DE102006047339A1

DE102006047339A1 - Verfahren zum Erzeugen von methanhaltigem Biogas

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Publication number: DE102006047339A1
Application number: DE102006047339A
Authority: DE
Original assignee: ACTUM AG
Current assignee: ACTUM AG
Priority date: 2006-10-06
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2008-04-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von methanhaltigem Biogas, wobei Biomasse (10') durch aerobe Fermentation (1') in einen festen Rest (15'), CO<SUB>2</SUB>-Gas (17') und eine Flüssigkeit (16') mit organischen Reststoffen umgewandelt wird und wobei die Flüssigkeit (16') mit den organischen Reststoffen durch anaerobe Fermentation (2') in Brauchwasser (23) und das methanhaltige Biogas (24') umgewandelt wird.

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von methanhaltigem Biogas nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei der Zersetzung organischer Substanzen entsteht Biogas, das als alternative Energiequelle dienen kann. Ein wichtiger Bestandteil des Biogases ist Methan, das aus organischen bzw. pflanzlichen Substanzen oder deren Folgeprodukten durch Vermodern bzw. Zersetzen unter Luftabschluss entsteht.
Auf Grund der Bedeutung von Methan ist man bestrebt, beim Erzeugen von Biogas einen möglichst hohen Methananteil zu erzielen. Üblicherweise werden hierzu ein- oder zweistufige Fermentationsverfahren eingesetzt, bei denen aus organischen Stoffen mittels anaerober Fermentation Biogas mit. einem Methananteil gewonnen wird, der zwischen 40% und 60% liegt.
Im folgenden wird im Zusammenhang mit den 1 und 2 ein Biohochleistungsdurchlaufreaktor erläutert, der aus der EP 0121729 B1 bekannt ist. Dieser bekannte Durchlaufreaktor besteht im wesentlichen aus einem Durchlaufreaktorbehälter 1, der einen Boden 2, einen Deckel 3 und eine zylinderförmige, senkrecht stehende Wandung 4 aufweist, die einen Fermentationsraum 13 umschließen. Ferner umfasst der Durchlaufreaktor einen auf dem Boden 2 stehenden und durch eine Öffnung 5 des Deckels 3 dringenden Einsatz 6, der im wesentlichen aus mehreren konzentrisch zueinander angeordneten Rohren, deren Achsen in der Achse 7 liegen, besteht, wobei die Achse 7 mit der Achse des Durchlaufreaktorbehälters 1 zusammenfällt. Ein erstes, völlig im Innern des Durchlaufreaktorbehälters 1 befindliches Rohr 8 trägt an seinem einen, oberen Ende einen sich nach innen erstreckenden Flanschring 9. Am Innenrand dieses Flanschringes 9 ist ein zweites Rohr 10 befestigt, das einen entsprechend kleineren Durchmesser aufweist, als das erste Rohr 8 und sich vom Flanschring 9 nach oben erstreckt. Die beiden über den Flanschring 9 miteinander verbundenen Rohre 8 und 10 umschließen einen Säurebildungsraum 12 des Durchlaufreaktors und grenzen diesen gegenüber dem Fermentationsraum 13 des Durchlaufreaktors ab.
Das erste, größere Rohr 8 ist von einem Mantel 14 umgeben. Zwischen diesem Mantel 14 und dem ersten Rohr 8 wird ein Raum 15 gebildet, in dem eine Wärmeflüssigkeit strömt, die über Leitungen 16 und 17 zu- bzw. abgeführt wird. Die Wärmeflüssigkeit sorgt dafür, dass die in dem Durchlaufreaktor befindliche Biomasse auf einer optimalen Verfahrenstemperatur von etwa 34°C gehalten wird.
In einem unteren mantelfreien Bereich des ersten Rohres 8 sind eine Vielzahl von Leitungen 24 vorgesehen, durch die der Säurebildungsraum 12 mit dem Fermentationsraum 13 verbunden bzw. verbindbar ist. Diese Leitungen 24 enden außenseitig in der Nähe der Wandung 4. Innenseitig enden die Leitungen 24 an Bohrungen 23 der Wandung des Einsatzes 6, wo sie an der Wandung des Einsatzes 6 abgedichtet befestigt sind.
