DE102004054468A1 - Anaerobic fermentation of vegetable substrates for production of bio gas, comprises extruding substrates to form high-grade homogenized biomass by double escargots extrude, and growing nutrient for mead producer by biogenous material - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Biogas durch anaerobe Vergärung pflanzlicher Substrate in einem Reaktor.The The invention relates to a process for the production of biogas by anaerobic fermentation of vegetable Substrates in a reactor.
Die Erfindung wird vorzugsweise angewendet im Bereich der landwirtschaftlichen Biogasgewinnung. Darüber hinaus ist eine zweckentsprechende Anwendung in der anaeroben Abfall- und Faulschlammvergärung möglich, wo unterschiedlichste Biomasse als Koferment fallweise eingesetzt werden kann.The Invention is preferably applied in the field of agricultural Biogas. About that In addition, an appropriate use in the anaerobic waste and digested sludge fermentation possible, where a wide variety of biomass used as Koferment case by case can be.
Unabhängig von der Entwicklung der Tierbestände und damit des Anfalls von Flüssig- oder Festmist stellt die verstärkte Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen und Wiesenwuchs eine zweckmäßige Verwertungsalternative in der landwirtschaftlichen Biogaserzeugung dar.Independent of the development of livestock and thus the seizure of liquid or festmist represents the reinforced Use of renewable raw materials and grassland growth is an appropriate alternative for recycling in agricultural biogas production.
Bei den bekannten Verfahren zur Biogasgewinnung wurde eine Erhöhung der Wirkungsgrade bei der Biomassekonversion in elektrische und Wärmeenergie im wesentlichen durch die Weiterentwicklung der Vergärungstechnologie, einschließlich der unterschiedlichsten Beschickungstechniken von Feststoffen sowie der Entwicklung der Blockheizkraftwerke, nicht aber durch bessere Ausnutzung der in der Biomasse selbst gebundenen biochemischen Energie, angestrebt.at The known method for biogas production was an increase in Efficiencies in biomass conversion into electrical and thermal energy essentially by the further development of the fermentation technology, including the most diverse feeding techniques of solids as well the development of combined heat and power plants, but not by better Exploiting the biochemical energy bound in the biomass itself, sought.
Im Gegensatz zu den tierischen Ausscheidungen, bei denen es keine Zellverbände mehr gibt, da beim Durchgang durch den Verdauungstrakt des Tierkörpers die Nährstoffe völlig aufgeschlossen werden und den anaeroben Bakterien eine sehr große Angriffsfläche geboten wird, sind die pflanz lichen Kofermente durch ihre zellularen Bindungen von den Bakterien wesentlich schwerer zu zersetzen und benötigen eine entschieden längere Verweilzeit im Biogasreaktor.in the Contrary to the animal excretions, in which there are no more cell associations because, when passing through the digestive tract of the carcass, the nutrient completely be opened up and offered the anaerobic bacteria a very large attack surface The plant cofactors are due to their cellular bonds of the bacteria much harder to decompose and require one decidedly longer Residence time in the biogas reactor.
Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zum Zerkleinern, Mischen und Zermusen von pflanzlichen Substraten hoher Trockensubstanzgehalte mit kombiniertem Direkteintrag in Biogasreaktoren bekannt.in the State of the art are various methods and devices for crushing, mixing and shredding vegetable substrates high dry matter contents with combined direct entry into biogas reactors known.
Allen diesen Verfahren sind hinsichtlich der technischen Beherrschbarkeit hoher Trockensubstanzgehalte im Fermenter Grenzen gesetzt. Die Trockensubstanzgehalte in Gülleanlagen mit anteiliger Kofermentation betragen zwischen 10 und 12 %.all These methods are in terms of technical controllability high dry matter contents in the fermenter limits. The dry matter contents in slurry plants with proportional co-fermentation amount to between 10 and 12%.
In speziell zur Gras- bzw. Silagevergärung ausgelegten Nassvergärungsanlagen kann mit verstärkter Rührwerkstechnik und entsprechenden Ein- und Austragungsaggregaten ein Trockensubstanzgehalt von 13 bis 15 % noch beherrscht werden. Bei höheren Trockensubstanzgehalten kann jedoch die Homogenisierung des Faulraumsubstrats nicht mehr sichergestellt werden und es treten erhöhte Schwimmschichten- oder Pfropfenbildung auf, die Störungen im Gasbildungsprozess verursachen.In especially for grass or silage fermentation designed wet fermentation plants can with reinforced Rührwerkstechnik and corresponding input and Austragungsaggregaten a dry matter content from 13 to 15% are still mastered. At higher dry matter contents However, the homogenization of the septic tank substrate can no longer be ensured and there are increased levels of floating or grafting on, the disorders in the gas formation process.
