Entwicklung eines integrierten Verfahrens zur Bioethanol-/Biogasherstellung

Aufgrund der gesetzlichen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen in Deutschland und in der EU steigt der Bedarf an biogenen Kraftstoffen kontinuierlich. Durch die im internationalen Vergleich relativ hohen Rohstoffpreise insbesondere für Getreide in der EU ist die Wettbewerbsfähigkeit von Bioethanol aus heimischer Produktion nicht immer ausreichend. Die optimale Nutzung aller Inhaltsstoffe des eingesetzten Rohstoffs bietet hier einen adäquaten Ansatzpunkt zur Optimierung der Wirtschaftlichkeit. Zudem kann die energetische Verwertung der Nebenprodukte die CO₂- und Energiebilanz von Bioethanol erheblich verbessern.

Bei der Bioethanol-Herstellung ist es derzeit gängige Praxis das Nebenprodukt, die Schlempe, vollständig in einem energieauf-wendigen Verfahren zu trocken und zu Proteinfutter weiterzuverarbeiten. Im Gegensatz dazu wird im Wilkening-Verfahren, das im Rahmen dieses Vorhabens untersucht wurde, die Schlempe teilweise energetisch verwertet. Ziel war es, dadurch die Energie- und CO₂-Bilanz und damit auch die Ressourceneffizienz der Bioethanolherstellung zu verbessern. Das entwickelte Verfahren bedingt bei weitgehender Umwandlung des Kohlenstoffs in Biogas einen Ablauf mit hohem Stickstoffgehalt. Aus diesem Grund wurde bei der Entwicklung und Erprobung eines Gesamtkonzeptes insbesondere auch die energetisch und ökologisch optimierte Nährstoffrückgewinnung (bzw. –elimination) betrachtet.

Im Rahmen dieses Verbundvorhabens wurde in einer halbtechnischen Anlage im Batch-Verfahren Bioethanol produziert und in verschiedenen Ansätzen der Einsatz unterschiedliche Hefen und Enzyme sowie die Rückführung der Klarphase untersucht. Die Erzeugung der Klarphase erfolgte mit einem optimierten Dekanter.

Die Umsetzung des Kohlenstoffs in der Dünnschlempe zu Biogas wurde in zwei unterschiedlichen Anaerobreaktoren im halb-technischen Maßstab (Anaerobe Belebung) und in einer Laboranlage (UASB-Reaktor) untersucht. Es konnten CSB-Eliminationsraten von über 95 % erreicht werden. Der anaeroben Belebung nachgeschaltet war ein Nitritationsreaktor. Es ließ sich zeigen, dass ein Umsatz des Ammoniums in diesem Abwasser bei Einstellung optimaler Randbedingungen zu Nitrit möglich ist und dass auf diese Weise bis zu 25 % des Energiebedarfs einer Aerobstufe im Vergleich zu einer konventionellen Nitrifikation eingespart werden können.

Die Nährstoffrückgewinnung durch den Einsatz einer MAP-Fällung wurde im Rahmen der Datenauswertung der Halbtechnik ebenfalls als Option betrachtet und im Labormaßstab untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass grundsätzlich eine MAP-Fällung möglich, bei den gegebenen Randbedingungen und Konzentrationen aber nicht wirtschaftlich umsetzbar ist.