DE102008024388A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Stoffaufbereitung für eine Biogasanlage - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung, insbesondere mechanische Aufbereitung, eines Biomasse-Mahlgutes, als Ausgangssubstrat, zum Einsatz des konditionierten Mahlgutes, als Produktsubstrat, in einem Fermenter einer Biogasanlage. Es ist vorgesehen, dass dem Ausgangssubstrat (1) während einer mechanischen Aufbereitung eine Prozessflüssigkeit (2) zugeführt wird, die den mechanischen oder den mechanischen und einen biochemischen Konditionierungsprozess fördert, wodurch ein Produktsubstrat (1') erhalten wird, welches durch die mechanische Konditionierung, während des nachfolgenden Fermentierungsprozesses, bei vergleichbarer Ausgangssubstratmenge, die Erzeugung einer erhöhten Biogasmenge erlaubt und durch die mechanische und biochemische Konditionierung die Erzeugung der erhöhten Biogasmenge beschleunigt. Die Erfindung betrifft auch die Weiterentwicklung einer Prallmühle und ihre Verwendung, die mit einem Gehäuse und einem ein Biomasse-Mahlgut als Ausgangssubstrat aufnehmenden Siebkorb, in dem rotierende Mahl-/Zerkleinerungswerkzeuge zur Konditionierung des Ausgangssubstrates zu einem Produktsubstrat, insbesondere zur mechanischen Aufbereitung, angeordnet sind, wobei ein geschlossener Siebkorb (112) mit einem Einfüllschacht (110) angeordnet ist, der eine Mahlkammer (108) mit einem das Ausgangssubstrat (1) zwangskonditionierenden Mahlkreis (114) ausbildet, wobei das Produktsubstrat (1') nur durch Passieren des Siebkorbes (112) die Mahlkammer (108) ...