Das zweite Rohr 10, welches etwa genauso lang ist, wie das erste Rohr 8 und dessen Durchmesser etwa halb so groß ist, wie der Durchmesser des ersten Rohres 8, ist an seinem dem Flanschring 9 abgewandten Ende durch einen Deckel 11 geschlossen. Während die beiden Rohre 8 und 10 mit dem Flanschring 9 fest verbunden sind, z.B. gasdicht verschweißt sind, ist dieser Deckel 11 lösbar aber abgedichtet an dem zweiten Rohr 10 festgelegt, sodass bei großen Einsätzen 6 der Innenraum des Durchlaufreaktors zu Wartungs- und Montagezwecken durch die beiden Rohre 8 und 10 hindurch betreten werden kann.
Das kleinere, zweite Rohr 10 ist von einem dritten Rohr 18 umgeben und mit diesem über einen Flanschring 19 verbunden. Gemäß 1 ist der zweite Flanschring 19 vom oberen Ende des zweiten Rohres 10 beabstandet und schließt mit dem oberen Ende des dritten Rohres 18 ab, welches hier kürzer ist, als das zweite Rohr. Gemäß 2 schließen das zweite und das dritte Rohr 10 und 18 oben in gleicher axialer Höhe ab und sind an ihrem oberen Enden über einen Flanschring 19 miteinander verbunden.
Die Verbindung zwischen dem zweiten Rohr 10 und dem Flanschring 19 einerseits und dem dritten Rohr 18 und dem anderen Flanschring 19 andererseits ist gasdicht ausgebildet. Gemäß den Ausführungsbeispielen nach 1 und 2, in denen der Durchmesser des dritten Rohres 18 und des Mantels 14 in etwa übereinstimmen, ist das dritte Rohr 18 axial von dem Mantel 14 beabstandet und dieser Abstand entspricht etwa einem Viertel bis der Hälfte der Differenz zwischen den Durchmessern des dritten Rohres 18 und des zweiten Rohres 10. Zwischen dem dritten Rohr 18 und dem Mantel 14 wird eine Eintrittsöffnung 20 für ausgefaulte Biomasse gebildet, die den Durchlaufreaktorbehälter 1 durch den Zwischenraum zwischen zweiten und dritten Rohr 10 und 18 verläßt.
Das dritte Rohr 18 ist gegenüber dem Deckel 3 in der Öffnung 5 gas- und flüssigkeitsdicht mittels eines Dichtungsringes abgedichtet. Die Ab- bzw. Zuleitungen 16 bzw. 17 des Mantels 14 des ersten Rohres 8 dringen gasdicht geschweißt durch den Flanschring 19 und treten dort aus dem Einsatz 6 und damit aus dem Durchlaufreaktorbehälter 1 aus.
Im Deckel 11 des zweiten Rohres 10 befindet sich ein erster Rohrstutzen 35, der der Abführung des im Säurebildungsraum 12 gebildeten Gases dient. Im oberen, zweiten Flanschring 19 ist ein zweiter Rohrstutzen 36 angeordnet, der in den zwischen dem zweiten und dritten Rohr 10 und 18 gebildeten Raum mündet und der Abführung des im Fermentationsraum 13 gebildeten Gases dient. Im mittleren Bereich des dritten Rohres 18, außerhalb des Durchlaufreaktorbehälters 1, ist ein horizontal liegender dritter Rohrstutzen 37 angeordnet, der auch in den zwischen dem zweiten und dritten Rohr 10 und 18 gebildeten Raum mündet und durch den die ausgefaulte Biomasse abgeführt wird. Gemäß 1 durchdringt ein vierter Rohrstutzen 38 den Deckel 11 des zweiten Rohres 10 in vertikaler Richtung. Das untere Ende dieses vierten Rohrstutzens 38 steht nach unten etwa bis zur Achse des dritten Rohrstutzens 37 vor. Dieser vierte Rohrstutzen 38 mündet in den Säurebildungsraum 12 und dient der Zufuhr frischer Biomasse. Schlempe und auch Molkereiabfälle haben oft eine Temperatur von etwa 85°C. Beim Einleiten in den Durchlaufreaktor beträgt die Temperatur immer noch etwa 60°C. Um diese frische Biomasse von der Zuführ-Temperatur von z.B. 60°C auf die optimale Verfahrenstemperatur von 34°C abzukühlen, ist etwa in Höhe des dritten Rohrstutzens 37 das zweite Rohr 10 von einem Mantel 39 umgeben. In dem Raum zwischen diesem Mantel 39 und dem zweiten Rohr 10 strömt eine Kühlflüssigkeit, die über Leitungen 40 und 41 zu- bzw. abgeführt wird.
