DE102005050927B4 - Verfahren zur Herstellung von Biogas in einem wässrigen Medium - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung von Biogas in einem wässrigen Medium mit folgenden Merkmalen,
a) als zu vergärender Ausgangsstoff wird ein Monosubstrat gewählt,
b) es wird mindestens ein Additiv zugesetzt, das für die Entwicklung der das Monosubstrat verarbeitenden Mikroorganismen erforderlich ist,
c) nach beendeter Vergärung wird die im Fermenter anfallende Flüssigkeit einer Entschlammung unterzogen und das Prozesswasser wird gereinigt und einer Volumenverringerung unterzogen,
d) das gereinigte und im Volumen verringerte Prozesswasser wird im Kreislauf zurückgeführt,
dadurch gekennzeichnet, dass
in Stufe (a) als Monosubstrat Backnebenprodukte verwendet werden,
in Stufe b) als Additiv stickstoffhaltige Produkte verwendet werden und
in Stufe c) die Reinigung und Volumenverringerung durch Ultrafiltration und umgekehrte Osmose durchgeführt wird.

Description

• Unter Biogas versteht man das beim anaeroben Abbau von organischen Stoffen durch Methangärung gebildete brennbare Gasgemisch, das vorwiegend aus Methan und Kohlendioxid besteht.
• Biogasanlagen haben eine gewisse Verbreitung in der Landwirtschaft gefunden. Dort wird als Substrat ein Gemisch verwendet, das vorwiegend aus Abfallprodukten der Tierhaltung (Gülle und dgl.) sowie aus Pflanzenresten und sonstigen organischen Abfällen besteht. Dabei entstehen aufgrund des Eintrags von schwefel- und stickstoffhaltigen Massen (z. B. Gülle) erhebliche Emissionen aufgrund der Bildung von Ammoniak und Schwefelwasserstoff. Ferner führt die Bildung von atomarem Schwefel zu einem erhöhten Reinigungsaufwand in der Anlage. Die dabei in größerem Umfang anfallenden Gärreste müssen auf landwirtschaftlichen Flächen oder in kommunalen Kläranlagen ausgetragen werden. Dabei ergibt sich häufig eine Eutrophierung und Versalzung von Böden bzw. eine erhebliche Belastung der Kläranlagen.
• Sofern bei landwirtschaftlich genutzten Biogasanlagen die nach der Gasentwicklung verbleibenden Restflüssigkeiten als Düngemittel auf landwirtschaftlichen Flächen ausgebracht werden, ist ein Zusatz von Additiven, die zielgerichtet die Fermentation unterstützen, nach der Düngemittelverordnung und dem Biomassegesetz nicht erlaubt.
• Ferner ist ersichtlich, dass die Verwendung von derartigen Mischsubstraten häufig zu Schwankungen in der Verfahrensführung und somit zu einer geringeren Effizienz des Verfahrens führt.
• Das Problem der Beseitigung von organischen Abfallprodukten tritt aber nicht nur in der Landwirtschaft, sondern auch in verschiedenen anderen Betriebszweigen auf, beispielsweise in der Backindustrie, in Brauereien, in Weinkellereien, in der Zuckerindustrie und dgl. In derartigen Betrieben fallen häufig Abfallprodukte mit relativ einseitiger Zusammensetzung an, d. h. Produkte, denen eventuell bestimmte Substanzen fehlen, um eine erfolgreiche Fermentation unter Erzeugung von Biogas vorzunehmen. Insbesondere gilt dies für Bäckereibetriebe, in denen erhebliche Mengen an Altbrot und Backrückständen anfallen, die in der Regel einen hohen Anteil an Kohlenhydraten enthalten, denen aber häufig ein entsprechender Stickstoffanteil fehlt. Produkte mit einer derartigen relativ einheitlichen und einseitigen Zusammensetzung werden hier als Monosubstrate bezeichnet.
• Bei der Fermentation von derartigen Monosubstraten macht sich das Problem der Rückstandsbeseitigung besonders schwerwiegend bemerkbar. Für eine erfolgreiche Vergärung ist in der Regel ein Zusatz von Additiven erforderlich, was, wie vorstehend erwähnt, zur Folge hat, dass ein Ausbringen der Fermentationsrückstände auf landwirtschaftliche Flächen nicht gestattet ist. Die Entsorgung der großen Flüssigkeitsmengen in Kläranlagen ist aber mit erheblichen Kosten verbunden.