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stoffaufbereitung für eine Biogasanlage sowie die Verwendung der Vorrichtung mit den in den Ansprüchen genannten Merkmalen.
• Biogas oder auch Faulgas ist ein Gasgemisch aus überwiegend Methan (ca. 50–70%) und Kohlendioxyd (ca. 30–50%) mit geringen Anteilen von Schwefelwasserstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Ammoniak und Kohlenmonoxid. Es entsteht bei biologischen Abbauprozessen unter Sauerstoffabschluss. Als hochwertiger und CO₂-neutraler Energieträger kann es als ökologisch und ökonomisch sinnvoller Energielieferant genutzt werden.
• Bekannt ist, als zentrales Bauelement einer Biogasanlage Fermenter einzusetzen. In diesen wird kontinuierlich Biomasse, das Gärsubstrat, eingebracht, welche zuvor gelagert und vorbehandelt wurde.
• Unter Sauerstoffabschluss wird das Substrat mit Hilfe von verschiedenen Bakterienstämmen in einem mehrstufigen anaeroben Abbauprozess zu Biogas und Reststoffen umgewandelt. Das Biogas kann nun abgeführt, aufgereinigt und zu Energie z. B. im Verbrennungsmotor umgewandelt werden. Die Reststoffe müssen aus dem Fermenter ausgetragen werden und dienen aufgrund ihrer für die Landwirtschaft hochwertigen Anorganik meist als Düngemittel.
• Ein weiteres grundlegendes Unterscheidungsmerkmal ist, in welchem Temperaturbereich der Vergärungsprozeß gehalten wird. Hier unterscheidet man in – Psychrophiles Temperaturniveau –, das heißt bei Umgebungstemperatur oder darunter und – Mesophiles Temperaturniveau –, das heißt bei Temperaturen zwischen 30°C bis 40°C sowie in – Thermophiles Temperaturniveau, das heißt bei Temperaturen oberhalb 50°C bis maximal 57°C.
• Durch die biologische Aktivitätssteigerung bei einhergehender Temperatursteigerung sind psychrophil gefahrene Fermenter nicht sinnvoll. In den meisten Biogasanlagen erfolgt der anaerobe Abbau heute im mesophilen Bereich, nur bei Einsatz von fetthaltigen Substraten wird der thermophile Bereich gewählt. Die derzeitig am häufigsten betriebene Biogasanlage ist eine Nassvergärung, um herkömmliche Pump- und Mischaggregate zu nutzen, welche kontinuierlich und im mesophilen Bereich gefahren wird.
• Der Hauptrohstoff in deutschen Biogasanlagen ist in der Regel neben Gülle der Silomais. Weitere Rohstoffe sind verschiedene Getreide, Ganzpflanzensilagen, Grassilagen, Ölsaaten, Ackerfutterpflanzen, Festmist und andere Reststoffe aus der Rinder- und Schweinezucht, Geflügelkot, aber auch Ernterückstände wie Rübenblätter, Kartoffelkraut, Gemüsepflanzen und Kohlreste. Die verschiedenen Substrate unterscheiden sich jedoch hinsichtlich ihrer Gaspotentiale, so dass derzeitig überwiegend NaWaRo's mit hohen Energieinhalten zur Biogasproduktion genutzt werden. Allgemein können alle biologischen Rohstoffe mit einer für die Methan bildenden Bakterien genügend abbaubarer Organik zu Biogas vergoren werden.
• Die Biogastechnik ist derzeit starken Entwicklungsprozessen unterworfen. Es wird versucht, die Prozessstabilität der Anlagen zu verbessern, um den Wirkungsgrad des anaeroben Abbaus zu steigern und gleichzeitig die verfügbare Energie der eingesetzten Stoffe stärker zu nutzen. Insbesondere unter dem Druck der dramatisch gestiegenen Preise für Rohstoffe bei häufig unzureichender Nutzung der thermischen Energie der Gasanlagen ist eine signifikante Steigerung der Effizienz im Fokus der Betreiber.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, durch eine geeignete Vorbehandlungsmethode und mittels einer zugehörigen Vorrichtung einen schnelleren anaeroben Abbauprozess und erhöhten Gasertrag zu erzielen.
• Die Erfindung geht von einer Vorbehandlungsmethode aus, die dem mechanischen Aufschluss eines Biomasse-Mahlgutes dient.
• Unter mechanischem Aufschluss versteht man die Zerkleinerung von Substanzen, indem durch Energieeintrag die Größe, Form und Struktur des Aufgabegutes hin zu kleineren Partikelgrößen verändert wird. Dies führt zu verbesserten Prozessparametern oder macht bestimmte verfahrenstechnische Schritte erst möglich. Dabei müssen Haftkräfte wie elektrostatische Kräfte, Kapillarkräfte, Festkörperbrücken und sogar Intermolekularkräfte bzw. Van-der-Waals-Kräfte im molekularen Bereich überwunden werden. Man überwindet diese Haftkräfte und erreicht die gewünschten Zerkleinerungseffekte durch Prall-, Reib-, und Schneid- oder Scherbeanspruchung der zu zerkleinernden Substanz.
• Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, in dem ein Verfahren zur Konditionierung, insbesondere mechanische Aufbereitung, eines Biomasse-Mahlgutes ein gesetzt wird, welches das Biomasse-Mahlgut als Ausgangssubstrat zu einem Produktsubstrat umkonditioniert, so dass es in einem Fermenter einer Biogasanlage zur Erzeugung einer erhöhten Biogasmenge einsetzbar ist.
• Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Ausgangssubstrat (Biomasse-Mahlgut) während einer mechanischen Aufbereitung eine Prozessflüssigkeit zugeführt wird, die in Abhängigkeit von der Art der Biomasse nur den mechanischen oder den mechanischen und einen biochemischen Konditionierungsprozess fördert, wodurch ein Produktsubstrat entsteht, welches während des nachfolgenden Fermentierungsprozesses, bei vergleichbarer Ausgangssubstratmenge, die Erzeugung einer erhöhten Biogasmenge erlaubt und gleichzeitig die Erzeugung von Biogas beschleunigt.
• Die Prozessflüssigkeit enthält biochemisch wirkende Inhaltsstoffe, wie Impfstoffe in Form von anaeroben Bakterienstämmen und/oder in Form von biochemisch als Katalysatoren wirkende Enzyme.
• Bevorzugt wird als Additiv ein Rezirkulat aus einem Fermentierungsprozess eingesetzt, das bereits anaerobe Bakterienstämme und/oder Enzyme enthält.
• In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird mit dem Biomasse-Mahlgut als Ausgangssubstrat durch mechanische Aufbereitung und Zuführung von Prozessflüssigkeit eine Zwangs-Nass-Vermahlung durchgeführt.
• Das Verfahren besteht im Wesentlichen aus einer Kombination von Impfung und gleichzeitiger (synchron) mechanischer Aufbereitung des Mahlgutes. Das Verfahren wird als „IMPF-PRALL-SYNCHRON-STOFFAUFBEREITUNGS-VERFAHREN" bezeichnet.
• Die Aufgabe wird nach Anspruch 16 ferner durch eine spezielle Hammermühlentype für eine Zwangs-Nass-Vermahlung, die so genannte „IMPF-PRALL-MÜHLE" kurz „IMPRA-Mühle" gelöst. Die „IMPRA-Mühle" arbeitet nach dem Prinzip einer Prallmühle, weist jedoch Merkmale auf, die sich von den herkömmlichen Prallmühlen wesentlich unterscheiden.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der 1 und 2 und nachfolgenden Tabellen, Diagrammen und Formeln näher erläutert.
• Die Figuren zeigen:
• 1 eine Prallmühle [„IMPRA-Mühle"] in einer schematischen Darstellung und
• 2 ein Siebteil eines Siebkorbes.
• 1 zeigt die Prallmühle 100, die zur Ausführung des Verfahren eingesetzt wird, anhand derer das Verfahren auch näher beschrieben wird.
• Ein in einem Gehäuse 102 drehender Rotor 104, von einem Motor 122 (nicht dargestellt) angetrieben, trägt als Mahlwerkzeuge 106 im Rotor 104 pendelnd aufgehängte Hämmer bzw. Schläger. Durch die entstehende Fliehkraft bei entsprechender Drehzahl sind diese im Betrieb radial nach außen gerichtet, können aber bei schwer- oder nicht mahlbarem Gut 1 durch die pendelnde Aufhängung 124 ausweichen, was einen Überlastschutz darstellt.
• Das Mahlgut 1 wird tangential über einen Schacht 110 in die Mahlkammer 114 gegeben und durch die Prallbeanspruchung an den Hämmern 106 und Lochkanten des Siebrostes 112 (oder Siebes) zerkleinert. Das zerkleinerte Produkt wird durch das um den Mahlkreis 114 – erster Kreis – angebrachte Siebrost 112 ausgetragen, wobei die Siebart, die Lochgröße und Form oder auch Siebweite des Siebrostes die Feinheit des Endproduktes nachhaltig bestimmt.
• Das Mahlgut 1 kann nicht über einen Bypass die Mahlkammer verlassen, das zerkleinerte Mahlgut 1' muss durch die eingesetzten Siebroste oder Siebe 112 austreten.
• Des Weiteren wirken sich Umfangsgeschwindigkeit, Anzahl und Breite der Hämmer, sowie die Durchsatzmenge auf die Feinheit des Produktes aus.
• Die IMPRA-Mühle ist einzigartig, weil in den durch einen Siebkorb 112 geschlossenen Schlägerkreis oder auch Mahlkreis genannt, Flüssigkeit 2 kontinuierlich durch Düsen in einem erster Bereich 118 (nicht näher dargestellt) mit Wirkrichtung auf das einfallende Mahlgut 1, 1' eingebracht wird.
• Gleichzeitig sind weitere Düsen in einem zweiten Kreis in einem zweiten Bereich 120 (nicht näher dargestellt) zur Flüssigkeitszugabe auf der rückwärtigen Seite der Siebe außerhalb des Mahlkreises mit Wirkrichtung auf den Siebkorb 112 angebracht.
• Alle Düsen im gesamten oder zumindest teilweisen ersten und/oder zweiten Bereich 118, 120 können zur Zugabe von Prozessflüssigkeit 2 oder auch zur Zugabe von in der Regel Klarwasser oder einer Reinigungs-Flüssigkeit für Reinigungszwecke der Mühle 100 bei stehender und/oder laufender Maschine benutzt werden.
• Das Verfahren nach Anspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, dass das Mahlgut 1 bei gleichzeitiger dosierter Zugabe einer Flüssigkeit 2 zerkleinert und dabei entsprechend der Inhaltsstoffe der Flüssigkeit geimpft wird. Das Mahlgut 1 kann nicht über einen Bypass oder dergleichen den Mahlkreis 114 verlassen, solange nicht die den eingesetzten Sieben 112 entsprechende Feinheit des Mahlgutes 1' erreicht ist.
• Als Mahlgut 1 – Ausgangssubstrat – kommen alle bisher in Biogasanlagen bekannten Energieträger in Frage, insbesondere Getreide, Maissilage, Grassilagen, Roggen-Ganzpflanzensilage (GPS), Mist von Rindern, Hühnern, Schweinen, Gülle von Schweinen und Rindern, Gemüse, Obst, Fleisch und Schlachtabfälle, organische Fette, Ölfrüchte etc.
• Folgende erfindungsgemäße Verfahrensparameter sind beim Betrieb der Prallmühle 100 zu beachten. Zum Einsatz kommen Prozessflüssigkeiten 2, die bei Vorhandensein von darin gelösten Bestandteilen auch als Impf-Flüssigkeiten bezeichnet werden.
• Als „Impfstoffe" in der eingesetzten Prozessflüssigkeit kommen anaerobe Bakterienstämme und/oder Enzyme zum Einsatz, die entweder in einer Prozessflüssigkeit eines anderen Prozesses bereits enthalten sind und einfach aus diesen Prozessen entnommen und eingesetzt werden oder die der jeweiligen Prozessflüssigkeit bewusst als Additive zudosiert werden.
• Die Bandbreite der einsetzbaren Prozess-Flüssigkeit als „Impf-Flüssigkeit" geht von klarem Wasser zur Unterstützung der mechanischen Konditionierung oder zur Unterstützung der mechanischen und biochemischen Konditionierung über Wasser mit „Impfstoffen" als Additiv bis hin zu einer Prozessflüssigkeit, welche bereits Impfstoffe aufweist und als Rezirkulat mit einem Trockensubstanzgehalt (TS) von bis zu 10% aus einem anderen Prozess entnommen wird.
• Als Temperaturbereich der Impf-Flüssigkeit wird ein Temperaturbereich von +5 bis +70°C angesehen.
• Das Verhältnis der Menge Mahlgut zur Proszess-Flüssigkeitszugabe (Impf-Flüssigkeit) in den Mahlkreis ist variabel und wird bevorzugt je nach Mahlgut in einem Bereich von 60:40 [TS (nicht absolut, es ist bereits Flüssigkeit vorhanden und wird berücksichtigt):Flüssigkeit] als größte TS-Konzentration bis hin zu 10:90 [TS:Flüssigkeit] als geringste IS-Konzentration gefahren.
• Bei dem Verhältnis Trockensubstanz zu Prozess-Flüssigkeitszugabe (Impf-Flüssigkeit) wird der Trockensubstanzgehalt der Impfflüssigkeit entsprechend berücksichtigt.
• Resultierende Effekte und Vorteile für den Gesamtprozess in Biogasanlagen sind:
  Erstens: Homogenisierung der Partikelgröße der Trockensubstanz für ein besseres Fließverhalten der Maischen, das heißt die Pumpfähigkeit steigt bei gleichzeitig sinkenden Pumpendrücken. Rohwaren abhängig wurde die Durchsatzleistung von Pumpen um bis zu 80% erhöht bzw. proportional der Energieverbrauch gesenkt. Gleichzeitig wird der Verschleiß der eingesetzten Geräte und Rohrleitungen um bis zu 30% verringert.
  Zweitens: Erzeugung besonders vieler kleiner Partikel. Damit ist eine höhere Benetzungsfähigkeit der Substrate gegeben, wodurch Schwimmschichten im Fermenter verringert oder abgebaut werden. Es müssen deshalb vorhandene Rührwerke in den Fermentern weniger (nur noch zeitweilig) betrieben werden und/oder benötigen geringere Antriebsleistungen, insgesamt mit einer Energieersparnis von bis zu 60% insgesamt.
  Drittens: Erzeugung einer größeren spezifischen Oberfläche zu einem optimalen Zeitpunkt bei optimaler Temperatur, um einen effektiveren biochemischen Stoffwechsel der Mikroorganismen zu ermöglichen. Die biologische Aktivität wird somit beschleunigt, was eine unmittelbare Gasproduktion bedeutet. Es wurden Rohwaren abhängig bis zu 38% Differenz der Gasproduktion bereits am ersten Tag zu Gunsten der aufgeschlossenen gegenüber den nicht gemahlenen und geimpften Biomassen ermittelt. Entsprechend resultieren geringere Verweilzeiten, und die Faulraumbelastung kann deutlich erhöht werden. Proportional resultieren geringere Fermentervolumen bei gleicher Leistung.
  Viertens: Erhöhung des Aufschlussgrades zu Gunsten einer Desintegration der Rohstoffe bis hin zur zellulären oder auch molekularen Ebene, wodurch zum einen die im Zellwasser gelösten Stoffe sofort für die Mikroorganismen zugänglich sind, zum anderen die Molekülstruktur dahin gehend zerstört wird, dass einzelne Bruchstücke in Lösung gehen können und somit auch für die Anaerobier angreifbar werden. Es wird neben dem erwähnten Sekundäreffekt als Primäreffekt ein absoluter Gasmehrertrag, das heißt Rohwaren abhängige Gasausbeute, von bis zu 10% (in Ausnahmefällen 12%) erreicht.
• Im folgenden Teil werden die angewandten Versuche beziehungsweise Untersuchungsmethoden in ihrer Theorie, Systematik und Zielsetzung dargestellt.
• Des Weiteren werden Materialien, Apparaturen und Nachweis-Messeinrichtungen beschrieben.
• Es wird aufgezeigt, welche Ergebnisse mit den Untersuchungen erlangt werden konnten und welche Aussagen damit gemacht werden können beziehungsweise in welcher Art und Weise die einzelnen Untersuchungen miteinander in Verbindung stehen.
• Im Anschluss werden die praktischen Vorgehensweisen und die Ergebnisse der Versuche aufgezeigt.
• Es wird detailliert auf die eingesetzten Zerkleinerungsmaschinen eingegangen. Die „IMPRA-Mühle" (Hammermühle), welche hauptsächlich für die mechanischen Zerkleinerungsversuche eingesetzt wurde, und auch die zu Vergleichszwecken bei den Partikelgrößen- und Viskositätsuntersuchungen herangezogene Grubermühle werden beschrieben.
• Die in allen Vermahlungsversuchen genutzte „IMPRA-Mühle" der Baureihe NDK 4 hat eine Prallzone 108 im oberen Bereich der Mahlkammer mit innen liegendem Rotor 104 und einem über eine Antriebswelle verbundenen Elektromotor, in diesem Falle einem 75 KW Drehstrommotor 122 (nicht dargestellt).
• Die Mahlkammer 114 hat einen Durchmesser von 680 mm und eine Tiefe von ca. 400 mm.
• In ihr läuft der Rotorblock, an dem symmetrisch an 6 Achsen jeweils 12 freischwingende Schläger 106 aufgehängt sind, die sich im Betrieb durch die Rotationsgeschwindigkeit senkrecht nach außen stellen.
• Die vorgesehene Antriebsdrehzahl liegt bei bis zu 3600 U/min im 60 Hz Betrieb, wodurch bei maximaler Drehzahl eine Umfangsgeschwindigkeit an den Schlägern von über 125 m/s erreicht werden kann.
• Im 50 Hz Betrieb werden 3000 U/min erreicht, was einer Umfangsgeschwindigkeit von ca. 100 m/s entspricht. Der untere Bereich der Mahlkammer wird von zwei auswechselbaren Sieben umgeben, durch diese wird das gemahlene Substrat ausgetragen, sie weisen eine Siebfläche von ca. 0,6 m² auf. Zum Einsatz kamen bei den Versuchen gelochte Metallsiebe mit Lochdurchmessern von 15 bis 25 mm. 2. Ferner sind verschiedene Formen eines Streckmetalles in verschiedenen Größen vorgebbar.
• Die in einer Biogasanlage zuvor installierte und zu Vergleichszwecken herangezogene Grubermühle Typ Mustermühle MM300 ist ähnlich einer Hammermühle aufgebaut, erzielt ihr Zerkleinerungsergebnis jedoch nicht durch Prall-, sondern überwiegend durch Schneidbeanspruchung.
• In der Mahlkammer der Grubermaschine, welche von einem Ringsieb umgeben ist, drehen sich ein Messerkreuz und 4 eng am Sieb liegende Passiermesser mit ca. 3000 U/min. Der hier installierte elektrische Antrieb der Mühle besitzt eine Leistung von 55 KW. Die Mühle zerkleinert bauartbedingt trocken, das heißt, es können keine zusätzlichen Fluide während des Vermahlungsprozesses zugegeben werden.
• Die nachfolgenden Vorbetrachtungen dienen dem späteren Verständnis bei der Auswertung der Ergebnisse.
• Trockensubstanz und organische Trockensubstanz
• Mit der TS ist der nach DIN-Norm festgelegte Kennwert des Trockenrückstandes gemeint, welcher heute allgemein geläufiger ist, wenn auch nach Norm falsch.
• Die Bestimmung der TS dient der Bestimmung des Gehaltes an Substanzen und Wasser in Probematerialien, wie in diesem Falle unvermahlene bzw. vermahlene Maissilage oder Maischen für die Beschickung der Biogasanlage. Die TS ist als Bezugsgröße notwendig, wenn analytisch ermittelte Ergebnisse auf die Trockenmasse bezogen werden.
• Des Weiteren ist die TS in der Biogastechnik ein grundlegender Parameter der Substrate, welche der Biogasanlage zugeführt werden, und hat Auswirkungen auf viele prozesstechnische Parameter wie Faulraumbelastung, zugeführte Substratmenge oder Fließverhalten und Durchmischbarkeit der Substrate.
• Für die Bestimmung der TS gibt es eine Norm, die DIN 38414 Teil 248. Grundsätzlich wird hierbei eine Probe über 24 Stunden oder bis zur Gewichtskonstanz in einem Trockenschrank bei 105°C getrocknet. TS wird überwiegend in Prozent angegeben. Aus dem vorher ermittelten Feuchtgewicht und dem späteren Trockengewicht lässt sich nun die TS nach folgender Formel bestimmen:
  Trockensubstanz, in %
  Masse der leeren Schale, in g
  Masse der Schale mit Probematerial, in g
  Masse der Schale mit Trockenmasse, in g
• Die oTS oder auch der Glühverlust ist ein Maß für den Gehalt an flüchtigen, organischen Verbindungen einer Probe. Sie ist der auf die TS bezogene Gewichtsverlust einer Probe, welche bei 550°C verascht wird. Die oTS wird als die Menge organischen Materials angenommen, welche biologisch abgebaut werden kann und ist in der Biogastechnik somit der prozentuale Anteil des Substrates, welcher von den Mikroorganismen verwertet werden kann. Die oTS dient in der Biogasproduktion als Bezugsgröße für Raumbelastung, Zulauffracht und vor allem für die spezifische Gasproduktion des Substrates, wie die Bestimmung des Biogaspotentiales.
• Die Bestimmung der oTS richtet sich wie bei der TS nach der DIN 38414 Teil 3, hierbei wird die Probe mindestens 60 Minuten oder bis zur Gewichtskonstanz bei 550°C im Muffelofen verascht. Die oTS wird in Prozent angegeben und berechnet sich wie folgt: Formel 1