Gemäß 2 wird die frische Biomasse durch einen vierten Rohrstutzen 38 zugeführt, der in der Achse des dritten Rohrstutzens 27 für die Abführung der ausgefaulten Biomasse, aber auf der in Bezug auf die Achse 7 des Einsatzes 6 gegenüberliegenden Seite liegt. Dieser vierte Rohrstutzen 38 durchdringt das dritte Rohr 18 des Einsatzes und mündet in eine Rohrschlange 42, die sich in dem von dem zweiten Rohr 10 und dem dritten Rohr 18 gebildeten Raum um das zweite Rohr 10 in mehreren Schleifen windet und dann in den von dem zweiten Rohr 10 umschlossenen Raum, dem oberen Teil des Säurebildungsraums 12, mündet. Dadurch wird die frisch zugeführte Biomasse im wesentlichen nur durch die abzuführende, ausgefaulte und kühlere Biomasse gekühlt.
Die Leitungen 24 bilden eine direkte Verbindung zwischen dem Säurebildungsraum 12 und dem Fermentationsraum 13 und sorgen gleichzeitig dafür, dass die aus dem Säurebildungsraum 12 kommende Biomasse gleichmäßig über den Fermentationsraum 13 verteilt und dort in die der Eintrittsöffnung 20 des Einsatzes 6 entfernteste Lage gebracht werden.
Oberhalb eines über den Leitungen 24 angeordneten Zwischenbodens sind Führungskanäle bildende Führungen und in diesen Führungskanälen Füllgut aus großen Partikeln eines offenporigen Materials angeordnet (nicht dargestellt).
Bei den Ausführungsformen der 1 und 2 wird die Biomasse von unten und außen nach oben innen auf einer im vertikalen Schnitt zick-zack-förmigen und im horizontalen Schnitt ringförmigen Bahn geführt, die durch die genannten Führungen bestimmt werden.
Wie schon oben gesagt wird der Durchlaufreaktor durch den vierten Rohrstutzen 38 hindurch beschickt. Die Biomasse gelangt dadurch in den Innenraum des zweiten Rohres 10 und wird in diesem Eintrittsbereich gekühlt. Von dort fällt die Biomasse nach unten in den Innenraum des größeren, ersten Rohres 8. Beide Innenräume zusammen bilden den Säurebildungsraum 12. In diesem Säurebildungsraum 12 verweilt die Biomasse mehrere Stunden, bevor sie gemäß den Ausführungsformen nach 1 und 2 durch die Bohrungen 23 am unteren Ende 22 des ersten Rohres 8 und durch die Leitungen 24 in den Fermentationsraum 13 gelangt, der von der Wandung 4 des Durchlaufreaktorbehälters 1 einerseits und von dem ersten und zweiten Rohr 8 und 10 andererseits begrenzt wird. Die zwischen dem ersten Rohr 8 und dem Mantel 14 strömende Wärmeflüssigkeit hält die Biomasse auf der optimalen Verfahrenstemperatur. Da bei dem Verfahren Wärme verbraucht wird, ist eine Wärmenachfuhr notwendig. Im Fermentationsraum 13 steigt insbesondere das entstandene Biogas nach oben (Abgabe aus dem Rohrstutzen 37). Die Biomasse steigt im Fermentationsraum 13 ebenfalls stetig nach oben. Das Biogas sammelt sich zum einen unterhalb des Behälterdeckels 3 und in den Domen 52 und zum anderen auch in dem von dem zweiten und dritten Rohr 10 und 18 und dem Flanschring 19 gebildeten Raum, in den hier auch die von den Gasdomen 52 kommenden Leitungen 53 bzw. 54 führen und wird durch den zweiten Rohrstutzen 36 abgeführt. Im Säurebildungsraum 12 entstehende Gase, im wesentlichen Kohlendioxid, werden im durch das zweite Rohr 10 und dessen Deckel 11 gebildeten Dom aufgefangen und über den ersten Rohrstutzen 35 abgeführt.
