Energieeinsparung durch Produktionsoptimierung für die Futtermittelherstellung

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1 Energieeinsparung durch Produktionsoptimierung für die Futtermittelherstellung Dipl..-Ing. Andreas Rebhan, Aröw GmbH, Duisburg Zusammenfassung Im Rahmen des Vorhabens 1 Aufbau eines wertschöpfungskettenbezogenen Stoffstrommanagements für die Futtermittelherstellung wurde begleitend zur Entwicklung eines neuen Produkts (Hexanfreies ) und der dazu erforderlichen Prozessinnovation (neue Press- und Prozesstechnik) das Konzept für ein Stoffstrommanagement entwickelt. Das Verfahren kann die herkömmliche Extraktion verringern und auf diese Weise die Entwicklung eines Öko-Futtermittels mit geringem Restölgehalt ermöglichen. Wesentlicher Kern des hier beschriebenen Projekts Stoffstrommanagement war eine Analyse der damit verbundenen Stoffströme, die Ausarbeitung eines Modells von der Saat über die Produktion bis hin zum fertigen Futtermittel, die Ermittlung der Umweltbe- und -entlastungen gegenüber dem herkömmlichen Verfahren (Extraktion), hier insbesondere Stoff-, Energie- und Wasserentlastung die Ermittlung der damit verbundenen Energiebe- und -entlastungen bei den Umwandlungsprozessen im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren, die Wirtschaftlichkeitsanalyse des Verfahrens Neue Presstechnik mit dem Ziel, für die Betriebe der Branche und ihre Wertschöpfungspartner ein Planungsmodell bereitzustellen, welches sowohl beispielhaft getestet als auch praktisch erprobt ist. Damit wird eine unternehmensübergreifende Informationsstruktur zur Verfügung gestellt, die für die Öl- und Saatmühlen wichtige Informationen darüber gibt, wie die Prozesse prinzipiell dargestellt und bewertet werden können die für andere Segmente der Branche Food-Processing ein Demonstrationsprojekt zur Initiierung ähnlicher Stoffmanagement-Systeme darstellt, die damit der Forderung der EU und des deutschen Bundesumweltministeriums zu einer Transparenz der Nahrungs- und Genussmittelkette im Teilsegment Futtermittelerzeugung und -produktion und der Forderung des Bundesgesundheitsministeriums nach nachvollziehbaren und transparenten sowie qualitätsabgesicherten (ernährungsphysiologisch unbedenklichen) Produkten Rechnung trägt. 1 MWMEV des Landes Nordrhein Westfalens, Projekt.-Nr.. PT JT Az.: 0201 e 12 ; Förderkennzeichen :

2 Der Markt für die Produkte der Ölsaatenbearbeitung kann in 3 Bereiche unterschieden werden: Der Lebensmittelbereich Der Lebensmittelsektor nimmt insbesondere das kaltgepresste Öl als wichtiges, ernährungsphysiologisch wertvolles Nahrungsmittel auf. Es kann dabei a. direkt vermarktet b. indirekt vermarktet werden. Zur Direktvermarktung wird das kaltgepresste Öl meist in 0,25-, 0,5-, 1,5-,10-Liter- Gebinden (Dose, Eimer) in eigenen Abfüllanlagen abgefüllt und verpackt und an den Handel oder Großverbraucher ausgeliefert. Ökonomisch gesehen ist dies für die Ölmühlen der interessanteste Markt, da hier die höchsten Preise erzielt werden können. Die Indirektvermarktung erfolgt über Weiterverarbeiter, welche das Öl zu Margarine und anderen pflanzenölhaltigen Produkten für die Lebensmittelindustrie weiterverarbeiten. Der chemisch-pharmazeutische Bereich Auch die chemische und pharmazeutische Industrie ist Abnehmer sowohl für kaltgepresste als auch extrahierte Pflanzenöle, wobei Letztere überwiegen. Die Verwendung ist insbesondere noch von der Pflanze abhängig. Während beispielsweise Raps und Sonnenblume häufig in der Nahrungsmittelindustrie Verwendung finden, erfreut sich Leinöl einer steigenden Beliebtheit in der so genannten sanften Chemie. Typische Produkte sind: Ölliefernde Pflanzen-Produkte und ihre industrielle Verwendung Raps Sonnenblume Farben, Lacke Öllein Hanf Leindotter Senf Koriander Ölmadie Crambe Mohn Saflor Biodiesel, Schmierstoffe, Motorenöle, Hydraulik- und Getriebeöle, Motorsägeketten- und Sägegatteröle, Verlustschmierung, technische Öle, Tenside, Farben, Lacke Farben, Lacke, Firnis, Linoleum, Alkydharze, Weichmacher, PVC-Stabilisatoren, Tenside, Kitt, Papier-, Leder-, Wachstuchindustrie, Staubbindemittel, Spezialseife, Trägerstoff für Pflanzenschutzmittel, Produktion wasserdichter Gewebe Farben, Seifen Seifen, Anstrichöl, Firnis, Lampenöl Fettchemische Industrie (Erucasäure) Fettchemische Industrie (Petroselinsäure) Technische Öle (z.b. Schmierstoffe) Fettchemische Industrie (Erucasäure) Hochwertige Malerfarben Schnell trocknende technische Öle, Alkydharze, Weichmacher, PVC-Stabilisatoren Tab. 1: Industrielle Verwendung der Ölpflanzen (Quelle CMA)

