DE102005012367A1

DE102005012367A1 - Verfahren zur fermentativen Erzeugung von Bio-Wasserstoff und Bio-Methan aus biogenen Roh- und Reststoffen

Info

Publication number: DE102005012367A1
Application number: DE102005012367A
Authority: DE
Inventors: Rainer Stegmann; Dorothea Zurawski
Original assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2006-09-14

Abstract

Ein Verfahren zur fermentativen (anaeroben) Erzeugung von Bio-Gasen aus biogenen Roh- und Reststoffen mittels Mikroorganismen wird als zweistufiges Verfahren durchgeführt, umfassend einen ersten Schritt, in dem Bio-Wasserstoff durch Fermentation erzeugt und der entstehende Wasserstoff im Wesentlichen abgezogen wird, und einen zweiten Schritt, in dem Bio-Methan durch Fermentation aus den nicht verwerteten Rückständen aus der Bio-Wasserstoffproduktion erzeugt wird, sodass durch die jeweilige Weiterverwertung der anfallenden Produkte ein Kreislauf gebildet wird. Eine entsprechende Vorrichtung zur fermentativen (anaeroben) Erzeugung von Bio-Gasen aus biogenen Roh- und Reststoffen mittels Mikroorganismen ist zweistufig ausgebildet, wobei die erste Stufe einen Bio-Wasserstoffreaktor mit einem Element zum Abziehen des Bio-Wasserstoffs und die zweite Stufe einen Bio-Methanreaktor umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur fermentativen (anaeroben) Erzeugung von Bio-Wasserstoff und Bio-Methan aus biogenen Roh- und Reststoffen mittels Mikroorganismen sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung. Die Erfindung beschreibt weiterhin die Verwendungen des erzeugten Bio-Wasserstoffs, des Bio-Methans und der nährstoffenthaltenen Reststoffe.
Biogene Roh- und Reststoffe werden in der Regel durch aerobe oder anaerobe biologische Verfahren zu Biogasen sowie zu Kompost abgebaut. Bei den aeroben Zersetzungsmechanismen entstehen als Stoffwechselprodukte Wasser, Kohlendioxid und Wärme. Jedoch ist der Marktwert dieser aeroben Stoffwechselprodukte sehr gering, so dass sie praktisch nicht genutzt werden.
Verfahrenstechnisch lässt sich die anaerobe Fermentation in zwei Hauptreaktionen gliedern: Sie umfasst eine „Säurefermentation" und eine „Methanfermentation". Bei ersterer werden die Molekulargewichte der organischen Substanzen durch anaerobe Säure-Fermentations-Bakterien vermindert und die organischen Substanzen (Stärke, Cellulose, Hemicellulose, Pektine, Proteine und Fette) in niedermolekulare organische Säuren, wie Essigsäure, Propionsäure und Buttersäure, umgewandelt. Bei der anschließenden „Methanfermentation" werden die niedermolekularen Säuren durch Methan-Fermentations-Bakterien in Methangas und Kohlendioxid umgewandelt. Normalerweise leben die säure- und methanbildenden Bakterien in enger Vergesellschaftung.

Eine solche anaerobe Fermentation, die üblicherweise bei mittleren Temperaturen (mesophil, d. h. 30–40° C) durchgeführt wird, ist z. B. aus der DE 31 02 739 A1 bekannt. Bei der Fermentation fallen als mengenmäßig bedeutsamste gasförmige Produkte Methan und Kohlendioxid an. Ein Stoffwechselzwischenprodukt des Prozesses ist Wasserstoff, der größtenteils in der acitogenen und acetogenen Phase anfällt. Dieser so gebilde te Wasserstoff wird in der Methanphase mit Kohlendioxid für die Produktion von Methan durch Methanbakterien eingesetzt. Dieses Verfahren wird in einer Vorrichtung mit einem einzigen Reaktorraum durchgeführt, der eine volumenmäßige Aufteilung von Säure- und Methanphase enthält. In dem Teilraum für die Säurephase sinken die abgebauten Produkte (niedermolekulare Säuren, Wasserstoff und Kohlendioxid) nach unten und gelangen über eine offene Verbindung in den Fermentationsraum für die Methanbildung. Durch die Aufteilung des Reaktorraumes und die direkte Weiterleitung der Fermentationsprodukte aus der Säurephase, wird eine Überkonzentration an Wasserstoff, der die Essigsäure bildenden Bakterien inhibiert, verhindert. Zweck der räumlichen Aufteilung ist also eine Verhinderung eines Erliegens der Essigsäurebildung. Zielprodukt dieses Verfahrens ist Methan. Entsprechend findet eine Ausbeutemaximierung im Hinblick auf die reine Methanproduktion statt. Aufgrund des hohen Brennwertes von Methan lässt sich dieser gut kommerziell absetzen.