  

  organische Trockensubstanz der Trockenmasse einer Probe in %
  Masse des leeren Tiegels, in g
  Masse des Tiegels mit der Trockenmasse, in g
  Masse des Tiegels mit der geglühten Trockenmasse, in g
• Korngrößenbestimmung
• Das Ziel der Korngrößenbestimmung ist eine ordnende Unterscheidung zwischen den Partikeln treffen zu können Die Partikelgröße und ihre Verteilung, sowie die Form sind hierbei dienliche Merkmale, um die Einwirkung der mechanischen Zerkleinerung zu bestimmen. Durch die Bestimmung dieser Parameter können im Weiteren aufbauende Eigenschaften wie Gasertrag oder Viskosität anhand der Partikelgrößen quantifiziert werden. Für die Partikelgrößenanalyse stehen heute Verfahren wie Siebung und Sichtung, Sedimentationsverfahren, optisch digitale Zählverfahren oder Oberflächenmessungen zur Verfügung. Aufgrund der Substrateigenschaften von NaWaRo's sind Sedimentationsverfahren nicht möglich. Optisch digitale Zählverfahren und Oberflächenmessungen wären sehr gute Messverfahren. Die Bestimmung der Partikelgröße und -form durch Siebung und Sichtung ist eine altbewährte und grundlegende Untersuchungsmethode, die aufgrund ihrer einfachen Handhabung und guten Ergebnisproduktion für die hier gemachten Untersuchungen ausgewählt wurde. Zum Einsatz kam eine Maschinensiebung mit einem durch einen Exzenter angetriebenen rotierenden Siebsatz.
• Das zu analysierende Material wird auf einen Siebsatz gegeben. Im Siebsatz sind über einer Siebpfanne die Siebe mit ansteigender Maschenweite übereinander gesetzt und durch einen Deckel abgeschlossen. Die Siebe sind nach DIN 4188 hinsichtlich Maschenweite, Drahtstärke und Toleranzen genormt. Durch die mit dem Siebrüttler erzeugte Bewegung des Analysegutes fallen die kleineren Partikel gemäß der Maschenweite durch die Siebe, die größeren bleiben auf den jeweiligen Sieben liegen. Nach einer definierten Siebdauer werden die einzelnen Partikelmassen auf den jeweiligen Siebböden ausgewogen und für weitere Auswertungszwecke bereitgehalten.
• Die Beschreibung der Partikelgröße erfolgt durch die Angabe eines Äquivalentdurchmessers, in der Praxis wird hierfür der Buchstabe x_i benutzt. Die Messungen der Einzelpartikel ergeben einen Mengenanteil, den eine bestimmte Partikelgrößen-Fraktion am Gesamtanteil hat. Dies kann in einer Wertetabelle oder einer Grafik als eine Partikelgrößenverteilung dargestellt werden. Den Summenanteil der Masse in einem Partikelgrößen-Intervall gibt ΔQ3 an, es berechnet sich aus dem Massenanteil durch die Gesamtmasse. Der Index 3 gibt hier den Massebezug an. Formel 2 Summenanteil ΔQ₃

  

ΔQ₃(x_i)

Summenanteil der Partikelgröße

M(x_i)

Masse des Partikelgrößen-Intervalls (von x_i-1 bis x_i), in g

M_Ges

Gesamtmasse der untersuchten Partikel, in g

• Das Aufsummieren der Mengenanteile ΔQ₃ von der kleinsten bis zur jeweiligen Partikelgröße x_i ergibt die Summenverteilung Q₃(x_i), es ergeben sich Werte von 0 bis 1, die Anteile können somit als prozentuale Anteile gesehen werden. Formel 3 Summenverteilung Q₃

  

Q3(x_i)

Summenverteilung der Partikelgröße

ΔQ₃(x_i)

Summenanteil der Partikelgröße

• Eine weitere Kenngröße ist die Verteilungsdichte, welche der Anteil an der Gesamtmenge in einem bestimmten Größenintervall bezogen auf die Intervallbreite ist. Bezogen auf die Siebung ist es der Massenanteil, der zwischen zwei Sieben mit den Maschenweiten x_i und x_i-1 zurückbleibt. Formel 4 Verteilungsdichte q₃

  

q₃(x_i,m)

Verteilungsdichte bezogen auf die mittlere Partikelgröße des Intervalls, in l/mm

ΔQ₃(x_i)

Summenanteil der Partikelgröße

Δx_i

Intervallbreite von x_i-1 bis x_i, in mm

• Um einen einzelnen Kennwert für die Verteilung zu gewinnen, ist es sinnvoll, einen „mittleren" Wert einzuführen. Berechnet und angegeben wird hier der x_50,3 Wert. Dies ist die Partikelgröße, bei der 50% kleiner und zugleich größer sind. Auch hier bezieht sich der Index 3 auf die Masse. Dieser Wert wird entweder aus dem Q₃-Diagramm abgelesen oder näherungsweise über lineare Interpolation aus den aufgenommenen Werten berechnet. Die hier bestimmten Werte wurden interpoliert, da angenommen werden kann, dass die Q₃-Kurve im Bereich y = 0,5 annähernd einer Geraden entspricht.
• Bezogen auf den Wert x_50,3 kann weiter ein Zerkleinerungsgrad berechnet werden, der die Zerkleinerungsleistung der Mühle quantifiziert. Formel 5 Berechnung des Zerkleinerungsgrades

  

z₅₀

Zerkleinerungsgrad bezogen auf den Wert x_50,3

x_50,A

charakterisierender Einzelwert x_50,3 des Aufgabegutes (Substrat), in mm

x_50,M

charakterisierender Einzelwert x_50,3 des Mahlgutes (Produkt), in mm

• Der Zerkleinerungsgrad ist als Wert so definiert, dass er größer als 1 ist. Je größer der Wert, desto weiter hin zu kleineren Partikelgrößen ist zerkleinert worden.
• Da bei der Analyse mit Sieb die gemessene Partikelgröße einer Durchmesser-gleichen Kugel entspricht, jedoch die Form der zerkleinerten NaWaRo-Partikel bei weitem nicht eine Kugelform einnimmt, muss zusätzlich noch eine Faserlängenbestimmung durchgeführt wer den. Ein dünner und langer Partikel fällt auch durch ein engmaschiges Sieb, entspricht aber nicht zwangsläufig der gemessenen Partikelgröße.
• Für die Faserlängenbestimmung wurden je Probe 100 Partikel ausgemessen. Diese Partikel wurden den einzelnen Siebchargen entnommen, das heißt jeweils 20 Partikel pro Siebrückstand, um so eine gleichmäßigere Verteilung der entnommenen Partikel zu erhalten. Auch hier wurde ein Kennwert gebildet, um vergleichende Aussagen treffen zu können. Eingeführt wurde der Wert L_50,0 in Anlehnung an den Partikelgrößen-Kennwert x_50,3. Dieser Wert stellt die Faserlänge dar, bei der 50% länger und zugleich kürzer sind als L_50,0. Der Index 0 bezieht sich hierbei auf die Messung der Partikel durch Auszählen, er kann also aus einem Anzahlverteilungsdiagramm abgelesen oder, wie hier geschehen, näherungsweise durch lineare Interpolation bestimmt werden.
• Für biologische und chemische Reaktionen ist es häufig von Nutzen, die spezifische Oberfläche der Substrate anzugeben. Da aber aus den Messergebnissen nicht direkt eine solche bestimmt werden kann, wird vorgeschlagen, anhand eines Diagrammes nach Stieß, gezeigt in 3, den Formfaktor φ abzuschätzen.
• Es wird hierbei von der Teilchenform 1 ausgegangen. Als Durchmesser a wird ein berechneter mittlerer Partikelgrößenwert x_50,3 angenommen, für die längere Höhe b des zylinderförmigen Teilchens wird die mittlere Länge L_50,0 herangezogen.
• Die spezifische Oberfläche kann dann aus der Volumen- bzw. Massen-Dichteverteilung wie folgt berechnet werden: Formel 6 Berechnung der spezifischen Oberfläche