3 Der Futtermittelmarkt Der Futtermittelmarkt nimmt folgende Produkte auf: Futteröl Presskuchen Er ist der bei weitem größte Abnehmer der Ölmühlenprodukte, aber auch stark weltmarktabhängig und somit starken Einflüssen und Wechselwirkungen nicht nur preislicher, sondern auch politischer Natur unterworfen. Hier spielt beispielsweise insbesondere die Verbraucherpolitik der EU in den letzten Jahren eine immer dominierendere Rolle. Als Beispiele seien hier nur die Verordnungen zum Fütterungsverbot von tierischen Proteinen Biolandbau und biologischen Produkten oder Zulassung und Kennzeichnung genannt, welche den Markt erheblich beeinflusst haben. So trat z.b. am 07. November 2003 in allen EU-Ländern eine neue Verordnung in Kraft, mit der Zulassung und Kennzeichnung von gentechnisch veränderten Lebens- und Futtermitteln gesetzlich und einheitlich geregelt werden. Mit der neuen Verordnung (Nr. 1829/2003) wird die Gruppe der gentechnisch veränderten Lebensmittel aus dem Regelungsbereich der vor sechs Jahren in Kraft getretenen Novel Food-Verordnung herausgelöst und einem eigenen Gesetz unterstellt. Gleichzeitig wurden für diese Produkte die Sicherheitsanforderungen verschärft sowie die Kennzeichnung und Informationsrechte der Öffentlichkeit erweitert. Herstellung des Öls; Modellierung des Prozessmodells Zur Modellierung des Geschäftmodells werde detaillierte Kenntnisse der Produktion benötigt. Im folgenden Kapitel wird daher die Erzeugung des Öls und des ts ausführlich beschrieben Herstellung des Raps- und Leinöls Mechanische Vorbehandlung Die Samen werden verarbeitungsfertig per Schiff (bevorzugt) oder per LKW angeliefert und in Lagerboxen zwischengelagert. Aus dem Zwischenlager wird der Samen pneumatisch in die erste Verarbeitungsstufe der mechanischen Aufbereitung geführt. Hier erfolgt der erste mechanische Aufschluss des Samens mittels Walzen und Pressen. Dazu werden Saaten und eventuell enthaltene Störstoffe (Steine etc.) meist mittels Rüttelsieben o.ä. getrennt und die störstofffreie Saatfracht einer ersten mechanischen Vorbehandlung mittels Walzen unterzogen. Dabei wird die Saathülle aufgesprengt, damit das Saatkorn der weiteren Bearbeitung zugänglich wird. Im anschließenden Pressvorgang wird kaltgepresstes Öl (Lein, Raps, Soja, Sonnenblume etc.) sowie der so genannte Presskuchen gewonnen. Üblicherweise werden hier Schneckenpressen eingesetzt. Diese erreichen Abpressgrade von max. 6% des anteiligen Öls. Dies bedeutet letztlich, das 94% des Öls per Extraktion gewonnen werden müssen. Ernährungsphysiologisch ist kaltgepresstes Öl das bekömmlichste. Aufgrund seines hohen Gehalts an ungesättigten Fettsäuren ist das Leinöl

