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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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
Pe04Das Modell der emissionsarmen Brauerei
gereinigtes Abwasser
zum externen Recycling
zur internen Wiederverwendung
zum Sonder-abfallentsorger
Gewässer oder Kanalisation
Selektive Konzentrierung der Reststoffströme
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
Pe04Wertstoffliche Nutzung biogener Reststoffe
Primärrohstoff Verarbeitung Produkt
Ungenutzter biogenerRoh-/Reststoff
Wertstoffliche Nutzung
Sekundärrohstoff
Aerobe/anaerobeVerwertung
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
Pe04Rohstoff- und Reststoffströme in der Brauerei
MalzEnergie
Wasser
Hopfen
Energie
Hefe
Energie
Filterhilfs-stoffe, Energie
Verpackungs-material
Energie
Was
ser s
owie
Rei
nigu
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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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
Pe04Massenverteilung produktionsspezifischer biogener Reststoffe
Treber 78,2 %
Malzstaub 0,4 %Kieselgur 2,5 %
Hefe, Geläger 9,6 %
Heißtrub 7,2 %
Kühltrub 2,1 %
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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.
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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)
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
Pe04Die Ammoniumkonzentration bei der anaeroben Fermentation
0
500
1000
1500
Blindwert Hefe Geläger
Flasche 1Flasche 2Flasche 3
mg/l
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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.
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
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
Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie
Pe04
Dipl.-Ing. Gunther PestaWeihenstephaner Steig 22
85350 Freising
Tel 08161 71 3598Fax 08161 71 4415
Wissenschaftszentrum Weihenstephanfür Ernährung, Landnutzung und
Umwelt