In
Es ist auch bekannt, höhere Trockensubstanzgehalte durch Direkteintrag pflanzlicher Biomasse in den Bioreaktor zu realisieren. Dies wird dadurch erreicht, dass Einspülschächte unterschiedlicher Art, Eintragschnecken, Dosierstationen mit hydraulischer Einpressung, Spiralförderer oder das System „Feststoffwolf" der Firma PLAN ET.It is also known higher Dry matter contents by direct input of vegetable biomass to realize in the bioreactor. This is achieved by that Einspülschächte different Type, feed screws, dosing stations with hydraulic injection, spiral conveyors or the system "solids wolf" the company PLAN ET.
Der ständigen Gewährleistung der Fließ- und Pumpfähigkeit des Substrats und damit verbunden der Prozessstabilität sind auch hier Grenzen gesetzt. Ebenso nachteilig sind bei allen diesen Vorrichtungen die weiterhin bestehende Neigung der pflanzlichen Biomasse zur Schwimm- und Sinkschichtenbildung bei vergleichsweise höherem energetischen und technischen Aufwand für den Einsatz von Rührwerks- bzw. Homogenisierungstechnik.Of the permanent warranty the flow and pumpability of the substrate and associated process stability are also limits set here. Likewise disadvantageous in all these devices the persistence of plant biomass for swimming and Sinkschichtbildung at comparatively higher energy and technical Effort for the use of agitator or homogenization technology.
Nach
Für die biotechnische Weiterbehandlung von Abfällen zur Erzeugung von Biogas ist es zweckmäßig, zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit die organische Biomasse vor der Abtrennung organischer Bestandteile zu zerkleinern.For the biotechnical Further treatment of waste for the production of biogas, it is expedient to increase the Reaction rate of the organic biomass before separation to disintegrate organic components.
In
Mit
der in
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem bei der Vergärung organischer Trockensubstanzen von rein landwirtschaftlichen Substraten eine verbesserte Biogasausbeute bezogen auf eine definierte Verweilzeit bei hohen Faulraumbelastungen erzielt wird.Of the Invention is based on the object, a method of the initially with the type mentioned in the fermentation of organic dry substances from purely agricultural substrates an improved biogas yield based on a defined residence time at high Faulraumbelastungen is achieved.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.According to the invention Task with a method which specified in claim 1 Has features solved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen abgeleitet.advantageous Embodiments are derived in the subclaims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein modifiziertes einstufiges Nassgärverfahren zur Biogaserzeugung mit optimierter Gasertragsrate bei verstärkter oder ausschließlicher Nutzung pflanzlicher Biomasse und deren aufbereitungstechnischer Vorbehandlung mittels Extrusion. Dabei wird dem Vergärungsprozess eine aufbereitungstechnische Vorstufe außerhalb des Reaktors vorgeschaltet, wobei durch Extrusion der pflanzlichen Substrate eine hochgradig homogenisierte Biomasse erzeugt wird, deren Zellgefüge weitgehend zerstört ist. Durch gezielte Oberflächenvergrößerung des biogenen Materials wird den Gärungs- und methanbildenden Bakterien eine höhere Nährstoffverfügbarkeit ermöglicht. Damit wird eine nachweislich größere Gasbildungsrate erreicht.at the method according to the invention it is a modified one-step wet fermentation process for biogas production with optimized gas yield at enhanced or exclusive use Vegetable biomass and their treatment-technical pretreatment by extrusion. The fermentation process becomes a processing technology Precursor outside preceded by the reactor, wherein by extrusion of the vegetable Substrates a highly homogenized biomass is produced, their cell structure largely destroyed is. Through targeted surface enlargement of the biogenic material will increase the fermentation and methanogenic bacteria allows for greater nutrient availability. This is a demonstrably greater gas formation rate reached.
Je nach technologischem Erfordernis kann die extrudierte pflanzliche Biomasse über eine Vorgrube oder über eine geeignete Direkteintragtechnik dem Reaktor zugeführt werden. Dabei können Trockensubstanzgehalte > 18 % bzw. Faulraumbelastungen > 6 kg organische Trockensubstanz/m3 × d) zugelassen werden, ohne dass es zu Störungen im Gasbildungsprozess kommt. Dies führt zur Optimierung und Einsparung teuren Faulraumvolumens.Depending on the technological requirement, the extruded vegetable biomass can be fed to the reactor via a pre-pit or via a suitable direct introduction technique. In this case, dry matter contents> 18% or digester loads> 6 kg of organic dry matter / m 3 × d) can be permitted without any disruption in the gas formation process. This leads to the optimization and saving expensive foul space volume.