• DE 40 008 34 A1 betrifft ein Verfahren zur Biomethanisierung von organischen Reststoffen, insbesondere von Brauereiabwässern und Brauereirückständen. Dabei können gemäß Spalte 2, Zeilen 28 bis 31 Enzyme zugesetzt werden, um die Abbaugeschwindigkeit zu erhöhen, insbesondere zur Verbesserung des Zelluloseabbaus. Ferner kommt gemäß Spalte 2, Zeilen 32 bis 34 die Zugabe von Chemikalien, z. B. von Laugen oder Säuren, in Frage. Ferner kann das Mischungsverhältnis von Substraten verändert werden, um ein optimales Kohlenstoff-/Stickstoff-Verhältnis zu erreichen (vergl. Spalte 2, Zeilen 41 bis 44). Gemäß Spalte 3, Zeilen 32 ff. kann das Überlaufwasser durch Ultrafiltration gereinigt werden, wobei das Eluat (Reinwasser) in die Kanalisation eingeleitet oder als Verdünnungsmedium bei der Vorbehandlung verwendet wird und das Konzentrat in die Gärstufe rückgeführt wird. Ein Hinweis auf die Verwendung von Backnebenprodukten als zu vergärendes Produkt findet sich in dieser Druckschrift nicht.
• US 4 975 106 betrifft die Verwertung von Fischabfällen durch anaeroben Abbau unter Biogaserzeugung. Dabei kann als Additiv Lipase (vergl. Spalte 2, Zeile 10) zugesetzt werden, die dazu dient, die in den Fischresten enthaltenen Fischöle aufzuschließen. Die anfallende Flüssigkeit kann einer Ultrafiltration oder umgekehrten Osmose unterzogen werden (Spalte 8, Zeile 42). Eine Rückführung der gereinigten Flüssigkeit wird in dieser Druckschrift nicht erwähnt.
• DE 19937876 C2 betrifft die biologische Umsetzung von organischen Stoffen in Abwässern zu Methangas, wobei Mittel zur Einstellung des pH-Werts, Luft oder CO₂ zugesetzt werden können. Die anfallende Flüssigkeit wird einer Membranfiltration und einer Umkehrosmose unterzogen. Auch in dieser Druckschrift wird nicht auf die speziellen Probleme, die bei der Verwendung von Backnebenprodukten auftreten, eingegangen.
• CA 2556403 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Biogas, wobei als Substrat u. a. Brotbäckereiabfälle in Frage kommen. Ein Hinweis auf die einzelnen Verfahrensschritte der beanspruchten Erfindung ist dieser Druckschrift nicht zu entnehmen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Backnebenprodukten bereitzustellen, das sich kontinuierlich und automatisch mit einem hohen Wirkungsgrad durchführen lässt, wobei Emissionen in Luft, Wasser und Böden weitgehend vermieden werden sollen und der
• Entsorgungsaufwand für Gärreste und Abwasser auf ein Minimum beschränkt wird.
• Gelöst wird die Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen von Aspruch 1, wobei zweckmäßige Ausgestaltungen in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben werden.
• Beispiele für als Monosubstrat zu verarbeitende
• Backnebenprodukte sind Abfallprodukte, die in Bäckereibetrieben anfallen, z. B. alte und nicht mehr verkaufsfähige Backwaren, Teigreste, zuckerhaltige Abfallprodukte, bei der Reinigung von Öfen, Backblechen und dgl. anfallende Feststoffe. Diese Produkte, die hier zusammenfassend als Backnebenprodukte bezeichnet werden, weisen im allgemeinen einen sehr hohen Gehalt an Kohlenhydraten auf, besitzen einen geringen Stickstoffgehalt und sind im wesentlichen frei von Schwefel.
• Um bei Verwendung von Backnebenprodukten als Monosubstrat den Energiestoffwechsel der Mikroorganismen sowie deren Zellstoffwechsel (Vermehrung) sicherzustellen, werden als Additive in der Regel stickstoffhaltige Produkte und gegebenenfalls bestimmte Mineralstoffe, die in Backnebenprodukten nur in unzureichenden Mengen enthalten sind, zugesetzt.
