BR112019015559A2

BR112019015559A2 - Processo e dispositivo para produzir biogás

Info

Publication number: BR112019015559A2
Application number: BR112019015559-7A
Authority: BR
Inventors: Spahr Marcel; Fechter Leonhard
Original assignee: Herbst Umwelttechnik Gmbh
Priority date: 2017-01-30
Filing date: 2018-01-29
Publication date: 2020-03-17
Also published as: US20190382700A1; EP3574080A1; WO2018138368A1; PL3574080T3; US11312932B2; ES2859480T3; HUE054223T2; PH12019501779A1; CN110291184A; EP3574080B1; EP3354718A1

Abstract

a presente invenção se refere a um processo e a uma unidade de biogás para produzir biogás, preferivelmente a partir de palha de arroz, sendo que um substrato é fermentado em dois reatores (1, 2), de modo que uma produção de metano a partir de substrato contendo celulose e/ou lignocelulose, pode ser melhorada.

Description

PROCESSO E DISPOSITIVO PARA PRODUZIR BIOGÁS [0001] A presente invenção se refere a um processo e um dispositivo para produzir biogás.

[0002] 0 biogás é produzido em unidades de biogás, que encontram seu uso, por exemplo, na lavoura e são alimentadas, na maioria, com estercos animais e culturas energéticas como substrato. Na fermentação do material orgânico, o biogás resulta como produto de metabolismo de bactérias e microrganismos. 0 biogás é uma mistura gasosa de metano (CH4) e dióxido de carbono (CO2) com até 2 % de sulfeto de hidrogênio (H2S) e gases traços, tais como amoníaco (NH3) , hidrogênio (H2) , nitrogênio (N2) e monóxido de carbono (CO).

[0003] 0 biogás pode ser produzido a partir de quase todas as substâncias orgânicas com os componentes de base gordura, albumina e carboidratos. A palha (palha de trigo, palha de colza e outras), que contém principalmente celulose e lignocelulose, é apenas dificilmente degradável em processos anaeróbios e, por conseguinte, são pouco usados ou submetidos a um pré-tratamento. A palha de arroz, em particular, devido às altas proporções de lignina e silicato em comparação com matérias-primas facilmente fermentáveis, tais como a ensilagem de milho, é de difícil desintegração e em unidades de biogás convencionais, dessa maneira, obtém menores rendimentos de biogás.

[0004] 0 documento EP 2.927.308 Al refere-se a um processo e a uma unidade de biogás para a produção de biogás a partir de palha. Neste caso, são previstos agentes para o pré-tratamento da palha, a fim de causar uma

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2/39 desintegração mecânica da mesma, antes de a palha ser introduzida em um fermentador, no qual se realiza uma fermentação bacteriana anaeróbica. 0 pré-tratamento da palha através de uma moagem em um moinho de martelo, tal como sugere, por exemplo, o documento EP 2.927.308 Al, é caro e leva a uma adesão da massa de fermentação, de modo a inibir uma percolação e, com isso, uma formação de biogás.

[0005] 0 objetivo da invenção é baseado, por conseguinte, em sugerir um processo melhorado para a produção de biogás. Em particular, o objetivo da invenção pode se basear em melhorar um processo com respeito à sua economia. Além disso, o objetivo da invenção pode se basear em sugerir um processo, que melhora uma produção de biogás a partir da palha e/ou permitir uma produção de biogás a partir de palha de arroz. Além disso, a invenção pode ter o objetivo, de sugerir uma unidade de biogás para realizar o processo.

[0006] 0 objetivo é resolvido por um processo de acordo com a reivindicação 1, assim como através de uma unidade de biogás com as características da reivindicação secundária. Desenvolvimentos vantajosos resultam com as características das reivindicações dependentes e exemplos de realização.

[0007] 0 processo sugerido para produzir biogás compreende, neste caso, as etapas descritas a seguir. As etapas descritas não precisam ser realizadas na ordem citada.

[0008] Um substrato contendo celulose e/ou contendo lignocelulose, tal como, por exemplo, palha ou palha de arroz, é pelo menos parcialmente fermentado em um primeiro reator com bactérias mesófilas durante um primeiro tempo de

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3/39 permanência. A temperatura no reator perfaz, neste caso, pelo menos 20 °C, preferivelmente pelo menos 25 °C, de modo particularmente preferido, pelo menos 30 °C e/ou no máximo 55 °C, preferivelmente no máximo 43 °C, de modo particularmente preferido, no máximo 46 °C. A temperatura pode ser ajustada por um aquecimento do conteúdo do primeiro reator e/ou pode ser ajustada pelo menos parcialmente através de reações exotérmicas dos processos de metabolismo bacteriano durante a produção de metano. As bactérias mesófilas são adequadas para produzir metano a partir de ácido acético. Deve-se notar, que as bactérias são entendidas, aqui, em um sentido amplo. Cientificamente é controverso, se os Arquea e as bactérias são de diferentes espécies. Aqui, dentre as bactérias, contudo, devem ser entendidos, em particular, também os Arquea. Neste caso, os Arquea podem ser preferivelmente da ordem dos Methanobacteriales, Methanosarcinales, Methanoscarina, Metanococcus, Methanocellales, Methanobrevibacter, Methanothermobacter e/ou Methanopyrale. As bactérias podem compreender tanto os genes do metano que dissociam acetato, como também os genes do metano que oxidam hidrogênio. Genes do metano gue dissociam acetato formam metano, por exemplo, a partir de compostos contendo grupo metila, por exemplo, ácido acético, em que esses dissociam o grupo metila e reduzem em metano. Genes do metano que oxidam hidrogênio reduzem, contudo, o dióxido de carbono com hidrogênio em metano e água, assim como através da reação de ácido fórmico (HCOOH). O primeiro reator é preferivelmente hermeticamente fechado, de modo que é possível garantir uma fermentação anaeróbica.

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4/39 [0009] O primeiro tempo de permanência é um tempo, 'em que o substrato permanece no primeiro reator. Esse é o tempo em que o substrato pode permanecer na peça no primeiro reator ou com um primeiro tempo de permanência também pode ser entendido um tempo aditivo, que descreve aquele tempo, que uma quantidade parcial do substrato permanece no primeiro reator entre um período de uma primeira introdução da quantidade parcial do substrato na unidade de biogás e um período de uma descarga da quantidade parcial do substrato da unidade de biogás. Neste caso, o tempo de permanência preferido perfaz pelo menos 20 dias, preferivelmente pelo menos 25 dias e/ou no máximo 40 dias, preferivelmente no máximo 35 dias. No caso do substrato contendo celulose e/ou contendo lignocelulose, trata-se tipicamente de palha, preferivelmente de palha de arroz. Mas também podem ser usadas relações de mistura de substratos contendo celulose e/ou contendo lignocelulose e substratos facilmente fermentáveis, tais como, por exemplo, esterco, apodrecimentos ou restos de comida. Neste caso, uma relação de massa de substratos contendo celulose e/ou contendo lignocelulose m_c/Lc para uma relação de massa de substratos facilmente fermentáveis mi_v pode ser pelo menos mLc/miv=50/l, preferivelmente pelo menos m_c/Lc/mi_v=4 0/1, em particular, preferivelmente m_c/Lc/mi_v=2 0/l em partes em peso.

[0010] Uma outra etapa do processo é um encaminhamento de uma parte do substrato pelo menos parcialmente fermentado do primeiro reator para um segundo reator que pode ser aquecido com bactérias hipertermófilas, sendo que as bactérias hipertermófilas são adequadas para desintegrar o substrato pelo menos parcialmente fermentado. Bactérias

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5/39 hipertermófilas têm ótimo crescimento a temperaturas superiores a 60 °C. No caso das bactérias hipertermófilas trata-se, neste caso, preferivelmente de bactérias do grupo dos clostrídios, preferivelmente de Chlostridium aceticum, Chlostridium thermocellum e/ou Chlostridium stecorarium. Essas, em simbiose com outras espécies, podem desintegrar pelo menos parcialmente a lignocelulose e metabolizar para ácidos orgânicos inferiores e álcoois de cadeia curta. Esses produtos intermediários podem ser: ácido acético, ácido fórmico, ácido propiônico, ácido butírico, etanol, butanol e/ou butanodiol. Esses produtos intermediários podem ser ainda mais degradados, a seguir, por bactérias acetogênicas em hidrogênio, dióxido de carbono e principalmente ácido acético. O segundo reator, neste caso, pode ser hermeticamente vedado, de modo que uma fermentação anaeróbica possa ser realizada com exclusão de oxigênio.

