Nachhaltige Verfahrenstechnik

Grundlagen, Techniken, Verfahren und Berechnung
 
 
Hanser (Verlag)
  • 1. Auflage
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  • erschienen am 7. Juli 2015
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  • 456 Seiten
 
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978-3-446-44415-7 (ISBN)
 
Wie können wir in Zukunft den weltweit steigenden Bedarf an Energie und Nahrung decken? Wie lässt sich das zunehmende Bedürfnis nach Erhaltung der Gesundheit bis ins hohe Alter erfüllen? Welche Auswirkungen hat dies alles auf die Umwelt, aber auch auf unser soziales Zusammenleben?
In diesem Buch gibt die Autorin einen Überblick zur Energie-, Umwelt- und Bioverfahrenstechnik, die als Schlüsseltechnologien zur Lösung vieler Probleme schon lange im Fokus der Ingenieure stehen. Die Autorin zeigt, wie umweltschonende und nachhaltige Produktlebenszyklen erreicht werden können. Die Verfahrenstechnik spielt dabei eine entscheidende Rolle, denn mit ihrer Hilfe erfolgt die eigentliche Stoffumwandlung innerhalb der Prozessketten. Ein zukunftsorientierter Aspekt ist dabei die Nutzung von Mikroorganismen und der Einsatz biologisch abbaubarer sowie nachwachsender Rohstoffe.
Erfahren Sie anhand unterschiedlicher Beispiele aus den drei o.g. Fachgebieten, welche Techniken zum Einsatz kommen, wie diese in Bezug auf Aspekte der Nachhaltigkeit zu beurteilen sind und wie zukünftige technische Entwicklungen aussehen könnten.
Folgen Sie der Autorin durch die unterschiedlichen Anwendungsgebiete, in denen sie technische Verfahren ausführlich vorstellt und beschreibt. Lernen Sie die Grundlagen auf den Gebieten der biologischen und der thermischen Prozesse sowie Ansätze kennen, die Sie zur Bewertung der Verfahren und zu einer Einordnung deren Nachhaltigkeit heranziehen können.
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  • 36,37 MB
978-3-446-44415-7 (9783446444157)
http://dx.doi.org/10.3139/9783446444157
weitere Ausgaben werden ermittelt
1 - Nachhaltige Verfahrenstechnik [Seite 4]
1.1 - Vorwort [Seite 6]
1.2 - 1 Einführung [Seite 14]
1.2.1 - 1.1 Nachhaltigkeit [Seite 16]
1.2.2 - 1.2 Möglichkeiten der Verfahrenstechnik [Seite 19]
1.2.3 - 1.3 Ökobilanzen [Seite 22]
1.2.3.1 - 1.3.1 Vorausgehende Definition der Zielstellung [Seite 25]
1.2.3.2 - 1.3.2 Ziel und Untersuchungsrahmen der Ökobilanz [Seite 26]
1.2.3.3 - 1.3.3 Sachbilanz [Seite 30]
1.2.3.4 - 1.3.4 Wirkungsabschätzung [Seite 32]
1.2.3.5 - 1.3.5 Auswertung [Seite 37]
1.2.4 - 1.4 Carbon Footprint von Produkten (CFP) [Seite 38]
1.2.4.1 - 1.4.1 Beachtung spezifischer Treibhausgasemissionen [Seite 41]
1.2.4.2 - 1.4.2 Berichterstattung des CFP [Seite 43]
1.2.5 - 1.5 Nachhaltigkeitsbericht [Seite 47]