Ein anderes Verfahren zur Verwertung biogener Roh- und Reststoffe ist in der DE 10043468 A1 beschrieben. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass nur ein Teil des in den umgesetzten Verbindungen vorhandenen Wasserstoffs genutzt wird und viele nicht vollständig verwertete Reststoffe deponiert werden müssen.

Im Sinne der Nachhaltigkeit bietet die Verwertung von Wasserstoff im Vergleich zu Methan entscheidende Vorteile. Wasserstoff kann als regenerativer Energieträger unter anderem mittels Brennstoffzellen genutzt werden, wobei nur Wasserdampf als „Abgas" abgegeben wird. Brennstoffzellen gelten aufgrund ihrer hohen elektrischen Wirkungsgrade als Schlüsseltechnologie für zukünftige Energiesysteme. Die Verknüpfung der biologischen Wasserstofftechnologie mit Brennstoffzellentechnik würde somit eine neue Möglichkeit zur Energieerzeugung mit hohen Potenzialen im Hinblick auf eine nachhaltige Ressourcennutzung bieten.

Während des Abbaus biogener Roh- und Reststoffe beruht die biologische Wasserstofferzeugung auf einer Übertragung der bei biologischen Oxidationsreaktionen anfallenden Elektronen auf Protonen. Auf diese Weise wird Wasserstoff freigesetzt. Viele Organismen enthalten das Enzym Hydrogenase, das Wasserstoff produzieren kann. Die Wasserstoffproduktion ist dabei eng verbunden mit dem mikrobiellen Energiemetabolismus.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, bei dem eine weitgehend vollständige Verwertung der biogenen Roh- und Reststoffe erfolgt und eine größtmögliche Ausbeute an verwertbaren Gärungsprodukten – Bio-Wasserstoff und Bio-Methan – erreicht wird. Die Menge der zu deponierenden Gärrückstände soll dabei möglichst gering sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das zweistufig durchgeführt wird, wobei in einem ersten Schritt Bio-Wasserstoff durch Fermentation erzeugt und der entstehende Wasserstoff im Wesentlichen abgezogen wird und in einem zweiten Schritt Bio-Methan durch Fermentation aus den nicht verwerteten Rückständen aus der Biowasserstoffproduktion erzeugt wird.

Durch die zweistufige Prozessführung wird erstmals ein Verfahren zur Verfügung gestellt, das nahezu vollständigen Abbau der eingesetzten Substrate und eine Erzeugung von sowohl Bio-Wasserstoff als auch von Bio-Methan – getrennt voneinander – aus demselben Substrat gewährleistet. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die in der Wasserstoff-Stufe gebildeten organischen Verbindungen in der anschließenden Methanstufe verwertet werden. Unterbleibt ein Weiterleiten der organischen Verbindungen in die Methanstufe, so kann aufgrund der Bildung organischer Gärprodukte nur rund ein Drittel der im Substrat in Form von Wasserstoff gebundenen Elektronen als molekularer Wasserstoff freigesetzt werden.

Die biologische Wasserstoffproduktion wird in zwei Kategorien, in einen heterotrophen (fermentativen, „dunklen") und in einen photoheterotrophen (photosynthetischen, „hellen") Prozess unterteilt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kommt der heterotrophe Wasserstoffproduktions-Prozess im Rahmen der Vergärung zum Einsatz, bei dem die Mikroorganismen für ihren Stoffwechsel nur die chemische Energie benötigen, die sie aus den Substraten beziehen können. Die Wasserstoffproduktion mit fermentativen Mikroorganismen bietet neben den Vorteilen der Lichtunabhängigkeit, d. h. kontinuierlicher Tag/Nachtbetrieb, und eines geringeren technischen Aufwandes gegenüber photoheterotrophen Verfahren in der Regel ein breiteres Spektrum nutzbarer Substrate.

