METHOD FOR PRODUCING ALCOHOL AND PROTEIN-ENRICHED VINASSE FROM RAW MATERIALS CONTAINING SUGAR, STARCH AND/OR CELLULOSE

Abstract: The method entails biological treatment with microorganisms of the vinasse resulting after removal of alcohol and of coarse material. This results in the organic substances dissolved in the vinasse being degraded and the microorganisms growing. The microorganism-enriched vinasse is reused for preparing the mash for alcohol fermentation. The microorganisms resulting from the biological treatment of the vinasse bring about an increase in the alcohol yield in some cases and an increase in the amount of coarse material and the protein concentration in the coarse material in some cases.

Description: Verfahren zur Gewinnung von Alkohol und proteinangereicherter Schlempe aus zucker-, stärke- und/oder zellulosehaltigen Rohstoffen Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Alkohol und proteinangereicherter Schlempe aus zucker-, stärke- und/oder zellulosehaltigen Rohstoffen. Die Steigerung der Wirtschaftlichkeit bei der Gewinnung von Alkohol aus landwirtschaftlichen Stoffen ist im Hinblick auf die Nutzung des Alkohols als Energiequelle oder Chemierohstoff von grosser Wichtigkeit. Die kostengünstige Schlempenutzung und Schlempeverwertung stellt dabei ein Hauptproblem dar. Die DE-OS 30 23 874 beschreibt ein Verfahren, bei dem die nach Entfernen der Grobverunreinigungen mit reduzierter Trockensubstanz anfallende Schlempe ohne weitere Reinigung mehrfach in den Gärprozess zurückgeführt wird, bis der Trockensubstanzgehalt der Schlempe auf bis zu 30% Trockensubstanz angestiegen ist. Auf diese Weise soll eine konzentrierte Schlempe gewonnen werden. Eine weitere Schlemperückführung ist wegen osmotischer und anderer Einflüsse auf die Gärorganismen nicht möglich. Es hat sich aber gezeigt, dass bei auch nur einmaliger Rückführung einer solchen Schlempe eine Minderung der Alkoholausbeute in der Grössenordnung von 1% der Gesamtausbeute eintritt. Wegen der hohen Rostoffkosten wird daher dieses Verfahren unwirtschaftlich. Nutzungsmöglichkeiten der Schlempe, wie sie beispielsweise aus der DE-OS 24 42 533 bekannt sind, bei denen bestimmte Mikroorganismen die gelösten Schlempebestandteile zu ungelösten umwandeln, die dann als Futtermittel genutzt werden sollen, stossen wegen der ungelösten Frage der Infektion mit pathologischen Keimen, de'in das Futter gelangen können, auf grossen Widerstand. Es ist schon versucht worden, Mikroorganismen, beispielsweise Bakterien, mit teilgereinigter Schlempe als Substrat unter Zusatz von Nährsalzen und Luft zu züchten und die sterilisierten und aufgeschlossenen Mikroorganismen bei der Backhefezucht wieder zu verwenden. Da aber nicht verhindert werden kann, dass mit den sterilisierten Mikroorganismen auch gefährliche Fremdkeime in die Hefe gelangen, scheiterte dieses Vorhaben. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Gewinnung von Alkohol und proteinangereicherter Schlempe aus zucker-, stärke- und/oder zellulosehaltigen Rohstoffen zu schaffen, bei dem mit einem geringeren Frischwasserverbrauch und geringeren Trocknungskosten als bisher der flüssige Anteil der Schlempe vermindert und eine höherwertige, proteinangereicherte Dickschlempe erhalten wird und bei dem die Alkoholausbeute nicht nur nicht gesenkt, sondern sogar erhöht wird. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass man die bei der Alkoholabtrennung anfallende und von Grobstoffen befreite dünne Schlempe biologisch mit Mikroorganismen behandelt, dabei in der Schlempe gelöste organische Stoffe abbaut und die Mikroorganismen vermehrt, und dass man die so behandelte Schlempe bei der Herstellung der Maische für die Alkoholgärung benutzt. Zweckmässige Weiterbildungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die durch das erfindungsgemässe Verfahren erzielten Ergebnisse waren überraschend, da allgemein bekannt war, dass bei der AlkoholgXrung schon geringe Infektionen mit Bakterien drastische Störungen und Ausbeuteverluste bewirken. Unerwarteterweise zeigte sich bei einem Versuch, bei dem Getreidemehl anstatt mit Wasser, mit Belebtschlamm aus einer biologischen Behandlung von Tiergülle angeteigt und zu süsser Maische verarbeitet wurde, dass bei der Alkoholgärung unter mikroaeroben Bedingungen nicht nur Infektionen mit Fremdkeimen keine Rolle spielten, sondern dass auch die Ausbeute an Alkohol erhöht war. Noch positiver waren die Ergebnisse, wenn der Belebtschlamm auf teilgereinigter Schlempe unter Zusatz von Nährsalzen oder Tiergülle bzw. Flüssiggülle und starker Belüftung erzeugt wurde. Dabei kann die Proteinausbeute der Schlempe wesentlich gesteigert werden. Wenn das biologische Behandlungsverfahren für die von Grobstoffen befreite Schlempe so gesteuert wird, dass nur noch ein kleiner Rest von gelösten organischen Stoffen, gemessen beispielsweise als BSB5 oder CSB, in der behandelten Schlempe verbleibt, kann die entstehende flüssige Masse beliebig oft zur Herstellung süsser Maischen verwendet werden, ohne dass es zu irgendwelchen Störungen kommt. Es wurde gefunden, dass beim erfindungsgemässen Verfahren in einer Brennerei, die Alkohol beispielsweise aus Getreide erzeugt, nur so viel Wasser als Reinwasser oder in Form von Tiergülle bzw. Flüssiggülle bei der Bereitung der Maische für die Alko holgärung eingesetzt werden muss, wie durch Verdunsten und Entfernen mit den Grobstoffen der Schlempe verloren geht. Durch den Zusatz von Nährsalzen oder Tiergülle bzw. Flüssiggülle bei der biologischen Behandlung der Schlempe kommt es zu einer hohen Produktion von Mikroorganismenprotein. Das dabei anfallende Protein wird bei der Alkoholgärung zum Teil für die Alkoholbildung, zum Teil für die Gärorganismenbildung ausgenutzt und zum Teil durch den entstehenden Alkohol sowie durch die Verhältnisse in der gärenden Maische und der Alkoholabtrennung ausgefällt. Daraus ergibt sich, dass dieses Protein bei der Entfernung der Schlempe-Grobstoffe beispielsweise in einem Dekanter mit anfällt und zu einer Proteinanreicherung der Dickschlempe führt. Die gelösten organischen Bestandteile der Schlempe können durch Verwendung eines Belebtschlammes, d.h. eines Mikroorganismengemisches, in einfacher Weise weitgehend in Mikroorganismenmasse umgewandelt werden. Es wurde nun gefunden, dass diese Mikroorganismenmasse, wenn sie bei der Herstellung der Maische verwendet wird, d.h. wenn sie einem mechanischen, thermischen, enzymatischen Prozess zusammen mit den zuckerhaltigen und/oder stärkehaltigen und/oder zellulosehaltigen Rohstoffen unterworfen wird, weder eine Infektionsgefahr für die gärende Maische, noch eine Gefahr für die Alkoholausbeute darstellt. Im Gegenteil, Infektionen spielten keine Rolle, wenn bei der Alkoholgärung durch ständige geringe Belüftung der garenden Maische mikroaerobe Bedingungen vorlagen. Die Alkoholausbeute war sogar erhöht. Dabei kann, falls gewünscht, die behandelte Dünnschlempe unbegrenzt wiederverwendet werden. Wenn die Alkoholgärung absatzweise unter Zuhilfenahme von kleinen Mengen gärender, noch belüfteter vergorener Maische durchgeführt wird, werden mit steigender Zahl der Wiederholungen, nicht wie sonst üblich schlechtere Ergebnisse, sondern zunehmend bessere Alkoholausbeuten erzielt. Besonders hohe Ausbeuten an Alkohol aus stärkehaltigen oder zellulosehaltigen Rohstoffen werden dann erzielt, wenn die Verzuckerungsenzyme - anders als bisher in einen Maischbottich gegeben werden, um dort vor der Gärung schon einen Teil Zucker zu bilden - erst dann in den Gärbottich dosiert werden, wenn die Glucose- bzw. Maltosekonzentration oder Cellobiosekonzentration unter 5 Millimol pro Liter gärende Maische gefallen ist. Dabei ist zu beach ten, dass bei der Befüllung des Gärbottichs schon vorzugsweise 2% des Endvolumens als Impfmaische ausreichen und dass erst etwa 10 Stunden nach dem Beginn der Befüllung mit verflüssigter, aber unverzuckerter Maische mit der Dosierung von Verzuckerungsenzymen in den Gärbottich begonnen werden muss. Wo mit den Rohstoffen schon eine grössere Wassermenge anfällt und deshalb kein vollständiges Flüssigkeitsrecycling möglich ist, wie beispielsweise bei Kartoffeln, kann beim erfindungsgemässen Verfahren nur ein Teil der biologisch behandelten Flüssigkeit zusammen mit der darin angereicherten Mikroorganismenmasse bei der Herstellung der süssen Maische verwendet werden. In diesen Fällen entsteht Abwasser mit einem gegenüber bekannten Verfahren verminderten Gehalt an organischen Belastungen, das in bekannter Weise weiterbehandelt werden kann. Wird ein Teil der benötigten Nährstoffe, beispielsweise Harnstoff, nicht in den Belebtschlammfermenter, sondern bei der Alkoholgärung zugesetzt, steigt damit die Proteingesamtausbeute in der Dickschlempe an und der Anteil, der im Belebtschlammfermenter produziert werden muss, sinkt erheblich. Über- raschenderweise erfolgt diese Ausbeutesteigerung beim Schlempeprotein nicht auf Kosten der Alkoholausbeute. Bei der biologischen Behandlung der Dünnschlempe durch die Mikroorganismen werden Nährsalze, Spurenelemente, Sauerstoff und ggf. andere Stoffe in solcher Weise und Menge zugesetzt, dass ein Maximum an Mikroorganismen entsteht. Der pH-Wert wird vorzugsweise auf 6 bis 8 eingestellt. Ein Teil der benötigten Nährstoffe für die Belebtschlammproduktion kann bei der Alkoholgärung zugegeben werden, auch wenn die Rohstoffe offenbar genügend Nährstoffe für das Hefewachstum enthalten. Schematisch kann der Verfahrensablauf wie folgt beschrieben werden: Zuckerhaltige und/oder stärkehaltige und/oder zellulosehaltige Rohstoffe werden zusammen mit behandelter Minnschlempe unter eventuellem Zusatz von Wasser zur Maischeherstellung einem mechanischen, thermischen, enzymatischen Aufschluss unterworfen. Unter Zugabe von Gärorganismen, z.B. Hefe oder Bakterien, Harnstoff, sowie Einführen von Luft und/oder Sauerstoff und CO2 wird die Gärung absatzweise oder kontinuierlich durchgeführt. Danach folgt die Abtrennung von Alkohol und Grobstoffen. Die dünne Schlempe wird einem Belebtschlammfermenter zugeführt, in dem kontinuierlich oder diskontinuierlich gearbeitet wird, und zwar unter Zugabe von Nährsalzen, Spurenelementen, Luft bzw. Sauerstoff, Säuren, Laugen oder Flüssiggülle. Die so behandelte Dünnschlempe wird wieder der Maischeherstellung zugeführt. In der Zeichnung ist eine schematische Darstellung dieses Kreislaufes veranschaulicht. Aus einer Destillierkolonne 1 wird durch eine Leitung S Schlempe in einen Dekanter 2 geleitet, dem die Grobstoffe als "Kuchen" K entnommen werden, während die Dünnschlempe einem mit einem Kühler 4 versehenen Belebtschlamm- oder Bakterienfermenter 3 zugeführt wird, in den wahlweise Nährsalze, Spurenelemente, Säuren oder Laugen N, Luft L bzw. Sauerstoff, oder Flüssiggülle G eingeleitet werden. Die Mikroorganismen-Suspension MOS gelangt in eine Vorrichtung zur Maischeherstellung 5, die mit Enzymen, Wasser und Rohstoff für den Alkohol gespeist wird. Das hier entstandene Produkt wird in einen belUf- teten (Leitung L1) Alkohol-Fermenter 6 geleitet, in den auch Verzuckerungsenzyme (Leitung