[0011] 0 substrato pelo menos parcialmente fermentado é incubado a uma temperatura na faixa de pelo menos 55 °C, preferivelmente pelo menos 60 °C, em particular, preferivelmente pelo menos 65 °C e/ou no máximo 80 °C, preferivelmente no máximo 75°C, em particular, preferivelmente no máximo 70 °C, durante um segundo tempo de permanência. Neste caso, forma-se pelo menos parcialmente ácido acético. Tipicamente, o segundo tempo de permanência do substrato no segundo reator perfaz pelo menos 10 horas, preferivelmente pelo menos um dia e/ou no máximo 5 dias, preferivelmente pelo menos dois dias e/ou no máximo três dias. Assim, a formação de substâncias acompanhantes (fenóis, cresóis, dimetilfenóis, vanilina) pode ser suprimida da forma mais ampla possível. Além

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6/39 disso, preparados de ferro podem ser misturados ao segundo reator. Os preparados de ferro já podem ser introduzidos no substrato durante a introdução no primeiro reator e/ou introduzidos diretamente no reator termófilo. Um produto de reação com altas concentrações pode ser separado do reator termófilo. Baixas quantidades/resíduos podem ser removidos do sistema durante o processo de separação com o resíduo de fermentação sólido. Também o segundo tempo de permanência pode - tal como também o primeiro tempo de permanência ser absoluto ou aditivo. 0 substrato, portanto, para um segundo tempo de permanência, pode permanecer na peça no segundo reator ou uma soma dos intervalos de tempo individuais, que o substrato gasta no segundo reator, corresponde ao segundo tempo de permanência.

[0012] A partir do segundo reator, o substrato com o ácido acético formado é reconduzido para o primeiro reator. A lignocelulose ou a celulose contida no substrato foi pelo menos parcialmente desintegrada depois de ser incubada no segundo reator, por exemplo, para ácido acético. A lignocelulose, que no segundo período de incubação não foi reagida para formar ácido acético, foi pelo menos parcialmente desintegrada por microrganismos para formar estruturas inferiores. A lama com ácido acético formado reconduzida é incubada no primeiro reator e, em particular, o ácido acético, tal como descrito acima, é reagido pelas bactérias mesófilas para formar metano.

[0013] 0 biogás contendo metano, em uma etapa posterior, é isolado do primeiro reator. 0 biogás contém, neste caso, tipicamente 40 % a 60 % de metano (CH4) , 40 % a 60 % de dióxido de carbono (CO2) , 100 a 5000 ppm de sulfeto de

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7/39 hidrogênio (H2S) e gases traços.

[0014] 0 processo tem, além disso, a vantagem, que mesmo com uma baixa concentração de amônio-nitrogênio, pode ser produzido biogás. Enquanto que em unidades de biogás conhecidas são presumidas concentrações mínimas de amônionitrogênio de 1,1-2,5 g de NH4/N/1, o processo descrito acima já pode produzir biogás com concentrações de pelo menos 100 mg de NH4-/N/1, preferivelmente pelo menos 150 mg de NH4-N/1, de modo particularmente preferido, pelo menos 200 NH4-N/1 e/ou no máximo 1 g de NH4-N/1, preferivelmente no máximo 700 mg de NH4-N/1, de modo particularmente preferido, no máximo 400 mg de NH4-N/1 de biogás. Através da adaptação dos microrganismos à baixa carga de N, além disso, não é essencial manter artificialmente a concentração de N, por exemplo, através da carga excessiva de esterco ou mesmo a adição de produtos químicos de nitrogênio. Aqui, naturalmente, deve ser considerada a relação de carbono para nitrogênio. Portanto, a invenção também pode ser instalada em campos, na qual são obtidas apenas baixas quantidades de esterco. Em unidades de biogás convencionais esse é um componente parcialmente essencial.

[0015] A taxa específica de formação de biogás da unidade de biogás descrita ou do processo descrito, de palha de arroz, pode perfazer pelo menos 200 Nm³ de metano / (t oTS, preferivelmente pelo menos 210 Nm³ de metano / (t oTS) e/ou até 250 Nm³ de metano / (t oTS), preferivelmente até 330 Nm³/t oTS. Neste caso, o tempo de permanência perfaz tipicamente no máximo 30 dias, enquanto que em unidades de biogás convencionais com um tempo de permanência comparativamente longo de 180 dias, foram

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8/39 obtidos comparativamente baixos rendimentos de meramente 210 Nm³ de metano / (t oTS) .

[0016] Uma relação do volume de absorção de substrato, portanto, uma relação entre o volume, que um reator pode absorver de substrato, entre o segundo e o primeiro reator, perfaz tipicamente cerca de V2/V1 = 1/20, preferivelmente cerca de V2/V1 = 1/6, em particular, preferivelmente cerca de V2/V1 = 1/15. 0 primeiro reator pode absorver, portanto, por exemplo, 1000 m³ de substrato, enquanto o segundo reator pode absorver 50 m³ de substrato, em particular, preferivelmente 100 m³ de substrato. Uma relação vantajosa de V2 para VI pode ser indicada com 1/6 até o máximo de 1/20 .

[0017] Uma carga espacial descreve uma quantidade de substância seca orgânica (oTS) medida no volume do reator durante um período em dias. A carga espacial no primeiro reator é tipicamente de pelo menos 2,5 (kg de oTS)/m³ d), preferivelmente pelo menos 3 (kg de oTS)/m³ d), de modo particularmente preferido, 3,5 (kg de oTS)/m³ d) e/ou no máximo 5,0 (kg de oTS)/m³ d), preferivelmente no máximo 4,5 (kg de oTS)/m³ d) .

[0018] A carga espacial do segundo reator em alguns exemplos de realização é 5 a 20 vezes tão alta, preferivelmente 7 a 13 vezes tão alta, de modo particularmente preferido, 9 a 11 vezes tão alta, quanto a carga espacial no primeiro reator.

[0019] Uma alimentação de sólido em forma de palha, em particular, palha de arroz, no primeiro reator, perfaz preferivelmente pelo menos 10 % em peso no fluxo de alimentação, de modo particularmente preferido, entre 20 %

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9/39 em peso e 40 % em peso, no máximo até 70 % em peso. São acrescentados preferivelmente 30 a 90 % em peso, de esterco, por exemplo, esterco bovino, de modo particularmente preferido, 60 % em peso. Alternativamente ao esterco e/ou à água, pode ser acrescentado recirculado à produção de líquido, preferivelmente 5 a 80 % em peso, de modo particularmente preferido, 10 a 70 % em peso.

[0020] Em sua totalidade, os sólidos mencionados acima podem resultar em preferivelmente 100 %.

[0021] 0 substrato no primeiro e/ou no segundo reator pode ser misturado por meio de uma instalação de bomba e/ou de agitação, esse pode ser misturado preferivelmente continuamente. Isso pode ser vantajoso, a fim de evitar depósitos e uma adesão do substrato, de modo que possa ser gerada uma temperatura a mais uniforme possível e distribuição de nutrientes.

[0022] Al ém disso, o processo pode ser realizado pelo menos parcialmente de forma circulante, portanto, as etapas encaminhamento de uma parte do substrato pelo menos parcialmente fermentado do primeiro reator para um segundo reator, que pode ser aquecido com bactérias hipertermófilas, sendo que as bactérias hipertermófilas são adequadas para desintegrar o substrato pelo menos parcialmente fermentado e recondução do substrato com ácido acético do segundo reator para o primeiro reator são repetidas. Assim, pode ser gerada uma circulação de substrato e o substrato pode ser ainda mais desintegrado com qualquer nova passagem de um reator. As reações nos reatores podem influenciar uns aos outros, visto que, por exemplo, o produto de reação no segundo reator (ácido

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10/39 acético) é um reagente no primeiro reator. Para uma produção de metano, portanto, uma produção de metano é diretamente responsável no primeiro reator, indiretamente, contudo, uma desintegração de celulose ou lignocelulose é necessária no segundo reator. Uma outra desintegração vantajosa, em particular, de substrato dificilmente fermentável, tal como, por exemplo, lignocelulose, pode gerar, portanto, uma maior produção de metano do que uma passagem única de substrato através do primeiro e/ou segundo reator.