1.2.6 - 1.6 Ansätze zur Einbeziehung ökonomischer Aspekte [Seite 52]
1.2.7 - 1.7 Kritische Würdigung der Ansätze [Seite 59]
1.3 - 2 Biologische Grundlagen [Seite 62]
1.3.1 - 2.1 Mikroorganismen [Seite 62]
1.3.1.1 - 2.1.1 Klassifizierung von Mikroorganismen [Seite 63]
1.3.1.2 - 2.1.2 Struktureller Aufbau der Zellen [Seite 70]
1.3.1.3 - 2.1.3 Technischer Einsatz von Bakterien, Hefen und Pilzen [Seite 74]
1.3.2 - 2.2 Stoffwechsel und Energieumwandlung [Seite 76]
1.3.2.1 - 2.2.1 Thermische Prozesse der Zelle [Seite 76]
1.3.2.2 - 2.2.2 Energiegewinnung im Rahmen des Stoffwechsels [Seite 82]
1.3.2.3 - 2.2.3 Die Bedeutung der Stickstoffe und Phosphate [Seite 90]
1.3.3 - 2.3 Anaerobe Prozesse [Seite 93]
1.3.3.1 - 2.3.1 Gärung [Seite 95]
1.3.3.2 - 2.3.2 Methanogenese [Seite 97]
1.3.4 - 2.4 Funktionsweise der Enzyme [Seite 99]
1.3.5 - 2.5 Reaktionskinetik [Seite 101]
1.3.5.1 - 2.5.1 Wachstum und Vermehrung [Seite 102]
1.3.5.2 - 2.5.2 Wachstumskurve [Seite 104]
1.3.5.3 - 2.5.3 Monod-Kinetik [Seite 107]
1.3.6 - 2.6 Modellierung der Reaktionskinetik [Seite 109]
1.3.6.1 - 2.6.1 Reaktorfahrweisen [Seite 110]
1.3.6.2 - 2.6.2 Batchreaktor [Seite 112]
1.3.6.3 - 2.6.3 Bilanzierung [Seite 114]
1.3.7 - 2.7 Stofftransport [Seite 123]
1.3.8 - 2.8 Bioreaktoren [Seite 127]
1.3.8.1 - 2.8.1 Submersreaktoren [Seite 128]
1.3.8.2 - 2.8.2 Bettreaktoren [Seite 136]
1.3.8.3 - 2.8.3 Membranbioreaktor [Seite 140]
1.3.8.4 - 2.8.4 Methoden zur Immobilisierung [Seite 141]
1.4 - 3 Thermische Prozesse [Seite 142]
1.4.1 - 3.1 Thermodynamische Grundlagen [Seite 145]
1.4.1.1 - 3.1.1 Systeme in der Thermodynamik [Seite 145]
1.4.1.2 - 3.1.2 Der Begriff "Zustand" in der Thermodynamik [Seite 147]
1.4.1.3 - 3.1.3 Arbeit und Wärme [Seite 151]
1.4.1.4 - 3.1.4 Erster Hauptsatz der Thermodynamik (1. HS) [Seite 154]
1.4.1.5 - 3.1.5 Thermische Zustandsänderungen [Seite 157]
1.4.1.6 - 3.1.6 Energieumwandlung - Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik (2. HS) [Seite 162]
1.4.1.7 - 3.1.7 Kreisprozesse [Seite 166]
1.4.1.8 - 3.1.8 Thermischer Wirkungsgrad [Seite 167]
1.4.1.9 - 3.1.9 Exergie und Anergie [Seite 168]
1.4.1.10 - 3.1.10 Dampfprozesse [Seite 170]
1.4.2 - 3.2 Konzepte zur Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) [Seite 177]
1.4.2.1 - 3.2.1 Blockheizkraftwerk (BHKW) [Seite 180]
1.4.2.2 - 3.2.2 Gas-Otto-Motoren [Seite 183]
1.4.2.3 - 3.2.3 Zündstrahlmotoren [Seite 185]
1.4.2.4 - 3.2.4 Stirling-Prozess [Seite 186]
1.4.2.5 - 3.2.5 Gasturbinen [Seite 191]
1.4.2.6 - 3.2.6 Organic Rankine-Cycle (ORC) [Seite 200]
1.5 - 4 Energieverfahrenstechnik [Seite 206]
1.5.1 - 4.1 Energiegewinnung aus Biomasse [Seite 215]
1.5.2 - 4.2 Ethanolherstellung aus Biomasse [Seite 216]