• Vorzugsweise handelt es sich beim Stickstoffadditiv um eine Lösung von Ammoniumnitrat (NH₄NO₃), die untergeordnete Anteile an Ammoniumphosphat ((NH₄)₃PO₄) enthalten kann. Ferner kann der Zusatz von Spurenelementen, wie Molybdän oder Strontium, angezeigt sein.
• Prinzipiell ist es zwar möglich, bei Backnebenprodukten als Additiv die bei landwirtschaftlichen Bioreaktoren übliche Gülle zuzusetzen, um damit die Fermentation zu starten. Bevorzugt wird aber der Zusatz von güllefreien Additiven, da dadurch eine mögliche Geruchsbelastung durch die Gülle vermieden wird und auch die korrodierende Wirkung von Gülle auf Teile der Fermentationsanlage (Gummidichtungen, Leitungen und dgl.) vermieden wird.
• Die nach beendeter Vergärung des Monosubstrats im Fermenter anfallende Flüssigkeit wird zunächst einer an sich üblichen Entschlammung unterzogen. Der Schlammanteil ist im Vergleich zu herkömmlichen Biogas-Erzeugungsanlagen wesentlich geringer, was vermutlich auf die Verwendung eines Monosubstrats zurückzuführen ist, dessen Zusammensetzungsschwankungen im zeitlichen Verlauf deutlich kleiner als bei einem üblichen Substratgemisch sind. Anschließend wird diese Flüssigkeit gereinigt, einer Volumenverringerung unterzogen und als im wesentlichen reines Wasser wieder in das Verfahren zurückgeführt, d. h. in einen Wasservorratsbehälter (z. B. eine Regenzisterne) oder direkt in einen Annahmebehälter, in dem die zerkleinerten Backnebenprodukte mit dem Wasser aufgeschlämmt werden.
• Die Bearbeitung des Prozesswassers wird vorzugsweise in den folgenden drei Stufen durchgeführt.
• In Stufe 1 werden den weiteren Ablauf störende Schwebeteilchen und Mikroorganismen entfernt. Dies geschieht vorzugsweise durch eine Ultrafiltration. Um die Ultrafiltration nicht zu stören, kann ggf. vorher eine Abtrennung nicht gelöster Teilchen, wie Saaten, Mineralstoffe und dgl., vorgenommen werden.
• In Stufe 2 wird ein Großteil (etwa 70–75%) des noch mit Salz (NaCl) befrachteten Prozesswassers über Umkehrosmose gereinigt. Durch die Umkehrosmose lässt sich der Anteil des zu verdampfenden Wassers somit auf etwa ein Viertel (25–30%) der ursprünglichen Menge verringern. Bei einer Anlage mit einer jährlichen Verarbeitung von 1000 Mg (Megagramm) Altbrot müssen dann täglich nur 1–2 m³ Wasser über eine Vakuumverdampfung zurückgeführt werden, was eine erhebliche Energieeinsparung bedeutet.
• Gemäß einer fakultativen Ergänzung der Stufe 2 wird das enthaltene Konzentrat einem weiteren Osmoseschritt unterworfen, was zu einer zusätzlichen Volumenverminderung (bis auf etwa 6–7% des ursprünglichen Volumens) führt.
• In Stufe 3 wird das verbleibende Osmosekonzentrat über eine Vakuumdestillation gereinigt.
• Das Reinwasser aus der Umkehrosmose kann, wie vorstehend erwähnt, wieder in den Prozess eingespeist werden. Das dabei anfallende Salz kann einer Verwertung (Straßenwinterdienst) zugeführt werden. Auch das anfallende destillierte Wasser ist wirtschaftlich verwertbar. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich beispielsweise in einer Vorrichtung durchführen, die folgendes umfasst:
• – einen Annahmebehälter, in dem das Monosubstrat zerkleinert und unter Bildung einer Aufschlämmung mit Wasser versetzt wird,
• – einen Hauptreaktor, in dem das Monosubstrat einer anaeroben Fermentation unterzogen wird,
• – einen Nachgärreaktor, in dem die im Hauptreaktor noch nicht vergorenen Produkte, ggf. unter anderen Bedingungen, abgebaut werden,
• – mindestens einen Gasspeicher, in dem die im Hauptreaktor und im Nachgärreaktor entstandenen Gase gesammelt werden, und
• – eine Rückführeinrichtung, mit der die im Nachgärreaktor anfallende Flüssigkeit abgezogen, gereinigt, einer Volumenverringerung unterzogen und in den Annahmebehälter zurückgeführt wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung werden nachstehend beispielhaft unter Zuhilfenahme einer Zeichnung erläutert.
