Herstellungsprozess von Bioethanol

Die Fermentation ist ein Begriff, unter dem man früher lediglich die biochemischen Vorgänge bei der Gewinnung von Bier (Brauerei), Gärungsalkohol (Brennerei), Essig und Backhefe zusammenfasste. Heute gehören zu diesem Bereich alle Verfahren, bei denen Bakterien, Hefen oder Pilze im technischen Maßstab zur Erzeugung oder Umwandlung von Stoffen eingesetzt werden (Gärung). Die biologische Abwasserreinigung (Umweltschutz) und die Erzeugung von Antibiotika (Chemotherapie) sind Beispiele für moderne Fermentationsverfahren.

Bei der fuel 21 kommen hauptsächlich zwei verschiedene Rohstoffe zum Einsatz. Während der Zuckerrübenkampagne wird Rohsaft zur Bioethanolherstellung verwendet. Außerhalb der Kampagne kommt Dicksaft zum Einsatz. Darüber hinaus könnten auch andere Rohstoffe Verwendung finden, wie beispielsweise Melasse.

Es stehen sieben Hauptfermenter und drei Vorfermenter zur Verfügung. Die Vorfermenter, auch als Hefeanzuchttanks bezeichnet, dienen in erster Linie dazu, die für die Gärung notwendige Hefezellkonzentration zu erreichen. An dieser Stelle ist ein hoher Alkoholgehalt noch nicht erwünscht. Zum Einsatz gelangt die Backhefe in Form von Press- oder Trockenhefe. Die Hefe benötigt geeignete Lebensbedingungen für die Vermehrung. Aus diesem Grund ist es notwendig, die Vorfermenter mit Nährsalzen und Sauerstoff (aerob) zu versorgen.

Ist die notwendige Hefezellkonzentration erreicht, wird die Hefe des Vorfermenters in die Maische des Haupfermenters gepumpt. Im sauerstofflosen (anaeroben) Bereich in den Hauptfermentern setzt die starke Alkoholbildung ein, die Hefevermehrung wird gestoppt. Verbunden damit ist der Anstieg der Gärintensität, welche sich äußerlich durch eine starke CO²-Entwicklung und steigende Temperaturen im Fermenter ausdrückt (steigende Gärung).

Nach einigen Stunden sind rund 50 Prozent des vergärbaren Substrats vergoren und etwa vier Prozent Alkohol ist gebildet. Während die Hefevermehrung nachlässt und schließlich aufhört, tritt die Maische unter starker CO²-Bildung in die Hauptgärung, die bei Temperaturen von 30°C und darüber erreicht wird. Bei zu hohem Anstieg der Gärtemperatur würde die Gärtätigkeit zum Stillstand kommen. Um dies zu vermeiden, wird die Maische mittels Plattenwärmetauscher rechtzeitig gekühlt. Mit der Abnahme des vergärbaren Substrats wird die Gärintensität wieder schwächer. Es folgt nun die Nachgärung, die man auf Grund der sinkenden Temperaturen auch „fallende Gärung“ nennt.

Die Alkoholkonzentration im Schlussfermenter beträgt nach Beendigung der Gärung circa 10 Prozent. Die bei der Gärung entweichenden CO2-Gase werden aus dem Hauptfermenter einer CO2-Waschkolonne zugeführt und mittels Wasser im Gegenstromprinzip ausgewaschen. Die mitgerissenen Alkoholdämpfe verbinden sich mit den Wassermolekülen und werden später abdestilliert. Somit werden Alkoholverluste über die CO2-Entweichung vermieden.

An die Fermentation schließt sich die Destillation an. Nach beendeter Gärung spricht man von vergorener oder reifer Maische. Hieraus wird der Alkohol durch Destillation gewonnen, in dem man die Maische in einem Destillierapparat zum Sieden erhitzt, so dass der Alkohol zusammen mit Wasser und anderen flüchtigen Stoffen in Dampfform ausgetrieben wird. Die entweichenden alkoholhaltigen Dämpfe lassen sich durch Kühlen wieder verflüssigen beziehungsweise zum Herabtropfen bringen. Dieser Vorgang hat dem ganzen Verfahren seinen Namen gegeben (lat. destillare = herabtropfen). Man erhält auf diese Weise ein alkoholisches Destillat, dessen Alkoholstärke in erster Linie von der Konstruktion des Destillierapparates abhängt. Der bei der Destillation verbleibende entgeistete Rückstand heißt Schlempe, beziehungsweise Vinasse.

Um den Alkoholgehalt also hochprozentig zu erhalten, bedient man sich vom einfachen Brenngerät, über Brennkessel mit aufgesetzten Verstärkungsböden bis hin zu Destillationsanlagen mit mehr als 40 Kochböden, denen noch weitere Verstärkungs- und Reinigungskolonnen nachgeschaltet sind.

Bei der fuel 21 wird eine derartige großtechnische Anlage bestehend aus einer Maischekolonne und einer Rektifikationskolonne eingesetzt. Die vergorene Maische wird in einen der Destillation vorgeschalteten Maischetank überführt, aus der dann die kontinuierliche Destillation gespeist wird.

Die erste Destillierkolonne wird im Überdruck betrieben, was hohe Siedetemperaturen nach sich zieht, aber eine relativ saubere Trennung ermöglicht. Die zweite Kolonne wird im Unterdruck betrieben, der niedrige Druck setzt die Siedetemperaturen herab. Diese Betriebsweise hat den Vorteil, dass man mit der Abwärme der ersten Kolonne die zweite Kolonne beheizen kann. Beide Kolonnen bestehen jeweils aus zwei Stufen: der Destillation und der Feinbrennstufe, der so genannten Rektifikation.

Im Anschluss werden die Alkoholdämpfe der beiden Kolonnen kondensiert und in eine Reinigungskolonne geleitet. Dort werden Fuselöle und Aldehyde vom Ethanol getrennt. Am Ende der Destillation und aller Aufbereitungsschritte liegt Rohalkohol mit circa 94 Vol.-Prozent vor. Die bei der Fermentation entstandenen Nebenprodukte (zum Beispiel Fuselöle sowie höhere Alkohole und Aldehyde), werden aus der Rektifikationskolonne abgezogen und gelagert. Der alkoholfreie Ablauf der Maischekolonne, die Vinasse, wird zur Fermentation, zur Zuckerfabrik oder zur Vinasseeindampfung gepumpt. Die Vinasseeindampfung besteht aus einer sechsstufigen Verdampferstation, davon zwei Fallstromverdampfer und vier Zwangsumlaufverdampfer.

Um dieses Restwasser dem Alkohol zu entziehen (Dehydrierung) verwendet fuel 21 zwei Molekularsiebbehälter, die mit einem Adsorptionsmittel (Zeolite) gefüllt sind, sowie mit verschiedenen Wärmeübertragern und Pumpen ausgestattet sind. Das flüssige Bioethanol aus der Rektifikation (Reinigungskolonne) wird in mit Dampf beheizten Wärmeübertragern verdampft und überhitzt und in die Molekularsiebe eingeströmt. Dabei wird das gasförmige Bioethanol entwässert, in dem das Molekularsiebbett selektiv die Wasserdämpfe adsorbiert. Das entwässerte Bioethanol mit 99,9 Gew.-Prozent wird mittels Kühlwasser kondensiert und gelagert. Aus dem Lager heraus erfolgt der Vertrieb mittels LKW- beziehungsweise Bahnverladung.