1.5.2.1 - 4.2.1 Schritte der Vorbehandlung bei der Ethanolproduktion [Seite 217]
1.5.2.2 - 4.2.2 Alkoholische Gärung (Fermentation) [Seite 223]
1.5.2.3 - 4.2.3 Destillation und Rektifikation [Seite 227]
1.5.2.4 - 4.2.4 Entwässerung [Seite 238]
1.5.2.5 - 4.2.5 Aufbereitung des Reststoffs [Seite 241]
1.5.2.6 - 4.2.6 Bioethanol aus der Sicht der Nachhaltigkeit [Seite 242]
1.5.3 - 4.3 Biogas [Seite 248]
1.5.3.1 - 4.3.1 Mikrobiologischer Prozess [Seite 249]
1.5.3.2 - 4.3.2 Einsatzstoffe [Seite 256]
1.5.3.3 - 4.3.3 Lebensbedingungen für Bakterien [Seite 268]
1.5.3.4 - 4.3.4 Verfahrenskette [Seite 273]
1.5.3.5 - 4.3.5 Prozessparameter [Seite 282]
1.5.3.6 - 4.3.6 Biogasreinigung und -aufbereitung [Seite 288]
1.5.3.7 - 4.3.7 Gärprodukt [Seite 292]
1.5.3.8 - 4.3.8 Einsatzmöglichkeiten für Biogas [Seite 294]
1.5.3.9 - 4.3.9 Diskussion der Nachhaltigkeit für die Erzeugung von Biogas [Seite 298]
1.6 - 5 Umwelttechnik [Seite 306]
1.6.1 - 5.1 Biologische Verfahren zur Luftreinhaltung [Seite 306]
1.6.1.1 - 5.1.1 Biofilter [Seite 313]
1.6.1.2 - 5.1.2 Biowäscher [Seite 323]
1.6.1.3 - 5.1.3 Biorieselbettreaktoren [Seite 327]
1.6.1.4 - 5.1.4 Biomembranverfahren [Seite 328]
1.6.1.5 - 5.1.5 Nachhaltigkeitsaspekte biologischer Luftreinhaltung [Seite 330]
1.6.2 - 5.2 Biologische Abfallbehandlung als Element der Kreislaufwirtschaft [Seite 334]
1.6.2.1 - 5.2.1 Abfallbehandlung - allgemeine Betrachtungen [Seite 334]
1.6.2.2 - 5.2.2 Kompostierung - Prinzipdarstellung [Seite 338]
1.6.2.3 - 5.2.3 Mieten als Verfahrensvariante [Seite 344]
1.6.2.4 - 5.2.4 Prozessschritte der MBA [Seite 345]
1.6.2.5 - 5.2.5 Konzepte zur Nachhaltigkeit Mechanisch-Biologischer Abfallbehandlungsanlagen [Seite 355]
1.7 - 6 Bioverfahrenstechnik [Seite 372]
1.7.1 - 6.1 Biokunststoffe [Seite 372]
1.7.1.1 - 6.1.1 Übersicht Biokunststoffe [Seite 377]
1.7.1.2 - 6.1.2 Nachwachsende Rohstoffe [Seite 380]
1.7.1.3 - 6.1.3 Herstellungsprozesse von Biokunststoffen [Seite 382]
1.7.1.4 - 6.1.4 Zertifizierung "biobasiert" [Seite 390]
1.7.1.5 - 6.1.5 Nachhaltigkeit von Biokunststoffen [Seite 391]
1.7.2 - 6.2 Bodenhilfsstoffe [Seite 404]
1.7.2.1 - 6.2.1 Pflanzenernährung [Seite 404]
1.7.2.2 - 6.2.2 Bedeutung des Bodens [Seite 408]
1.7.2.3 - 6.2.3 Einsatz spezifischer Mikroorganismen für eine ökoeffiziente Pflanzenernährung [Seite 411]
1.7.2.4 - 6.2.4 Mikrobielle Nutzorganismen [Seite 413]
1.7.2.5 - 6.2.5 Herstellungsprozess eines Bodenhilfsstoffs am Beispiel des Bacillus amyloliquefaciens [Seite 415]
1.7.2.6 - 6.2.6 Exkurs: Chemische Dünger [Seite 423]
1.7.2.7 - 6.2.7 Aspekte zur Nachhaltigkeit von Produkten zur Verbesserung des Pflanzenwachstums [Seite 428]
1.8 - Literatur [Seite 434]
1.9 - Index [Seite 450]
1 Einführung