• Darin zeigen:
• 1 ein Fließdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
• 2 eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung in schematischer Darstellung.
• Das Fließdiagramm ist mit seinen ausgewiesenen Verfahrenssstufen und deren Verknüpfungen im wesentlichen selbsterklärend und braucht daher nicht mehr weitergehend erläutert zu werden.
• In 2 sind in schematischer Darstellung ein Annahmebehälter 1, ein Hauptreaktor (erster Fermenter) 2 zur Durchführung der ersten Vergärungsstufe, ein Nachgärreaktor (zweiter Fermenter) 3 zur Durchführung einer zweiten Vergärungsstufe, ein Gassammelbehälter 4 und eine Rückführvorrichtung 5 dargestellt. Die Rückführvorrichtung 5 umfasst eine Ultrafiltrationseinrichtung 6, eine erste Umkehrosmoseeinrichtung 7, eine zweite Umkehrosmoseeinrichtung 8 und eine Vakuumdestillationseinrichtung 9.
• Wie die 1 und 2 zeigen, lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren in kontinuierlicher und automatischer Weise durchführen. Dabei werden hohe Ausbeuten an Biogas erzielt und Umweltbelastungen weitgehendst vermieden.
• Durch die Tatsache, dass das zurückgeführte Prozesswasser einer Reinigung unterworfen wird, wird gewährleistet, dass etwaige, sich ansammelnde Schadstoffe, die die Fermentation stören könnten, dem Kreislauf entzogen werden und nicht mehr in den Hauptreaktor 2 gelangen.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, die in Bäckereibetrieben in erheblichen Mengen anfallenden Abfallprodukte einer umweltfreundlichen und wirtschaftlich interessanten Nutzung zuzuführen. Bei Installation einer entsprechenden Anlage in einem Bäckereibetrieb ergibt sich der Vorteil, dass die Abfallprodukte nicht mehr abtransportiert und einer Entsorgung durch eine übliche Müllbeseitigung zugeführt werden müssen. Vielmehr kann die Entsorgung direkt im Bäckereibetrieb erfolgen. Die dabei in Form von Biogas anfallende Energie kann direkt wieder im Betrieb eingesetzt werden.
• Dabei können die bei Biogasanlagen üblichen gasförmigen Emissionen in Form von H₂S und NH₃ weitgehend vermieden werden, da aufgrund der Beschaffenheit des Substrats kaum Schwefel enthalten ist und somit kein H₂S entsteht und durch eine sorgfältige Steuerung der Additive der Stickstoffeintrag nur soweit erfolgt, dass die Leistungsfähigkeit der Mikroorganismen gewährleistet wird, jedoch keine NH₃-Entwicklung eintritt.
• Ein besonderer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass das Prozesswasser nach der vorgesehenen Reinigung und Volumenverminderung in den Annahmebehälter zurückgeführt werden kann und somit der Entsorgungsaufwand erheblich verringert wird.
• Nachstehend werden einzelne Aspekte bei der praktischen Durchführung des Verfahrens näher erläutert.
• Die einzelnen Verfahrensschritte der Biogasanlage werden vorzugsweise räumlich getrennt, so dass der gesamte Behandlungsprozess in eine so genannte Input-Aufbereitungsseite, eine Vergärungsstufe, eine Output-Aufbereitungsseite und die Energieerzeugung bzw. -nutzung unterteilt wird.
• Eine Besonderheit einer derartigen Vergärungsanlage besteht in der Rückstandsbehandlung. Das Verfahren kann als echter Biomassekreislauf angesehen werden, bei dem die Produkte so weitgehend abgebaut werden, dass der ansonsten notwendigen Austrag der Gärreste auf landwirtschaftliche Flächen oder in kommunale Kläranlagen entfallen kann. Dadurch werden eine Ansammlung von entsprechenden Stoffen auf den Feldern sowie eine Eutrophierung und Versalzung der Böden vermieden.