  

S_V

spezifische Oberfläche (Oberfläche/Volumen), in 1/mm oder mm²/mm³

φ

Formfaktor, zu bestimmen aus Diagramm

q₃(x_i,m)

Verteilungsdichte bezogen auf die mittlere Partikelgröße des Intervalls, in 1/mm

Δx_i

Intervallbreite von x_i-1 bis x_i, in mm

x_i,m

mittlere Partikelgröße des Intervalls, in mm

• Die spezifische Oberfläche stellt also die vorhandene Oberfläche pro Volumeneinheit dar. Wird zerkleinert, so steigt die chemisch und biologisch reaktive Fläche und es kann bezogen auf die Masse bzw. das Volumen der chemisch-biologische Umsatz pro Zeiteinheit vergrößert werden.
• Fließverhalten
• Das Fließverhalten von Stoffen beeinflusst stark die Eigenschaften in verfahrenstechnischen Prozessen, als Kenngröße dient hier die Bestimmung der Viskosität. Sie ist ein Maß für die Zähflüssigkeit eines Fluides und kann als Widerstandskraft durch ein erzeugtes Schergefälle gemessen werden. In der Biogastechnik wirkt sich diese hauptsächlich auf die Förderfähigkeit und Durchmischbarkeit der Substrate aus. Zunehmende Viskositäten der Maische erzeugen häufig schlechte Förderfähigkeiten, hohe Pumpendrücke und hohen Verschleiß an eingesetzten Maschinen, es ist auch mit einem erhöhten Energieeintrag für Förderung und Durchmischung zu rechnen. Für die Messung der dynamischen Viskosität η gibt es heute verschiedenste Verfahren. So kommen häufig Rotationsviskosimeter, Kugelfallviskosimeter oder Kapillarviskosimeter zum Einsatz, jedoch beschränken sich diese in ihren Möglichkeiten meist auf die Messung von Flüssigkeiten mit newtonschem Fließverhalten ohne Störstoffe. Versuche mit selbstangefertigten Kugelfallviskosimetern funktionierten nicht wie erwünscht, auch die Bestimmung der Viskosität anhand des Druckunterschiedes beim Fördern des Fluides durch ein Rohr schlugen fehl. Daher wurde für die folgenden Versuchsreihen aufgrund der Substrateigenschaften ein Rotationsviskosimeter herangezogen. Das Rotationsviskosimeter arbeitet im Normalfall mit einem Rotationskörper und einem Becher, in welchem sich das zu messende Fluid befindet.
• Die Geometrie dieser Körper ist bekannt und so kann durch das Rotieren des Zylinders ein Widerstanddrehmoment, welches durch die erzeugte Schergeschwindigkeit entsteht, am Messgerät abgelesen und in eine Viskosität umgerechnet werden. Da dieses Prinzip jedoch nur für newtonsche Flüssigkeiten gedacht ist und sich das Zylinder-Becher-Prinzip nicht für die Messung von Fluiden mit Störstoffen und nicht-newtonschem-Fließverhalten eignet, wie in den Versuchen gefordert, zeigte sich schnell, dass ein abgewandeltes Verfahren entwickelt und angewandt werden musste. Es wurde ein spezieller Rührer angefertigt, der das Zylinder-Becher-System ersetzt. Dieser Rührer rotiert in der Probe mit verschiedenen, defi nierten Drehzahlen und das erzeugte Widerstandsdrehmoment kann am Messgerät abgelesen werden. Die Kraft der Probeflüssigkeit gegen das Durchrühren kann als Ergebnis für die Vergleichsmessungen herangezogen werden.
• Gasertragsbestimmung
• Die Gasertragsbestimmung, nach DIN Faulverhalten genannt, gibt Aufschluss über den anaeroben Abbau von organischen Substanzen. Sie dient der Charakterisierung von Substraten und ihrer Gärfähigkeit, die in einem biotechnologischen Stoffumwandlungsprozess vergoren werden. Grundsätzlich wird ein Probesubstrat in einer genormten Messapparatur unter definierten anaeroben Bedingungen vergoren und durch das produzierte und gesammelte Biogas eine Aussage über die Gärfähigkeit getroffen. Mit diesem Versuch wird aufgezeigt, welche Unterschiede eine Vorbehandlung von Substraten hinsichtlich ihrer Abbaubarkeit durch Mikroorganismen hat.
• Der Versuch wird ausführlich in der DIN 38414 Teil 8 sowie der VDI 4630 beschrieben und die Vorgehensweisen, Messeinrichtungen und Berechnungen orientieren sich an diesen Richtlinien.
• Die produzierte Gasmenge wurde mit Eudiometerrohren ermittelt.
• Für die Versuchsansätze wurden Proben vor und nach der Zerkleinerung untersucht, um darauf aufbauend eine Aussage hinsichtlich der Verbesserung der Biogasausbeute durch mechanischen und/oder und biochemischen Aufschluss treffen zu können.
• Da die eingewogenen Substratprobemengen relativ gering ausfielen, aber durch das teilweise stark inhomogene Probematerial große Gasertragsschwankungen zu erwarten waren, wurden alle Untersuchungen dreifach durchgeführt und anschließend ein Mittelwert gebildet. Um die durch den zugesetzten Impfschlamm erzeugte Gasmenge herauszurechnen, wurde jeweils eine Blindprobe mit dem Impfmaterial angesetzt. Als Material hierfür wurde, wie in DIN 38414 Teil 8 vorgeschlagen, ein ausgefaulter Klärschlamm aus dem kommunalen Klärwerk eingesetzt, hier Faulschlamm aus dem Faulturm vor der Separation des Klärwerkes. Dieser Faulschlamm hatte eine Verweilzeit von ca. 30 Tagen im Faulturm und wurde danach abgefüllt. Er besitzt nach Klärwerksangaben 2% bis 2,2% Trockensubstanz, der gemes sene pH-Wert des Klärschlammes lag bei 7,4. Um ein normiertes Ergebnis zu erhalten ist es nötig, die erfassten Gasmengen in ein Normvolumen nach folgender Formel umzurechnen: Formel 7 Berechnung des Normvolumens

  

V_i,N,

Gasvolumen im Normzustand, in ml

V

gebildetes Gasvolumen, in ml

p_L

Luftdruck zum Zeitpunkt des Ablesens, in mbar

p_W

Dampfdruck des Wassers bei der Temperatur des umgebenden Raumes, in mbar

T₀

Normtemperatur, T₀ = 273 K

p₀

Normdruck, p₀ = 1013 mbar

T

Temperatur des Gases bzw. des umgebenden Raumes, in K

• Dieses Normvolumen kann nun in einen spezifischen Gasproduktionswert umgerechnet werden, hierbei wird die produzierte Gasmenge auf ein Gramm oTS der Einwaage bezogen: Formel 8 spezifische Gasproduktion

  

V_S

spezifisches gebildetes Gasvolumen während der Versuchszeit bezogen auf ein Gramm oTs, in ml/g