Der Mensch befindet sich in einer intensiven Wechselwirkung mit seiner Umwelt. Durch den Einsatz von Technik wird diese stark genutzt. Wichtige Ressourcen werden der Erde entnommen und Abfall- und Reststoffe an sie zurückgegeben. Aus dem Umgang mit der Umwelt gehen drei wesentliche Probleme hervor:

       Ressourcenverbrauch

       Zerstörung von Ökosystemen

       Umweltverschmutzung

Diese Probleme sind bereits seit vielen Jahren erkannt und es werden unterschiedliche Maßnahmen zu deren Vermeidung oder Abschwächung eingeleitet, wie z. B. die Einführung des CO2-Handels in Europa. Durch diesen Handel sollen Unternehmen motiviert werden, die ökologischen Auswirkungen ihrer Produktion auf die Umwelt zu analysieren und ihre Produktionswege entsprechend umzustellen, wodurch Ressourcen geschont und CO2-Emissionen vermieden werden.

Um die Produktionswege umzustellen, bedarf es neuer Verfahren und Prozesse. Einen wichtigen Beitrag dazu kann die Verfahrenstechnik leisten.

Wie gehören Nachhaltigkeit und Verfahrenstechnik zusammen? Eine erste Bestimmung der beiden Begrifflichkeiten bildet den Einstieg in das Thema.

Der Begriff Nachhaltigkeit wird in Kap. 1.1 vertiefend aufgegriffen. Dieser fasst die drei Bereiche Ökologie, Ökonomie und Soziales zusammen. Ziel für die Zukunft ist es, dass die Unternehmen neben der Betrachtung der Ökonomie auch die Aspekte der Ökologie und vor allem des Sozialen in ihren Fokus nehmen. Durch die Möglichkeit der Erstellung eines Nachhaltigkeitsberichts erhalten Unternehmen z. B. eine Anleitung, worauf in diesem Zusammenhang zu achten ist. Viele große wie kleine Unternehmen in Deutschland sind diesen Weg bereits gegangen, z. B. Großunternehmen wie Audi oder Siemens und kleine Unternehmen wie Märkisches Landbrot sowie die Reederei Riedel. Es wären an dieser Stelle viele weitere Unternehmen zu nennen. Die Berichte sind oftmals im Internet herunterzuladen. Für viele Unternehmen ist die Ökologie ein zentraler Ausgangspunkt. Bemühungen zur Verbesserung der Produktionsprozesse hin zu umweltfreundlicheren Prozessen bestehen schon seit vielen Jahren. Aus diesem Grund werden in diesem Buch unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit die Schonung von Ressourcen und die Auswirkungen des Lebenszyklus eines Produktes oder eines Produktionsprozesses auf das Ökosystem zentral betrachtet.

