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Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie

Pe04

Verfahrenstechnische und wirtschaftliche Aspekte bei der

Verwertung und Entsorgung von Hefe

Dipl.-Ing. Gunther Pesta

2. Weihenstephaner Hefesymposium15. und 16. Juni 2004, Freising-Weihenstephan


Pe04Das Modell der emissionsarmen Brauerei

gereinigtes Abwasser

zum externen Recycling

zur internen Wiederverwendung

zum Sonder-abfallentsorger

Gewässer oder Kanalisation

Selektive Konzentrierung der Reststoffströme


Pe04Wertstoffliche Nutzung biogener Reststoffe

Primärrohstoff Verarbeitung Produkt

Ungenutzter biogenerRoh-/Reststoff

Wertstoffliche Nutzung

Sekundärrohstoff

Aerobe/anaerobeVerwertung


Pe04Rohstoff- und Reststoffströme in der Brauerei

MalzEnergie

Wasser

Hopfen

Energie

Hefe

Energie

Filterhilfs-stoffe, Energie

Verpackungs-material

Energie

Was

ser s

owie

Rei

nigu

ngs-

und

Des

infe

ktio

nsm

ittel

INPUT

Lärm

Abfälle

Emissionen

Filterhilfs-stoffe

Hefe

CO2

Abwärme

Wasserdampf

Treber

StaubLärm

OUTPUT

Abw

asse

r

Filtern

Reifung

Gärung

Würzekochen

Läutern

Maischen

Zerkleinern

Abfüllen

Lagern,Transport

Verpacken

Schrot-mühle

Sudhaus

Gär- und Lager-keller

Filter-keller

Abfüllung


Pe04Massenverteilung produktionsspezifischer biogener Reststoffe

Treber 78,2 %

Malzstaub 0,4 %Kieselgur 2,5 %

Hefe, Geläger 9,6 %

Heißtrub 7,2 %

Kühltrub 2,1 %


Pe04Spezifische Reststoffmengen in Brauereien

0,29Papier/Etiketten

0,4-1,1Kieselgurschlamm

2,0-2,6Geläger und Überschusshefe

0,1-0,3Kühltrub

0,4-2,0Heißtrub

18,0-20,0Malztreber (20 % TS)

0,05-0,25Malzstaubkg/hl Verkaufsbier (VB)Reststoff


Pe04CSB-Konzentrationen ausgewählter Brauerei-Reststoffe

110 000Cola

850 000Zuckersirup

120 000Vollbier hell15 000Kieselgur

170 000Lagerkellerhefe200 000Gärkellerhefe130 000Kühltrub100 000Heißtrub

CSB in mg O2 pro l

1 EWG = 60 000 mg BSB5 pro Einwohner und Tag

1 EWG = rund 90 000 mg CSB pro Einwohner und Tag

BSB5 Biologischer Sauerstoffbedarf in fünf TagenCSB Chemischer Sauerstoffbedarf


Pe04Die Brauerei als Direkteinleiter

2Phosphor gesamt

18Stickstoff, gesamt, als Summe von Ammonium-, Nitrit-und Nitratstickstoff (Nges)

10Ammoniumstickstoff (NH4-N)110Chemischer Sauerstoffbedarf (CSB)

25Biologischer Sauerstoffbedarf in 5 Tagen (BSB5)mg pro l

DirekteinleiterDas Abwasser wird nach der Reinigung in den Vorfluter eingeleitet (Fluss, Bach).

Abwasserverordnung Anhang 11 - Brauereien

Die Werte sind zu ermitteln aus einer qualifizierten Stichprobe oder einer 2-Stunden-Mischprobe.


Pe04Die Brauerei als Indirekteinleiter

IndirekteinleiterDas Abwasser wird über die Kanalisation in die kommunale Kläranlage eingeleitet.

Die organische Belastung wird der Brauerei über Gebühren in Rechnunggestellt (Abwassergebühren, Zuschlagsätze). In der Regel erfolgt die Bemessung der Gebühren anhand des BSB5 bzw. CSB.

• Unbehandeltes Einleiten• Einleiten über Misch- und Ausgleichsbecken• Einleiten nach aerober Vorbehandlung (Belebungsbecken)• Einleiten nach anaerober Vorbehandlung

ATV-ArbeitsblattTemperaturen kleiner 35 °CpH-Wert 6,5 bis 10


Pe04Die Bedeutung der Überschusshefe für die Abwasserschmutzfracht

Modellbrauerei (250 Betriebstage)

Jahresproduktion 1 Mio. hl VB

Spezifische Abwassermenge 0,4 m³ pro hl VB

Durchschnittliche CSB-Belastung 3 000 mg O2/l Abwasser

Jährliche Abwassermenge 400 000 m³

2,6 kg Überschusshefe pro hl mit einem CSB von 200 000 mg O2/l bzw. kg

Jährliche Hefemenge 2 600 000 kg

Jährliche Hefe-CSB-Menge 520 000 kg

Anteilige CSB-Fracht durch die Überschusshefe (365 Betriebstage)

