Strippen von Ethanol - experimentelle und simulationstechnische Betrachtung

Abstract

Aufgrund negativer Beeinflussung der Umwelt durch fossile Brennstoffe und deren steigendem Preis ist die Suche nach einer nachhaltigen Lösung von großem Interesse. Ethanol, das aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt wird, ist eine mögliche Alternative. Die Herstellung von Bioethanol aus stärkehaltigen Nahrungsmitteln wie Mais oder Zuckerrohr erwiesen sich als weniger nachhaltig als anfangs angenommen. Dazu kommt die gesellschaftliche und ethische Problematik des Verwertens von Nahrungsmitteln zu Treibstoffen. Deshalb wird zurzeit an der Herstellung von Ethanol aus landwirtschaftlichen Nebenprodukten und Nutzpflanzen geforscht. Diese meist lignocellulosehaltigen Rohstoffe müssen speziell vorbehandelt werden damit die Mikroorganismen diese umwandeln können. Dies führt zu niedrigen Ethanolgehalten in der Fermentationsbrühe, was den Energieaufwand und somit auch die Betriebskosten zur Aufkonzentrierung durch Destillation erheblich erhöht. In dieser Arbeit wurde experimentell und simulationstechnisch untersucht, ob das Gastrippen zwischen Fermentation und Destillation die Wirtschaftlichkeit der Ethanolproduktion aus solchen Rohstoffen erhöhen kann. Dabei wurde im experimentellen Teil ein Gasstripper im Labormaßstab untersucht, der im Blasenregime betrieben wurde. Die Temperaturen und Ethanolkonzentrationen der Versuchslösung, die Volumenströme des Strippgases, der Einsatz unterschiedlicher Kondensationsstufen- und Temperaturen sowie Füllkörpern wurde in rund 60 Versuchen variiert. Die aus den Versuchen erhaltenen Ergebnisse wurden durch Simulationen mit AspenPlus© validiert. Die Ergebnisse zeigten, dass Versuche mit hoher Temperatur, hohen Ethanolkonzentrationen und niedrigen Kondensationstemperaturen die besten Ergebnisse aufweisen. Großes Augenmerk wurde auf Versuche mit Ethanolkonzentrationen von 0,5 w% bis 5 w% und Temperaturen der Versuchslösung von 35°C gelegt. Dies sind Prozessbedingungen, mit denen man bei der Fermentation von landwirtschaftlichen Abfällen zu rechnen hat. Es zeigte sich, dass die Ergebnisse der Versuche mit niedrigem Gasvolumenstrom und niedriger Kondensationstemperatur annähernd den Ergebnissen der Simulationen entsprechen. Daraus kann geschlossen werden, dass Versuche bei diesen Bedingungen sehr nahe an den Gleichgewichtsbedingungen liegen. Die verwendete Apparatur mit Füllkörpern zu betreiben, wies eine vernachlässigbar kleine Verbesserung der Ergebnisse auf. Das mit dem untersuchten Verfahren hergestellte Bioethanol wäre gegenüber gängigen fossilen Brennstoffträgern zwar noch nicht konkurrenzfähig, aber das Verbesserungspotential, welches in kommenden Forschungsarbeiten ausgeschöpft werden könnte, ist groß.

It is a big concern to find a sustainable solution for fossil fuels due to negative impact on the environment and its rising price and shortage. Ethanol, produced from renewable feedstock, is a possible alternative. The production of bioethanol from starches like corn or sugar cane is less sustainable than expected. The usage of food product as raw material for fuels in the last years caused ethical and social problems. Therefore research focused on other raw materials, like agricultural byproduct or lignocellulosic biomass. Because these feedstocks contain different forms of carbohydrates, special pretreatment is necessary to make it convertible for microorganisms. This and lower ethanol concentration in the fermentation broth yields in higher energy demand for product recovery and makes the overall process expensive. The aim of this work was to investigate gasstripping as process between fermentation and distillation to increase product concentration to an energy efficient level. The work contained an experimental part and gained results were validated with simulation data, calculated in AspenPlus©. In the experimental part a bubble column was investigated in laboratory scale. Temperature and ethanol concentration of the test solution, volumeflow of the strippgas, application of different condensation steps and temperatures as well as the use of random packing were varied in 43 experiments. The results from the experimental part were validated by simulation with AspenPlus©. The best results were obtained applying high feed temperature, high ethanol concentration of and low condensation temperatures. Experiments with an ethanol concentration between 0,5 w% to 5 w% and temperatures of 35°C of the test solution were given big attention, because those are expected process parameters during ethanol fermentation from agricultural waste. Low volume flow and low condensation temperature were close to equilibrium data, calculated in AspenPlus© Running the bubble column with random packing resulted in almost no improvement of separation rate and selectivity. Bioethanol produced from the reviewed process is not competitive compared to fossil fuel, but has big room for improvement, which should be focused on in following research work.