[0023] Os resíduos de fermentação remanescentes no primeiro reator, que depois de uma fermentação no primeiro reator não são mais essencialmente desintegrados pelas bactérias, podem ser descarregados do primeiro reator e drenados. Através de uma instalação de medição, que mede quão alto é um rendimento de biogás em um período momentâneo, pode ser determinado, por exemplo, quando um rendimento de biogás cai. Quando não é mais produzido suficiente biogás ou somente pouco, os resíduos de substrato, que permanecem no reator, não são mais amplamente desintegrados. Esses resíduos de substrato são, portanto, resíduos de fermentação. Um período, no qual os resíduos de fermentação deveríam ser descarregados, também pode ser estabelecido e não ser determinado por um rendimento de biogás. Por exemplo, regularmente depois do primeiro tempo de permanência, os resíduos de fermentação podem ser descarregados. Através de uma derivação, neste caso, um líquido de processo separado de forma correspondente pode outra vez ser pelo menos parcialmente alimentado ao primeiro reator. Resíduos de fermentação,

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11/39 neste caso, são resíduos líquidos ou sólidos, que remanescem na fermentação de substrato. Na drenagem, os líquidos podem ser separados dos resíduos de fermentação de tal modo, que resulta um resíduo de fermentação sólido e um líquido de processo. Resíduos de fermentação sólidos podem ser separados da unidade de biogás e o líquido de processo pode ser alimentado a um dispositivo de mistura ou diretamente ao primeiro reator. A derivação pode levar, dessa maneira, a um dispositivo de desidratação e de lá ou para o primeiro reator ou para o dispositivo de mistura. No dispositivo de mistura o substrato, que deve ser alimentado ao primeiro reator, pode ser misturado com o líquido de processo, para obter uma consistência homogênea do substrato e/ou para poder ajustar um teor de substância seca. A substância seca, neste caso, é aquela proporção de uma substância, que resta depois da completa remoção de água. A partir do dispositivo de mistura, uma mistura de substrato e líquido de processo pode ser conduzida para o primeiro reator.

[0024] A partir do segundo reator, as possíveis impurezas podem ser separadas. 0 ácido silícico pode ser obtido, por exemplo, na degradação de biomassa como produto indesejável. Através de instalações de circulação, essas podem chegar ao primeiro reator e atuar ali inibindo a formação de metano. Para reduzir uma concentração de ácido silícico, que inibe a formação de metano e/ou outras bactérias de substâncias nocivas, esse pode ser separado, por isso, preferivelmente já no segundo reator. Isso pode favorecer, dessa maneira, uma formação de metano e atuar de forma positiva sobre a eficiência da unidade de biogás.

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12/39 [0025] Além disso, tal como já foi citado, o substrato contendo celulose pode conter lignocelulose. Preferivelmente, neste caso, a biomassa do tipo de palha, por exemplo, palha, em particular, palha de trigo, feno e/ou palha de arroz e/ou suas ensilagens, pode ser usada como substrato. Em particular, é adequada a palha de arroz, visto que aqui há um alto teor de energia devido a uma alta proporção de lignocelulose. Através de uma desintegração da lignocelulose no segundo reator, essa energia pode ser tornada útil no primeiro reator em forma de biogás. Através de ensilagens, neste caso, há substratos conservados por bactérias de ácido lático, sendo que as bactérias de ácido lático transformaram o açúcar contido no substrato em ácidos. Além disso, a unidade de biogás também pode ser carregada com esterco ou substâncias residuais do tipo de esterco, preferivelmente com esterco de galinha, porco ou bovino.

[0026] Tipicamente, um valor de pH do substrato no primeiro reator situa-se na faixa de pH neutra até levemente básica, de modo que as bactérias mesófilas podem viver nas mais favoráveis condições de vida possíveis, a fim de favorecer uma formação de metano. Condições de vida favoráveis situam-se tipicamente entre pH de 6,6 e 8,3.

[0027] No segundo reator, um valor de pH perfaz tipicamente pelo menos 3,5, preferivelmente pelo menos 4,5 e/ou no máximo 7,5; preferivelmente no máximo 6,5. Um tal valor de pH pode favorecer uma formação de ácido acético no segundo reator através de bactérias hipertermófilas. No primeiro reator, o metano pode ser novamente formado a partir do ácido acético, de modo que uma maior produção de

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13/39 ácido acético favorece indiretamente uma formação de metano.

[0028] Tipicamente, as fibras de substrato podem ser trituradas antes de introduzir o substrato no primeiro reator. As fibras de substrato podem ser, por exemplo, prétratadas mecanicamente com um moinho de corte. A palha de arroz, neste caso, é recortada tipicamente para um comprimento de fibra de 40 mm, sendo concebíveis, naturalmente, tanto para a palha de arroz, como também para outras fibras de substrato, outros comprimentos de fibra, preferivelmente mais curtos do que 60 mm. Uma tal trituração pode ter a vantagem, de que as fibras de substrato não podem se enrolar em torno de dispositivos de agitação ou rotores de bombas e, com isso, sua função pode ser prejudicada.

[0029] 0 substrato, em particular, palha, esterco e líquido sobrenadante, pode ser pré-misturado antes de ser introduzido no primeiro reator. A palha, em particular, a palha de arroz, contudo, também pode ser introduzida diretamente no primeiro reator sem a prévia mistura de esterco, líquidos de processo e/ou outras biomassas. Isso tem a vantagem, de que é possível prevenir um aquecimento próprio devido ao oxigênio dissolvido na mistura através de processos respiratórios e uma formação de metano depois de um certo tempo útil e as perdas de energia resultantes desse. Além disso, o recipiente de armazenamento pode não ser resfriado com frequência, de modo que, com isso, não pode ser realizada qualquer inativação de microrganismos. Preferivelmente, a palha de arroz é essencialmente secada, mecanicamente triturada e é uma pilha solta. A palha de

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14/39 arroz pode ser introduzida no primeiro reator, por exemplo, por meio de um parafuso de alimentação. Paralelamente, outras biomassas (por exemplo, estercos e/ou ensilagens) podem ser introduzidas no primeiro reator, por exemplo, por meio de bombas. A invenção refere-se, além disso, a uma unidade de biogás para a produção de biogás, que contém um primeiro reator, um segundo reator e uma instalação de circulação. 0 primeiro reator contém, neste caso, bactérias mesófilas, que são adequadas para produzir metano a partir de ácido acético, hidrogênio e dióxido de carbono. 0 segundo reator pode ser aquecido e contém bactérias hipotermófilas, que são adequadas para a fermentação pelo menos parcialmente anaeróbica de um substrato contendo celulose, preferivelmente contendo lignocelulose em ácido acético. A instalação de circulação para produzir um circuito de biomassa entre o primeiro reator e o segundo reator, compreende uma instalação de transporte e pelo menos uma linha de conexão que liga o primeiro reator e o segundo reator. A instalação de transporte é equipada para transportar substrato através da linha de conexão, tanto do primeiro reator para o segundo reator, como também do segundo reator para o primeiro reator. A instalação de circulação pode apresentar, neste caso, um dispositivo de bomba, que bombeia o substrato de um reator para o outro. Neste caso, o dispositivo de bomba pode apresentar, por exemplo, uma bomba de parafuso excêntrico.

[0030] A linha de conexão para transportar o substrato do primeiro para o segundo reator pode compreender uma instalação de ventilação. Essa pode ser vantajosa, para que as cepas de bactérias anaeróbicas do primeiro reator sejam

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15/39 pelo menos parcialmente mortas ou inativadas. Em alguns exemplos de realização, na linha de conexão respectivamente antes e depois da instalação de ventilação, são previstas uma válvula, preferivelmente uma válvula unidirecional e uma bomba. Assim, por exemplo, com a válvula fechada atrás da instalação de ventilação, o substrato pode ser bombeado com essa bomba do primeiro reator através de uma válvula aberta na frente do dispositivo de ventilação para o dispositivo de ventilação e ser ventilado ali. 0 dispositivo de ventilação pode opcionalmente ser colocado mais alto no lado oposto da saída da linha de conexão do primeiro reator, de modo que a bomba bombeia o substrato de tal modo para cima (portanto, na direção oposta à força do peso), que o substrato, devido ao equilíbrio da pressão hidrostática, é aplicado com uma pressão. Isso pode ser realizado, por exemplo, através do bombeamento do substrato para uma instalação de ventilação em forma de uma coluna vertical. Em seguida à ventilação ou depois que o dispositivo de ventilação estiver preenchido, a válvula é fechada antes do dispositivo de ventilação. Depois de ventilar, a válvula atrás do dispositivo de ventilação é aberta. Naquelas formas de realização, nas quais o substrato é aplicado com uma pressão, o substrato, devido à diferença de pressão e o esforço do substrato depois de um equilíbrio de pressão na segunda válvula aberta, flui para o segundo reator. Outras formas de realização também podem prever bombear o substrato por meio de uma outra bomba do dispositivo de ventilação para o segundo reator.

[0031] 0 segundo reator, em algumas formas de realização, pode compreender uma linha de alimentação

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16/39 adicional. Através dessa linha de alimentação, por exemplo, as substâncias facilmente fermentáveis podem ser conduzidas diretamente para o segundo reator, a fim de otimizar ali o processo de fermentação em decurso e/ou regular uma relação de substâncias dificilmente fermentáveis para as facilmente fermentáveis. Uma regulagem do valor de pH na faixa ácida pode ser, dessa maneira, favorecida. Uma adição de produtos químicos, neste caso, por conseguinte, é tipicamente desnecessária.

