Verbesserung der Energie-, Stoff- und Emissionsbilanzen bei der Bioethanolproduktion aus nachwachsenden Rohstoffen

Abstract

In this thesis, a process was realized that uses starchy raw material (triticale) as well as lignocellulosic biomass (corn silage) in one ethanol production process. In contrast to other so called 2nd generation ethanol processes, which only use lignocellulosic material, the problem of the very low potential ethanol concentration (<max 6%mas) in such mashes is avoided. By the addition of starchy material to the pre-treated and pre-hydrolysed lignocellulosic biomass, it is possible to produce up to 96g ethanol/l in the mash within 144h of fermentation at ethanol yields of at least 84%. If such a process would be performed longer, the ethanol yield should approach the yields of current starch only processes. This process not only produces ethanol concentrations that can be distilled profitably, it also has an ecobalance very positive. If the resulting stillage is used to produce biogas and part of the biogas is then used in a combined heat and power plant to supply the distillery process with heat and electricity, a self-sustaining distillery process can be realised. Using such self-sustaining ethanol production process about 83% of CO2-emissions (CO2-equipollents) can be avoided associated with the production of surplus energy via the energy products ethanol [ca. 65,14GJ/(ha ? a)] and surplus non-purified biogas [ca. 88,49GJ/(ha &#8729; a)]. Even if such a process would be run using fossil fuels to produce heat and electricity (?Deutscher-Strommix?) about 48% of the CO2-emissions (CO2-equipollents) could be avoided. Such a process already fulfiles the demands of the ?Biomasse-Nachhaltigkeitsverordnung? (BioNachV) [30% CO2 reduction potential; and from 1st of January 2011 minimum 40% CO2 reduction potential] that finally will be enacted in 2010. In this thesis, also the basic so-called 1st generation process using only starchy material for ethanol production is eco-balanced. Such a process that uses stillage as well as recoverable straw and corn silage to produce biogas and is additionally supplied with heat and electricity from fossil sources, can reduce the CO2-emissions to about 71%. If this number is expressed as CO2-equipollents ca. 8.8t CO2/(ha ? a) can be avoided. This can be realised because 50.55GJ/(ha &#8729; a) ethanol and non-purified biogas [145.92GJ/(ha &#8729; a)] can be obtained. If such a process is run self-sustaining using part of the biogas to supply the distillery process with heat and electricity, a considerable higher CO2-reduction of about 81% can be obtained. This excellent result corresponds to an avoidance of 13.2t CO2/(ha ? a). Also 50.55GJ/(ha &#8729; a) ethanol and non-purified 116.29GJ/(ha &#8729; a) biogas can be obtained as energy products. The data presented are based on laboratory tests and measurements in a pilot plant distillery without any energy recovery. If such processes are implemented in industrial production plants that can profitably realise energy recovery, further improvements of CO2-reduction combined with a lower demand for utilities (steam, electricity, compressed air, etc.) should be possible. In addition, if other fermentation organisms like xylose and arabinose fermenting yeasts or the new geobacillus bacteria TM 242 (TMO renewables) are adopted to a stable fermentation process, the ethanol production could be improved even further. Apart from the process using starchy and lignocellulosic raw material for ethanol production, further improvements of the so-called 1st generation process were explored in laboratory tests. The impact of enhanced yeast nitrogen supply as well as increased fermentation temperature for higher biochemical reaction rates was assessed. But in contrast to results from other studies, these measures did not result in positive effects on fermentation speed. The only measure that could improve the 1st generation ethanol process by saving energy during the mash process is the application of the stargenTM enzyme system. This enzyme system helps to digest granular starch without any gelatinisation before enzymatic starch hydrolysis. The disadvantage is, that the process takes more time to completely convert sugar to ethanol. Additionally more enzyme corresponding to higher enzyme costs is required.

