Potential stärkehaltiger Reststoffe als Substrat für die ... · 2 Mio t/a (Lösche, Symposium ttz...

1

1403.2012

Potential stärkehaltiger Reststoffe als Substrat für die Bioethanolproduktion

Timo Broeker, Prof. Jan Schneider

6. Fachgespräch dezentrale Ethanolerzeugung, Haus Düsse

2 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Fachgebiet Getränktechnologie

Erbslöh Geisenheim AG

3 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Projekthintergrund und -ziel

1. Probleme der Biokraftstoffe:

schwach positive Energiebilanzen

Flächenkonkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion

2. Situation für mittelständische Brennereien:

Ende der Subvention durchs Branntweinmonopol

Hohe Rohstoffkosten

Bedarf nach alternativen Substraten

4 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Zucker Marmelade,

Fruchsaftkonzentrat

Stärke Brot,

Knabbergebäck,

Kuchen

schwer

konvertierbare

Kohlenhydrate Lignocellulose,

Lactose, Pentose

Reste der

Nahrungsmittel -

industrie

5 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Waste bread

Potential for Germany:

600.000 t/a = 8 – 10 % of used flour (Martens, 2001)

560.000 – 700.000 t/a (Achstetter, et al., 2008)

Südwürttemberg: 10.000 t/a (Mack, 2009)

Germany ~ 450.000 t/a

Austria: 60.000 t/a (3rd BOKU Waste Conference, Vienna, 2009)

Germany ~ 580.000 t/a

2 Mio t/a (Lösche, Symposium ttz Bremerhaven 2011)

6 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Waste Bread

Potential for Germany:

600.000 t/a

dry matter ~ 55 - 60 %

Ethanol yield = 28 g Ethanol per 100 g Waste Bread

~ 165.000 m³ Ethanol

~ 84 Mio. €

~ 1292 GWh calorific value

“Biblis A” ~ 1224 GWh

7

Technologische Aspekte des Forschungsprojekts

Zerkleinerung Maischen Gärung Destillieren

8 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Kriterien:

Ethanol Konzentration in der Maische

cEtOH [% mas. or % vol.]

Gehalt Trockensubstanz

TS [%]

Ethanol Ausbeute / Yield für trockene Substrate

YEthanol [g / 100 g]

Product yield for dry matter substrate

YP /S [g / g]

9 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Altbrot

10 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Altbrot

Zerkleinerung:

Vergleich bei unterschiedlichen Korngrößen

Probe A: Große Stücke Probe B: feine Vermahlung

dp = 5 - 10 cm dp < 2,5 mm

11 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Enzymatische Verflüssigung innerhalb von 6 h

12 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Waste bread

Zerkleinerung:

Vergleich bei unterschiedlichen Korngrößen

Probe A Probe B

dp = 5 - 10 cm dp < 2,5 mm

Y p/s = 0,30 Y p/s = 0,31

13 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Reduction of stirrer power demand ~ 90 %

0

5

10

15

20

25

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Po

wer

P [

W]

Time t [min]

T = 80 °C

TI

I-23

RI

MD

Hydrolyzation of bread mash by Enerzym alpha

14 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Saccharification of bread mash by

Enerzyme Gamma

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0

Co

nce

ntr

ati

on

[g

/l]

Time [h]

Oligosaccharide

Maltose

Glucose

Gesamtzucker

90- 96 %

saccharification

of input starch

T = 60 °C

15 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Fermentation parameters

Temperature:

35 °C

Time:

72 h (remaining sugar < 1 g/l)

Yeast Dosage:

1 g/l after rehydration

pH:

5,0 (goes down to 4,0)

16

Potential substrates

17 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Sample Dry matter

[g/kg]

Ash

[g/kg]

Kjeldahl

Protein

[g/kg]

Non-

digestable

fiber

[g/kg]

Fat

[g/kg]

Total

sugar

n. R.

[g/kg]

Starch

[g/kg]

Bread (dried) 943,90 12,80 111,00 106,10 5,10 4,20 702,00

Choclate

croissant

940,00 6,80 54,50 80,54 307,00 252,20 250,10

whey bran 848,20 60,00 141,70 317,10 29,10 111,80 209,70

Dinkel Kleie 875,10 56,90 162,50 330,00 37,70 38,50 213,40

Kaffeeschale 890,00 47,00 63,00 680,00 13,20 87,50 -

Biertreber 220,00 7,00 36,30 215,70 9,60 4,30 0,00

Roggen-

vollkornmehl

874,20 13,60 85,40 0,00 15,50 65,87 662,20

Spelzen-

/Mehlstaub

891,70 110,90 70,90 560,00 20,70 81,00 34,00

Stärke 970,00 0,30 3,50 0,00 2,10 3,00 995,30

Stroh 934,50 38,10 25,00 850,00 20,70 0,00 0,00

Puddingreste, 272,00 2,50 29,70 34,67 38,30 148,00 28,70

Salzstangen-

bruch (satly

snacks)

960,10 70,20 105,60 0,00 34,70 0,00 769,60

18 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Sugar

Pudding

d.m. 25,2 %

pH 4,2

C Ethanol 5,15 % mas.