4 ein wertvolles Speiseöl. Ölsäuren, Linolsäuren und Linolensäuren gehören zu den essentiellen Fettsäuren, die für den menschlichen Körper lebensnotwendig sind. Vor allem die kaltgepressten Pflanzenöle enthalten einen hohen Anteil an fettlöslichen Vitaminen wie Vitamin A und E. Tierische Fette und Öle besitzen weniger ungesättigte Fettsäuren als pflanzliche Produkte und enthalten einen hohen Anteil an Cholesterin. Innovationsansatz Pressentechnik Bei der alten Pressentechnik wurde die Saat einmal kaltgepresst. Bei den neuen innovativen Anlagen kann durch Saatvorwärmung und insbesondere durch eine verbesserte Schneckengeometrie die Saat besser aufgeschlossen werden. Die Besonderheit dieser Pflanzenölpressen liegt darin, dass z.b. der Raps im Kaltpressverfahren zweimal abgepresst werden kann, um eine höhere Ausbeute an Öl zu erzielen. Ohne chemische Zusatzstoffe, Extraktions- und Lösungsmittel, wird ein naturbelassenes, hochwertiges Pflanzenöl hergestellt, mit erheblich verbesserten ernährungsphysiologischen Eigenschaften und einer höheren Wertschöpfung. Dieses Öl behält, anders als beim Warmpressverfahren, vollständig seine gesunden Inhaltsstoffe, wie Vitamine, essentielle Fettsäuren, Lecithin, Enzyme, Spurenelemente und Geschmacksstoffe. Der bei der Kaltpressung anfallende Presskuchen ist ein hochwertiges Viehfutter ohne Zusatzstoffe. Durch eine speziell angepasste Geometrie der Extruderschnecke und des Presszylinders, sowie der Zuführung sind die Anlagen in der Lage, den Raps ein zweites Mal zu pressen. Hierdurch werden, je nach Ölgehalt des Rapses, Abpressgrade von ca % erzielt. Zudem sind nur noch kleine Mengen an Feststoffen in dem abgepressten Öl enthalten, was ein weiterer Vorteil der Neuentwicklung ist. Die erste Pressung ergibt ein vielseitig verwendbares, hochwertiges Speiseöl. Die zweite Pressung kann als Futteröl verwendet werden, mit dem energiearme Futtermittel aufgebessert werden. Das Rapsöl der zweiten Pressung kann auch durch Sedimentation und Filtration gereinigt und als absolut umweltfreundlicher Treibstoff für pflanzenöltaugliche Motoren verwendet werden. Der Rapskuchen wird nun zur weiteren Verarbeitung der chemisch-physikalischen Behandlung zugeführt und bildet letztlich das.

5 Saat Brecher Walzen Konditionieren/ Pressen Pressöl Ausschleusung Schilfer Hexan Extraktion Hexan Hexanhaltig Miscella Kondensation Entbenzinierung Destillation Kondensation Produktflüsse Lösemittelfluss Mech. Prozesse Kühlprozesse Therm. Prozesse Chem./Phys. Prozess Trocknen Kühlen Extraktionsöl Rohöl Raffination Abb. 1: Ablaufdiagramm zur Erzeugung von und Speiseöl Extraktion Fette und Öle lösen sich in unpolaren, organischen Lösungsmitteln wie Hexan oder Benzin besonders gut. Zur Ölgewinnung werden die gemahlenen und vorgepressten Samen im Extraktor mit dem Lösungsmittel versetzt und ggf. leicht erhitzt. Ein Rückflusskühler verhindert, dass die Öle bei höheren Temperaturen verdampfen. Während der Extraktion lösen sich die pflanzlichen Öle und Fette im Lösungsmittel. Destillation Nach der Extraktion wird das Lösungsmittel vom Filtrat abdestilliert. Die Pflanzenöle besitzen wesentlich höhere Siedetemperaturen als das niedrig siedende Hexan, welches zuerst abdestilliert und für weitere Extraktionen wieder verwendet werden kann. Im Rückstand der Destillation bleibt das reine Pflanzenöl zurück. Reinigung Das Pflanzenöl wird nun weiteren chemisch-physikalischen und mechanischen Reinigungsstufen unterzogen. Dabei wird zum Bespiel das hochwertige Lecithin gewonnen, welches insbesondere in der chemischen und pharmazeutischen Industrie von Interesse ist. Prozessinnovationen in diesem Bereich waren nicht Bestandteil dieses Forschungsvorhabens und sind daher nicht weiter betrachtet worden. Erstellung des Referenzmodells Im Rahmen dieses Projekts wurden 2 Modelle erstellt. Ein erstes Modell diente der Analyse der Material- und Informationsflüsse für die Ölsaaten. Ein zweites Modell, welches integraler