Das Aufgabengebiet der Verfahrenstechnik beschäftigt sich mit der Stoffumwandlung, -konzentrierung und -abscheidung (s. Kap. 1.2). Dazu werden Prozesse aufgesetzt, in denen ein Stoffgemisch, z. B. durch Temperatur- oder Druckänderung, in einen neuen, anderen Stoff bzw. in ein Stoffgemisch umgewandelt wird. Es erfolgt eine Änderung von Stoffart, Stoffeigenschaft und Stoffzusammensetzung. Alle in diesen Prozessen eingesetzten technischen Systeme, wie z. B. Rührwerke oder Kessel, zählen zum Bereich der Verfahrenstechnik. Einen zukunftsorientierten Aspekt bildet die Nutzung von Mikroorganismen, die zur Herstellung neuer Stoffe oder als Ersatz bestehender Stoffe bzw. zum Abbau von Stoffen eingesetzt werden können. Auch der Einsatz nachwachsender Rohstoffe, nicht nur bei der Energieerzeugung, sondern auch in anderen Bereichen, wie der Kunststoffherstellung, ist von hoher Wichtigkeit. Damit setzt die Verfahrenstechnik genau an den Punkten Ressourcenschonung und Entwicklung alternativer Prozesse und Produkte an, die eine positivere Auswirkung auf das Ökosystem besitzen.

Durch die Verbindung der beiden Begrifflichkeiten zu "nachhaltiger Verfahrenstechnik" wird ein Verständnis für die in diesem Buch erfolgte Eingrenzung auf biologische Prozesse geschaffen. Biologische Verfahren beruhen auf Prinzipien der Ökologie. Diese unterliegen einem Kreislauf. Alles und jedes ist wieder ein Ausgangsstoff für einen anderen Prozess. Abfall, so wie wir ihn kennen, gibt es in natürlichen ökologischen Prozessen nicht. Die Prozesse des Stoffauf- und -abbaus befinden sich in einem ökologischen Gleichgewicht. Durch den Einfluss des Menschen, insbesondere durch den Einsatz von Technik, kann dieses Gleichgewicht deutlich gestört sein.

Für eine Bewertung in Bezug auf Umweltfreundlichkeit, Verbesserung der Klimabilanz, Sicherung der ökonomischen Unternehmensbasis usw. stehen mehrere Ansätze zur Verfügung. Es wurden drei zentrale Bewertungsansätze ausgewählt, die nachfolgend vorgestellt werden. Dazu zählen die Ökobilanz, der Product Carbon Footprint (CO2-Fußabdruck - eine Ökobilanz auf Produktebene, welche die CO2-Emissionen und damit die Klimarelevanz der Produktion betrachtet) und der Nachhaltigkeitsbericht. Weiterhin werden Ansätze betrachtet, die die ökonomische Seite beleuchten, wie z. B. das Konzept der Lebenszykluskosten (Life Cycle Costing).

Um die verfahrenstechnischen Prozesse besser zu verstehen, sind einige Grundlagen wichtig, die in den ersten beiden Kapiteln vermittelt werden. Darauf folgt die Beschreibung konkreter Beispiele, in denen die Grundlagen Anwendung finden. Eine Diskussion zur Beantwortung der Frage, ob diese Prozesse nachhaltig sind, schließt die jeweiligen Kapitel ab.

Ziel des Buches ist die Vorstellung von Verfahren, in denen Mikroorganismen wichtiger Bestandteil sind. Die eigentliche Stoffwandlung oder Produktion von Stoffen ist das Ergebnis des Stoffwechsels von Mikroorganismen. Nicht Bestandteil sind gentechnische Veränderungen von Mikroorganismen, obwohl dies heutzutage ebenfalls eine wichtige Rolle spielt. Wenn es um den Aspekt der Nachhaltigkeit geht, ist der Einsatz nachwachsender Rohstoffe ebenfalls relevant. Nachwachsende Rohstoffe geben nur den Betrag an CO2 nach Beendigung des Lebenszyklus wieder frei, den sie zuvor beim Wachstum aufgenommen haben. Diese Bilanz ist somit CO2-neutral. Zudem können sie am Ende des Lebenszyklus durch Mikroorganismen abgebaut werden. Nachwachsende Rohstoffe stellen damit einen wichtigen Beitrag auf dem Weg der Verbesserung der Nachhaltigkeit von Prozessen dar. Prozesse, in denen diese Rohstoffe Eingang finden, werden ebenfalls berücksichtigt.