Als Substrat ist der Einsatz einer Vielzahl biogener Roh- und Reststoffe möglich, wobei besonders stärkehaltige Substrate mit geringen Stickstoff- und Schwefelgehalten gut geeignet sind. So können als Substrat für die fermentative Wasserstoff-Erzeugung sogenannte Energiepflanzen oder nachwachsende Rohstoffe, wie Mais oder Zuckerrüben eingesetzt werden.

Eine weitere Substratquelle stellen landwirtschaftliche oder industrielle Abfälle dar, die normalerweise kostenintensiv zu entsorgen wären, durch die energetische Nutzung aber einen wirtschaftlichen Nutzen erbringen. Hohe Potenziale bieten auch Ernteüberschüsse oder Reststoffe aus der Verarbeitung von Kartoffeln oder Zuckerrüben, da beide Produkte zu den bedeutendsten Agrargütern in Europa zählen und zudem hohe Gehalte an Kohlenhydraten aufweisen. Auch Reststoffe aus der Stärkeproduktion und -verarbeitung stellen potenzielle Substrate für die biologische Wasserstoff-Erzeugung dar.

Vorzugsweise erfolgt die Umsetzung der biogenen Roh- und Reststoffe zu Bio-Wasserstoff in dem Bio-Wasserstoffreaktor bei Temperaturen > 50° C, die besonders bevorzugt im thermophilen (> 55° C) oder extremophilen (> 65° C) Bereich bei bis zu 100° C liegen. Das aus diesem Bereich zu wählende Temperaturoptimum hängt im Besonderen von den jeweils eingesetzten Mikroorganismen zur Animpfung des Prozesses ab. Diese im Vergleich zum Stand der Technik hohen Temperaturen haben entscheidenden Einfluss auf den Erzeugungsprozess von Bio-Wasserstoff. Neben dem Vorteil einer erhöhten Löslichkeit komplexer organischer Verbindungen bewirkt die hohe Temperatur eine natürliche Selektion der Mikroorganismen. Gerade beim Einsatz von Mischkulturen zur Inkubation des Prozesses wird dadurch das mikrobiologische Gleichgewicht hin zu Wasserstoff produzierenden Bakterien verschoben, da diese fermentativen Bakterien im Vergleich zu Methanbildnern bedeutend weniger temperaturempfindlich sind. Die meisten methanogenen Bakterien sind mit einem Temperaturoptimum zwischen 30° und 37° C mesophil; es sind nur wenige thermophile und extrem thermophile Methanbildner bekannt.

Vorteilhaft ist es, für die Behandlung biogener Reststoffe Reinkulturen einzusetzen. Als Reinkulturen kommen viele Organismenarten in Frage, wie z. B. der Gattung Clostridium, Thermoanaerobacter und Termotoga. Durch die thermophile oder extrem ther mophile Prozesstemperatur wird die generelle Gefahr einer Verunreinigung oder Verdrängung durch die substrateigene Mischkultur deutlich reduziert.

Darüber hinaus können zur Animpfung der Wasserstoff-Stufe neben mikrobiellen Reinkulturen auch Mischkulturen eingesetzt werden. Die Mischkultur kann natürlich vorkommend z. B. in Form von Klärschlamm oder Bodenproben oder künstlich aus einzelnen Mikroorganismen zusammengestellt sein.

Gleichzeitig wird durch die thermophile oder extrem thermophile Temperaturführung eine Hygienisierung des Substrates erreicht. Nach der Bioabfallverordnung [BioAbfv, 1998] ist für eine ausreichende Reduktion seuchen- und phytohygienisch bedeutsamer Keime (Hygienisierung) bei Vergärungsanlagen mit thermophiler Prozessführung eine Verweilzeit ≥ 24 h bei ≥ 55° C und bei mesophiler Prozessführung eine Vor- bzw. Nachbehandlung bei 70° C mit einer Verweilzeit ≥ 1 h ausreichend. Diese Anforderungen werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ausreichend erfüllt.