1 300 mg CSB pro l Abwasser


Pe04Die Bedeutung der Überschusshefe für die Abwassergebühr

Berechnung des Zuschlagsatzes für Starkverschmutzer• Einleiterpreis („Grundpreis“) 1,30 Euro pro m³ Abwasser

• 800 bis 1 000 mg O2/l 11 Prozent Zuschlag

• jede weiteren 200 mg O2/l 11 Prozent Zuschlag

Abwassergebühr der ModellbrauereiAbwassergebühr 2,87 Euro/m³Zuschlag für 3 000 mg O2/l 1,57 Euro/m³

Reduzierte Abwassergebühr 1,94 Euro/m³Zuschlag für 1 700 mg O2/l 0,64 Euro/m³

Reduktion des Zuschlagsatzes um 0,93 Euro/m³Jährliche Einsparung 370 000 Euro


Pe04Frische Bierhefe – Sensorische Merkmale und Eigenschaften

arteigen (hefig, würzig)frisch: Biergeruch vorherrschendgelagert: faulig oder obstartig

Geruch

dickflüssigGefüge

sehr bitter (Hopfenharze)Geschmack

ockernahezu weiß bis dunkelbraun

Farbe

Unterzeug gärschwache/tote Zellen, meist dunkle Farbe

Kernzeug gesunde kräftige Zellen, helle Farbe

Oberzeug sehr viel Hopfenharze, dunkle Farbe, Eiweißstoffe,

tote Zellen


Pe04Zusammensetzung frischer Bierhefe (Mass.-%)

N-Verbindungen

Kohlenhydrate

Fett

AscheMineralstoffe und Spurenelemente

Vitamine

40-60 %zellaufbauend 90 %freie Aminosäuren 10 %

15-37 %Glucan (Zellwände) 8 %Mannan 2,5-10 %Glykogen (Speicher) 3-10 %

2-12 %Lipide, Lipoide (Phospholipide)

6-1 %Spuren

Phosphate, Natrium, Calcium, MagnesiumSpuren

B-Gruppe (B1, B2, B5, B6)Folsäure, Biotin, p-Aminobenzoesäuren


Pe04Beispiele für interne Verwertungswege von Überschusshefe

• Zugabe der Hefe zu den Trebern

• Gewinnung von AbpressbierFiltrieren und SterilisierenZugabe bei der Gärung oder beim Schlauchen

• Gewinnung von GelägerbierZugabe zur Würze (möglichst frühe Zugabe)Kurzzeiterhitzung, Aufkräusen und Verschnitt

• Anaerobe FermentationBiogasgewinnung und Biogasnutzung


Pe04Die Abpressbiergewinnung aus Geläger und Überschusshefe

Gärkellerhefe 1,1-1,8 l/hl VBPresshefe 0,7-1,1 kg/ hl VBAbpressbier 0,4-0,7 l/hl VB

Lagerkeller 0,9-1,5 l/hl VBPresshefe 0,5-0,9 kg/hl VBAbpressbier 0,3-0,5 l/hl VB

Entsprechend rund 0,10 Euro pro hl VB an zurückgewonnenem Extrakt

VerfahrenSedimentation, Filterpresse, Vakuumdrehfilter oder Ultrafiltration


Pe04Beispiele für externe Verwertungswege von Überschusshefe

• Direkte Abgabe an landwirtschaftliche Betriebe als FuttermittelRinder-, Schweine-, Geflügelfütterung

• Zusatz von Trockenhefe zu MischfutterRinder-, Schweine-, Geflügelfütterung Heimtiernahrung

• Grundstoff bei der Herstellung von VitaminpräparatenBierhefe in Form von Tabletten oder Flocken

• Grundstoff bei der Herstellung von NahrungsmittelnVegetarische Brotaufstriche (z. B. Marmite®, Vegemite®)Bindemittel; z. B. Soßen, Suppen

• Herstellung von HefeextraktenWürzmittel

• Beschichtung von Tabletten„Yeast Wrap“ (vollständig wasserlöslich, geringe

Sauerstoffdurchlässigkeit)


Pe04Die anaerobe Fermentation von Überschusshefe - Biogasgewinnung

95 % Gasphase

CH4, CO2 BIOGAS

CO2

1- 5 %

1- 3 %

1- 3 %

SCHLAMM

ZULAUF ANEROB AEROB

100 % ORGANISCHES C

IM ABWASSER

1 % REST C IM ABLAUF


Pe04Der pH-Wert bei der anaeroben Fermentation

4,4

4,6

4,8

5

5,2

5,4

5,6

Blindwert Hefe Geläger

Flasche 1Flasche 2Flasche 3

pH-Wert


Pe04Die Ammoniumkonzentration bei der anaeroben Fermentation

0

500

1000

1500

Blindwert Hefe Geläger

Flasche 1Flasche 2Flasche 3

mg/l


Pe04Das Fettsäurenspektrum bei der anaeroben Fermentation von Hefe

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500KonflntuHefe 1Hefe 2Hefe 3Konflnto

mg/l

Essigsäure

Valeriansäure

I-Buttersäure

Propionsäure

ButtersäureI-Valeriansäure

CapronsäureÖnanthsäure


Pe04Das Fettsäurenspektrum bei der anaeroben Fermentation von Geläger

0

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.500KonflntuGeläger 1Geläger 2Geläger 3Konflnto