E) dosiert werden können, aus dem dann Maische der Destillierkolonne 1 zugeführt wird. Etwa 800 1 Dünnschlempe pro Stunde wurden in einen Fermenter eingebracht, der 2,5 m Durchmesser und 5 m Höhe aufweist, und ständig mit 20 m > Mikroorganismenschlamm gefüllt war. Es wurde ständig mit etwa 150 m' Luft pro Stunde belüftet und der Inhalt wurde ständig durch einen huber dem offenen Fermenter befindlichen Kühlturm auf 25 bis 40'C gekühlt. Harnstoff und Phosphate bzw. Ammoniumsulfat wurden in einer solchen Menge der Dünnschlempe im Fermenter zugeführt, dass stündlich 2 kg Stickstoff und 0,5 kg P205 für die Bakterien zur Verfügung standen. Es empfiehlt sich jedoch einen Teil des Stickstoffes, beispielsweise 1 kg Harnstoff, pro Stunde nicht hier in den Fermenter, sondern in den Alkoholgärbottich zu geben. Der Belebtschlamm-Fermenter enthält vorzugsweise Belebtschlamm, der aus Anlagen für die Abwasserbehandlung von Kommunen oder Ernährungsindustrien bezogen werden kann. Beim Fermentieren bzw. bei der Kühlung, verdunstete ein Teil des Wassers, so dass stündlich etwa 750 1 Mikroorganismen-Suspension mit etwa 30 kg Trocken masse bzw. 12 kg Protein den Fermenter verliessen, die ohne Zwischenbehandlung zum Einteigen des gemahlenen Rohstoffes, beispielsweise Mais, etwa 240 kg pro Stunde, benutzt wurden. Um wieder 1 m' Maischevolumen zu erreichen, mussten noch etwa 80 1 Wasser oder Gülle ergänzt werden. Die Maische wurde wie üblich thermisch und enzymatisch behandelt, so dass süsse Maische entstand, die in herkömmlicher Weise vergoren wurde. Um mehr Alkohol und mehr Protein zu gewinnen, wurden in einen 24 m3 fassenden Gärbottich stündlich etwa 5 m' Luft zur Aufrechterhaltung mikroaerober Verhältnisse eingeblasen. Beim Start einer neuen Gärung wurden etwa 500 1 vergorene, aber ständig belüftete Maische im Bottich als Impfmaische belassen und stündlich wurden 1000 1 süsse Maische zugepumpt, bis der Bottich gefüllt war. Unter ständiger Weiterbelüftung war die Maische nach 2 Tagen vergoren. Die Wartezeit kann 1 bis 2 Tage dauern und richtet sich nach der Menge von zugesetzten Verzuckerungsenzymen. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens werden die Verzuckerungsenzyme nicht vor der Gärung zugesetzt, sondern erst während dieser, und zwar in einer solchen Weise, dass ständig weniger als 2 g/l, vorzugsweise weniger als 0,2 g/l, Glucose bzw. Maltose oder Cellobiose feststellbar sind. Dazu muss erst 8 bis 12 Stunden nach dem Start einer neuen Gärung mit der Dosierung von Enzymen in den Gärbottich be gonnen werden. Durch dieses Verfahren wird eine Mehrausbeute an Alkohol von etwa 5 bis 8 % gegenüber bekannter Betriebsweise und eine Mehrausbeute an Protein bis zu 12 kg/1000 Liter Maische je nach verwendetem Rohstoff erzielt werden. Es fällt keine Flüssigschlempe, sondern nur Kuchen an, wenn mit Getreide oder Trocken-Rohstoffen gearbeitet wird. Anstelle der Zufuhr von Nährstoffen, Spurenelemente, Säuren oder Laugen können auch Flüssigabfälle aus der Tierhaltung, d.h. verflüssigter Kot oder Urin dem Belebtschlamm- oder Bakterienfermenter zugeführt werden, die insbesondere bei der Massentierhaltung anfallen und nicht sterilisiert werden müssen. Bei der Zugabe von Flüssiggülle ist die Menge der zugegebenen Flüssigkeit entsprechend zu beachten. Auf diese Weise kann die Flüssiggülle vorteilhaft verwertet und in wertvolle Futtermittel umgewandelt werden und dabei gleichzeitig das Problem der Beseitigung der insbesondere bei der Massentierhaltung in erheblichen-Mengen anfallenden Flüssiggülle verringert werden. Das Verfahren ist auch mit anderen alkoholbildenden Mikroorganismen als Hefe, beispielsweise dem Bakterium zymomonas mobilis durchführbar.