Die Verweilzeit der Biomasse in dem Durchlaufreaktor beträgt etwa 1 bis 20 Tage. Dann wir z.B. stündlich diskontinuierlich 1/24 des Füllvolumens in den Durchlaufreaktor gepumpt, wodurch die gleiche Menge ausgefaulte Biomasse aus dem Durchlaufreaktor ausläuft. Die Füllhöhe bleibt dabei im Durchlaufreaktor immer konstant.
Das oben genannte Füllgut besteht aus einem Material welches Poren mit einem Durchmesser aufweist, der zwischen 0,8 mm und 22 mm, bevorzugt zwischen 1 mm und 5 mm liegt. Diese Bedingungen werden z.B. von offenporigem Steingut, wie Schamott oder Ziegel, erfüllt, wobei insbesondere Steingutbruch zur Anwendung gelangt. Wesentlich ist weiterhin, dass das aufgeschüttete Füllgut ausreichen große Zwischenräume zwischen den einzelnen Partikeln freilässt, damit auch in der Biomasse enthaltene Feststoffteilchen zwischen den Partikeln hindurchströmen können. Da diese Teilchen allmählich abgebaut werden, kann die Körnung über die Länge der Führungsbahn kleiner werden, wobei auch die Zwischenräume zwischen den Partikeln kleiner werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Erzeugen von methanhaltigem Biogas zu schaffen, das einen relativ hohen Methananteil besitzt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit dem vorliegenden Verfahren ein Biogas mit einem Methananteil herstellbar ist, der bei mindestens 75% liegt und nach oben regulierbar ist, je nach Steuerung der Anlage (siehe Seite 13). Hierbei ist es von Bedeutung, dass die bei einer ersten aeroben Fermentationsstufe entstehende Flüssigkeit mit organischen Reststoffen direkt einer zweiten anaeroben Fermentationsstufe zugeführt wird, wobei Brauchwasser und Biogas mit einem hohen Methananteil entstehen.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Im folgendem werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines bekannten Durchlaufreaktors;
2 eine vergrößerte Darstellung des zentralen Bereiches einer weiteren Ausführungsform des bekannten Durchlaufreaktors; und
3 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von methanhaltigem Biogas.
Zur ersten aeroben Fermentation 1' wird Biomasse 10', bei der es sich beispielsweise um Klärschlämme, Schlachtabfälle, Brauereitreber, pflanzliche Stoffe etc. handeln kann, in einem Aufbereitungsschritt 11' durch Zerkleinern, Verflüssigen und/oder Aufspalten vorbereitet. Die Aufspaltung der Biomasse 10' kann dabei besonders vorteilhaft in einem Vorhaltebecken 11'' mit einem speziell gezüchteten Mikrobenstamm durch enzymatische Aufspaltung mit Hilfe von Zellulase derart verbessert werden, dass die nachfolgende aerobe Fermentation 1' im aeroben Fermentationsreaktor 1'' schneller erfolgt, wobei weniger Rückstände anfallen.
In einem ersten Schritt wird bei der aeroben Fermentation 1' organischer Stoff (Biomasse) unter aeroben Bedingungen mittels Fermentationsmikroorganismen fermentiert.
In einem Schritt 12' erfolgt die Vermehrung standortspezifischer Mikroben unter optimalen Bedingungen für Innocula. Ein Teil der gebildeten Bakterien wird zur Vermehrung und ein Teil zum Tiefgefrieren verwendet.
In einem Schritt 13' wird die beim Schritt 12' gewonnene Mikrobiologie durch Fermentation in einem Fermenter 13'' auf ein reaktorgerechtes Volumen 18' von vorzugsweise etwa 30 bis 50 Litern oder mehr vermehrt. Ein Teil der Innocula wird konserviert.
Das Volumen 18' wird zusammen mit der beim Schritt 11' aufbereiteten Biomasse 19' zur Durchführung der aeroben Fermentation 1' einem aeroben Fermentationsreaktor 1'' unter optimalen Temperatur- und Milieubedingungen zugeführt. Diese Bedingungen betreffen beispielsweise den optimalen pH-Wert und die optimalen Nährlösungen.