Essigsäure

Valeriansäure

I-Buttersäure

Propionsäure

ButtersäureI-Valeriansäure

CapronsäureÖnanthsäure

mg/l


Pe04Die anaeroben Fermentation von Überschusshefe - Überblick

• Hydraulische Verweilzeit 5-8 Tage

• Biogasausbeute 0,45-0,75 m³/BSB5, abgebaut

0,3-0,5 m³/CSBabgebaut

• Methangehalt rund 65 %

• Erwarteter Heizwert 25 000 kJ/mn³ Biogas

6,94 kWh/mn³ Biogas

Täglich werden rund 700 mn³ Biogas erzeugt

1 mn³ Biogas entspricht 0,6 mn³ Erdgas bzw. 0,6 l Heizöl


Pe04Die energetische Verwertung von Biogas - Blockheizkraftwerk I

Biogasnutzung in einem Blockheizkraftwerk (BHKW)

• Elektrischer Wirkungsgrad 0,32

• Thermischer Wirkungsgrad 0,52

Bereitgestellte elektrische Leistung 60 kWBereitgestellte thermische Leistung 100 kW

Einspeisung der elektrischen Leistung in das öffentliche Netz

• Einspeisevergütung nach EEG 0,099 Euro/kWh

• Betriebsdauer BHKW 8 200 Betriebsstunden pro Jahr

Stromerlös pro Jahr 50 000 Euro


Pe04Die energetische Verwertung von Biogas - Blockheizkraftwerk II

Schmieröl MotorGHeizkreislauf 2

120 - 125 °CAbgasHeizkreislauf 1

ZumNotkühler

78 - 80 °C68 - 70 °C

Vom Notkühler

Heißgekühltes Blockheizkraftwerk 110 - 115 °C


Pe04Die energetische Verwertung von Biogas - Kessel

Biogasnutzung in einem Kessel

• Jahreswirkungsgrad 0,83

• Speisewasserenthalpie (98 °C) 410,80 kJ/kg

• Dampfenthalpie (10 bar) 2 776,00 kJ/kg

Bereitgestellter Prozessdampf 250 kg/h

Energieinhalt des Biogases in Heizöläquivalenten

• 1 m³ Biogas ersetzt 0,6 l Heizöl EL

Einsparung 160 000 l Heizöl EL pro Jahr


Pe04Spezifische Kosten für die Entfernung der Ammoniumfracht

kg/GJ5,1Ammoniumfracht bezogen auf Biogasbruttowärme

kg/hl VB0,014Spezifische Ammoniumfracht

Entfernung von Ammonium durch Dampfstrippen oder Fällung von Magnesiumammoniumsulfat (MAP).

Spezifische Kosten 5 Euro/kg Ammoniumentfernt

Euro/GJ25,50Spezifische Kosten

Euro/hl VB0,07Spezifische Kosten


Pe04Aspekte für alternative Verwertungswege von Hefe

• Durch die Abgabe von Treber und Hefe in die Tierfütterung werden Brauereien zu Einzelfuttermittelherstellern. In Zukunft kann verstärkt eine Teilnahme an QS-Systemen von den Abnehmern gefordert werden.

• Die Wirtschaftlichkeit des Hefeverkaufs stellt sich derzeit sehr uneinheitlich dar (Kosten für die Entsorgung, Erlöse aus dem Verkauf).

• Die Betriebsgröße schränkt externe Verwertungswege ein, beispielsweise durch geforderte Mindestabnahmemengen.

• Einsparung von Transport-, Deponie- und Abwassergebühren.

• Reduzierung der Kosten für die Bereitstellung von Prozessenergie.


Pe04Voraussetzungen für eine effiziente Reststoffnutzung

• Kenntnis der Input/Output Mengen an Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffen der untersuchten Betriebseinheit

• Kenntnis der Zusammensetzung der anfallenden biogenenReststoffe, feinstoffliche Analyse

• Kenntnis über die vor- und nachgelagerten Produktionsschritte bei Zwischenproduzenten

• Kenntnis über die aktuellen Marktpreise (Produktion, Entsorgung)

• Schaffung des nötigen Problembewusstseins bei den Unternehmen

• Bereitschaft zu innovativen Denkansätzen


Pe04

Dipl.-Ing. Gunther PestaWeihenstephaner Steig 22

85350 Freising

Tel 08161 71 3598Fax 08161 71 4415

[email protected]

Wissenschaftszentrum Weihenstephanfür Ernährung, Landnutzung und

Umwelt

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