ΣV_n

gebildetes Netto-Gasvolumen für die betrachtete Versuchsdauer, in ml

m

eingewogene Masse des zu untersuchenden Substrates, in g

TS

Trockensubstanz, in

oTS

organische Trockensubstanz, in

• Die berechneten Ergebnisse der erfassten spezifischen Gasproduktion wurden in einem Diagramm in kumulierter Form über die Versuchsdauer aufgetragen. An den Kurvenverläufen lassen sich Aussagen über die Verbesserung der Gärfähigkeit der untersuchten Substrate treffen. Des Weiteren lässt sich über die kumulierte Biogasgesamtproduktion feststel len, ob der Abbaugrad des Substrates durch geeignete Vorbehandlungen gesteigert werden kann.
• Auswertung und weitere Beschreibung der Vorrichtung und des Verfahrens
• Die nachfolgende Auswertung erfolgt anhand der Tabellen 1 bis 12 und zusätzlich zu den bereits beschriebenen 1 und 2 mittels der 3 bis 10.
• Die 3 bis 10 zeigen:
• 3 Diagramm zur Ermittlung des Formfaktor φ und der Sphärizität ψ_Wa für drei reguläre Teilchenformen nach Stieß,
• 4 Q₃-Summenverteilung von roher und vermahlener Maissilage bei unterschiedlicher Sieblochung,
• 5 q₃-Verteilungsdichte von roher und vermahlener Maissilage bei unterschiedlicher Sieblochung,
• 6 L₀-Summenverteilung von roher und vermahlener Maissilage bei unterschiedlicher Sieblochung,
• 7 zusammengefasste Ergebnisse der Viskositätsmessungen der verschiedenen Maischeproben,
• 8 Versuchsreihe II – kumulierter Gasertrag im Normvolumen von roher und vermahlener Maissilage über der Zeit,
• 9 Gasertrag der Impfschlämme ohne und mit Enzym und
• 10 Versuchsreihe III – kumulierter Gasertrag im Normvolumen von roher und vermahlener Maissilage ohne und mit Enzymzusatz über der Zeit.
• Als Probenmaterial beziehungsweise Ausgangssubstrat wurde für die Untersuchungen Maissilage verwendet. Diese Maissilage entspricht der auf heutigen landwirtschaftlichen Betrieben vorfindbaren Maissilage. Sie ist schon während der Ernte mit einem Maishäcksler vorzerkleinert und anschließend auf einem Silohaufen verdichtet worden, um durch einen Versäuerungsprozess eine Konservierung zu erlangen.
• Bei den Auswertungen der Zerkleinerungseffekte durch den mechanischen Aufschluss wurden Proben untersucht, die während einer Versuchsphase der „IMPRA-Mühle" aufgenommen wurden. Die dort verarbeitete Maissilage stammt aus den Fahrsilos einer Biogasanlage und wurde von umliegenden Landwirten eingekauft. Des Weiteren stand als Vergleich eine Probe des gleichen Rohsubstrates gemahlen mit der Grubermühle zur Verfügung, welche zuvor auf der Biogasanlage genutzt wurde. Die Probenahme geschah direkt vor der Vermahlung bzw. direkt danach. Die verschiedenen Proben richteten sich nach den Versuchsparametern während der Mühlenerprobung. Für die Versuche zur Bestimmung des Biogasertrags wurde zweimal eine größere Menge Maissilage eines Landwirtes unter eigener Begutachtung vermahlen. Die gewonnenen Proben an roher und vermahlener Maissilage wurden luftdicht verschlossen zu anschließenden Untersuchungen gebracht.
• Bei der Bestimmung der TS und oTS wurde wie zuvor beschrieben vorgegangen.
• Jede Probe wurde dreifach auf ihre TS und oTS untersucht, um einen statistischen Mittelwert zu erhalten. Für die TS-Bestimmung wurden Aluminium-Trockenschälchen genutzt, die oTS-Bestimmung wurde mit Keramiktiegeln durchgeführt. Für die Untersuchungen standen Trockenschränke und ein Muffelofen zur Verfügung. Als Ergebnisse ergaben sich für die Untersuchungen überschlägig die in Tabelle 1 dargestellten folgenden Werte.
• Die ermittelten Werte der oTS entsprechen den Literaturwerten, auch der TS-Gehalt der rohen Maissilage ist ein gängiger Wert, die hohe Streuung liegt hier an der Art der Silage-Lagerung, bzw. der Stelle der Probenahmen im Silohaufen. Die stark schwankenden TS-Gehalte der vermahlenen Proben sind durch die unterschiedlichen Versuchsparameter bei der Erprobung der „IMPRA-Mühle" zu erklären, da mit unterschiedlichen Wassermengenzugaben während der Vermahlung experimentiert wurde.
• Für die Partikelgrößenbestimmung wurde als Untersuchungsmethode eine Trockensiebung gewählt, da die zu untersuchenden Substrate jedoch teilweise einen hohen Wasseranteil aufwiesen, mussten die Proben zuerst getrocknet werden. Hierbei stellte sich heraus, dass die Flüssigkeit in der Probe durch Feinstoffe aus der Vermahlung beim Trocknen stark zum Verkleben neigte. Um diese Stoffe zu entfernen, wurden die Proben zuerst in einem 0,09 mm Sieb gewaschen und anschließend bei Raumtemperatur und Raumluftfeuchte getrocknet. Der entstandene Kuchen konnte dann nach vorsichtigem Auseinanderarbeiten der Restverklebungen gesiebt werden. Untersucht wurden rohe Maissilage und Mahlproben aus der Biogasanlage nach der Vermahlung mit unterschiedlichen Sieböffnungen der „IMPRA-Mühle" und eine Probe der vormals installierten Grubermühle.
• Die Siebdauer wurde auf 4 min festgelegt, die Siebanlage funktioniert nach dem Rotations-Exzenter-Prinzip und hatte eine Auslenkung von 15 mm. Zum Einsatz kam ein Siebsatz bestehend aus Gitterdrahtsieben der Lochweiten 4 mm – 2 mm – 1 mm – 0,5 mm – Boden. Die Rückstände auf den einzelnen Siebböden wurden ausgewogen und dokumentiert und darauf aufbauend die beschriebenen Berechnungen durchgeführt.
• Zur Anschauung dient hier nun eine Berechnung der gemittelten Q₃-Summenverteilungen und der q3-Verteilungsdichten von Versuchen mit verschiedenen Sieblochgrößen.
• Des Weiteren ist zu erkennen, dass die Verkleinerung der Sieblochung bei der Vermahlung auch eine Verschiebung der Q3-Kurve hin zu kleineren Partikeln bewirkt. So liegt der Anteil der Partikel unter 2 mm bei dem Einsatz eines 25 mm Siebes bei ca. 42%, der bei Einsatz eines 20 mm Siebes bei ca. 60% und der Anteil beim Einsatz des 15 mm Siebes bei ca. 70%, wobei das Ausgangsmaterial hier nur einen Anteil von ca. 12% aufweist. Die Grubermühle liegt mit ihrem Mahlergebnis vergleichbar mit dem Einsatz des 25 mm Siebes der „IMPRA-Mühle", jedoch leicht verschoben hin zu kleineren Partikeln. Je weiter die Q3-Kurve also in Richtung kleinerer Partikel verschoben ist, desto stärker ist der Zerkleinerungseffekt des mechanischen Aufschlusses. Die gleichen Siebanalysen bringen als Verteilungsdichte folgendes Diagramm, gezeigt in 5, hervor.
• Die q3-Kurve der 5 beschreibt die Häufigkeit der Mengenanteile des untersuchten Materials in einem bestimmten Größen-Intervall. Das Integral unter der Kurve vom kleinsten bis zum größten Partikel, hier von 0 bis 10, ergibt demnach wieder den Gesamtmengenanteil 1 bzw. 100%. Zu erkennen ist hier, dass die rohe Maissilage kein Maximum bei einer Partikelgröße aufweist, sie zeigt ein relativ gleichmäßiges Vorkommen aller Partikelgrößen zwischen 1,5–8 mm an. Die mit der „IMPRA-Mühle" vermahlene Maissilage zeigt ihre maximale Häufigkeit bei alten Vermahlungen zwischen 0,75–1 mm, wobei die Dichte hier von der größten zur kleinsten Sieblochung von ca. 0,3 über ca. 0,35 bis zu ca. 0,4 ansteigt. Die Grubermühlenvermahlung weist die maximale Häufigkeit bei ca. 1,5 mm auf, was schon fast der doppelten Partikelgröße der durchschnittlichen Vermahlung entspricht, in ihrem weiteren Verlauf ist die q3-Kurve der Grubermühle mit der der „IMPRA-Mühle" bei Einsatz eines 25 mm Siebes zu vergleichen.
• Auch in der q3-Verteilungsdichte ist also der deutliche Zerkleinerungseffekt zu erkennen. Je weiter das Maximum der Kurve bzw. die Hauptfläche unter der Kurve in Richtung kleinerer Partikel verschoben wird, desto größer ist der Zerkleinerungsgrad, der erreicht wurde. Dies schafft in diesem Beispiel am besten die Vermahlung durch die „IMPRA-Mühle" mit einem 15er Sieb60, hier befindet sich der Hauptanteil der Partikel in einem Bereich von ca. 0 bis 3 mm. Um den Zerkleinerungseffekt an einem Wert festzumachen und eine Vergleichbarkeit der Untersuchungsergebnisse herzustellen wird vorgeschlagen, den Mittelwert x50,3 zu berechnen. Dieser kann im Diagramm der Q3-Summenverteilung bei dem Ordinatenwert 0,5 abgelesen werden, oder näherungsweise über lineare Interpolation berechnet werden. Die verschiedenen Ergebnisse der Untersuchungen wurden jeweils gemittelt und ergaben die folgenden, in Tabelle 2 dargestellten Werte.
• Die Tabelle 2 zeigt die Mittelwerte x50,3 bei roher und vermahlener Maissilage. Zu erkennen ist eine deutliche Abnahme der mittleren Partikelgröße x50,3 durch Einsatz der Vermahlungstechnik. So hat die rohe Maissilage eine mittlere Partikelgröße von 5,22 mm, der Einsatz der Vermahlung mit einem 25er Sieb zerkleinert die Partikel schon um mehr als die Hälfte und mit einem 15er Sieb wird die Partikelgröße fast geviertelt. Die Grubermühle erreicht hier einen ähnlichen Wert wie die „IMPRA-Mühle" bei Einsatz des 25er Siebes, sie halbiert ungefähr die mittlere Partikelgröße bezogen auf das Ausgangsmaterial.
• Grundsätzlich ist hier aber zu erwähnen, dass für die Untersuchungen der Grubermühle nur eine Probe zur Verfügung stand, während die Ergebnisse aus der Vermahlung aus vielen gemittelten Werten entstanden, das heißt gemachte Fehler während der Probenahme oder Vermahlung, z. B. durch unterschiedliches Ausgangsmaterial, positive oder auch negative Ergebnisse bewirkend, beeinflussen die Ergebnisse der Untersuchungen der Grubermühle statistisch weitaus stärker.