1.1 Nachhaltigkeit

Der Begriff der Nachhaltigkeit stammt ursprünglich aus der Forstwirtschaft. Hans Carl von Carlowitz (1645 - 1714), Oberberghauptmann aus Freiberg (Sachsen), hat diesen Begriff geprägt. Er gilt als der Begründer des Prinzips der Nachhaltigkeit. Aufgrund einer drohenden Rohstoffkrise war es sein Ansinnen, das Bewusstsein der Menschen dahin zu lenken, dass unsere Ressourcen auf dem Planeten eine gewisse Begrenztheit haben. 1713 formulierte von Carlowitz erstmals in seinem Werk "Sylvicultura oeconomica": Es solle immer nur so viel Holz geschlagen werden, wie durch planmäßige Aufforstung, durch Säen und Pflanzen nachwachsen könne (von Carlowitz 1713).

Dieser Ansatz wurde 1987 im so genannten Brundtland-Bericht wieder aufgegriffen und für eine breite Anwendung definiert. Dort heißt es, dass die jetzige Generation ihre Bedürfnisse befriedigen soll, ohne die Möglichkeiten zukünftiger Generationen zu gefährden, ihre eigenen Bedürfnisse zu befriedigen (Hinrichsen 1987).

Dieser Gedankenansatz prägt das vorliegende Buch. Nicht nur, wenn es darum geht, fossile und andere Ressourcen einzusparen, sondern auch dann, wenn pflanzliche, nachwachsende Rohstoffe eingesetzt werden. Dies ist der Fall z. B. im Zusammenhang mit der Produktion von Biokunststoffen oder der Bereitstellung von Energie auf Basis nachwachsender Rohstoffe. Dies gibt dem Ausdruck der Nachhaltigkeit in diesem Buch eine zentrale Bedeutung: Die Produktion ist so ausgerichtet und die Produkte sind so gestaltet, dass sie Ressourcen schonen und Emissionen vermeiden und damit die Klimabilanz verbessern und die Basis für die Gestaltung des Lebens zukünftiger Generationen bilden.

Im deutschen Sprachgebrauch wird der Begriff Nachhaltigkeit überstrapaziert. Oft ist damit gemeint, dass Produkte, Zustände oder auch Prozesse langlebig bzw. mit längerer Wirkung gestaltet sein sollen. So werden z. B. im Buch "Nachhaltigkeit in Training und Beratung" Methoden und Interventionen vorgestellt, wie Seminarverläufe nachhaltig gestaltet oder wie Trainingstheorien nachhaltiger vermittelt werden können (Keller 2013). Doch im sozialökologischen Kontext ist der Bogen weiter gespannt. Aus den Diskussionen der letzten Jahre, in denen wir merken, welche Auswirkungen unser Handeln hat, werden wir uns bewusst, dass ein Verhalten, wie wir es aus der Vergangenheit kennen, so nicht weitergeführt werden kann.

Im technischen Bereich hat man schon vor langer Zeit erkannt, dass ein Ressourcen-orientiertes Denken die Basis für wirtschaftlichen Erfolg ist. Daraus haben sich in den letzten Jahren drei zentrale Gedankenmodelle etabliert. Neuere Betrachtungen sprechen in diesem Zusammenhang von:

       "cradle to grave" ("von der Wiege bis zur Bahre"). Das Modell geht davon aus, dass im Rahmen der Wertschöpfungskette die Einsatz- oder Ausgangsstoffe bis zu ihrer Entsorgung gelenkt und geleitet werden sollen. Somit wird der gesamte Lebensweg eines Produktes von den Vorketten des Anbaus und der Förderung der Rohstoffe über deren Verarbeitung und den nachfolgenden Einsatz in der Produktion mit anschließendem Transport zum Vertrieb/Großhandel über den Endabnehmer bis zur Produktentsorgung, z. B. auf einer Deponie oder in einer Müllverbrennungsanlage, betrachtet.

       "cradle to gate" ("von der Wiege bis zum Tor"). Dies grenzt den Ansatz "cradle to grave" dahingehend ein, dass der...

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