• Die Tatsache, dass ein Monosubstrat verwendet wird, führt dazu, dass die in Biogasanlagen ansonsten häufig auftretenden Störungen aufgrund von wechselnden Rezepturen und Diskontinuitäten in der Gasproduktion sowie aufgrund von Einflüssen weiterer Parameter, die den Betrieb der Anlage einschränken können, entfallen. Aufgrund dieses Sachverhalts ist die vorstehend beschriebene anlage speziell für den Betrieb und Einsatz in der Bäckereibranche, d. h. für die Verwertung von Back- und Backnebenprodukten, geeignet und konzipiert.
• Nachstehend werden kurz die Hauptvorteile, die mit einer derartigen Anlage erzielt werden können, zusammengefasst:
• – durch den Verzicht auf schwefel- und stickstoffhaltige Massen (z. B. Gülle) werden die für Betreiber und Nachbarn der Anlage unerträglichen Emissionen von Ammoniak und Schwefelwasserstoff vermieden;
• – es entsteht kein (atomarer) Schwefel, der zu einem erhöhten Reinigungsaufwand der Anlage führt;
• – die Leistungsfähigkeit der Anlage (Gasausbeute) liegt durch ein steuerbares und damit für die Mikroorganismen (Archaeen) optimales Nährstoffgemisch (mittels Nährstoffadditiven) deutlich höher als bei herkömmlichen landwirtschaftlichen Anlagen;
• – bis auf geringe Mengen anfallender Mineralstoffreste (5% der eingesetzten Feststoffmasse), die einer Verwertung zugeführt werden, entstehen keinerlei Abfallprodukte.
• Nachstehend werden die einzelnen Verfahrensschritte unter Bezugnahme auf eine praxisgerechte Situation näher erläutert, wobei auf 2 Bezug genommen wird.
• A. Input-Aufbereitung
• Als Input-Substrat werden Backnebenprodukte und bäckereitypische Vegetabilien eingesetzt, die unter Zugabe von für Mikroorganismen essentiellen Stoffen angemaischt und der Fermentation zugeführt werden.
• Der nachstehend geschilderte konkrete Fall betrifft eine durchschnittliche Verarbeitung von 1000 Mg (Megagramm) Monosubstrat pro Jahr. Dem Annahmebehälter 1 mit einem Fassungsvermögen von 60 m³ werden täglich etwa 3 Mg Monosubstrat zugeführt, das zu 90% aus Brot, Brötchen und Kuchen besteht. Beim Rest handelt es sich um Abfälle, die in Bäckereien, Konditoreien und Filialbetrieben anfallen, wie Kaffeesatz, Salate, Kuchenbelagreste, Obst und dgl. Die Zusammensetzung des Monosubstrats und insbesondere der vorgenannten Reste kann in Abhängigkeit von den Retourenquoten, die wiederum vom Klima und der Jahreszeit abhängig sind, variieren.
• Die dem Annahmebehälter 1 zur Bildung einer Aufschlämmung zugeführte Wassermenge beträgt etwa das 5-fache der Menge des Monosubstrats.
• A.1 Annahmebehälter
• Dieses Monosubstrat wird in einen geruchsdichten Behälter 1 mit einem Volumen von ca. 50 m³ gefördert. Unter Zugabe von Wasser wird das Materialgemisch mit einem Rührwerk 10 zerkleinert, homogenisiert und auf einen bestimmten TS-Gehalt eingestellt.
• A.2 Container/Tanks
• Ein Teil der Inputsubstrate wird in Containern 11 zwischengelagert.
• Hier handelt es sich um Zuschlagstoffe, welche essenzielle Funktionen für die Mikroorganismen besitzen und die Leistungsmerkmale der Anlage deutlich positiv beeinflussen.
• Im vorliegenden Fall ist die Zugabe eines Stickstoff-Additivs erforderlich. Zur Aufrechterhaltung eines optimalen Zellstoffwechsels soll das C:N-Verhältnis etwa 25:1 betragen. Das Substrat weist einen geschätzten Anteil an Kohlenhydraten, Fetten und Pflanzenproteinen von 90% auf. Daraus ergibt sich eine Kohlenstoffmasse von etwa 360 Mg. Somit ist eine Stickstoffzugabe von 14 Mg erforderlich. Die Stickstoffzugabe erfolgt durch Einleiten einer Lösung von Ammoniumnitrat (NH₄NO₃), die untergeordnete Anteile an Phosphor in Form von Ammoniumphosphat ((NH₄)₃PO₄) enthält.
• Die Entnahme aus den Containern erfolgt bedarfsabhängig über ein flexibles Schlauchsystem in den Annahmebehälter 1.
• A.3 Tanks