6 Bestandteil des ersten Modells ist, diente der Analyse der betrieblichen Veränderungen durch die neue Presstechnik. Im ersten Modell wurden die relevanten Beziehungen zwischen allen Akteuren in der Saatkette von der Aussaat bis hin zum Futtermittelverbrauch dargestellt. Beginnend mit der Saaterzeugung können im wesentlichen Mengenströme und mit diesen Mengenströmen versehene wichtige Größen (Kosten, Umweltbelastungen, soweit bekannt und direkt mit der Menge zu verknüpfen z.b. Transportkosten, Transportbelastungen etc.) ermittelt und verglichen werden. Dabei muss der Simulationsansatz allerdings ein begründeter sein, z.b. Ware mit Schiff oder Eisenbahn oder LKW transportiert. Für die Ölsaaten macht an dieser Stelle eine Simulation des Transports keinen Sinn, da sie im internationalen Warenaustausch alle per Schiff transportiert und angeliefert werden. Saaterzeugung z.b. in Kanada und Russland Bodenvorbereitung Aussaat Vegetationsperiode Düngen Kultivieren Veränderung der Informationsflüsse infolge der EU-VO 1829/2003 Saat Transport nach Deutschland Zur Saat in Deutschland und Pflanzenernte Trennung von Saat (Korn) und pflanzlichen Restbestandteilen Futtermittel Dünger Biomasse Verarbeitung Energie Abb. 2.1 Grundmodell der Saaterzeugung (Blau-Material/ Rot Informationsflüsse) Quelle: Aröw GmbH Grundsätzlich erfolgt die Modellierung entlang des Erzeugungspfades: Aussaat, mit den Zwischenschritten Düngen und Kultivieren, Pflanzenernte, unterschieden nach Pflanzenart und Jahreszeit, z.b. Sommer- und Winterraps mit den entsprechenden unterschiedlichen ernährungsphysiologischen Werten, Trennung von Saat und pflanzlichen Bestandteilen und Transport, bzw. Verfügbarkeit der Saat auf dem deutschen bzw. europäischen Markt erzeugung durch die Ölmühle (vgl. Abb.1)

7 Futtermittelherstellung (Abb.2.3) Diese Saaterzeugung ist weitestgehend nicht durch die Ölmühlen zu beeinflussen. Die Verarbeitung der Pflanzenreste über Biomasse zu Dünger, Energie etc. bleibt außerhalb der Modellbetrachtung. Für die Ölmühlen beginnt das Modell erst ab der Übergabe der Saat an die Mühle. Saat erzeugung in Deutschland Brecher Walzen Konditionieren/ Pressen Pressöl Ausschleusung Schilfer Veränderung der Kondensation Hexan hexanhaltig Entbenzinierung Trocknen Extraktion Miscella Destillation Extraktionsöl Hexan Kondensation Kühlen Rohöl Zur Futtermittelerzeugung Deutschland Raffination Produktfluss Lösemittelfluss Abb. 2.2 Grundmodell der Pressöl-, Presskuchen- und erzeugung in Deutschland, Quelle: Aröw GmbH Dieser Bereich der erzeugung liegt in direktem Zugriff der Ölmühlen. Ebenso kann dieser Bereich auch durch die Futtermittelindustrie beeinflusst werden. Die Informationswege sind kurz und in der Regel ökonomisch geprägt. Dies gilt generell zwar auch für die Saatproduktion, hier kommen aber durch die länder- bzw. kontinentübergreifenden Beziehungen andere, weniger beeinflussbare Größen z.b. Handelsabkommen, Protektion der eigenen Wirtschaft, Unwetter, Weltbedarf an Ölsaaten etc. hinzu. So wurde vor einigen Jahren festgestellt, dass sich die Rapsöle z.b. im Baubereich als biologisch abbaubare Trennmittel für die Verschalung eignen, allein in Deutschland beträgt der Bedarf ca. 25 Mio. Liter.

8 Die Modellanalyse erfolgte daher auch weitestgehend in diesem Bereich. In der Vorstufe Saaterzeugung sind die Material- und Energieflüsse von der Frage Pressen und/oder Extrahieren unabhängig. Die entsprechenden Flüsse im Bereich der Futtermittelherstellung sind der nachfolgenden Abbildung zu entnehmen. Futtermittelerzeugung in Deutschland Veränderung der Futtermittelkonfektion Veränderung der ernährungsphysiologische Pferdefutter ökologische ökonomische Rinderfutter ökologische ökonomische Schweinefutter incl. Fütterungsversuch ernährungsphysiologische ernährungsphysiologische ökologische ökonomische Informationsflüsse Stoffflüsse Abb. 2.3 Grundmodell der Futtermittelerzeugung in Deutschland Das Futterschrot bzw. Futterschrot und Öle werden direkt aus den Ölmühlen der Futtermittelindustrie zur Verfügung gestellt und meist indirekt vermarktet. Die der Futtermittelkunden kommen daher im Informationsfluss über die Futtermittelindustrie zurück zu den Ölmühlen. Im Rahmen der Fütterungsversuche bestimmt die Futtermittelindustrie die Zusammensetzung und damit den Verbrauch an Futtermitteln. Aber auch dieser Bereich wird neben den ökonomischen Beziehungen von weiteren, nicht oder selten zu beeinflussenden Größen bestimmt, z.b. der Ausweisung von Anbauflächen, Verbraucherschutzanforderungen oder der europäischen Landwirtschaftspolitik, z.b. durch Beihilfen für die Ferkelaufzucht -> Beeinflussung des Futterölabsatzes,