Y p/s 0,20

19 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Starch

Salty sticks

d.m. 96,0 %

pH 5,3

C Ethanol 7,52 % mas.

Y p/s 0,33

20 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Starch and sugar

Cake waste

d.m. 36,22 %

pH 4,8

C Ethanol 8,07 % mas.

Y p/s 0,22

21 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

- Altbrot TS = 55-77 % Y p/s = 0,30 - Knabbergebäck TS = 96,0 % Y p/s = 0,33 - Puddingreste TS = 25,2 % Y p/s = 0,20 - Kuchenabfälle TS = 75,2 % Y p/s = 0,22 - Cerealien Produktionsabfall TS = 85,0 % Y p/s = 0,31 - Verpackungschips TS = 98,0 % Y p/s = 0,36 - Reis (kontaminiert) TS = 97,0 % Y p/s = 0,26 - Angebrannter Mais TS = > 80 % Y p/s = 0,05

22

Ergebnisse

23 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Gärdauer

Y p/s = 0,33 C EtOH = 4,98 %

Y p/s = 0,33 C EtOH = 6,87 %

Y p/s = 0,31 C EtOH = 8,13 %

Y p/s = 0,32 C EtOH = 9,43 %

Y p/s = 0,23 C EtOH = 8,84 %

0

1

2

3

4

5

6

15 20 25 30 35

Zeit

t [

d]

Gehalt TS [%] in der Maische

Zeit bis zumEndvergärgrad [d]

24 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Ethanol concentration

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

15 20 25 30 35 40

Eth

ano

l co

nce

ntr

atio

n [

% m

as.]

Substrate dry matter [%]

max. 8,8 % mas.

( 11,0 % vol. )

25 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Yield Substrate

0

5

10

15

20

25

30

35

15 20 25 30 35 40

Eth

ano

l Yie

ld [

g/1

00

g d

.m.]

Substrate dry matter [%]

26 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

0

5

10

15

20

25

30

35

15 20 25 30 35 40

Eth

ano

l co

nce

ntr

atio

n [

% m

as]

Eth

ano

l Yie

ld [

g/1

00

g d

.m.]

Substrate dry matter [%]

Ethanol Yield

Ethanol concentration

Yield Substrate

Ratio 1 - 1

27 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Yield vol/t

0

5

10

15

20

25

30

35

24 48 72

Yie

ld [

g Et

han

ol /

10

0 g

dry

mat

ter

sub

stra

te]

Fermentation time[h]

Yeast Dosage 0,2 g/l

Yeast Dosage 1,0 g/l

Yeast Dosage 3,0 g/l

28 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Example of ethanol yield in a production week (6 days)

Time per batch [h]

24 48 72

Ethanol per 6 days

[g/100 g d.m.] 138 84 61

29

Großversuch Brennerei Rockstedt

mit freundlicher Unterstützung der Firma Harry Brot

30 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

31 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Großversuch Brennerei Rockstedt

32 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

33 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

34 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

35 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Ergebnisse Großversuch Rockstedt

Masse Ethanol Ausbeute pro kg

YP /S Differenz

Brennerei 10,4 t 2453 L 240 ml r. A. 0,19

~ 15 % Labor 1,0 kg 0,280 L 280 ml r. A. 0,23

36

Biogasverwertung der Schlempe

37 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Bagasse Biogas Potential:

Potential bezogen auf

Trockenstoff

Bioethanol höherer Wert als

Biogas

Methanbildungspotential

wird durch die

Bioethanolproduktion

verbessert

93 Liter pro kg Schlempe

(400 Liter pro kg frisches Brot)

38

Fazit

39 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Fazit:

Stabiler Prozess

Wirtschaftlichkeit gegeben in Abhängigkeit von der

Substratbeschaffung

Kopplung mit Biogas sinnvoll

Umsetzung in die Praxis ist bereits erfolgt

Vernetzung der Anbieter und Abnehmer sinnvoll

40 21.03.2012 – T. Broeker– Bioethanol

Technologische Hilfestellung

Technologische Hilfestellung

TagungenTagungenKontakte

Kontakte

VereinbarungenVereinbarungen Online -Portal

Online -Portal

Netzwerk zur Verwertung stärkehaltiger Industrie-Reststoffe

EnerW.net

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Timo Broeker

FB 4 – Life Science Technologies

Telefon 05261 – 702 - 5945

Telefax 05261 – 702 - 5968

timo.broeker@hs-owl.de

www.hs-owl.de/fb4