Zur aeroben Fermentation 1' wird der Fermentationsreaktor 1'' vorzugsweise bei etwa 30°C angefahren und die Temperatur wird vorzugsweise auf 37°C erhöht, bis die gewünschten optimalen aeroben Abbauraten erhalten werden. Dabei werden Zucker, Eiweiß und Fette in etwa 12 bis 16 Stunden abgebaut. Der bei der Fermentation 1' anfallende Abbau des biologischen und chemischen Sauerstoffbedarfs, der Sauerstoffverbrauch und die CO²-Bildung werden fortlaufend kontrolliert.
Der bei der aeroben Fermentation 1' anfallende feste Rest 15' wird aus dem aeroben Fermentationsreaktor 1' ausgetragen und beim Schritt 3' zu einer Restsubstanz 31' gepresst oder pelletiert und einem Biomassenvergaser 4'' zugeführt, in dem beim Schritt 4' die Restsubstanz 31' durch Verschwelen bis auf die mineralischen Bestandteile 41' reduziert wird.
Neben dem bei der aeroben Fermentation 1' anfallenden festen Rest 15' entstehen bei der aeroben Fermentation 1' CO₂-Gas 17' und eine Flüssigkeit 16' mit organischen Reststoffen, deren Weiterverarbeitung durch eine anaerobe Fermentation 2' in einem Fermentationsreaktor 2'' später erläutert werden wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass während der gesamten aeroben Fermentation 1' Populationsanalysen ausgeführt werden, die die Bakterienselektion und die Analyse von Innocula-Proben umfassen, mit dem Ziel eine qualitative und quantitative Spezifierung von Schlüsselmikroorganismen zu erreichen.
Bei der aeroben Fermentation 1' wird der aerobe Fermentationsreaktor 1'' vorzugsweise mit den bei den Schritten 12' und 13' gewonnenen Mikroorganismen nachgeimpft.
Die Impfkulturen werden, wie bereits erwähnt durch Trockengefrierung hergestellt.
Wie ebenfalls schon erwähnt entsteht bei aeroben Fermentation 1' durch Sauerstoffoxidation CO₂-Gas 17' zusammen mit einem weiteren Gas mit unterschiedlichem O₂-Gehalt. Bevor das CO₂-Gas 17' in einem speziellen Gasreformerschritt 5' in einem Gasreformer 5'' verarbeitet werden kann, wird eine Sauerstoffelimination 51' ausgeführt. Beispielsweise kann das Gas zur Sauerstoffelimination in die Wirbelschicht eines zur Ausführung des Schrittes 4' verwendeten Biomassevergasers 4'' eingebracht werden. Alternativ kann die Sauerstoffelimination auch durch ein zirkuläres Verfahren erreicht werden, das ausgeführt wird, bis eine Sauerstoffsonde in einem Gasdom des dabei verwendeten Reaktors den Wert 0 anzeigt, was bedeutet, dass die aeroben Mikroben des Reaktors allen Sauerstoff abgebaut haben. Das sauerstofffreie Gas 52' kann dann vorzugsweise dem Gasreformerreaktor 6'' beim Schritt 6' zur Methangewinnung zugeführt werden.
Von wesentlicher Bedeutung ist es, dass die bei der aeroben Fermentation 1' anfallende Flüssigkeit 16' mit festen organischen Reststoffen direkt durch eine anaerobe Fermentation 2' weiterbehandelt wird, wobei Mikroorganismen eingesetzt werden, die sich insbesondere durch einen hohen CO₂-Verbrauch, einen hohen H₂-Verbauch und eine starke Vermehrung von methanbildenden Mikroben auszeichnen. Es werden durch Vorinkubieren bei einem Schritt 21' gewonnene anaerobe Mikroben verwendet. Diese Mikroben werden vorzugsweise unter mesophilen Temperaturbedingungen bei 37° bis 38°C und unter einem optimalen Milieu, vorzugsweise bei einem optimalen pH-Wert und einer optimalen mikrobenspezifischen Nährlösung vermehrt (Schritt 22'). Die so gewonnenen Mikroorganismen 20' werden zur Ausführung der anaeroben Fermentation 2' in den anaeroben Fermentationsreaktor 2'' eingebracht, vorzugsweise mit einem Volumen von 10 bis 12 Liter oder mehr. Die anaerobe Fermentation 2' wird in dem anaeroben Fermentationsreaktor 2'' unter optimalen Milieubedingungen, bei einem optimalen pH-Wert, einer optimalen Nährlösung, wie Traubenzucker/Maissarin/KOH Pl. und NaOH oder einem ähnlichen Material, bei etwa 37°C gestartet und im Laufe von 1 bis 2 Wochen auf 50° bis 57°C erhöht. Dabei wird die mesophile Methagonese in einen thermophilen Methanogeneseprozess umgewandelt, wobei eine wesentlich schnellere Abbaurate und ein qualitativ hochwertiges Biogas mit einem Methananteil von bis zu 65 Vol.% und mehr erreicht wird.