[0032] Além disso, a unidade de biogás pode apresentar um dispositivo de desidratação para separar um líquido de processo em uma desidratação de resíduos de fermentação. Neste caso, o primeiro reator, para descarregar os resíduos de fermentação, pode estar conectado com o dispositivo de desidratação através de uma derivação. A derivação pode ser configurada, por exemplo, como uma linha ou como mangueira. Também é concebível um bombeamento dos resíduos de fermentação para um recipiente adicional.

[0033] Os resíduos de fermentação são aqueles resíduos de substratos, que depois de uma fermentação no primeiro reator e/ou no segundo reator não são mais essencialmente desintegrados pelas bactérias mesófilas e/ou hipotermófilas.

[0034] A unidade de biogás pode apresentar um dispositivo de mistura ligado a montante ao primeiro reator e conectado com o primeiro reator através de uma linha de alimentação. Assim, o substrato pode ser misturado com um líquido de processo de tal modo, que é possível ajustar um teor de substância seca do substrato a ser alimentado ao primeiro reator através da linha de alimentação. Um teor de

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17/39 substância seca perfaz, neste caso, tipicamente pelo menos 8 %, preferivelmente pelo menos 12 % e/ou no máximo 30 %, preferivelmente no máximo 20 %.

[0035] Além disso, a unidade de biogás pode compreender um dispositivo de retorno para reconduzir o liquido de processo para o primeiro reator. O liquido de processo pode ser conduzido ao dispositivo de mistura e/ou ao primeiro reator e, dessa maneira, pode ser misturado com o substrato, que deve ser fermentado. Neste caso, o liquido de processo pode ser conveniente a tal ponto, que esse liquefaz e homogeneiza os substratos dificilmente fermentáveis, de modo que as bactérias alcançam melhor o substrato e favorecem uma fermentação.

[0036] A linha de conexão entre o primeiro reator e o segundo reator apresenta em algumas formas de realização uma disposição de válvula de duas vias e/ou um dispositivo de ventilação. Adicionalmente ou alternativamente, a direção de circulação também pode compreender duas linhas de conexão entre o primeiro reator e o segundo reator. Assim, pode ser gerada uma circulação de substrato entre o primeiro e o segundo reator. 0 substrato, que pode não ser ou ser apenas dificilmente metabolizado pelas bactérias mesófilas para metano, é ainda mais desintegrado no segundo reator. Neste caso, em particular, o substrato contendo lignocelulose é ainda mais desintegrado no segundo reator. Depois de uma desintegração do substrato contendo preferivelmente lignocelulose, pode ser reconduzido para o primeiro reator através das linhas de conexão, a fim de ser pelo menos parcialmente fermentado ali para metano. Esse ciclo pode ser repetido muitas vezes de forma arbitrária.

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18/39 [0037] Para transportar o substrato, a instalação de circulação pode compreender uma bomba, por exemplo, uma bomba de parafuso excêntrico. Naturalmente, também são concebíveis outros possíveis sistemas de bombas, que são adequados para transportar principalmente a biomassa viscosa, por exemplo, bombas de pistão rotatória. Para o manuseio com lama da palha de arroz, o uso de bombas peristálticas é particularmente adequado.

[0038] A unidade de biogás pode apresentar tipicamente pelo menos uma instalação de agitação e/ou instalação de bomba para misturar o substrato no primeiro reator e/ou no segundo reator. A instalação de agitação pode ser agitadores, por exemplo, agitadores centrais, agitadores de motores submersíveis e/ou agitadores de pás. Naturalmente, também podem ser utilizados outros agitadores. Neste caso, vantajosamente, as propriedades de fluidez do substrato, respectivamente, da biomassa, podem ser melhoradas, garantida uma composição essencialmente constante da biomassa e, com isso, um processo de fermentação pode ser melhorado.

[0039] 0 primeiro reator pode ser aquecido de tal modo, que é possível ajustar uma temperatura de pelo menos 30 °C, preferivelmente pelo menos 35 °C, de modo particularmente preferido, pelo menos 40 °C. 0 segundo reator pode ser aquecido de tal modo, que é possível ajustar uma temperatura de pelo menos 55 °C, preferivelmente de pelo menos 60 °C, de modo particularmente preferido, preferivelmente de pelo menos 65 °C.

[0040] Em uma outra forma de realização, a unidade de biogás pode compreender uma instalação de pré-tratamento

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19/39 para triturar as fibras de substrato. As fibras de substrato podem ser cortadas nesse para um comprimento de fibra ajustável, preferivelmente de no máximo 40 mm, de modo a obter uma mistura essencialmente homogênea do substrato através de bombas ou agitadores e reagir a um envolvimento de pás do agitador pelas fibras do substrato ou um entupimento de canalizações ou bombas através de adesões ou fibras de substrato atadas.

[0041] 0 segundo reator apresenta preferivelmente bactérias selecionadas a partir do grupo Clostridium spp, que contém preferivelmente Clostridium aceticum, Clostridium thermocellum e/ou Clostridium stecorarium e/ou Thermotogaceae.

[0042] A inoculação do reator hipertermófilo ocorre em algumas formas de realização antes de uma carga inicial com substratos. Uma cultura de inoculação pode ser retirada, por exemplo, a partir de reatores hipertermófilos existentes de acordo com a reivindicação descrita (a chamada lama de inoculação). Além disso, no segundo reator é possível um cultivo de microrganismos hipertermófilos por meio da adição de matérias-primas animais e/ou biomassas a partir de processos de degradação anaeróbicos/aeróbicos (apodrecimento, compostagem, processos respiratórios).

[0043] A unidade de biogás descrita pode ser usada para realizar o processo descrito. As características descritas em relação ao processo podem ser aplicadas de forma correspondente para a unidade de biogás e as características descritas em relação à unidade de biogás podem ser aplicadas, além disso, para o processo.

[0044] Em sistemas de tratamento biológico existentes

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20/39 não pode ser excluído, que substâncias facilmente fermentáveis (hexoses, amido e assim por diante) são metabilizadas através de processos respiratórios (aeróbicos) para dióxido de carbono. Uma formação de metano rico em energia podería ser excluído através dessas substâncias. Isso é evitado no processo descrito, visto que as massas frescas são digeridas/fermentadas inicialmente de forma aeróbica. Processos respiratórios aeróbicos não são realizados. Meramente as substâncias dificilmente degradáveis (preferivelmente celuloses, hemiceluloses, lignoceluloses e/ou ceras) estão à disposição dos microrganismos específicos para a formação de ácidos orgânicos e álcoois. A alimentação de calor deve ser comparada com os sistemas existentes. Não se realiza uma alimentação reforçada de energia.

[0045] Os exemplos de realização da presente invenção

são esclarecidos em detalhes, a	seguir, com	referência às
figuras	anexas	. Esses mostram:
figura	la:	uma representação	esquemática	de	uma unidade
		de biogás,
figura	1b:	uma representação	esquemática	da	unidade de
		biogás com um dispositivo de ventilação,
figura	2a:	uma representação	esquemática	de	uma unidade
		de biogás com uma	disposição	de	uma válvula
		de duas vias,
figura	2b:	uma representação	esquemática	de	uma unidade
		de biogás com uma	disposição	de	uma válvula
		de duas vias e um	dispositivo	de	ventilação,
figura	3:	uma representação	esquemática	de	uma unidade

de biogás com um dispositivo de

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21/39 desidratação, figura 4: uma representação esquemática de uma unidade de biogás com um dispositivo de mistura, um dispositivo de trituração e um dispositivo de desidratação e figura 5: uma representação esquemática de um processo para produzir biogás.

