie Bagasse, Zuckerrohrstroh und

Zuckerrohrspitzen, auf Faserlängen von weniger als 40 mm

vorzerkleinert werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Siliergut den aeroben und/oder anaeroben Kohlenstoffabbau behindernde Silierhilfsmittel zugesetzt werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als flüssige Prozessmedien das keimhaltige Biofiltrat aus der

Phasentrennung der Fermentationsrückstände und bei zusätzlichem Bedarf Melasse aus der Zuckersaftaufbereitung und/oder Vinasse aus der

Bioethanolproduktion und/oder Abwasser aus der Hefeproduktion eingesetzt werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeic dass die hydrolytische Behandlung aerob oder semi-aerob über

wenigstens 24 Stunden aufrechterhalten wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als kulturerhaltende Fermentationstechniken Pfropfenstromapparate, hydraulisch teildurchmischte Fermentationsapparate oder batchweise genutzte Rührbehälter genutzt werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gärsubstrat aus der Fermentation im mesophilen Milieu einer Nachfermentation im thermophilen Milieu unterworfen wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Biosuspension mit einem mittleren Trockensubstanzgehalt von wenigstens 13 % erzeugt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass den Biofiltraten vor dem Wiedereinsatz in den Fermentationsprozess Anteile des enthaltenen Ammoniums entzogen werden.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Biofiltrat entzogene Ammonium unter Einsatz der bei der Biogasentschwefelung anfallenden schwefelsauren Prozessflüssigkeit in einer wässrigen Ammoniumsulfatlösung gebunden wird.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die feste Phase der Fermentationsrückstände und die wässrige

Ammoniumsulfatlösung gemeinsam oder getrennt als organische

Mehrkomponenten-Pflanzendünger eingesetzt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die in der Fermentationsstation gewonnenen Biogase durch Blockheizkraftwerkstechnik mittels Hubkolbenmaschinen (BHKW) oder durch Gas- und Dampfturbinen-Kombinationen (GuD) zur Gewinnung von

Elektroenergie, Prozessdampf, Heißwasser und/oder Warmwasser genutzt werden.

13. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Anspruch 1 ,

bestehend aus einer intermittierend betriebenen Verarbeitungsstätte für Zuckerrohr (1) mit einer Zuckerrohr-Zerkleinerungsstation, einem

Bagasselager (3), einer Rohsaft-Reinigungsanlage mit einem Pressmud- Zwischenlager (4), der Zuckersaft-Behandlungsanlage, der in besonderen Fällen eine die anfallende Melasse aus einem Melassetank (2) verarbeitende Bioethanolanlage (5) und eine die Vinasse der Bioethanolanlage (5) verwertende Hefeproduktionsanlage (6) nachgeordnet ist, einem Lagerbereich

(8) für die anfallenden Reststoffe, einer Kraftwerksanlage (20) zur

Gewinnung der benötigten elektrischen und thermischen Prozessenergie, dadurch gekennzeichnet, dass das Lager für die anfallenden und die in einer Vorzerkleinerungsstation (7) vorzerkleinerten Reststoffe ein großvolumiges Fahrsilo aus voneinander getrennten und innerhalb einer Füllzeit von 10 bis 20 Tagen zu

verschließenden Lagerbereichen (8) ist,

dass die gefüllten Lagerbereiche (8) mit den Luftzutritt und das Eindringen von Witterungsfeuchte behindernden Abdeckungen ausgestattet sind,

dass für die Nachzerkleinerung des Zuckerrohrstrohs, der Zuckerrohrspitzen, der Bagasse und/oder der Silage aus den Silobereichen eine die Zerkleinerung auf maximal 10 mm Faserlänge sichernde Zerkleinerungsstation (9) angeordnet ist,

dass für die Biosuspensionsgewinnung aus dem die Zerkleinerungsstation (9) verlassenden Mahlgut, verfügbaren flüssigen Reststoffen und dem Biofiltrat aus der Phasentrennstation (15) für die Fermentationsrückstände der

Zerkleinerungsstation (9) eine Biosuspensionsstation (10) nachgeordnet ist, dass zwischen der Biosuspensionsstation (10) und der Fermenterstation (12, 13) eine von der Fermentationsstation ( 12, 13) räumlich getrennte Hydrolysestation (1 1) angeordnet ist,

dass für die Methanfermentation der in der Hydrolysestation (1 1 ) gewonnenen Hydrolysate kulturerhaltende Fermentationstechniken vorgesehen sind, dass für die Gasentschwefelung wenigstens ein räumlich von der

Fermentationsstation (12, 13) getrennter biologischer

Gasentschwefelungsapparat (18) mit einem nachgeordneten Biosäuretank (21 ) angeordnet ist,

dass zwischen der Phasentrennstation (15) für die anfallenden

Fermentationsrückstände und der Biosuspensionsstation (10) eine die in der Phasentrennstation (15) gewonnenen Biofiltrate von Anteilen des enthaltenen Ammoniums abreichernde Hemmstoffentfrachtungsstation (17) angeordnet ist.

14. Anordnung nach dem Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,

dass die biotechnologischen Prozessbehälter (1 1 , 12, 13) mit an die lignocellulosereichen Einsatzstoffe adaptierten Mischkulturen ausgestattet sind.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass die kulturerhaltenden Fermentationstechniken Pfropfenstromapparate, hydraulisch teildurchmischte Fermentersyteme und/oder batchweise betriebene Rührbehälter sind. 16. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagenkomponenten Lagerbereich (8), Biosuspensionsstation (10), Hydrolysestation (1 1 ), Tank für die Fermentationsrückstände (14),

Biofiltrattank (16), Gasspeicher (19), Biosäuretank (21 ) und

Prozesswassertank (22) der Prozessentkopplung dienende Einrichtungen sind.