Als Folge der höheren Nährstoffverfügbarkeit sind die Biogasausbeute je Zeiteinheit und eingesetzter organischer Trockensubstanzmasse sowie die anlagenspezifische Biogasproduktivität bei ausschließlicher Verwendung nachwachsender Rohstoffe, Gülle und Festmist höher als bisher in der landwirtschaftlichen Biogaspraxis bekannt wurde.When Episode of the higher nutrient availability are the biogas yield per time unit and used organic Dry substance mass and the plant-specific biogas productivity with exclusive Use of renewable raw materials, manure and solid manure higher than previously known in agricultural biogas practice.
Die hochgradig homogenisierte Biomasse weist eine bessere Pump- und Transportfähigkeit und nur eine geringe Neigung zu Schwimm- und Sinkschichtenbildungen auf und lässt somit extrem hohe Faulraumbelastungen zu. Durch geringere Homogenisierungs- und Rührwerkstechnik wird Prozessenergie eingespart.The highly homogenized biomass has a better pumping and transportability and only a slight tendency to swim and Sinkschichtenbildungen up and leaves thus extremely high Faulraumbelastungen too. Due to lower homogenization and agitator technology process energy is saved.
Durch Kombination von Bioextruder und Direkteintrag werden Temperaturgefälle vermieden, was sich günstig auf den Methanbildungsprozess auswirkt und thermische Energie einsparen hilft.By Combination of bioextruder and direct entry, temperature gradient is avoided, what favorable affects the methane formation process and saves thermal energy helps.
Durch die im Extruder entstehenden hohen Temperaturen werden Krankheitskeime, Pilzsporen, Unkrautsamen etc. zerstört und das vergorene Substrat weist eine geringere Keimbelastung auf.By the high temperatures produced in the extruder become disease germs, Mushroom spores, weed seeds etc. destroyed and the fermented substrate has a lower germ load.
Die Erfindung nutzt den thermomechanischen Aufschluss mittels Extrusion, um die in der pflanzlichen Biomasse gespeicherte Energie für den eigentlichen Methanbildungsprozess schneller und effizienter verfügbar zu machen.The Invention uses the thermomechanical digestion by means of extrusion, around the energy stored in the plant biomass for the actual Methane formation process faster and more efficient available too do.
Durch Auswahl und Proportionierung geeigneter pflanzlicher Biomasse wie:
- • Gras- und Maissilage
- • Festmist, Stroh
- • Grünschnitt und Getreide
- • Grass and maize silage
- • Muck, straw
- • Green waste and cereals
Bei Verzicht auf eine Vorgrube kann das Hydrolysestadium (z.T. Versäuerungsstadium) quasi ersetzt werden durch ein „Ansetzen" der vorbehandelten, extrudierten Kofermente auf einer Dungplatte (ausreichend: 3–5 Tagesrationen). Dabei weisen Gülle und Festmist eine ausgezeichnete chemische Pufferwirkung auf.at Abandonment of a pre-pit can the hydrolysis stage (in the beginning acidification stage) to be replaced by a "preparation" of the pretreated, extruded Kofermente on a dung plate (sufficient: 3-5 daily rations). Show Manure and Solid manure has an excellent chemical buffering effect.
Durch geeignete Feststoffeintragtechnik bzw. Dickstoffpumpen werden sehr hohe Trockensubstanzgehalte in den Faulraum eingebracht.By suitable solids introduction technique or thick matter pumps become very high dry matter contents introduced into the digester.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es, im Faulraum optimale Reaktionsbedingungen und für den eigentlichen Methanbildungsprozess günstige Milieubedingungen zu erzeugen, um nicht auf den Gesamtprozess der Vergärung Rücksicht nehmen zu müssen.With the method according to the invention succeeds in the digestion room optimal reaction conditions and for the actual Methane production process favorable To create environmental conditions so as not to affect the overall process of fermentation Take care to have to.
Dies setzt eine sorgsame Überwachung des Vergärungsprozesses voraus, einschließlich der Messung und Analyse folgender Parameter:
- – Temperaturverhalten
- – pH-Wert
- – Äquivalente der leichtflüchtigen Fettsäuren
- – Erfassung der Stoffpotentiale und des C/N-Verhältnisses
- – Zusammensetzung und Menge des Biogases
- – Bestimmung der Trockensubstanz-Gehalte
- - Temperature behavior
- - PH value
- - Equivalents of the volatile fatty acids
- - Recording the substance potentials and the C / N ratio
- - Composition and quantity of biogas
- - Determination of dry matter contents
Die aufbereitungstechnische Vorstufe nutzt bekannte Extrusionstechnik. Als vorteilhaft hat sich ein Doppelschneckenextruder erwiesen, der als Weiterentwicklung aus der Holzzerfaserung zur Verfügung steht.The treatment-related preliminary stage uses known extrusion technology. As beneficial has a twin-screw extruder, which is available as a further development from the wood fiberization.