[0046] A figura la mostra uma unidade de biogás com um primeiro reator 1 e um segundo reator 2. Um conteúdo do primeiro reator 1 contém bactérias mesófilas e um substrato contendo celulose e lignocelulose, sendo que o substrato contendo celulose e lignocelulose compreende palha de arroz, ensilagem de palha de arroz e esterco de galinha. 0 primeiro reator 1 pode ser aquecido no exemplo mostrado e o conteúdo do primeiro reator 1 foi aquecido a uma temperatura de 33 °C. Contudo, também é concebível, que o primeiro reator 1 não pode ser aquecido e uma temperatura entre 20 °C e 40 °C é ajustada por um processo de fermentação exotérmico através das bactérias mesófilas contidas. As bactérias mesófilas - no presente exemplo trata-se de Arqueas e, de fato, de metanobactérias, metanococales, metanomicrobiales e metanocelales - são adequados para produzir metano a partir de ácido acético. 0 substrato contido no primeiro reator 1 permanece, por exemplo, durante 30 dias no primeiro reator 1 e fermenta pelo menos parcialmente, de modo que resulta metano. Uma parte do substrato pelo menos parcialmente fermentado é conduzido do primeiro reator 1 para o segundo reator 2 por meio de uma instalação de circulação 3. A instalação de circulação apresenta, neste caso, uma primeira linha de

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22/39 conexão 4 e uma segunda linha de conexão 5, sendo que o substrato pelo menos parcialmente fermentado é transportado através da primeira linha de conexão 4 do primeiro reator 1 para o segundo reator 2 com um dispositivo de bomba, preferivelmente com uma bomba de parafuso excêntrico. 0 segundo reator 2 pode ser aquecido e um conteúdo do segundo reator 2 é aquecido a uma temperatura de 68 °C. No segundo reator 2 há bactérias hipertermófilas, por exemplo, clostrídios, preferivelmente Clostridium aceticum, Clostridium thermocellum e Clostridium stecorarium. As bactérias hipertermófilas são adequadas para desintegrar ainda mais o substrato pelo menos parcialmente fermentado, em particular, a lignocelulose. 0 substrato pelo menos parcialmente fermentado permanece, para isso, no segundo reator durante um tempo de permanência de no máximo 3 dias. All, a lignocelulose das bactérias hipertermófilas é transformada pelo menos parcialmente em acetato, butanol e outros ácidos/álcoois. 0 substrato com ácido acético é reconduzido através da segunda linha de conexão 5, por meio de uma bomba de parafuso excêntrico, do segundo reator 2 para o primeiro reator 1. No primeiro reator 1, o substrato com ácido acético é incubado pelas bactérias mesófilas e resulta biogás contendo metano com no mínimo 50 % de metano, 30 % de dióxido de carbono, 1000 ppm de sulfeto de hidrogênio e gases traços. O biogás é isolado pelo menos parcialmente através de um dispositivo de descarga 6, portanto, uma linha de gás, do primeiro reator 1 e descarregado. O substrato remanescente pelo menos parcialmente fermentado é novamente conduzido para o segundo reator 2 através da primeira linha de conexão 4 e

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23/39 ali ainda é outra vez desintegrado, para depois de mais um tempo de permanência de 5 dias, ser outra vez conduzido para o primeiro reator 1 através da segunda linha de conexão 5 e para ser ali outra vez incubado. Assim, o substrato é fermentado ainda tanto no primeiro reator 1, como também no segundo reator 2 e é ainda desintegrado. Essa circulação de substrato é frequentemente repetida de tal modo, até quase não ser mais possível obter ou obter apenas pouco biogás a partir do substrato.

[0047] Ao encaminhar o substrato pelo menos parcialmente fermentado do primeiro reator 1 para o segundo reator 2, a maioria das bactérias mesófilas morrem no segundo reator 2 devido à temperatura operacional mais elevada. As bactérias hipertermófilas morrem pelo menos em grande parte no primeiro reator 1, quando essas, através da segunda linha de conexão 5, chegam ao primeiro reator 1, através da temperatura mais baixa. Tanto o primeiro reator 1, como também o segundo reator 2 apresenta respectivamente uma instalação de agitação 7, 8, sendo que a primeira instalação de agitação 7 mistura continuamente o conteúdo do primeiro reator 1 e a segunda instalação de agitação 8 mistura continuamente o conteúdo do segundo reator 2, a fim de evitar depósitos e adesões do conteúdo e para manter o substrato em um estado o mais homogêneo possível. No primeiro reator, o substrato em partes em peso é vinte vezes maior do que o substrato no segundo reator 2.

[0048] A figura 1b mostra uma unidade de biogás, que corresponde essencialmente à figura la, contudo, na linha de conexão 4 compreende um dispositivo de ventilação 28. Na frente da instalação de ventilação 28 estão dispostas uma

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24/39 válvula unidirecional 29 e uma bomba 30. Atrás da instalação de ventilação está disposta uma outra válvula unidirecional 30' . A bomba 30 bombeia o substrato do primeiro reator 1 com a válvula 29 aberta e a válvula 31 fechada para o dispositivo de ventilação. Depois, a válvula 29 é fechada. O substrato é ventilado na instalação de ventilação. Neste caso, as bactérias principalmente anaeróbicas do primeiro reator 1, que se encontram no substrato a ser ventilado, são inativadas através de ventilação ou morrem. Em seguida, a válvula 31 é aberta e o substrato ventilado é conduzido para o segundo reator 2. Assim, consegue-se, que uma fermentação formadora de metano no segundo reator 2 seja amplamente evitada. No retorno do substrato do segundo reator 2 para o primeiro reator 1 não é necessária qualquer ventilação, visto que as bactérias do reator 2, principalmente clostrídios, devido à diferença de temperatura, são inativadas ou morrem no segundo reator 2 e no primeiro reator 1, visto que essas bactérias necessitam de temperaturas mais elevadas, que correspondem às temperaturas no reator 2, para sobreviver e/ou para o metabolismo ativo.

[0049] Além disso, o segundo reator da figura 1b apresenta uma linha de alimentação 32. Através dessa linha de alimentação 32 as substâncias levemente fermentáveis podem ser misturadas ao conteúdo do reator.

[0050] A figura 2a mostra um outro exemplo de realização da unidade de biogás da figura 1, sendo que no primeiro reator é usado um dispositivo de bomba 9 para misturar o substrato. 0 conteúdo do segundo reator 2 é agitado com uma instalação de agitação 8. Uma combinação de instalação de

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25/39 agitação 8 e/ou instalação de bomba 9 no primeiro reator 1 e/ou no segundo reator 2 é, dessa maneira, igualmente concebível para uma unidade de biogás. Isso pode ser vantajoso, em particular, a fim de, conforme o tamanho dos reatores, fazer a melhor seleção possível em termos de custos e eficiência energética com respeito a um dispositivo de mistura, a fim de baixar os custos de produção e custos operacionais da unidade de biogás.

[0051] A figura 2b mostra uma unidade de biogás, que corresponde essencialmente à unidade de biogás da figura 2a, contudo, apresenta uma linha de conexão 10, que é adicionalmente provida de uma instalação de ventilação 28, duas bombas 30 e duas válvulas de duas vias 11. Através de abertura e fechamento correspondente das válvulas 11, o substrato pode ser bombeado do primeiro para o segundo reator 2 e vice-versa. Preferivelmente, o substrato é ventilado ao ser bombeado do primeiro reator 1 para o segundo reator 2. Para isso, a válvula de duas vias 11 (de maneira análoga à válvula unidirecional na figura 1b) é inicialmente fechada atrás da instalação de ventilação e o substrato é bombeado do primeiro reator 1 para a instalação de ventilação 28. Depois, a válvula de duas vias 11 é fechada em frente à instalação de ventilação 28 e o substrato é ventilado na instalação de ventilação 28. Depois do processo de ventilação, a válvula de duas vias 11' é aberta atrás do dispositivo de ventilação, de modo que o substrato é conduzido para o segundo reator 2. A fim de possibilitar uma circulação, as válvulas de duas vias 11 e 11' podem ser abertas para o retorno do substrato do segundo reator 2 para o primeiro reator 1 de tal modo, que

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26/39 o substrato pode fluir apenas na direção do primeiro reator 1. Para isso, é prevista uma outra bomba 30', que bombeia o substrato do segundo reator 2 para o primeiro reator 1. Para que o substrato não seja eventualmente outra vez ventilado de forma desnecessária no primeiro reator, pode ser prevista, além disso, uma outra válvula na instalação de ventilação 28, que é fechada em um retorno. Uma tal válvula não é representada na figura 2b, contudo, pode ser opcionalmente acrescentada.

[0052] No primeiro reator 1, o conteúdo tem um valor de pH de 7. No segundo reator 2, o conteúdo tem um valor de pH de 5,5. Esses valores de pH correspondem aos valores de pH preferidos das bactérias, que são introduzidas no primeiro ou segundo reator 1,2.

[0053] 0 primeiro reator 1 apresenta, na figura 2, um volume, que é vinte vezes maior do que o volume do segundo reator 2. Os dois reatores 1,2 estão conectados na figura 2a e 2b com uma instalação de circulação 3, sendo que a instalação de circulação apresenta uma instalação de transporte em forma de uma bomba de parafuso excêntrico e uma linha de conexão 10 com uma disposição de válvula de duas vias 11. Acima da disposição de válvula de duas vias 11 pode ser ajustada uma direção de fluxo do substrato, de modo que tanto um fluxo de substrato do primeiro reator 1 para o segundo reator 2, como também um fluxo de substrato do segundo reator 2 para o primeiro reator 1 possa fluir através da linha de conexão 10. Através do dispositivo de descarga 6, o biogás, tal como já foi mostrado e descrito na figura la e 1b, pode ser isolado e descarregado. Naturalmente, uma circulação de substrato também pode ser

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27/39 gerada através de uma descarga de substrato de um reator, por exemplo, do reator 1, em um recipiente intermediário e do recipiente intermediário para o outro reator, por exemplo, para o segundo reator 2. Isso pode ser vantajoso, por exemplo, quando o primeiro reator e o segundo reator devem ser construídos localmente amplamente afastados um do outro e seriam necessárias linhas de conexão longas, de percurso complexo.