Zur Beschleunigung der Methanbildung aus dem CO₂-Gas 16' erfolgt vorzugsweise eine geeignete mikrobielle Beschickung des anaeroben Fermantationsreaktors 2'', um vor allem eine Freisetzung von Wasserstoff zu erreichen.
Bei der anaeroben Fermentation 2' werden fortlaufend Populationsanalysen zur Gewinnung von quantitativen und qualitativen Schlüsselorganismen vorgenommen. Der anaerobe Fermentationsreaktor wird nachgeimpft und Impfkulturen werden konserviert.
Das bei der anaeroben Fermentation 2' durch den organischen Restabbau „gereinigte Wasser" bzw. Brauchwasser 27' wird zur Verflüssigung der Biomasse in dem vorzugsweise beim Schritt 13' verwendeten und oben bereits genannten Vorhaltebecken verwendet, oder beispielsweise in der Landwirtschaft genutzt oder ungeklärt in die Kanalisation eingeleitet.
Das bei der anaeroben Fermentation 2' gewonnene Methangas 24' kann entweder, wenn sein Methangehalt bei über 65 Vol.% CH₄ liegt direkt zur Energiegewinnung, beispielsweise über einen einem Generator vorgeschalteten Gasmotor verwendet werden.
Wenn der Methangehalt des bei der anaeroben Fermentation 2' gewonnenen Biogases 24' weiter verbessert werden soll, kann dieses einem Gasreformerreaktor 6'' zur Ausführung eines Gasreformerprozesses 6 zugeführt werden. Im Schritt 61' werden für den Gasreformerprozess 6' vorgesehene Mikroben vermehrt, wobei es sich dabei beispielsweise um Bakterium Thermoautohypertophicum und Bakterium Methanosarcina handelt.
Zur Vorbereitung des Gasreformerprozesses 6' wird der Gasreformerreaktor 6'' vorzugsweise mit destilliertem Wasser und Koks oder einem ähnlichen porösen Material, zum Beispiel Lavagestein etc., gefüllt, wobei vorzugsweise ein Medium aus verschiedenen Mineralien, Vitaminen, Puffersystemen und Chemikalien zugesetzt wird.
In einem Schritt 62' werden die hypermorphilen Mikroben der zuvor genannten zwei Stämme vermehrt und nachfolgend zur Ausführung des Gasreformerprozesses 6' in den Gasreformerreaktor 6'' eingebracht, der auf optimale Temperatur- und pH-Wert-Bedingungen, vorzugsweise auf einen pH-Wert von 6,5 und eine Temperatur von etwa 55°C, eingestellt wurde. Die Vermehrung der Mikroben im Gasreformerreaktor 6'' erfolgt unter Zugabe eines CO₂ und H₂-Gemisches mit einem genau festgelegten Mischungsverhältnis, um die Besiedelung der ca. 14 Millionen m² Oberfläche des Kokses im Gasreformerreaktor 6'' vollständig zu gewährleisten. Während des Vermehrungsprozesses wird die Temperatur auf etwa 70°C erhöht. Die Milieubedingungen werden, beispielsweise durch pH-Wert-Einstellung, dem Vermehrungsprozess angepasst. Nach Abschluss des kontrollierten Vermehrungsprozesses in dem Gasreformerreaktor 6'' wird das bei der anaeroben Fermentation 2' entstandene Biogas 24' zur Vermehrung seines Methananteiles in den Gasreformerreaktor 6'' zur Ausführung des Gasreformerprozesses 6' eingebracht. Vorzugsweise wird auch das bei der aeroben Fermentation 1' entstandene CO₂-Gas 52' dem Gasreformerreaktor 6'' zugeleitet. In diesem wird dann eine hyperthermophile Metagonese ausgeführt. Es entsteht dabei ein Biogas 63' von Erdgasqualität mit einem Methangehalt, der zwischen 80 und 92 Vol.% liegt. Dieses Biogas 63' kann energetisch optimal verwertet werden.