9 Schweinezucht -> Beeinflussung des absatzes, Kälberzucht -> Beeinflussung des absatzes, Rinderzucht -> Beeinflussung des absatzes, welche den Absatz der entsprechen Materialströme direkt beeinflussen. Ergebnisse der Stoffstrombilanzierung Das Sankey-Diagramm zum betrieblichen Grundmodell zeigt hierzu die Massenbilanz einer Tagesproduktion: Ölertrag ca. 38% klassische Produkttechnik Im oben aufgezeigten Bespiel berechnet das System die für die Tagesproduktion von 1851,8 t Raps aus dem Rapsöllager benötigten Hilfs- und Betriebsstoffmengen. Die etwas höhere Ausbringungsmenge erklärt sich insbesondere durch Wasseranteile in den Poren des s durch die Behandlung. Hier konnten insgesamt 704 t Öl verschiedenster Fraktionen und ca t pro Tag erzeugt werden. Dazu wurden 268 t Heizdampf benötigt. Unter Berücksichtigung der dem System zurückgeführten Energien (warmes Wasser / Kessel) ergibt sich ein spezifischer Energiebedarf von ca. 2,1 kw/kg bei der klassischen Produktion. Saatlager Lein Saataufgabe Raps [t] Saatlager Raps [t] Saatlager Sonne Sattkondition Saatlager LO Raps Kond [t] Saatlager HO E-Raps Lager Dampf 55.6 [t] Kesselhaus Dampf zu Mühle [t] Dampf Input Phosphorsäure Bleicherde Entsä/Entschlei Öl [t] [l] 1.0 Neutrawasser Natronlauge Entsäuerung 5.7 [t] Seife [l] Gebleichtes Öl [t] Seife Bleichung Entsäuertes ÖL 5.7 DestFettOutput Rohöl Pressöl2 Destillationsfettsäure 0.0 [t] Bleicherde Schwarz Rohöl gebleicht [t] RaffDampf 51.0 Sammelanlage [t] Hexan Kon Wasser [t] Input Hexan Extra Wasserinput Wasser 24.7 kalt Hexanlager Hexan Kon Wasser zum kondensator Hexan Verl [t] Hexan rein 11.6 [t] [t] Hexan Verlust Hexan Zw HexanInput [t] Hexan zum Zwischenspeicher [t] Lecithin 31.4 Desodorierung Raffinat 0.0 [t] Rohöl RohÖllager KoDaRa [t] Rohöl entschleimt [t] Lecithin Rohöllagertanks Lecithinabtrennner Lecithi noupu t Hexanverlust [t] Hexanverluste gekühlt Kühlen Wasser warm [t] 24.7 [t] lager [t] Wasseroutput [t] Abb.3: Sankey-Diagramm mit den entsprechenden Materialflüssen (betriebliches Grundmodell) Basis: Input Raps 1851,6 t/h Das Stoffstrommodel berechnet hierzu die benötigten Mengen Rohmaterialien, Hilfs- und Betriebsstoffe und Energiebedarfe.

10 Hiermit steht nun ein Modell zur Verfügung, mit welchem alternative Mengenströme bilanziert oder anweichenden Systemzustände (neue Presstechnik) simuliert werden können. Zudem können die Auswirkungen ermittelt werden. Bezogen auf die neue Pressentechnik bedeutet dies: Reduzierung des Hexanverbrauch auf Null, vorher Verlust ca. 0,0004kg Hexan/kg (bezogen auf das Beispiel Abb. 3 beträgt die maximal mögliche Reduktion ca. 500 kg Hexan/d) Reduzierung des Energieverbrauches von 2,1 kwh/kg auf 0,17 kwh/kg, d. h. Reduktion des Energieverbrauches um ca. 92 %. Verbesserte Wirtschaftlichkeit des Prozesses, da höherer erzielbaren Marktpreis.