[0054] Além disso, o tempo de permanência pode estar ligado com os volumes do reator. 0 primeiro reator apresenta um volume, que é vinte vezes maior do que o volume no segundo reator. Portanto, apenas uma quantidade parcial do substrato no primeiro reator pode caber no segundo reator, neste exemplo, uma vigésima parte. Visto que todo o conteúdo do primeiro reator deve passar pelo segundo reator e deve ser incubado a cada 2,5 dias no segundo reator, resulta um primeiro tempo de permanência de 50 dias no primeiro reator. Depois de 50 dias, o substrato é descarregado, então, do primeiro reator, por exemplo, como resíduo de fermentação.

[0055] A figura 3 mostra uma unidade de biogás com um dispositivo de desidratação 12, que está conectado com o primeiro reator 1 através de uma linha de descarga 13. Depois de uma fermentação no primeiro reator 1 e/ou no segundo reator 2, os resíduos de fermentação resultantes são conduzidos para o dispositivo de desidratação 12 através de uma linha de descarga 13. Isso pode ocorrer, por exemplo, em um período, quando uma produção de biogás diminui e um fluxo volumétrico no dispositivo de descarga 6 passa para um valor limite medido inferior, por exemplo, no

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28/39 caso de uma diminuição de 5-10 % abaixo do valor do fluxo volumétrico de biogás atual [Nm³/h] . Naturalmente, os resíduos de fermentação também podem ser descarregados depois de um primeiro tempo de permanência, aqui, por exemplo, depois de 50 dias, do primeiro reator para o dispositivo de desidratação. Ali, um líquido de processo é separado dos resíduos de fermentação. Esse líquido de processo é conduzido através de um dispositivo de retorno 14 pelo menos parcialmente para o primeiro reator e ali, esse é misturado com o substrato pelo dispositivo de agitação 7. Dessa maneira, é possível reagir a uma aglomeração do substrato e ajustar uma relação de um teor de líquido do substrato para um teor de substância seca do substrato. Um resíduo de fermentação sólido, portanto, o resíduo de fermentação desidratado, pode ser descarregado, além disso, através de um elemento de descarga 15, por exemplo, um tubo, do dispositivo de desidratação 12. No segundo reator, o substrato pelo menos parcialmente fermentado é agitado por meio de uma instalação de bomba 16, preferivelmente continuamente.

[0056] Na figura 4 é mostrada uma unidade de biogás, que corresponde à formação da unidade de biogás na figura 2a, contudo, compreende outros elementos, por exemplo, um dispositivo de desidratação 12, um dispositivo de mistura 16, uma instalação de pré-tratamento 17 e um dispositivo de descarga de ácido silícico 20. Antes do substrato ser alimentado ao primeiro reator 1, esse é triturado na instalação de pré-tratamento 17 para um comprimento de fibra de preferivelmente 40 mm, preferivelmente através de uma ferramenta de corte mecânica ou um moinho de corte. As

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29/39 fibras de substrato trituradas para um tamanho de 40 mm, em particular, palha de arroz e palha de trigo, são conduzidas através de um tubo 18 para o dispositivo de mistura. Tal como também na figura 3, é previsto um dispositivo de desidratação 12. Esse conduz o líquido de processo separado através de um dispositivo de retorno 14 para o dispositivo de mistura 16. No dispositivo de mistura 16 o substrato triturado e o líquido de processo são misturados, antes de ser encaminhado através de uma linha de alimentação 19 para o primeiro reator 1. No exemplo mostrado, não são alimentadas outras substâncias ao dispositivo de mistura 16, além do substrato triturado e do líquido de processo. Naturalmente, vários outros componentes de substratos, por exemplo, esterco, podem ser alimentados ao dispositivo de mistura 16 através de outras linhas.

[0057] A unidade de biogás mostrada na figura 4 apresenta, além disso, um dispositivo de ácido silícico 20. Esse é preferivelmente montado no segundo reator 2, de modo que o ácido silícico, que é parcialmente obtido por clostrídios na desintegração da lignocelulose e pode atuar inibindo a formação de metano, é separado antes de um encaminhamento do substrato para o primeiro reator 1. Assim, pode se conseguir, que uma formação de metano não é inibida através das bactérias mesófilas no primeiro reator 1 e a eficiência da unidade de biogás pode ser, dessa maneira, melhorada. 0 ácido silícico pode ser separado, por exemplo, por um filtro de silicato e ácido silícico ou também pode ser separado através das reações de precipitação anteriores a partir da fase líquida e, em seguida, esse pode ser descarregado do segundo reator 2.

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30/39 [0058] A figura 5 descreve esquematicamente um decurso exemplar do processo para produzir biogás com a unidade de biogás descrita. Inicialmente, em uma primeira etapa 21, um substrato contendo celulose, contendo palha de arroz e esterco bovino, é fermentado durante um primeiro tempo de permanência de 30 dias a uma temperatura de 30 a 48 °C, pelo meos parcialmente em um primeiro reator. No primeiro reator estão contidas bactérias mesófilas, que podem metabolizar o substrato.

[0059] Em uma segunda etapa 22, o substrato pelo menos parcialmente fermentado é conduzido do primeiro reator para o segundo reator. 0 segundo reator é aquecido e seu conteúdo tem uma temperatura de 68 °C. No segundo reator há bactérias hipertermofilicas, que são adequadas para desintegrar o substrato pelo menos parcialmente fermentado, em particular, a lignocelulose.

[0060] Em uma terceira etapa 23, as hipertermofilas incubam o substrato pelo menos parcialmente fermentado durante um tempo de permanência de preferivelmente 2 dias no segundo reator. As bactérias hipertermofilas, em particular, bactérias da ordem dos clostrídios, desintegram, neste caso, o substrato parcialmente desintegrado, em particular, celulose e lignocelulose e produzem, neste caso, além dos outros ácidos orgânicos, preferivelmente ácido acético.

[0061] Em uma quarta etapa 24, o substrato pelo menos parcialmente desintegrado é reconduzido do segundo reator para o primeiro reator.

[0062] Em uma quinta etapa 25, o substrato reconduzido é outra vez incubado no primeiro reator pelas bactérias

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31/39 mesófilas. Neste caso, resulta biogás contendo pelo menos parcialmente metano, que em uma sexta etapa 26 é isolado e descarregado do primeiro reator.

[0063] 0 saubstrato pelo menos parcialmente desintegrado remanescente é outra vez encaminhado para o segundo reator e as etapas 22, 23, 24, 25 e 26 descritas são repetidas, de modo que resulta um circuito 27. As etapas 22 a 26 são repetidas por tanto tempo, até quase nenhum biogás contendo metano possa mais ser extraído, por exemplo, depois de uma tripla repetição. Em seguida, os resíduos de fermentação podem ser descarregados, a unidade de biogás é outra vez alimentada com substrato e o processo é realizado mais uma vez.

[0064] Naturalmente, as etapas - em particular, uma incubação no primeiro e segundo reator, portanto, as etapas 21, 23 e 25 - podem decorrer também parcialmente ao mesmo tempo. Além disso, também é concebível, que se realize continuamente uma circulação de substrato, que o substrato seja incubado e o metano seja descarregado. Todas as etapas 21 a 26 podem decorrer, dessa maneira, também em intervalos de tempo (os chamados processos fed batch).

[0065] Seguindo, em um exemplo de realização, uma composição típica de substrato no primeiro reator e no segundo reator é esclarecida em detalhes no decorrer do processo. Naturalmente, é possível desviar das indicações feitas a seguir em outros exemplos de realização.

[0066] A seguir, um outro exemplo de realização é esclarecido em mais detalhes. Para observar o processo, é previsto um funcionamento estacionário. No início do processo, o primeiro reator apresenta, por exemplo, um

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32/39 conteúdo de 3000 m³ de substrato. Nesse são encontrados os microrganismos necessários para o processo de biogás. Através de uma fonte de calor, são garantidas temperaturas de 40-48 °C. Por meio de agitadores e/ou dispositivos de mistura, o substrato é misturado em intervalos de tempo e o biogás formado é removido da fase liquida. Além disso, é produzida uma nova distribuição de biomassa/suspensão de bactérias.