Eine wesentliche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass gemäß 3 (gepunktete Linien) das beim Gasreformerschritt 6' gewonnene Biogas 63' mit dem hohen Methangehalt mit dem Biogas 24' mit dem niedrigeren Methangehalt, das bei der anaeroben Fermentation 2' gewonnenen wird, vermischt werden kann, um ein Biogas 65' mit einem gewünschten mittleren Methangehalt zu erhalten. Zu diesem Zweck wird ein Misch- oder Steuerventil 66'' in der das bei der anaeroben Fermentation 2' gewonnene Biogas 24' zum Gasreformerreaktor 6'' zur Ausführung des Gasreformerschrittes 6' führenden Leitung 24'' angeordnet, das eine Abzweigung eines Teilstromes des Biogases 24' mit dem niedrigen Methangehalt zu einer Leitung 67'' ermöglicht, die mit einer Leitung 63'' verbunden ist, in der das beim Gasreformerschritt 6' erhaltene Biogas 63' mit dem hohen Methangehalt geführt wird. Auf diese Weise wird eine Mischung eines vorbestimmten Teilstromes des Biogases 24' mit dem niedrigen Methangehalt mit dem Biogas 63' mit dem hohen Methangehalt ermöglicht. Somit muss nicht das gesamte Biogas 24' mit dem niedrigen Methangehalt beim Gasreformerschritt 6' verarbeitet werden. Das Verfahren kann daher wesentlich beschleunigt und auch gezielt gesteuert werden. Beispielsweise kann, wenn Biogas 24' mit einem Methangehalt von etwa 60-65 Vol% mit Biogas 63' mit einem Methangehalt von etwa 80-92 Vol% vermischt wird, ausgangsseitig ein Biogas 65' mit einem Methangehalt von vorzugsweise wenigstens etwa 70 Vol% erhalten werden. Durch Betätigen des Steuerventils 66'' kann also der Methangehalt des ausgangsseitig gewonnenen Biogases 65' gezielt eingestellt werden.
Der aerobe Fermentationsreaktor 1'' zur Ausführung des Fermentationsschrittes 1' kann erfindungsgemäß durch den im Zusammenhang mit den 1 und 2 erläuterten Durchlaufreaktor 1 gebildet werden, wobei am Ausgang 35 des Säurebildungsraumes 12 das CO₂ – Gas 17' erhalten wird. Die Biomasse 19' wird über den Rohrstutzen 38 dem Säurebildungsraum 12 zugeführt; ebenso das Volumen 18 der bei den Schritten 12' und 13' gewonnenen Mikrobiologie.
Der anaerobe Fermentationsschritt 2' kann in dem Fermentationsraum 13 des Durchlaufreaktors 1 ausgeführt werden, wobei die im Säurebildungsraum 12 anfallende Flüssigkeit 16' mit festen organischen Reststoffen dem Fermentationsraum 13 zugeführt wird. Das methanhaltige Biogas 24' wird am Ausgang bzw. Rohrstutzen 37 des Fermentationsraumes 13 erhalten.
Es wird darauf hingewiesen, dass auch die bei der anaeroben Fermentation 2 mit dem Brauchwasser 27' anfallenden Feststoffe abgesondert, z.B. abgesiebt oder zentrifugiert, und dem Schritt 3' über eine Leitung 23'' zugeführt werden können.