Des Weiteren tragen die thermophilen Temperaturen zur Maximierung der Wasserstoffausbeute bei, da bei erhöhten Temperaturen die Löslichkeit des Wasserstoffs im Wasser herabgesetzt ist, und sich so verglichen mit der mesophilen Prozessführung ein geringerer Wasserstoffpartialdruck in der Flüssigphase des Reaktors einstellt.

Weiterhin vorteilhaft ist es, dass der in der Flüssigphase gelöste Wasserstoff kontinuierlich, im Besonderen mittels eines mechanischen Elementes, vorzugsweise eines Rührers oder einer Gaseinblasung, in die Gasphase ausgetragen und aus dem Reaktor abgezogen wird. Auf diese Weise wird der Wasserstoffpartialdruck niedrig gehalten und die Bio-Wasserstoffausbeute maximiert.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das entstehende Biogas mit den Hauptkomponenten Wasserstoff und Kohlendioxid entweder ohne Trennung in z. B. einer Hochtemperatur-Brennstoffzelle genutzt oder das Kohlendioxid wird mittels Membrantechnologie oder Ausfrieren abgetrennt. Die jeweilige Gasaufbereitung kann somit den jeweiligen Brennstoffzelleneigenschaften angepasst werden. Das abgetrennte Kohlendioxid kann, da die Pflanzen bei der Vergärung nur die Mengen an Kohlendioxid freisetzen, die sie beim Wachstum aus der Atmosphäre entnommen haben, als CO₂-neutral betrachtet werden und wird daher – unter Schließung des CO₂-Kreislaufes – wieder in die Atmosphäre entlassen.

Günstig wirkt sich auch eine pH-Wert-Steuerung mittels Zugabe von Laugen, vorzugsweise Natronlauge und/oder Kaliumhydroxid oder von Säuren, vorzugsweise Salzsäure, während der Bio-Wasserstoffproduktion aus. Durch Zugabe von Puffersubstanzen kann man pH-Wert-Schwankungen entgegenwirken bzw. den pH-Wert im optimalen Bereich halten. Durch eingestellte pH-Werte von 5–6 können methanogene Bakterien inhibiert werden, so dass das mikrobiologische Gleichgewicht hin zu wasserstoff-produzierenden Bakterien verschoben wird. Durch diesen Effekt wird die Wasserstoffausbeute weiter erhöht.

Zur Konstanthaltung der Mikroorganismenzahl in der Wasserstoff-Stufe kann auch eine interne Schlammrückführung erfolgen. Demnach kann ein Teil des Reaktorablaufs, anstatt vollständig dem Methanreaktor zugeführt zu werden, einer Fest-/Flüssigtrennung (z. B. Absatzbecken) unterzogen werden. Der abgetrennte Schlamm wird in den Wasserstoff-Reaktor zurückgeführt, während die Flüssigphase der Entwässerungsstufe zugeführt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das anfallende Prozesswasser in einem Kreislauf geführt, indem es zum sogenannten Anmaischen wiederverwendet wird. Es wird hiermit zu einer Schonung der Grundwasserressourcen beigetragen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Vorrichtung zur fermentativen (anaeroben) Erzeugung von Bio-Gasen aus biogenen Roh- und Reststoffen mittels Mikroorganismen vorgeschlagen, die zweistufig ausgebildet ist, wobei die erste Stufe einen Bio-Wasserstoffreaktor mit einem Element zum Abziehen des Bio-Wasserstoffs und die zweite Stufe einen Bio-Methanreaktor umfasst (zweistufige Anaerobanlage). Vorzugsweise ist das mechanische Element zum Abziehen des Bio-Wasserstoffs ein Rühr- oder ein Gaseinblasungselement.

Eine solche Vorrichtung bietet zahlreiche Vorteile: In den einzelnen Abbauphasen übt das Substrat unterschiedliche Einflüsse auf die unterschiedlichen Gruppen der Mikroorganismen aus. Es entstehen z. B. Inhibitoren für Essigsäurebakterien, zu denen auch Wasserstoff zählt. Durch das Abziehen kann unter gleichzeitiger wirtschaftlicher Nutzung des Wasserstoffs dieser negative Effekt vermieden werden. Außerdem können durch den stufenweisen Aufbau der Reaktoren optimale physikalische Lebensbedingungen für die einzelnen Bakteriengruppen gewährleistet werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung der fermentativen Erzeugung von Bio-Wasserstoff und Bio-Methan aus biogenen Roh- und Reststoffen umfasst einen weitgehend geschlossenen Kreislauf und leistet damit einen Beitrag zur Nachhaltigkeit im Rahmen ressourcenschonender Energieerzeugung.