[0067] Ao primeiro reator são diariamente alimentados 100 t de substrato. A alimentação de sólido pode perfazer, neste caso, em 14 t por alimentação. Essa se compõe, outra vez, a partir de 60-65 % de massa seca [% de massa seca] de palha de arroz na mistura (com 15 % de teor de água), 20-25 % de massa seca no recirculado com bactérias mesófilas. Ao segundo reator, no início do período de observação, depois de um primeiro encaminhamento, foram alimentados cerca de 100 t de substrato/lama com uma proporção de massa seca de 10-12 % de massa seca. A proporção de sólido pode se compor, por exemplo, em 60-65 % de massa seca, de palha de arroz, 25 % em peso, de massa seca de esterco bovino. A proporção remanescente consiste em substâncias residuais de correntes de curto-circuito juntas, assim como em substâncias inorgânicas, cinza, assim como em outras substâncias estranhas. Deduzidas as 10 t de sólidos, o fluxo de entrada contém até 90 t de água.

[0068] Durante um tempo de permanência de, por exemplo, 3 dias no segundo reator 2, até 30 % da massa seca são dissociados em componentes solúveis. Isso é tipicamente realizado através da capacidade dos microrganismos hipertermofílicos, que podem ser cultivados a 55-80 °C. A

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33/39 temperatura ideal depende da adição dos substratos e de sua composição. Durante o processo de degradação, neste caso, podem ser obtidos até 10 g/1 de ácido acético, que é reconduzido para o primeiro reator 1 e é convertido em biogás.

[0069] 0 pedido de patente compreende, entre outros, os seguintes aspectos:

1. Processo para produzir biogás, que compreende as seguintes etapas:

Fermentação pelo menos parcial de um substrato contendo celulose para um primeiro tempo de permanência a uma temperatura na faixa de 20 °C a 50 °C, em um primeiro reator (1) com bactérias mesófilas, que são adequadas para produzir metano a partir de ácido acético, encaminhamento de uma parte do substrato pelo menos parcialmente fermentado do primeiro reator para um segundo reator (2), que pode ser aquecido com bactérias hipertermófilas, sendo que as bactérias hipertermófilas são adequadas para desintegrar o substrato pelo menos parcialmente fermentado, incubação do substrato pelo menos parcialmente fermentado a uma temperatura na faixa de 55 °C a 80 °C durante um segundo tempo de permanência, sendo que se forma pelo menos parcialmente ácido acético, retorno do substrato com ácido acético do segundo reator (2) para o primeiro reator (1), incubação do substrato com ácido acético no

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34/39 primeiro reator (1), isolamento de biogás contendo metano do primeiro reator (1).

2. Processo, de acordo com o aspecto 1, sendo que o substrato no primeiro (1) e/ou no segundo reatir (2) é agitado por meio de uma instalação de bomba (9,16) e/ou com uma instalação de agitação (7,8).

3. Processo, de acordo com o aspecto 1, sendo que as etapas encaminhamento de uma parte do substrato pelo menos parcialmente fermentado do primeiro reator (1) para um segundo reator (2) pode ser aquecido com bactérias hipertermófilas, sendo que as bactérias hipertermófilas são adequadas para desintegrar o substrato pelo menos parcialmente fermentado e retorno do substrato com ácido acético do segundo reator (2) para o primeiro reator (1), são repetidas pelo menos uma vez.

4. Processo, de acordo com o aspecto 1, 2 ou 3, sendo que os resíduos de fermentação remanescentes no primeiro reator (1), que depois de uma fermentação no primeiro reator (1) não são essencialmente ainda mais desintegrados através das bactérias mesófilas, são descarregados do primeiro reator (1) e drenados, sendo que um líquido de processo separado de forma correspondente é outra vez pelo menos parcialmente alimentado ao primeiro reator (1) através de uma derivação (14).

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35/39

6.

9.

.

11.

Processo, de acordo com um dos aspectos 1 a 4, caracterizado pelo fato de que as bactérias mesófilas são selecionadas a partir do grupo dos Arqueas e são preferivelmente Methanobacteriale,

Methanococcale

Methanocellale

Methanomicrobiale

Methanosareinale

Methanoscarcina, Methanococcus, Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanothermobacter e/ou Methanopyrale.

Processo, de acordo com um dos aspectos 1 a 5, caracterizado pelo fato de que as bactérias termófilas são selecionadas a partir do grupo dos clostrídios, preferivelmente Chlostridium aceticum, Chlostridium thermocellum e/ou Chlostridium stecorarium.

Processo, de acordo com um dos aspectos 1 a 6, sendo que o conteúdo do primeiro reator (1) também é aquecido.

Processo, de acordo com um dos aspectos 1 a 7, sendo que o ácido silícico do segundo reator (2) é separado para reduzir uma concentração de ácido silícico, que inibe aa formação de metano.

Processo, de acordo com um dos aspectos 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o substrato contendo celulose contém lignocelulose.

Processo, de acordo com um dos aspectos 1 a 9, caracterizado pelo fato de que o substrato contendo celulose compreende palha, em particular, palha de arroz.

Processo, de acordo com um dos aspectos 1 a 10,

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36/39 caracterizado pelo fato de que um valor de pH do substrato no primeiro reator (1) situa-se na faixa de pH neutra até levemente básica e o valor de pH perfaz preferivelmente pelo menos 6, 6, de modo particularmente preferido, perfaz pelo menos 6,8 e/ou perfaz no máximo 8,3, de modo particularmente preferido, perfaz no máximo 8,0.

12. Processo, de acordo com um dos aspectos 1 a 11, caracterizado pelo fato de que um valor de pH do substrato no segundo reator (2) perfaz pelo menos 4,5 e/ou no máximo 6,5.

13. Processo, de acordo com um dos aspectos 1 a 12, em que as fibras de substrato são trituradas antes de introduzir o substrato no primeiro reator (1).

14. Unidade de biogás para produzir biogás, que contém um primeiro reator (1), que contém bactérias mesófilas, que são adequadas para produzir metano a partir de ácido acético, hidrogênio e dióxido de carbono, um segundo reator (2) que pode ser aquecido, contém bactérias hipotermófilas, que são adequadas para a fermentação preferivelmente anaeróbica de um substrato contendo celulose em ácido acético, uma instalação de circulação (3) para produzir um circuito de biomassa entre o primeiro reator (1) e o segundo reator (2), sendo que a instalação de circulação (3)

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15.

16.

.

compreende uma instalação de transporte e pelo menos uma linha de conexão (4, 5), que conecta o primeiro reator (1) e o segundo reator (2) e a instalação de transporte é equipada para transportar o substrato através da linha de conexão (4, 5) tanto do primeiro reator (1) para o segundo reator (2), como também do segundo reator (2) para o primeiro reator (1).

Unidade de biogás, de acordo com o aspecto 14, caracterizada por um dispositivo de desidratação (12) para separar um liquido de processo com uma desidratação de resíduos de fermentação, que depois de uma fermentação no primeiro reator (1) não são mais essencialmente desintegrados pelas bactérias mesófilas, sendo que o primeiro reator (1), para descarregar os resíduos de fermentação, está conectado com o dispositivo de desidratação (12) através de uma derivação (13).

Unidade de biogás, de acordo com um dos aspectos 14 ou 15, caracterizada por um dispositivo de mistura (16) ligado a montante ao primeiro reator (1) e conectado com o primeiro reator (1) através de uma linha de alimentação (19), para misturar o substrato com um líquido de processo de tal modo, que é possível ajustar um teor de substância seca do substrato a ser alimentado ao primeiro reator (1) através da linha de alimentação (19).

Unidade de biogás, de acordo com um dos aspectos 14 ou 15, desde que essa possa ser referida ao

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38/39 aspecto 13, caracterizada por um dispositivo de retorno (14) para reconduzir o líquido de processo para o primeiro reator (1).

18. Unidade de biogás, de acordo com um dos aspectos a 17, caracterizada pelo fato de que a linha de conexão (4, 5) apresenta uma válvula de duas vias (11) e/ou que a instalação de circulação compreende duas linhas de conexão (4, 5) entre o primeiro reator (1) e o segundo reator (2).

19. Unidade de biogás, de acordo com um dos aspectos a 18, caracterizada pelo fato de que a instalação de circulação (3) compreende uma bomba para transportar o substrato.

20. Unidade de biogás, de acordo com um dos aspectos a 19, caracterizada por pelo menos uma instalação de agitação (7, 8) e/ou instalação de bombas (9, 16) para agitar o substrato no primeiro reator (1) e/ou no segundo reator (2).

