Aufbereitung von Biertrebern für eine optimierte energetische und stoffliche Nutzung

Doktorand: Severin Fleischmann
Betreuer HSWT: Prof. Dr. Winfried Maria Ruß
Fakultät: Fakultät Bioingenieurwissenschaften
Partner-Uni: Universität Kassel | Prof. Dr. sc. agr. O. Hensel
Zeitraum: 01.01.2011 - 05.09.2018

Abstract

Because of its composition, spent grain from breweries can be counted as a key renewable resource. The previous approaches to ferment spent grain anaerobically with the aim of producing biogas are at present not economical due to the lignocellulosic components contained in the spent grain which lead to long fermentation times. Currently no other economical feasible way exists for it to have a material use. This thesis therefore deals with the task of examining a new concept to add value and create a material use for the industrial biogenic waste material spent grain. Spent grain was separated into its individual fractions in order to process these fractions separately. One must consider to what extent spent grain can be dehydrated on an industrial scale. The spent grain was split up into a solid and a liquid phase with a screw press. The solid phase was then examined for its suitability as a fuel for wood chip furnaces and the liquid phase regarding its suitability for biogas fermentation. Furthermore, the possibility to hydrothermally treat the spent grain was examined at a laboratory level. The aim here was to unlock the lignocellulosic structures of spent grain to subsequently be able to separate the individual components of the cellulose. We obtained some losses with the extracted liquid due to the fats, proteins and fine particles contained in the spent grain. The spent grain fibers are relatively short, so they can be used for example as a filler material in cardboard boxes. These fibers display the positive property of swelling during drying, however the extraction is not of interest when considered from an economic al perspective. It was demonstrated by using a screw press that dry matter content could be obtained on a large scale. That makes it now possible to use the pressed spent grain in mixtures with wood chips as a fuel source in corresponding combustion plants. The combustion of mixed fuels such as this in a stoker-fired furnace could be carried out without any complications. Therefore, the thermal utilization of spent grain as an addition to wood chips in a grate furnace is technically possible as well.

Kurzfassung

Der Rohstoff Biertreber kann aufgrund seiner Zusammensetzung zu den nachwachsenden Rohstoffen gezählt werden. Die bisherigen Ansätze zur anaeroben Fermentation mit dem Ziel, Biogas zu gewinnen, sind aufgrund der in den Biertrebern enthaltenen lignocellulosen Bestandteile, welche zu langen Fermentationszeiten führen, zum jetzigen Zeitpunkt nicht wirtschaftlich. Es existieren momentan auch keine weiteren wirtschaftlich sinnvollen Wege zur stofflichen Nutzung.

Die vorliegende Arbeit befasst sich daher mit der Aufgabe, ein neues Konzept zur wertschöpfenden und stofflichen Nutzung des industriellen biogenen Reststoffs Biertreber zu untersuchen. Dazu wurden die Biertreber in einzelne Fraktionen aufgeteilt, um diese dann getrennt zu verwerten. Zum einen wurde dabei betrachtet, inwieweit sich Biertreber in einem großtechnischen Maßstab entwässern lassen. Dafür wurden die Biertreber mit einer Schneckenpresse in eine feste und in eine flüssige Phase getrennt. Die feste Phase wurde hinsichtlich ihrer Eignung als Brennstoff in Hackschnitzelfeuerungen, die flüssige Phase hinsichtlich ihrer Eignung zur Biogasfermentation untersucht. Zum anderen wurde die Möglichkeit einer hydrothermalen Behandlung der Biertreber im Labormaßstab untersucht. Ziel war es, die lignocellulosen Strukturen der Biertreber aufzuschließen, um dann die cellulosen Bestandteile abtrennen zu können. Aufgrund der in den Biertrebern enthaltenen Fette und Proteine sowie wegen der feinen Partikel kommt es allerdings zu Verlusten bei den als Aufschlussflüssigkeit eingesetzten Chemikalien.
Die aus den Biertrebern gewonnenen Fasern sind vergleichsweise kurz, weshalb sie z.B. als Füllmaterial für Kartonagen eingesetzt werden können. Trotz der guten Eigenschaft, dass sie beim Trocknen aufquellen, sind der Aufschluss der in den Biertrebern enthaltenen lignocellulosen Strukturen und die getrennte Verwertung der Fasern aus wirtschaftlicher Sicht momentan nicht interessant.

Mit den Versuchen zur Entwässerung der Biertreber konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz einer Schneckenpresse auch im großtechnischen Maßstab Trockensubstanzgehalte erreicht werden können, die es ermöglichen, die gepressten Biertreber in Mischungen mit Hackschnitzeln in entsprechenden Feuerungsanlagen als Brennstoff einzusetzen. Die Verbrennung von solchen Mischbrennstoffen in einer Rostfeuerung konnte störungsfrei durchgeführt werden. Grundsätzlich kann daher festgestellt werden, dass die thermische Verwertung von Biertrebern in Beimischung zu Holzhackschnitzeln in einer Vorschubrostfeuerung technisch gut realisierbar ist.