Vorteilhafterweise ist dem Bio-Wasserstoffreaktor und Bio-Methanreaktor ein Element zur Wasserstoffgasaufbereitung mit anschließender Brennstoffzelle bzw. Wärmetauscher nachgeordnet. Das Element zur Wasserstoffgasaufbereitung besteht vorzugsweise aus einer Kondensatabscheidung und Gasreinfeinhaltung. Diese Kombination trägt zu einer Kreislaufprozessführung bei, bei der der Wasserstoff als primärenergieressourcenschonender Energieträger einer höherwertigen Verwendung zugeführt wird.

Als weiterhin vorteilhaft erweist sich die erfindungsgemäße Vorrichtung, indem dem Bio-Wasserstoffreaktor ein Membrantechnologie- oder ein Ausfrierelement zum Abtrennen des entstehenden Kohlendioxids angeordnet ist.

In einer weiteren vevorzugten Ausführungsform ist der Reaktor mit einem internen Schlammrückführungselement zur Konstanthaltung der Mikroorganismenzahl in der Wasserstoff-Stufe ausgestattet. In einem Fest-/Flüssigtrennungselement, vorzugsweise in einem Absatzbecken, erfolgt die Trennung des Schlamms von der Flüssigphase. Über Zuleitungselemente wird der abgetrennte Schlamm dem Wasserstoff-Reaktor und die Flüssigphase der Entwässerungsstufe zugeführt.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der Methan-Reaktor ein nachgeordnetes Element zur Entwässerung des ausgefaulten Substrates auf. Durch ein nachge schaltetes Behandlungselement zur Nachbehandlung des Prozesswassers, vorzugsweise eine Membranfiltration, kann das Wasser grundwasserressourcenschonend im Kreislauf geführt werden.

Zur Vermeidung der Deponierung von Reststoffen, wird der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Nachbehandlungselement, vorzugsweise eine Nachkompostierung, zur Verwertung des entwässerten Substrates angegliedert.

Die Verwendung von Bio-Wasserstoff und Bio-Methan zur Erzeugung regenerativer Energie, im Besonderen in Brennstoffzellen/Blockheizkraftwerken z. B. zur Erzeugung von Strom und Wärme, in portablen Brennstoffzellen, in Zentralheizungen auf Brennstoffzellenbasis und in Kraftfahrzeugen wirkt sich im Hinblick auf die Nachhaltigkeit sehr vorteilhaft aus. Durch diese energetische Verwertung organischer Roh- und Reststoffe werden fossile Brennstoffe eingespart und somit CO₂-Emissionen vermieden. Hinzu kommt, dass durch das Energieeinspeisegesetzt die Biogaserzeugung wirtschaftlich unterstützt wird.

Durch die vorteilhafte Verwendung der nährstoffenthaltenen Reststoffe, im Besonderen als Bodenverbesserungs- bzw. Düngemittel, vorzugsweise in der Landwirtschaft, können die Gärrückstände nutzbringend und unter vollständiger Verwertung der Ausgangssubstanzen umweltschonend in den landwirtschaftlichen Produktionskreislauf zurückgeführt werden. Damit wird ein aus dem Stand der Technik bekanntes Problem der Deponierung der Gärrückstände unter Kostenverursachung gelöst. Sie liefern zudem eine für die Agrar- und Agrarindustriewirtschaft neue Einkommensquelle.

Ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur fermentativen Erzeugung von Bio-Wasserstoff und Bio-Methan aus biogenen Roh- und Reststoffen wird im Folgenden anhand der beiliegenden schematischen Zeichnung erläutert:
Das Kernstück der Erfindung und des Gesamtverfahrens stellt die zweistufige Anaerobanlage 2, 3 dar. Die biogenen Roh- und Reststoffe 1 werden als umzusetzendes Substrat unter Animpfung von Mikroorganismen in die erste Stufe, den Wasserstoff-Reaktor 2, eingebracht, in dem die Wasserstofferzeugung bei über 55° C (thermophil) stattfindet.
In dieser Stufe 2 werden zunächst die im Substrat enthaltenen hochmolekularen organischen Verbindungen (Stärke, Cellulose, Hemicellulose, Pektine, Proteine und Fette) mit Hilfe von extrazellulären Enzymen aus Mikroorganismen zu niedermolekularen Verbindungen (z. B. Glucose, Maltose, Xylose, Aminosäuren, Saccharose und Oligosaccharose) hydrolysiert und anschließend zu Wasserstoff, Kohlendioxid, Ethanol und Acetat umgesetzt. Zur Erhöhung der Wasserstoffausbeuten wird der in der Flüssigkeit gelöste Wasserstoff kontinuierlich mittels eines Rührers aus der Flüssigkeit- in die Gasphase ausgetragen und aus dem Reaktor abgezogen. Auf diese Weise wird der Wasserstoffpartialdruck im mikrobiellen System niedrig gehalten.
In der zweiten Stufe der Anaerobanlage, dem Methan-Reaktor 3 (mesophil ~ 35° C oder thermophil ~ 55° C) werden die noch nicht umgesetzten organischen Verbindungen sowie die im Wasserstoff-Reaktor gebildeten organischen Säuren zu Methan und Kohlendioxid fermentiert.
Der aus dem Wasserstoffreaktor 2 abgeführte wasserstoffreiche Gasstrom 4 (bis 60 Vol.-% Wasserstoff) wird direkt genutzt oder in einer geeigneten Brennstoffzelle 6 zur Erzeugung von Energie 7 eingesetzt. Im Falle der Nutzung in einer Brennstoffzelle ist eine Gasaufbereitung 5 erforderlich. Die Gasaufbereitung besteht aus einer Entstaubung, einer Kondensatabscheidung und einer Gasfeinreinigung, die vom jeweiligen Brennstoffzellentyp abhängig ist. Das neben Wasserstoff als zweite Hauptkomponente anfallende Kohlendioxid wird durch Membrantechnologie oder Ausfrieren abgetrennt.
Nach dem Durchlaufen des Wasserstoff-Reaktors 2 der Anaerobanlage (Versäuerungsstufe zur biologischen Wasserstoff-Erzeugung) wird das Substrat in die zweite, methanogene Stufe 3 eingebracht. Die Methanstufe 3 stellt einen konventionellen Anaerobreaktor dar und dient der Erzeugung von Biogas 8 mit den Hauptkomponenten Methan und Kohlendioxid. Das gewonnene Biogas 8 wird in einer Gasaufbereitung 9 zu Wasserstoff aufbereitet und in der Brennstoffzelle 6 genutzt. Alternativ wird die produzierte Energie aus Biogas 8 mittels eines Wärmetauschers zum Aufheizen des Wasserstoff- und Methan-Reaktors 10 genutzt.
Das ausgefaulte Substrat 11 aus der Methanstufe 3 wird nach bekannten Verfahren entwässert 12. Das dabei anfallende Prozesswasser 13 wird zum sog. Anmaischen 15 dem Wasserstoff-Reaktor wieder zugeführt. Alternativ wird das Prozesswasser in einer Membranfiltration 14 behandelt und anschließend entweder dem Wasserstoff-Reaktor als Anmaischwasser 15 oder einer Wassernutzung zur Verfügung gestellt, bzw. in einen Vorfluter 16 eingeleitet.
Zum anderen liefert die Entwässerungsstufe 12 ein entwässertes Substrat 17 mit einem relativ geringen Restwassergehalt (ca. 40 % TS), das in Form einer Kompostierung 18 nachbehandelt wird. Der Kompost 19 wird als Bodenverbesserungs- bzw. Düngemittel in der Landwirtschaft 20 eingesetzt, um den natürlichen Kreislauf wieder zu schließen. Die aus den gedüngten Flächen gewonnenen biogenen Rohstoffe 21 wie Kartoffeln und Zuckerrüben werden wiederum in der Lebensmittelindustrie eingesetzt und gelangen als biogene Roh- und Reststoffe wieder in die zweistufige Anaerobanlage 2, 3.