21. Unidade de biogás, de acordo com um dos aspectos a 20, caracterizada pelo fato de que o primeiro reator (1) pode ser aquecido de tal modo, que é possível ajustar uma temperatura de pelo menos 30 °C e/ou que o segundo reator (2) pode ser aquecido de tal modo, que é possível ajustar uma temperatura de pelo menos 65 °C.

22. Unidade de biogás, de acordo com um dos aspectos a 21, que compreende uma instalação de prétratamento (17) para triturar as fibras de

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39/39 substrato .

23. Unidade de biogás, de acordo com um dos aspectos a 22, caracterizada pelo fato de que a linha de conexão (4) para transportar o substrato do primeiro reator (1) para o segundo reator (2) compreende uma instalação de ventilação (28).

24. Unidade de biogás, de acordo com um dos aspectos a 22, caracterizada pelo fato de que o segundo reator (2) compreende uma linha de alimentação (32) para alimentar substâncias facilmente fermentáveis.

25. Unidade de biogás, de acordo com um dos aspectos a 24, caracterizada pelo fato de que o segundo reator (2) contém bactérias selecionadas a partir do grupo dos clostrídios, preferivelmente a partir do grupo de Chlostridium aceticum, Chlostridium thermocellum e/ou Chlostridium stecorarium.

26. Uso de uma unidade de biogás, de acordo com um dos aspectos 14 a 25, para realizar um processo, de acordo com um dos aspectos 1 a 11.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Processo para produzir biogás, que compreende as seguintes etapas:

fermentação pelo menos parcial de um substrato contendo celulose para um primeiro tempo de permanência a uma temperatura na faixa de 20 °C a 50 °C, em um primeiro reator (1) com bactérias mesófilas, que são adequadas para produzir metano a partir de ácido acético, encaminhamento de uma parte do substrato pelo menos parcialmente fermentado do primeiro reator para um segundo reator (2), que pode ser aquecido com bactérias hipertermófilas, sendo que as bactérias hipertermófilas são adequadas para desintegrar o substrato pelo menos parcialmente fermentado, incubação do substrato pelo menos parcialmente fermentado a uma temperatura na faixa de 55 °C a 80 °C durante um segundo tempo de permanência, sendo que se forma pelo menos parcialmente ácido acético, retorno do substrato com ácido acético do segundo reator (2) para o primeiro reator (1),

incubação do substrato com ácido acético no primeiro reator (1), isolamento de biogás contendo metano do primeiro reator (1) • 2 . Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o substrato contendo

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2/6 celulose apresenta uma concentração de amônio-nitrogênio de pelo menos 100 mg de NH4-N/1, preferivelmente de pelo menos 150 mg de NH4-N/1, de modo particularmente preferido, de pelo menos 200 mg de NH4-N/1 e/ou no máximo de 1 g de de NH4-N/1, preferivelmente no máximo 700 mg de NH4-N/1, de modo particularmente preferido, no máximo 400 mg de NH4N/l.
3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a etapa compreende encaminhamento de uma parte do substrato pelo menos parcialmente fermentado do primeiro reator para um segundo reator (2), que pode ser aquecido, um encaminhamento da parte do substrato pelo menos parcialmente fermentado do primeiro reator para um dispositivo de ventilação para inativar as bactérias anaeróbicas.
4. Processo, de acordo com a reivindicação 1, 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que as etapas encaminhamento de uma parte do substrato pelo menos parcialmente fermentado do primeiro reator (1) para um segundo reator (2), que pode ser aquecido com bactérias hipertermóflias, sendo que as bactérias hipertermóflias são adequadas para desintegrar o substrato pelo menos parcialmente fermentado e recondução do substrato com ácido acético do segundo reator (2) para o primeiro reator (1), são repetidas pelo menos uma vez.
5. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1 a

4, caracterizado pelo fato de que os resíduos de fermentação remanescentes no primeiro reator (1), que

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3/6 depois de uma fermentação no primeiro reator (1) não são mais essencialmente desintegrados através de bactérias mesófilas, são descarregados do primeiro reator (1) e drenados, sendo que um líquido de processo separado de forma correspondente é outra vez alimentado pelo menos parcialmente ao primeiro reator (1) através de uma derivação (14).
6. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1 a

5, caracterizado pelo fato de que as bactérias mesófilas são selecionadas a partir do grupo dos Arqueas e são preferivelmente Methanobacteriale, Methanococcale, Methanomicrobiale, Methanocellale, Methanosarcinale, Methanosarcina, Methanococcus, Methanobacterium,

Methanobrevibacter, Methanothermobacter e/ou Methanopyrale e/ou que as bactérias hipertermófilas são selecionadas a partir do grupo dos Clostridiaceae e/ou Thermotogaceae, preferivelmente Clostridium aceticum, Clostridium thermocellum, Clostridium e/ou Clostridium stecorarium e/ou Thermotogales.
7. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1 a

6, caracterizado pelo fato de que o substrato contendo celulose contém lignocelulose e/ou que o substrato contendo lignocelulose compreende palha, em particular, palha de arroz.
8. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1 a

7, caracterizado pelo fato de que um valor de pH do substrato no primeiro reator (1) situa-se na faixa neutra até levemente básica e/ou

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4/6 que um valor de pH do substrato no segundo reator (2) perfaz pelo menos 4,0 e/ou no máximo 6,5.
9. Unidade de biogás para produzir biogás, que contém um primeiro reator (1), que contém bactérias mesófilas, que são adequadas para produzir metano a partir de ácido acético, hidrogênio e dióxido de carbono, um segundo reator (2), que pode ser aquecido, que contém bactérias hipotermófilas, que são adequadas para a fermentação preferivelmente anaeróbica de substratos contendo celulose para ácido acético, uma instalação de circulação (3) para produzir um circuito de biomassa entre o primeiro reator (1) e o segundo reator (2), sendo que a instalação de circulação (3) compreende uma instalação de transporte e pelo menos uma linha de conexão (4, 5), que conecta o primeiro reator (1) e o segundo reator (2) e a instalação de transporte é equipada para transportar o substrato através da linha de conexão (4, 5), tanto do primeiro reator (1) para o segundo reator (2), como também do segundo reator (2) para o primeiro reator (D .
10. Unidade de biogás, de acordo com a reivindicação 9, caracterizada pelo fato de que a linha de conexão (4) para transportar o substrato do primeiro reator (1) para o segundo reator (2) compreende uma instalação de ventilação (28) .
11. Unidade de biogás, de acordo com a reivindicação 9 ou 10, caracterizada por um dispositivo de desidratação (12) para separar um líquido de processo em uma

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5/6 desidratação de resíduos de fermentação, que depois de uma fermentação no primeiro reator (1) não são mais essencialmente desintegrados pelas bactérias mesófilas, sendo que o primeiro reator (1), para descarregar os resíduos de fermentação, está conectado com o dispositivo de desidratação (12) através de uma derivação (13).
12. Unidade de biogás, de acordo com uma das reivindicações 9 a 11, caracterizada por um dispositivo de mistura (16) ligado a montante ao primeiro reator (1) e conectado com o primeiro reator através de uma linha de alimentação (19), para misturar o substrato com um líquido de processo de tal modo, que é possível ajustar um teor de substância seca do substrato a ser alimentado ao primeiro reator (1) através da linha de alimentação (19).

13. Unidade de biogás, de acordo com a reivindicação 11 ou 12, desde que essa se refira à reivindicação 11, caracterizada por um dispositivo de retorno (14) para reconduzir o líquido de processo para o primeiro reator (D .

14. Unidade de biogás, de acordo com uma das reivindicações 9 a 13, caracterizada pelo fato de que a linha de conexão (4, 5) apresenta uma válvula de duas vias (11) e/ou que a instalação de circulação compreende duas linhas de conexão (4, 5) entre o primeiro reator (1) e o segundo reator (2) • 15. Unidade de biogás, de acordo com uma das reivindicações 9 a 14, caracterizada pelo fato de que a instalação de circulação (3) compreende pelo menos uma

bomba para transportar o substrato e/ou

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6/6 que a unidade de biogás compreende pelo menos uma instalação de agitação (7, 8) e/ou uma instalação de bombas

(9, 16) para agitar o substrato no primeiro reator (1) e/ou no segundo reator ( 2) . 16. Unidade de biogás, de acordo com uma das reivindicações 9 a 15, caracterizada pelo fato de que o

primeiro reator (1) pode ser aquecido de tal modo, que é possível ajustar uma temperatura de pelo menos 30 °C e/ou que o segundo reaor (2) pode ser aquecido de tal modo, que é possível ajustar uma temperatura de pelo menos 65 °C.

17. Uso de uma unidade de biogás, de acordo com uma das reivindicações 9 a 16, para realizar um processo, de acordo com uma das reivindicações 1 a 11.