• Ein das Mahlergebnis quantifizierender Kennwert ist der Zerkleinerungsgrad. Der Zerkleinerungsgrad kann gelesen werden als der Faktor, um wie viel das Ausgangsmaterial zerklei nert wurde. Dieser auf die mittlere Partikelgröße des Substrates und Produktes bezogene Wert zeigt bei den Mühlen und unterschiedlichen Vermahlungen die in Tabelle 3 dargestellten Ergebnisse.
• Die alleinige Betrachtung der Partikelgrößen anhand einer Siebung ist nicht sinnvoll, da die Substrateigenschaften hohe faserige Anteile besitzen. Um diese zu charakterisieren, wurde zusätzlich eine manuelle Faserlängenbestimmung durchgeführt.
• Für die Faserlängenbestimmung wurden je zu untersuchender Probe 100 Partikel ausgemessen. Diese Partikel wurden den einzelnen Siebchargen entnommen, das heißt jeweils 20 Partikel pro Siebrückstand, um so eine gleichmäßigere Verteilung der entnommenen Partikel zu erhalten. Das Ausmessen erfolgte per Hand und wurde in vier Klassen aufgeteilt: 0–1 cm, 1–3 cm, 3–5 cm und > 5 cm.
• Die 6 zeigt in einem Diagramm die L0-Summenverteilung von roher und vermahlener Maissilage bei unterschiedlicher Sieblochung. Wie auch bei der Partikelgröße wird hier zur Auswertung eine L0-Summenverteilung herangezogen, diese basiert jedoch nicht auf Masse, sondern wie der Index 0 es besagt auf der Anzahl. Die Werte der einzelnen den Sieblochungen zugehörigen Untersuchungen wurden hierfür gemittelt.
• Das Diagramm 6 zeigt die prozentualen Anteile der vorkommenden Faserlängen aufgetragen über die Faserlänge in cm. Als maximale Faserlänge wird hierbei eine Länge von 10 cm angenommen. Auch wenn hier nur 100 Partikel ausgemessen wurden, kann ein Trend der Faserverkürzung durch Vermahlungstechnik aufgezeigt werden.
• Die Verschiebung der L0-Kurven hin zu kürzeren Fasern bei kleiner werdender Sieblochung zeigt sich hier ebenso wie in der Partikelgrößenanalyse. Deutlicher wird dies jedoch noch an den dem x50,3 äquivalenten Wert L50,0 in der im Anhang dargestellten Tabelle 4, die Bemittelte L50,0-Werte roher und vermahlener Maissilage aufführt.
• Durch den mechanischen Aufschluss wird die mittlere Faserlänge von 0,87 cm bei Einsatz eines 25er Siebes um mehr als die Hälfte auf 0,37 cm gekürzt. Der Einsatz kleinerer Sieblochungen verringert die Faserlänge weiter, jedoch ist dieser Effekt nicht so stark nachzuweisen wie bei der Partikelgröße, so sinkt die mittlere Faserlänge von 0,37 cm beim 25er Sieb über 0,35 cm beim 20er Sieb auf 0,31 cm bei Einsatz des 15er Siebes. Der Substratauf schluss mit Hilfe der „IMPRA-Mühle" erlangt also eine deutliche Faserlängenverkürzung. Ein fragwürdiges Ergebnis weist hier die Grubermühle auf, denn ihre erzeugte Faserlänge liegt mit 1,01 cm oberhalb der mittleren Faserlänge der rohen Maissilage mit 0,87 cm. Zum einen muss man hier davon ausgehen, dass das Ausgangsmaterial doch sehr unterschiedlich ausfiel und von der Grubermühle nur eine Einzelprobe zur Verfügung stand und zum anderen scheint die Grubermühle zwar eine Partikelzerkleinerung zu erreichen, jedoch verkürzt sie dabei nicht die Faserlängen.
• Die für biologische und chemische Reaktionen relevante spezifische Oberfläche SV kann nun mit Hilfe der gewonnenen Kenngrößen x50,3 und L50,0 berechnet werden, indem mit Hilfe dieser ein Formfaktor aus dem Diagramm der 3 bestimmt wird. Die Einzelbestimmungen zeigen hier, dass der Wert bei allen Proben zwischen ca. 1 bis maximal 5 liegt, die dazugehörigen Formfaktoren φ ergeben sich dann aus dem Diagramm der 3 zu 1,2 bis 1,4. Zur Sicherheit wird der Formfaktor hier für alle Berechnungen mit 1,4 angenommen. Mit der Formel 6 ergeben sich dann aus den Untersuchungen folgende in Tabelle 5 aufgeführte Werte, der spezifischen Oberflächen SV, der verschiedenen Vermahlungen.
• Das Ausgangsmaterial rohe Maissilage, hat eine ermittelte spezifische Oberfläche von 2,66. Mit 10,23 erreicht die Vermahlung mit einem 15er Sieb die größte spezifische Oberfläche, diese entspricht dem 3,8fachen des Ausgangsmaterials. Mit dem 3,1-fachen und 2,6-fachen der Oberfläche der unbehandelten Maissilage liegen die Vermahlungen mit dem 20er bzw. 25er Sieb deutlich hinter dem Ergebnis des 15er Siebes. Das schlechteste Resultat erzeugte die Grubermühle mit im Vergleich nur dem 2,3-fachen des Rohsubstrates und einer spezifischen Oberfläche von 6,06.
• Durch das vorangegangene Waschen der Proben in einem 0,09 mm Sieb fielen alle Partikel unterhalb der Größe 0,09 mm weg und wurden in die Messung nicht einbezogen.
• Trotzdem würden Partikel dieser Größe keinen großen Einfluss auf die Messung haben oder das Ergebnis nur wenig nach unten korrigieren. Da dieser systematische Fehler bei allen Siebungen auftrat, sind die Proben untereinander vergleichbar. Da nicht alle Verklebungen und Verfilzungen vor der Siebung aufgelöst werden konnten, kam es bei den Siebungen häufig zu einer Agglomeratbildung auf dem 4 mm und dem 2 mm Sieb. Diese Agglomerate setzten sich bei Maissilage aus verklebten Feinstpartikeln mit Faseranteilen zusammen. Diese Tatsache hat eine, wenn auch geringe, Auswirkung auf die Partikelgrößenverteilung, welche sich hierdurch in Richtung kleinerer Partikel verschiebt.
• Bei faserigen Stoffen, wie hier untersucht, kann es dazu kommen, dass die Fasern sehr lang sind, jedoch aufgrund des geringen Durchmessers auf die Siebe der kleineren Partikelgrößen durchfallen. Man muss also gleichzeitig die Faserlänge betrachten, um eine Aussage über die Partikelgrößenverteilung machen zu können. Eine Ausmessung von 100 Faserlängen pro Probe zeigt für Proben wie hier genommen nur einen gewissen Trend an, kann jedoch nicht zu 100% als repräsentativ angesehen werden, da hierfür eine größere Anzahl gemessener Partikel notwendig wäre. Der Trend der Ergebnisse ist jedoch deutlich erkennbar und passt auch zu den Ergebnissen der jeweiligen Siebung.
• Für die Viskositätsmessungen wurden Maischeproben aus der Biogasanlage untersucht, diese unterschieden sich zum einen in ihrer Vermahlungsart, das heißt Einsatz verschiedener Sieblochung, als auch zum anderen in ihren TS-Gehalten.
• Um einen Vergleich der Vermahlungstechnik mit einer anderen Zerkleinerungsmaschine herzustellen wurde hier zusätzlich noch eine Probe einer Grubermühle herangezogen. Diese war vor der Erprobung der „IMPRA-Mühle" installiert.
• Als Referenzproben zur Abschätzung der Viskosität wurden Wasser und Salatöl mit bekannten Viskositäten gemessen. Für die Untersuchung wurde der beschriebene Rührer mit dem Rotationsviskosimeter genutzt. Der Rührer wurde in der Probenflasche mit der Maischeprobe platziert und am Rotationsviskosimeter befestigt. Um ein gleichmäßiges Messergebnis zu erhalten, wurde die Probe vorher durch Schütteln möglichst gut durchmischt. Der Rührer drehte nun in der Maische und das erzeugte Widerstandsdrehmoment konnte am Messgerät abgelesen werden. Die Drehzahlen wurden auf die Abstufung 10 – 50 – 100 – 200 – 300 – 400 – 500 – 600 Umdrehungen pro Minute festgelegt. In der Praxis zeigte sich schnell, dass die Maische keine konstanten Widerstandsdrehmomente liefert, so dass jede Drehzahl eine halbe Minute gefahren und hierbei der maximale Wert bestimmt wurde.
• Daraus ergab sich eine „worst-case-Messung", welche das maximale Widerstandsdrehmoment bei gewählter Drehzahl aufzeigt. Um ein reproduzierbares Ergebnis zu erhalten, wurde jede Messung dreimal durchgeführt und die Ergebnisse wurden gemittelt. Die Temperatur der Proben wurde gleich gehalten, um einen möglichen Einfluss dieser auf die Viskosität gering zu halten.
• Die 7 zeigt in einem Diagramm deutliche Unterschiede der Viskosität der Maischeproben abhängig von Vermahlungsmethode und TS. Die höchste Widerstandskraft gegen das Durchrühren bringen die mit der Grubermühle vermahlenen Proben auf, der höhere TS steigert hier auch die Viskosität zusätzlich, obwohl der Unterschied der TS nur 0.8% ausmacht. Mit rund der Hälfte und weniger der erzeugten Widerstandskraft wiesen die mit der „IMPRA-Mühle" vermahlenen Maischeproben eine weitaus geringere Viskosität auf. Unter diesen Proben zeigten die mit dem 15er Sieb gemahlenen Proben trotz höherer TS eine geringere Viskosität als die mit dem 20er Sieb vermahlenen. Betrachtet man die mit dem 20er Sieb vermahlenen Proben untereinander, so ergibt ein Herabsetzen der TS um ca. 1,5% eine Verminderung der Viskosität um ein Drittel. Bei den Messungen konnte ein gewisser „Verfilzungs-Effekt" der Grubermühlenprobe festgestellt werden, lange Fasern wickelten sich um den Rührer. Dies trat bei den Proben der Vermahlung mit der „IMPRA-Mühle" nicht auf.
• Aus den gemessenen Werten kann kein quantitativer Viskositätswert berechnet werden.
• Jedoch können zur qualitativen Einschätzung der jeweiligen Kurvenverläufe der Prallmühlen deren Diagrammverläufe mit den Diagrammverläufen des Wassers und des Salatöls in Verbindung gesetzt bzw. verglichen werden. Wasser wird hier mit einem Wert η = 1 mPa und Salatöl mit einem Wert von η = 100 mPas angenommen.