In den Flankenbereichen der Schneckenwellen entstehen in der gekapselten und gepanzerten Vorrichtung, je nach Substratzufuhr und -konsistenz veränderliche Druck- und Temperaturverhältnisse, die in der Lage sind, das Zellgefüge von pflanzlichem Material und anderer Biomasse explosionsartig zu zerstören.In the flank areas of the worm shafts arise in the encapsulated and armored device, variable depending on substrate feed and consistency Pressure and temperature conditions, the are capable of cell structure of plant material and other biomass to explode.
Bei der Vorwärtsbewegung des Substrats wird es durch die eintretende Querschnittsverengung thermomechanisch so beansprucht, dass eine gewünschte Textur- und Strukturveränderung eintritt. Das biogene Material wird zwischen den Schneckenwellen und der Außenwand zerrieben und hierbei homogenisiert, intensiv gemischt und plastifiziert. Durch die weitgehende Zerstörung des Zellgefüges entsteht eine wesentlich vergrößerte Angriffsfläche für die Mikroben und damit eine wirksame Beschleunigung des Gasbildungsprozesses.at the forward movement of the substrate, it becomes thermomechanical due to the entering cross-sectional constriction so claimed that a desired Texture and texture change entry. The biogenic material is between the worm shafts and the outer wall grated and homogenized, thoroughly mixed and plasticized. By the extensive destruction of the cell structure creates a much larger attack surface for the microbes and thus an effective acceleration of the gas formation process.
Im Extruderkanal sind Spitzendrücke über 50 bar möglich, es wurden Temperaturen > 120 °C gemessen.in the Extruder channel are peak pressures above 50 bar possible, Temperatures> 120 ° C were measured.
Durch diesen Vorgang findet ein solcher Zellaufschluss statt, der nachweislich zu einer deutlich höheren und schnelleren Nährstoffverfügbarkeit im Methanbildungsprozess führt. Dieser Effekt trägt Turbocharakter.By This process takes place such a cell disruption, the demonstrable to a much higher one and faster nutrient availability in the methane production process. This effect contributes Turbo character.
Die
in großtechnischen
Versuchen erzielten Ergebnisse sind in den
und
and
Wie
aus der in
Hinsichtlich der Energiebilanz wird der durchaus energieintensive Behandlungsschritt durch höhere Biogasausbeuten und Gasproduktivitäten mehr als kompensiert.Regarding the energy balance becomes the energy-intensive treatment step through higher Biogas yields and gas productivities more than compensated.
Die nach dem Extrusionsvorgang noch vorhandenen Faserbestandteile besitzen eine Länge von bis zu 40 mm und bleiben aufgrund ihrer Beschaffenheit beim Einbringen in die Reaktorflüssigkeit im Schwebezustand. Damit werden günstige Voraussetzungen für eine wirkungsvolle Homogenisierung des Faulraumsubstrats geschaffen. Es besteht gegenüber anderen technologischen Verfahrensweisen der Nassvergärung eine deutlich geringere Neigung des vorbehandelten pflanzlichen Substrats zu prozessgefährdenden Schwimm- und Sinkschichtenbildungen.The have fiber components still present after the extrusion process a length of up to 40 mm and remain due to their nature during insertion in the reactor liquid in limbo. This will create favorable conditions for effective Homogenization of the septic tank substrate created. It exists over others Technological procedures of wet fermentation a much lower Inclination of the pretreated plant substrate to process-endangering Floating and sinking layers.
Die im Extruder entstehende Temperatur von über 100 °C entspricht den Forderungen der EUV- 1774 zur Hygienisierung bestimmter Bioabfälle, die pathologisch bedenklich sein können. Da aber sämtliche Zusatzstoffe wie Pflanzenschnitt, Pflanzabfälle, Kompost usw. den Extruder passieren, werden neben pathogenen auch andere Keime, wie Pilzsporen, Unkrautsamen usw. teilweise zerstört. Das vergorene Substrat ist dann bei der Verbringung als Dünger auf die Felder weitgehend keimfrei.The In the extruder resulting temperature of about 100 ° C corresponds to the requirements EUV 1774 on the sanitation of certain biowaste that is pathological be questionable. But since all Additives such as plant cut, plant waste, compost, etc. the extruder In addition to pathogens, other germs, such as fungal spores and weed seeds, are transmitted etc. partially destroyed. The fermented substrate is then when shipped as a fertilizer the fields are largely germ-free.
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- Optimumoptimum
- GG
- Gasproduktivitätgas productivity
- FBFB
- FaulraumbelastungLazy loading rate
- BGBG
- Biogasbiogas
- oTSoTS
- organische Trockensubstanzorganic dry matter
- m3 F m 3 F
- FaulraumvolmenFaulraumvolmen
- dd
- TagDay
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