• Geringe Mengen an Substraten zur Prozesssteuerung (pH-Wert-Einstellung) sollen in Tanks 12 mit angemessenen Volumina zwischengelagert werden. Von dort gelangen diese mittels eines Leitungssystem in den Annahmebehälter 1.
• Mit der Einstellung/Senkung des pH-Wertes des Inputsubstrates ist eine rasche Hydrolyse der Kohlenhydrate möglich.
• A.4 Pumpstation/Substratbeförderung
• Alle Vorratstanks und ebenso der Annahmebehälter werden von einer Pumpstation bedient. Das aufbereitete Substrat wird mittels einer geeigneten Dickstoffpumpe kontinuierlich aus dem Annahmebehälter über Druckleitungen dem Bioreaktorsystem zugeführt.
• B. Vergärung
• Als Vergärung ist ein mikrobiologischer, anaerober Stoffumsatz von Kohlenhydraten, Eiweißen und Fetten in den Teilschritten Hydrolyse, Säurebildung, Essigsäurebildung, Methanbildung zu verstehen. Es handelt sich also um biochemische Prozesse, welche den Prinzipien der bakteriellen Populationsdynamik unterliegen.
• Die Effizienz der Stoffumsetzungen ist von mehreren äußeren Faktoren abhängig. Werden diese optimal gestaltet, so ist eine maximale Biomasseumsetzung innerhalb eines exakt definierten, thermodynamischen Fensters möglich.
• Zu den wesentlichen Bestandteilen der Vergärung zählen: der Hauptreaktor 2, der Nachgärreaktor 3 mit integriertem Tragluft-Membran-Gasspeicher 4 sowie ein Pumpen- und Leitungssystem für den Materialtransport.
• B.1 Hauptreaktor
• Die bereits aufbereitete Suspension (homogenisiert und z. T. hydrolysiert) gelangt über die Leitung 13 in den Hauptreaktor 2 mit einem Fassungsvermögen von etwa 1000 m³. Hier werden die aufgrund der Anaerobiose in Form von Wasserstoff gebildeten Reduktionsäquivalente unverzüglich durch die mikrobiellen Lebensgemeinschaften innerhalb einer Biofilmschicht verarbeitet. Über eine sukzessive Substitution des Wasserstoffs an C1-Verbindungen während der Methanogenese entsteht Methan.
• Der anaerobe Abbau der sequentiellen Nahrungskette erfolgt im Hauptreaktor unter mesophilen Bedingungen bei Temperaturen bis 38°C und vorzugsweise bei 38°C. Im Hauptreaktor 2 wird das Monosubstrat zu etwa 80% umgesetzt. Das entstehende Biogas (Methan-Kohlendioxid-Spurengase-Gemisch) wird über die Leitung 15 zum Gasspeicher 4 (Nachgärreaktor) geleitet.
• Um eine Homogenisierung der Suspension und dadurch einen kontinuierlichen Abbau der Biomasse während des Gärprozesses erzielen zu können, ist ein zentrales Rührwerk 14 in dem Reaktor 2 vorgesehen. Die Anordnung des Rührwerks 14 erlaubt eine vertikale Suspensionsbewegung sowohl zur Oberfläche als auch zum Grund im Reaktor 2.
• Ein Sumpf im Reaktorboden erlaubt den Austrag von Sedimenten und von festen Störstoffen.
• Über die Leitung 16 wird aus dem Hauptreaktor 2 kontinuierlich Flüssigkeit abgezogen und dem Nachgärreaktor 3 zugeführt.
• B.2 Nachgärreaktor/Tragluft-Membrangasspeicher
• Im Nachgärreaktor 3 werden die noch nicht vergorenen, organischen Anteile des Substrats weitestgehend abgebaut. Ein Rührwerk 17 im Nachgärreaktor 3 ist ähnlich wie das Rührwerk 14 im Hauptreaktor 2 beschaffen. Auch hier soll die Biologie unter mesophilen Bedingungen wirksam werden, was die Installation einer Heizung zur Folge hat (ebenso im Hauptreaktor). Der Nachgärreaktor 3 wird als Zylinder mit einem Tragluft-Membrandach ausgeführt. Das mehrschichtige Membrandach dient zugleich als Gasspeicher 4.
• Um eine vollständige Ausgasung des Substrats zu erzielen, ist ein Mischen der Suspension mittels des Einblasens von Biogas aus dem Hauptreaktor 2 möglich.
• Die Verweilzeit in den Reaktoren 2 und 3 lässt sich mit jeweils etwa zwei Wochen angeben.
• B.3 Pumpen- und Leitungssystem
• Sowohl im Hauptreaktor 2 als auch im Nachgärreaktor 3 werden organische Stoffe abgebaut und Biogas produziert. Beide Behälter sind deshalb, wie vorstehend zum Teil erläutert, mittels Substrat- und Gasleitungen verbunden.