• Zur Bestimmung des Gaspotentials von roher und vermahlener Maissilage wurden drei verschiedene Versuchsreihen durchgeführt.
• Der erste Versuchsansatz in Versuchsreihe I beschäftigte sich mit den Proben, die während der Erprobung der „IMPRA-Mühle" genommen wurden. Es werden die Auswirkungen der unterschiedlich eingesetzten Siebe während der Vermahlung hinsichtlich des sich ergebenden Gasertrages der Einzelproben untersucht.
• Versuchsreihe II untersuchte die Rohsubstrat- und Mahlproben des Materials, welches roh zur Verfügung gestellt wurde, zur Vermahlung verbracht wurde und dort mit einem 15er Sieb in der „IMPRA-Mühle" vermahlen wurde. Hieraus sollte eine Aussage über den unterschiedlichen Gasertrag von unvermahlener und vermahlener Maissilage getroffen werden.
• Die dritte Versuchsreihe III wird, wie Versuchsreihe II, noch einmal die unterschiedlichen Gaserträge von roher und vermahlener Maissilage aufzeigen und zusätzlich klären, ob bei einem Einsatz von anaeroben Bakterienstämmen in der Prozessflüssigkeit eine weitere Steigerung der Biogasausbeute erreicht werden kann.
• Die Untersuchungen der Versuchsreihe I hinsichtlich des Gaspotentials zeigten keinen eindeutigen Trend hinsichtlich der verschiedenen Vermahlungsmethoden.
• Es wurde die Versuchsreihe II durchgeführt.
• Um die im vorangegangenen Versuch I vermuteten Fehlerpotentiale auszuschließen, wurde Versuchsreihe II grundlegend neu konzipiert, die rohe Maissilage wurde jetzt von einem Silohaufen bereitgestellt, direkt zur Vermahlung unter eigener Begutachtung verbracht, um direkt anschließend am nächsten Tag die Gärtestansätze machen zu können. Das Ausgangsmaterial wurde aus der Mitte eines Silohaufens entnommen, um Schimmelprozesse und Sauerstoffeinwirkungen auszuschließen. Weiterhin wurde nur rohe Maissilage und mit einem 15er Sieb vermahlenes Substrat untersucht. Die Gaspotential-Untersuchung wurde jeweils dreifach durchgeführt, um mit gemittelten Werten der Statistik gerecht zu werden. Das Ansetzen der Gärtests geschah wie beschrieben.
• Das Ausgangsmaterial wurde in der Versuchsreihe II mit einem rezirkulierten Impfschlamm versetzt. Der rezirkulierte Impfschlamm enthält alle nötigen Bakterienstämme für die anaerobe Vergärung.
• Der Impfschlamm entstammt beispielsweise (auch) einem Faulturm einer Kläranlage und wird bei Vergärungsversuchen nach DIN 38414 Teil 8 vorgeschrieben.
• Die Herstellung der Gäransätze – Ausgangssubstrat – erfolgte nach Bestimmung von TS und oTS der zwei Substratproben, durch ein entsprechendes Vermischen der einzelnen Anteile.
• Die Daten werden in der folgenden Tabelle 6 dargestellt. Die Tabelle 6 zeigt die ermittelten prozentualen TS- und oTS-Gehalte der eingesetzten Ausgangssubstrate.
• Die Tabelle 7 zeigt die ermittelten prozentualen TS- und oTS-Gehalte der eingesetzten Ausgangssubstrate der Versuchreihe II.
• Nach dem Ansetzen und Vermischen der Proben wurde der pH-Wert bestimmt, welcher sich bei allen Proben zwischen 7,0–7,2 befand. Ein Einstellen des pH-Milieus war somit nicht weiter nötig. Nach dem Befestigen und Nullen der Eudiometerrohre wurde die Gasertragsbestimmung der Versuchsreihe II gestartet. Über eine Versuchsdauer von knapp 63 Tagen wurden nun die produzierten Gasmengen dokumentiert und umgerechnet in das Normvolumen, gemittelt und kumuliert über der Zeit aufgetragen. Hieraus ergibt sich das in 8 dargestellte Diagramm. Das Diagramm der 8 zeigt den kumulierten Gasertrag im Normvolumen von roher und vermahlener Maissilage über der Zeit aus der Versuchsreihe II.
• Nach einer lag-Phase von ca. 12 Stunden beginnt der anaerobe Abbauprozess mit einer steigenden Gasproduktion. Die Proben weisen einen sehr steilen Kurvenverlauf in den ersten 6 Tagen auf, danach verflacht die Kurve der Gasproduktion langsam, bis sie ab dem 24. Tag nahezu kein weiteres Wachstum mehr aufzeigt und sich somit eine fast waagerechte Linie entwickelt.
• Eindeutig zu erkennen ist ein starkes Auseinanderdriften der Kurven des vermahlenen und rohen Substrates, die Gasproduktion der Mahlprobe verläuft deutlich steiler und die Vorbehandlung beeinflusst das Ergebnis sowohl hinsichtlich der gesamten Gasproduktion als auch der Produktionsgeschwindigkeit positiv.
• Dies wird in der folgenden Tabelle 8 noch offensichtlicher, in der die prozentualen Unterschiede zueinander als auch zur Gesamtproduktion der Versuchsreihe II aufgetragen sind. Nach ca. 3 Tagen ist schon 50% der gesamten Gasausbeute produziert worden, wobei die vermahlene Probe die 50%-Marke etwas schneller erreicht als die Rohware. Nach 13 Tagen erreicht der Abbauprozess der vermahlenen Maissilage schon 90% der Gesamtgasproduktion, während die unvermahlene Probe hier erst 85% produziert hat. Mit 97% nach 24 Tagen gleichen sich die Proben dann zueinander wieder an. Ab diesem Zeitpunkt ist eine weitere Gasproduktion nur noch über einen langen Zeitraum bei sehr geringen Zuwächsen zu verzeichnen.
• Der Nutzen des mechanischen Aufschlusses und damit die Gasertragssteigerung ist in der Zusammenschau Spalte „Differenz Rohware zu Mahlprobe" der Tabelle 8 und 9 zu sehen.
• Hier wird der prozentuale Unterschied der Gasproduktion der verschiedenen Substrate zu einander beleuchtet. Eine anfängliche Verzögerung des gemahlenen Substrates nach 5 Stunden im Vergleich zum Rohsubstrat weicht schnell einer Differenz von fast 38% nach einem Tag zugunsten der mechanisch aufgeschlossenen Probe. Von diesem Zeitpunkt an nähert sich jedoch der Gasertrag der Rohware stetig dem Ergebnis der behandelten Probe, um dann nach knappen 13 Tagen noch ca. 13% weniger Biogas und schlussendlich ca. 9% weniger Biogas als die aufgeschlossene, das heißt vermahlene Maissilage zu produzieren. Der für einen Gärtest sehr lange gewählte Untersuchungszeitraum von 60 Tagen diente der Untersuchung des Einflusses der Verweilzeit auf die Biogasproduktion, wobei wie beschrieben festgestellt werden konnte, dass der Abbauprozess schon nach ca. 30 Tagen den überwiegenden Teil der verwertbaren Organik zu Biogas umgewandelt hat.
• Die Schwankungen in den Biogaserträgen sind durch Einwirkungen von Temperatur und Luftdruck zu erklären. Diese werden zwar herausgerechnet, jedoch bleibt ein geringer Fehler durch Messungenauigkeiten und verschieden schnelle Temperaturübergänge von der Umgebung zum Gassammelraum. Nach der Versuchsreihe II wurde erneut der pH-Wert der Einzelproben bestimmt, welcher sich zwischen 7,3–7,5 eingestellt hatte. Eine Hemmung aufgrund des PH-Wertes ist folglich nicht zu erwarten.
• Aufbauend auf der vorangehend beschriebenen Untersuchung wurde Versuchsreihe III durchgeführt. Erneut wurde rohe Maissilage als Ausgangssubstrat benutzt.
• Die Probenahme geschah direkt vor und nach der Hammermühle, die wiederum mit einem 15er Sieb ausgestattet wurde. Die Proben wurden anschließend für die Gaspotentialuntersuchung verbracht, um Substratumwandlungsprozesse zu vermeiden.
• Mittels 16 Eudiometerrohren war es möglich, vier verschiedene Versuchsansätze drei Einzelproben hinsichtlich der Gasertragssteigerung durch mechanischen Aufschluss zu untersuchen.
• Das Einwiegen und Vermischen des Ausgangsubstrates mit dem Impfmaterial, der Prozessflüssigkeit, setzte sich, wie Tabelle 9 darlegt, zusammen.
• Das Probematerial weist gemäß Tabelle 9 in Versuchsreihe III folgende prozentualen TS- und oTS-Gehalte auf. Die zu untersuchenden Proben in der Versuchreihe III bestanden aus den in Tabelle 10 gezeigten Substrateinwaagen.
• Die gemessenen pH-Werte der einzelnen Proben befanden sich erneut in einem Bereich von 7,1–7,3, womit auch kein weiteres Einstellen des Milieus mehr nötig war. Nach dem anschließenden Einrichten und Nullen der Eudiometerrohre wurde die Gasertragsuntersuchung der Versuchsreihe III gestartet.
• Wiederum wurde die produzierte Gasmenge der einzelnen Proben über einen Versuchszeitraum von 31 Tagen dokumentiert.
• Die Ergebnisse der jeweilig dreifachen Beprobung wurden zusammengefasst und gemittelt.
• Anschließend wurden diese kumuliert und im Normvolumen bezogen auf ein Gramm oTS in dem Diagramm der 10 über der Versuchszeit aufgetragen.
• Das Diagramm in 10 zeigt aus der dritten Versuchsreihe III den kumulierten Gasertrag im Normvolumen von roher und vermahlener Maissilage über der Zeit.
• Auch in Versuchsreihe III zeichnet sich eine leichte lag-Phase innerhalb des ersten Tages ab, erst danach steigt die Gasproduktion stark an, wobei dies bei den vermahlenen, also mechanisch, vorkonditionierenden Proben sehr viel deutlicher ausfällt, als bei den Proben des nicht vorkonditionierenden Rohsubstrates.
• Die Kurven im Diagramm 10 weisen einen sehr steilen Kurvenverlauf in den ersten 4 Tagen auf, dieser verflacht sich jedoch langsam. Insgesamt ist dieses Abflachen der Kurven bei den vermahlenen Proben stärker ausgeprägt als bei der Rohsilage, welche kein so starkes Abknicken der Gasproduktion hervorruft.