In dieser Dissertation wurde ein Prozess realisiert, in dem stärkehaltige (Tritikale) und lignocellulosehaltige (Maissilage) Biomasse in einem Prozess zur Bioethanolerzeugung genutzt werden. Im Unterschied zu sonstigen so genannten 2. Generation Ethanolprozessen, welche nur lignocellulosehaltige Biomasse nutzen, wurde hier die Problematik der potenziell sehr geringen Ethanolkonzentrationen (< maximal 6%mas) in den erzeugten Maischen umgangen. Durch die zusätzliche Zugabe von stärkehaltigem Rohstoff zum bereits vorbehandelten und vorhydrolysierten lignocellulosehaltigen Material konnten in einer 144stündigen Fermentation Maischen mit bis zu 96g Ethanol/l mit einer Ethanolausbeute bis zu 84% erzeugt werden. Würde ein solcher Prozess länger geführt, wäre eine Erhöhung der Ethanolausbeute auf ein vergleichbares Niveau zu heutigen stärkebasierten Industrieprozessen möglich. Neben dem sehr erfreulichen Effekt, dass die im dargestellten Prozess erzeugten Maischen mit profitabel zu destillierenden Alkoholkonzentrationen erzeugt werden können, lässt sich mit solch einem Prozess auch eine sehr positive Ökobilanz erzielen. Wird die im Prozess bei der Destillation erhaltene Schlempe zur Biogasproduktion eingesetzt und ein Teilstrom des erzeugten Biogases mittels eines BHKW zur Erzeugung von Prozesswärme und Strom für die Brennerei genutzt, ist es möglich einen autark versorgten Brennereibetrieb zu verwirklichen. Wird solch ein autark versorgter Ethanolprozess genutzt, so ergibt sich dadurch im Vergleich zur Nutzung fossiler Energieträger ein CO2-Vermeidungspotential (CO2-Equivalente) von ca. 83%, welches mit der Erzeugung von überschüssiger Energie in Form der Energieprodukte Ethanol [ca. 65,14GJ/(ha ? a)] und noch unaufgereinigtem Biogas [ca. 88.49GJ/(ha ? a)] gekoppelt ist. Wird dieser Prozess mit fossilen Ressourcen zur Erzeugung der Prozessenergie wie Strom (Deutscher-Strommix) und Prozesswärme versorgt, so kann ein CO2-Vermeidungspotential (CO2-Equivalente) von ca. 48% erzielt werden. Prozesse wie diese erfüllen bereits die Erfordernisse der Biomassenachhaltigkeitsverordnung (BioNachV), welche 2010 in Kraft tritt und sofort eine 30%ige CO2-Reduktion und ab 1. Januar 2011 eine Mindestreduktion von 40% fordert. Neben diesen Prozessen wurden in dieser Arbeit aber auch sogenannte Prozesse der 1. Generation, welche nur stärkehaltige Materialien zur Ethanolerzeugung nutzen bilanziert. Wird bei diesen Prozessen sowohl eine fossile Energieerzeugung angenommen und aus der Schlempe als auch aus allem nachhaltig bergbaren Getreidestroh und der Maissilage Biogas erzeugt, so kann eine CO2-Reduktion (CO2-Equivallente) von ca. 71% erzielt werden. Wird dieses Vermeidungspotenzial als CO2-Äquivalente ausgedrückt, so können ca. 8,8t CO2/(ha ? a) vermieden werden. Dies wird durch die Erzeugung von 50,55GJ/(ha ? a) an Ethanol und 145,92GJ/(ha ? a) an unaufgereinigtem Biogas möglich. Wird solch ein Prozess autark versorgt, was bedeutet, dass ein Teilstrom vom erzeugten Biogas den Brennereiprozess mit Prozesswärme und Strom versorgt, so kann eine deutlich höhere CO2-Vermeidung von ca. 81% erzielt werden. Dieses exzellente Ergebnis korrespondiert mit einer CO2-Vermeidung von ca. 13,2t CO2(ha ? a) und einer Erzeugung von 50,55GJ/(ha ? a) an Ethanol und 116.29GJ/(ha ? a) unaufgereinigtem Biogas als Energieprodukte. Die oben diskutierten Daten basieren alle auf Untersuchungen im Labormaßstab sowie Messungen in der Versuchsbrennerei, welche ohne Energierückgewinnung arbeiten. Würde solche Prozesse jedoch im industriellen Maßstab genutzt, wo Energierückgewinnungssysteme wirtschaftlich eingesetzt werden, ließe sich der CO2-Ausstoß weiter verringern und würde der Bedarf an Betriebsmitteln (Dampf, Strom, Druckluft, usw.) weiter sinken. Durch Einsatz kürzlich kommerziell verfügbarer Fermentationsorganismen, wie xylose- und arabinosefermentierende Hefen oder dem neuen Genobakterium TM 242 (der Firma TMO Renewables) kann der Ethanolerzeugungsprozess weiter verbessert werden. Neben der Ethanolerzeugung aus stärke- und cellulosehaltigen Rohmaterialien wurden auch Versuche zur Verbesserung sogenannter Ethanolprozesse der 1. Generation durchgeführt. Um diese zu optimieren, wurden sowohl Strategien basierend auf einer verbesserten Stickstoffversorgung der Hefe als auch einer durch Temperaturerhöhung forcierten biochemischen Reaktionsgeschwindigkeit der Hefe, untersucht. Jedoch erzielten diese Techniken im Unterschied zu den Ergebnissen anderer Studien keine positiven Effekte auf die Fermentationsgeschwindigkeit. Als vorteilhaft erwies sich jedoch die Verwendung des ?StargenTM?-Enzymsystems, welches die Möglichkeit bietet granuläre Stärke ohne vorherige Verkleisterung zu hydrolysieren. Mit diesem System lässt sich der Energiebedarf beim Maischen deutlich senken. Dieses System besitzt jedoch den Nachteil, dass der Fermentationsprozess länger als bei herkömmlichen Systemen dauert und ein höherer Enzymeinsatz erforderlich ist.