• Entsprechend den Druckverhältnissen ausgelegte Pumpen und Leitungen ermöglichen die Stofftransporte.
• Die Ausführung der Pumpen und der Verrohrung entspricht dem technischen Standard für Biogasanlagen.
• C. Output-Aufbereitung
• C.1 Gasreinigung
• Das in den Bioreaktoren 2 und 3 entstehende Biogas wird einer Gasreinigungseinheit zugeführt. Als Biogas bezeichnet man ein Gasgemisch, bestehend aus mind. 55–65% Methan. Weitere Bestandteile sind im wesentlichen Kohlendioxid und Wasserdampf. Unter Gasreinigung ist bei diesem Projekt vornehmlich eine Gastrocknung zu verstehen.
• Im vorstehenden Fall entstehen aus 1 Mg Brot etwa 500 m³ Biogas (zum Vergleich: aus 1 Mg Gülle entstehen nur etwa 25 m³ Biogas). Für Altbrot lässt sich ein Heizwert von 6–7 kWh pro Kubikmeter Biogas angeben. 1 m3 Biogas entspricht etwa 0,6–0,7 Liter Heizöl.
• C.2 Gärresteaufbereitung
• Die Aufbereitung des Gärrestes besteht aus einer mechanischen Vorentwässerung und einer Anlage zur Trennung von festen und flüssigen Phasen. Die flüssige Vorlage und das pastöse Restkonzentrat werden geordnet zur weiteren Behandlung geführt. Ein Inverkehrbringen in die Nahrungskette wird somit ausgeschlossen.
• C.2.1 Vorlage für Gärresteaufbereitung
• Ein Vorlagetank für Gärresteaufbereitung dient als Puffer und die Möglichkeit der Flockung der Suspension. Er hat ein Fassungsvermögen von zu definierender Größe.
• C.2.2 Dekanter/Zentrifuge (alternativ)
• Die zu entwässernde Suspension gelangt über ein Einlaufrohr in die rotierende Aufgabekammer. Dort wird sie in Drehrichtung beschleunigt und durch Öffnungen in die ebenfalls rotierende Trommel geleitet. Der Feststoff bewegt sich unter Fliehkrafteinfluss zur Trommelwand und wird von einer Förderschnecke zu den Austragsöffnungen transportiert.
• Die Flüssigkeit wird über eine einstellbare Überlaufkante aus der Trommel geführt. In Abhängigkeit von der Beschaffenheit der Faserstoffe kann das Substrat bis zu 30% TS enthalten. Sollte der Gärrest ein TS-Gehalt < 2% aufweisen, ist eine Dekantierung nicht notwendig.
• C.2.3 Vorlage für Verdampferanlage (alternativ: nach Entsalzung)
• Die Flüssigphase wird in einem Edelstahltank mit einem Volumen von maximal 5 m³ zwischengelagert. Der nachgeschaltete Verdampfer kann kontinuierlich beschickt und ununterbrochen betrieben werden.
• Hinsichtlich des energetischen Aufwandes ist auch eine diskontinuierliche Verfahrensweise nach vorheriger Entsalzung möglich. Die Destillation würde in diesem Fall nur bei einer vor- bzw. hochkonzentrierten Brühe zum Einsatz kommen.
• C.2.4 Lagertank für Destillat
• Das Reinwasser wird in einem Tank von ca. 30 m³ gesammelt und steht für Folgeanwendungen zur Verfügung.
• C.2.5 Mulde für Feststoffe
• Die nach der Zentrifuge angefallenen Feststoffe werden in einer Mulde erfasst und stehen für die Verwertung (z. B. in einem Erdenwerk) zur Verfügung. Der Rückstand setzt sich neben Salz (etwa 30 Mg pro Jahr), das separat gewonnen wird, vornehmlich aus Saaten (beispielsweise sind Lein- und Mohnsamen gegenüber den Fermentationsbedingungen relativ beständig) (10 Mg pro Jahr) zusammen.
• D. Energieerzeugung/-nutzung
• D.1 Blockheizkraftwerk
• Für die Verbrennung von Biogas und zugleich Stromerzeugung stehen zwei Blockheizkraftwerke bereit. Es handelt sich um Gasmotoren mit einer installierten Leistung von 300 kW. Die Module entsprechen den Grenzwerten der TA-Luft. Ihnen vorgeschaltet ist nach Bedarf ein Gasspeicher 18.
• D.2 Sonstige Energienutzung
• Die Abwärme der Blockheizkraftwerke liegt bei einem Temperaturniveau von ca. 95°C und kann damit für Verwendung in einem Energieverbundsystem der Bäckerei oder für andere Zwecke genutzt werden.