Claims

Verfahren zur fermentativen (anaeroben) Erzeugung von Bio-Gasen aus biogenen Roh- und Reststoffen mittels Mikroorganismen, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein zweistufiges Verfahren handelt, umfassend einen ersten Schritt, in dem Bio-Wasserstoff durch Fermentation erzeugt und der entstehende Wasserstoff im Wesentlichen abgezogen wird, und einen zweiten Schritt, in dem Bio-Methan durch Fermentation aus den nicht verwerteten Rückständen aus der Bio-Wasserstoffproduktion erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schritt der Umsetzung von biogenen Roh- und Reststoffen zu Bio-Wasserstoff bei Temperaturen > 50° C erfolgt, vorzugsweise zwischen 50° C–100° C.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Mikroorganismen Reinkulturen oder Mischkulturen (natürlich vorkommend oder künstlich zusammengestellt) eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als biogener Roh- und Reststoff stärkehaltige Substrate, insbesondere solche mit geringen Stickstoff- und Schwefelgehalten, verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als biogener Roh- und Reststoff landwirtschaftliche oder industrielle Abfälle, Reststoffe oder Überschüsse verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Flüssigkeit gelöste Bio-Wasserstoff kontinuierlich aus der Flüssigkeit in die Gasphase ausgetragen und aus dem Reaktor abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das gebildete Biogas mit den Hauptkomponenten Wasserstoff und Kohlendioxid entweder ohne Trennung genutzt wird, vorzugsweise in einer Hochtemperatur- Brennstoffzelle, oder dass das Kohlendioxid abgetrennt wird, vorzugsweise mittels Membrantechnologie oder Ausfrieren.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der pH-Wert auf pH 5–6 eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil des Wasserstoff-Reaktorablaufs einer Fest-/Flüssigtrennung unterzogen wird, wobei der abgetrennte Schlamm in den Wasserstoff-Reaktor zurückgeführt und die Flüssigphase der Entwässerungsstufe zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozesswasser weitestgehend in einem Kreislauf geführt wird.
Vorrichtung zur fermentativen (anaeroben) Erzeugung von Bio-Gasen aus biogenen Roh- und Reststoffen mittels Mikroorganismen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zweistufig ausgebildet ist, wobei die erste Stufe einen Bio-Wasserstoffreaktor mit einem Element zum Abziehen des Bio-Wasserstoffs und die zweite Stufe einen Bio-Methanreaktor umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Bio-Wasserstoffreaktor ein mechanisches Element, vorzugsweise ein Rührelement und/oder ein Gaseinblaselement, zum Entfernen des Bio-Wasserstoffs umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bio-Wasserstoffreaktor ein Element zur Wasserstoffgasaufbereitung und eine Brennstoffzelle nachgeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bio-Methanreaktor ein Element zur Wasserstoffgasaufbereitung und eine Brennstoffzelle und/oder ein Wärmetauscher nachgeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Wasserstoffgasaufbereitung eine Kondensatabscheidung und eine Gasreinfeinhaltung umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktorkomplex eine interne Schlammrückführung mit einem Fest-/Flüssigtrennungselement, vorzugsweise ein Absatzbecken, umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Bio-Methanreaktor ein Element zur Entwässerung des ausgefaulten Substrates nachgeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass dem Entwässerungselement ein Nachbehandlungselement für das verbleibende Substrat, vorzugsweise eine Nachkompostierung, nachgeschaltet ist.
Verwendung des nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 10 oder in einer Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 18 erzeugten Bio-Wasserstoffs und Bio-Methans zur Erzeugung regenerativer Energie, vorzugsweise in Brennstoffzellen/Blockheizkraftwerken zur Strom- und Wärmeerzeugung, in portablen Brennstoffzellen, in Zentralheizungen auf Brennstoffzellenbasis und in Kraftfahrzeugen.
Verwendung der nach dem Verfahren der Ansprüche 1 bis 10 oder in einer Vorrichtung nach Anspruch 11 bis 18 anfallenden nährstoffenthaltenden Reststoffe als Bodenverbesserungs- bzw. Düngemittelg, vorzugsweise als Kompost in der Landwirtschaft.