Claims: Process for obtaining alcohol and protein-enriched spent wash from sugar-containing, starch-containing and/or cellulose-containing raw materials, in which the spent wash produced upon the separation of alcohol and which is freed of coarse materials is treated biologically with microorganisms, whereby organic materials dissolved in the spent wash are decomposed, the microorganisms are increased and the thus treated wash is used in the production of the mash for the fermentation of alcohol characterised in that the microorganisms consist of activated sludge and that the wash has a biological oxygen requirement of less than 1000 milligrammes per litre after the biological treatment. Process according to Claim 1, characterised in that nutrient salts, trace elements, oxygen, liquid manure or other nutrient-containing animal waste is added to the activated sludge in order to form a maximum quantity of microorganisms. Process according to Claim 2, characterised in that part of the nutrients required for the production of activated sludge, for instance urea, is added during the fermentation of alcohol. Process according to one of the preceding Claims, characterised in that the pH value during the biological treatment is set to 6 to 8. Process according to one of the preceding Claims, characterised in that during the fermentation of alcohol one part of fermenting mash or fermented mash is used as inoculation mash and when using starch-containing or cellulose-containing raw materials non-saccharified mash which is free of saccharification enzymes is added and saccharification enzymes are metered into the fermentation vat when the glucose and maltose concentration or cellobiose concentration in the fermenting mash has dropped to below 5 millimole per litre. Process according to Claim 5, characterised in that the saccharification enzymes are added together with residual amounts of mash running in. Process according to Claim 5 or 6, characterised in that the quantity of inoculation mash is 1 to 5% of the final quantity and that the metering of saccharification enzymes is begun 8 to 12 hours after the addition of non-saccharified mash. Process according to one of the preceding Claims, characterised in that in concentrated mashes a multi-stage continuous fermentation process is carried out in which the total addition of water which is necessary for the desired final concentration is poured together with part of the concentrated mash into a first fermentation vat and that in additional stages concentrated mash is added to the fermenting mash emerging from this first stage and is fermented at a glucose, maltose or cellobiose concentration of less than 5 millimole per litre. Process according to one of the preceding Claims, characterised in that the raw spent wash (S₁) coming from the alcohol separation in a distillation column (1) is freed of solids in a decanter (K), the spent wash (S₂) is fed to an activated sludge and bacteria fermenter (3) provided with a cooler (4) and is aerobically fermented with activated sludge with the addition of nutrients (N, G) and that the spent wash treated in this manner is also used in the production of fresh mash. Process according to Claim 9, characterised in that the mash is passed into a ventilated alcohol fermenter (6) into which saccharification enzymes are also metered and from which mash is fed to the distillation column (1).

Inventors: WILKE, ENGELBART
Applicants: WILKE, ENGELBART
Application year: 1986
Main classification: C12P7
IPC codes: C12F3, C12P7