1

Annahmebehälter

2

Hauptreaktor, erster Fermenter

3

Nachgärreaktor, zweiter Fermenter

4

(Membran-)Gasspeicher, Gassammelbehälter

5

Rückführvorrichtung

6

Ultrafiltrationseinrichtung

7

erste Umkehrosmoseeinrichtung

8

zweite Umkehrosmoseeinrichtung

9

Vakuumdestillationseinrichtung

10

Rührwerk

11

Container, Additivbehälter

12

(Rohststoff-)Tank

13

(Flüssigkeits-)Leitung

14

Rührwerk

15

(Gas-)Leitung

16

(Flüssigkeits-)Leitung

17

Rührwerk

18

Gasspeicher

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von Biogas in einem wässrigen Medium mit folgenden Merkmalen, a) als zu vergärender Ausgangsstoff wird ein Monosubstrat gewählt, b) es wird mindestens ein Additiv zugesetzt, das für die Entwicklung der das Monosubstrat verarbeitenden Mikroorganismen erforderlich ist, c) nach beendeter Vergärung wird die im Fermenter anfallende Flüssigkeit einer Entschlammung unterzogen und das Prozesswasser wird gereinigt und einer Volumenverringerung unterzogen, d) das gereinigte und im Volumen verringerte Prozesswasser wird im Kreislauf zurückgeführt, dadurch gekennzeichnet, dass in Stufe (a) als Monosubstrat Backnebenprodukte verwendet werden, in Stufe b) als Additiv stickstoffhaltige Produkte verwendet werden und in Stufe c) die Reinigung und Volumenverringerung durch Ultrafiltration und umgekehrte Osmose durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man Altbrot und/oder in Bäckereien anfallende Abfallprodukte verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Additiv ein Nitratsalz verwendet.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man zusätzlich Spurenelemente zusetzt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Reinigung und Volumenverringerung zusätzlich eine Vakuumdestillation durchführt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man das bei der Umkehrosmose erhaltene Konzentrat einem zweiten Umkehrosmoseschritt unterwirft.