Claims

Verfahren zum Erzeugen von methanhaltigem Biogas, wobei Biomasse (10') durch aerobe Fermentation (1') im wesentlichen in einen festen Rest (15'), CO₂-Gas (17') und eine Flüssigkeit (16') mit organischen Reststoffen umgewandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit (16') mit den organischen Reststoffen durch anaerobe Fermentation in Brauchwasser (27') und das methanhaltige Biogas (24') umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse (10') in einem Aufbereitungsschritt (11') zerkleinert, verflüssigt und/oder aufgespaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufspalten der Biomasse (10') in einem Vorhaltebecken (11') mit einem Mikrobenstamm durch enzymatische Aufspaltung mit Hilfe von Zellulase verbessert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aerobe Fermentation (1) unter Zugabe eines Volumens (18') einer Mikrobiologie ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aerobe Fermentation (1') in einem Fermentationsreaktor (1'') ausgeführt wird, der vorzugsweise bei etwa 30°C angefahren wird, wobei nach folgend die Temperatur auf vorzugsweise etwa 37°C erhöht wird, bis vorbestimmte aerobe Abbauraten erhalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der bei der aeroben Fermentation (1') anfallende feste Rest (15') zu einer Restsubstanz (31') gepresst oder pelletiert wird, und dass die Restsubstanz (31') einem Biomassenvergaser (4'') zugeführt und durch Verschwelen bis auf die mineralischen Bestandteile (41') reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem bei der anaeroben Fermentation (2'') erhaltenen Brauchwasser (27') enthaltene Feststoffe abgesondert und zusammen mit der Restsubstanz (31') gepresst oder pelletiert und dem Biomassenvergaser (4'') zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der anaeroben Fermentation (2') unter mesophilen Temperaturbedingungen bei etwa 37° bis 38°C bei einem optimalen pH-Wert und mit einer optimalen mikrobenspezifischen Nährlösung vermehrte Mikroorganismen (20') zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die anaerobe Fermentation (2') in einem anaeroben Fermentationsreaktor (2'') unter Zuführung einer Nährlösung ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Nährlösung Traubenzucker/Maissarin/KOH P1 und NaOH zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Fermentationsreaktor (2'') bei einer Temperatur von etwa 37°C gestartet wird und dass die Temperatur des anaeroben Fermentationsreaktors (2'') im Laufe von 1 bis 2 Wochen auf etwa 50° bis 57°C erhöht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der anaeroben Fermentation (2') gewonnene Brauchwasser (27') zur Verflüssigung der der aeroben Fermentation (1') zugeführten Biomasse (10') verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der anaeroben Fermentation (2') gewonnene methanhaltige Biogas (24') direkt zur Energiegewinnung verwendet wird, wenn sein Methangehalt bei über etwa 65 Vol.-% CH₄ liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Methangehalt des bei der anaeroben Fermentation (2') gewonnenen methanhaltigen Biogases (24') zur Erzeugung eines Biogases (63') mit einem erhöhten Methangehalt zur Ausführung einer hyperthermophilen Methagonese einem Gasreformerreaktor (6'') zugeführt wird, in den zuvor Mikroben eingebracht wurden, die bei optimalen Temperatur- und pH-Wert-Bedingungen unter Zugabe eines CO₂- und H₂-Gemisches eines vorbestimmten Mischungsverhältnisses bei einer vorbestimmten Temperatur vermehrt wurden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass dem Biogas (63') mit dem erhöhten Methangehalt bei der anaeroben Fermentation (2') erhaltenes methanhaltiges Biogas zur Einstellung eines gewünschten Methangehaltes zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das bei der aeroben Fermentation (1) erhaltene CO₂-Gas (17') in einem Sauerstoffeliminationsschritt (51') von Sauerstoff befreit wird, wobei das gewonnene sauerstofffreie CO₂-Gas (52') dem Gasreformerreaktor (6'') zur Ausführung des Gasreformerschrittes (6') zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der aerobe Fermentationsreaktor (1'') durch den Säurebildungsraum (12) eines an sich bekannten Durchlaufreaktors (1) gemäß der EP 0 121 729 gebildet wird, wobei am Ausgang bzw. Rohrstutzen (35) des Säurebildungsraumes (12) das CO₂-Gas (17') erhalten und dem Sauerstoffeliminationsschritt (51') unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der anaerobe Fermentationsreaktor (2'') durch den Fermentationsraum (13) des Durchlaufreaktors (1) gebildet wird, wobei die bei der aeroben Fermentation (1') im Säurebildungsraum (12) anfallende Flüssigkeit (16') mit festen organischen Reststoffen dem Fermentationsraum (13) zugeführt und an dem Ausgang bzw. Rohrstutzen (36) desselben das methanhaltige Biogas (24') erhalten wird.