• Bis zum 28. Tag geht die Gasproduktion immer weiter zurück, um sich dann langsam einem waagerechten Kurvenverlauf anzunähern. Ab diesem Zeitpunkt sind aus den Erfahrungen der Versuchsreihe II keine nennenswerten Gasmengenzuwächse zu verzeichnen.
• Die Tabelle 11 zeigt die kumulierten Gaserträge der einzelnen Proben noch einmal in Zahlen und ihren prozentualen Anteilen am Gesamtertrag.
• Die Versuche der Versuchsreihe III wurden nach 31 Tagen beendet, da sich in Versuchs reihe II zeigte, dass ab diesem Zeitpunkt nur noch geringe Gasmengen erzeugt werden, die nichts Nennenswertes zum Gesamtertrag beitragen.
• Durch die Versuchsreihe III konnte in allen Probeflaschen ein pH-Wert zwischen 7,4–7,5 festgestellt werden, eine Hemmung des Abbauprozesses aufgrund des pH-Wertes kann somit weitestgehend ausgeschlossen werden.
• Zusammenfassung
• Anhand der Untersuchungen der Partikelgrößen kann aufgezeigt werden, dass der Einsatz eines geeigneten mechanischen Aufschlussverfahrens, wie hier die „IMPRA-Mühle" das Ausgangssubstrat deutlich zerkleinern kann. So wird im günstigsten Fall der Anteil von Partikeln kleiner als 4 mm von 25% im Rohsubstrat auf über 90% im Produktsubstrat gesteigert. Es konnte festgestellt werden, dass das Mahlergebnis stark abhängig ist von der eingesetzten Sieblochung der Durchgangssiebe, so steigert sich der Anteil von Partikeln kleiner als 2 mm bei der „IMPRA-Mühle" von ca. 40% bei dem größten eingesetzten Sieb auf ca. 70% bei dem Sieb mit der geringsten Lochweite.
• Die als Vergleich herangezogene Grubermühle schafft bei diesen Untersuchungen trotz ihrer letztendlich höheren Effektivität durch Schneidzerkleinerung nur eine Zerkleinerungsleistung, welche ungefähr der „IMPRA-Mühle" mit eingesetztem 25 mm Sieb entspricht. Prallbeanspruchung ist also trotz geringerer Effektivität bezogen auf die Einzelkornzerkleinerung besser zur Herstellung von kleineren Partikeln bei NaWaRos.
• Ein weiterer Vorteil der Prallbeanspruchung, der anhand der Partikelgrößenmessung fassbar wird, ist die stärkere Desintegration des Substrates durch flächigere Krafteinwirkung beim Zerkleinerungsvorgang, der bei einer Schneidzerkleinerung so nicht auftritt. Hierdurch können Zellen aufplatzen und zerstört werden, wodurch Zellwasser sowie gelöste Bestandteile freigesetzt werden.
• Auch anhand der gewonnenen Kenngrößen wie Mittelwert und Zerkleinerungsgrad lassen sich positive Effekte für den Prozess einer Biogasanlage festmachen. Der berechnete Mittelwert x50,3 zeigt, dass die Partikelgröße durch die hier eingesetzte Zerkleinerungstechnik um das Vierfache verkleinert wird, welches der Zerkleinerungsgrad als Kennwert einer Mühle mit einem Wert von 3,8 bei Einsatz des 15er Siebes in der „IMPRA-Mühle" auch bestätigt. Die Faserlängenbestimmung zeigt ein der Partikelgrößenmessung analoges Ergebnis auf. Durch den Zerkleinerungsprozess mit der Hammermühle werden die Faserlängen mehr als halbiert, jedoch kann der Einsatz von kleineren Sieben hier nur geringe weitere Abnahmen erzeugen. Die Länge der Fasern wird also nicht unbedingt durch die Sieblochung beeinflusst, sondern vielmehr durch die erzeugte Prallbeanspruchung. Untermauert wird dieser Punkt zusätzlich durch das Ergebnis der Grubermühle, welche einen Faserwert aufwies, der länger war als das Ausgangsmaterial.
• Die Schneidzerkleinerung der Grubermühle zerkleinert visko-elastisches Material wie NaWaRos entgegen jeder Vermutung schlechter als die Prallbeanspruchung der IMPRA-Mühle.
• Des Weiteren basieren die Ergebnisse der Grubermühle auf einer Einzelbeprobung, während die Ergebnisse der „IMPRA-Mühle" vielfach gemittelte Werte darstellen. Geht man jedoch von den Resultaten der „IMPRA-Mühle" aus, die eine relativ geringe Schwankungsbreite aufwiesen, kann man die Ergebnisse der Grubermühle hier zu Vergleichen heranziehen.
• Anhand der Partikelgrößenmessung und Faserlängenbestimmung kann weiter die spezifische Oberfläche errechnet werden. Diese ist höchst relevant für alle biochemischen Umwandlungsprozesse und Reaktionen beim anaeroben Abbau, da eine bessere Ligandennähe und Reaktionsoberfläche erzeugt wird. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass mit der „IMPRA-Mühle" bei Einsatz des 15er Siebes die besten Resultate erzielt werden, hierbei wird die spezifische Oberfläche nahezu vervierfacht. Größere Sieblochungen führen zu einer geringeren Oberflächenvergrößerung, da die Partikel und Fasern nicht so weit zerkleinert werden.
• Die Grubermühle erzeugte nur die 2,3-fache Oberfläche des Ausgangsmaterials und liegt damit hinter den Ergebnissen der „IMPRA-Mühle" mit 25er Siebeinsatz, obwohl die Mustermühle kleinere Partikel produziert, was grundsätzlich zu einem Anstieg der Oberfläche führen sollte.
• Dieser Effekt hat seine Begründung in der schlechten Faserlängenverkürzung dieser Mühle, denn die Faserlänge geht als Faktor in die Berechnung der spezifischen Oberfläche mit ein.
• Es ist zu erkennen, dass die Faserlängenverkürzung eine deutliche Auswirkung auf die Vergrößerung der spezifischen Oberfläche hat. Die hier eingesetzte Schneidzerkleinerung vermag die Partikel zwar zu zerkleinern, jedoch werden die Fasern nicht verkürzt, sie werden scheinbar nur abgeschabt und durch das Ringsieb gepresst. Die Fasern sind zu elastisch und der Abstand der Schneidkanten der Messer in der Grubermühle ist zu groß, als dass diese verkürzt werden können. Dies lässt den Schluss zu, dass es zur Verbesserung des chemischen und biologischen Angriffs durch die Mikroorganismen nicht nur auf die Partikelzerkleinerung, sondern auch auf die Faserverkürzung ankommt, wenn man davon ausgeht, dass eine vergrößerte spezifische Oberfläche einen schnelleren und besseren Abbaugrad erzielt. Hinsichtlich dieses Schlusses ist also eine Prallbeanspruchung wie die der „IMPRA-Mühle" effektiver als eine Schneidzerkleinerung der Grubermühle und somit als Zerkleinerungsmaschine für den Substrataufschluss in Biogasanlagen vorzuziehen.
• Ein analoges Ergebnis zeigt die Viskositätsmessung auf. Die Vermahlung mit der „IMPRA-Mühle" erzielt eine Halbierung der Viskositäten bei ungefähr gleicher TS. Der Einsatz kleinerer Sieblochungen senkt die Viskosität noch ein wenig weiter, jedoch nicht proportional stark zur Abnahme der Partikelgröße. Hieraus kann wiederum geschlossen werden, dass die Faserlänge ausschlaggebend für die Viskosität der Maische ist, was sicherlich mit dem Verfilzungseffekt längerer Fasern zu begründen ist. Festgestellt werden konnte dies auch in den Versuchen, da sich während der Untersuchung bei den Proben der Grubermühle Fasern um den Rührer wickelten, was bei den Proben der „IMPRA-Mühle" nicht geschah. Die Messungen der Viskosität zeigen, dass ein höherer mechanischer Aufschlussgrad wie durch die „IMPRA-Mühle" die Viskosität stark herabsetzt. Die Zerkleinerung der Partikel und vor allem die Verkürzung der Fasern erhöhen die Fließfähigkeit der Maische deutlich, ein Verhaken und Vernetzen der Partikel im Fluid wird verringert. Dies hat in der Praxis positive Auswirkungen auf die Durchmischungs- und Pumpfähigkeit der Maische, da bessere Fließfähigkeiten mit geringeren Leistungseinträgen zu erwarten sind. So konnten nach Aussage des BGA-Betreibers die Pumpendrücke der Substratförderung durch Einsatz der „IMPRA-Mühle" mehr als halbiert werden. Des Weiteren können Förder- und Pumpaggregate schonender betrieben werden, wodurch ein geringerer Verschleiß und damit längere Standzeiten und Wartungsintervalle zu erwarten sind. Zur Senkung der Viskositäten und der damit einhergehenden Verbesserung der Prozessparameter sollte somit bei mechanischem Aufschluss von Gärsubstraten in Biogasanlagen hauptsächlich eine Faserlängenverkürzung zustande kommen, hierbei hat sich wiederum die Prallbeanspruchung der „IMPRA-Mühle" als effektiver erwiesen.
• Die Messungen des Gaspotentials von roher und mechanisch zerkleinerter Maissilage geschah in drei Versuchsreihen: Die erste Versuchsreihe I untersuchte 7 verschiedene Proben aus unterschiedlichen Vermahlungen. Hieraus resultierte jedoch zunächst kein trendzeigendes Ergebnis. Eine Diskussion der Ergebnisse ließ aber verschiedene Probleme und Lösungen erkennbar werden. Eine Begründung für das zweifelhafte Resultat liegt im Probematerial, welches verschiedenem Rohmaterial entstammte und damit die Proben untereinander zu unterschiedlich waren.
• Diese Einflüsse galt es nun in Versuchsreihe II auszuschalten. Die Proben stammten nun von einem Ausgangsmaterial ab, wurden bis zur Untersuchung nicht gelagert und die Einzelproben wurden jeweils dreifach beprobt, um ein statistisch sichereres Resultat zu erhalten. Als Ergebnis kann nun festgehalten werden, dass die Gaspotentiale der beprobten rohen und vermahlenen Maissilage deutlich differieren.
• Zum einen ist jetzt zu erkennen, siehe 9 und Tabelle 8, dass der anaerobe Abbauprozess und damit die Gasproduktion durch mechanischen Aufschluss stark beschleunigt wird, vermahlene Maissilage erzeugt schon nach 10 Tagen die Biogasmenge, welche von der rohen Maissilage erst nach ca. 20 Tagen erzeugt wird.
• Zum anderen ist ein Gasmehrertrag zu verzeichnen, der sich nach 20 Tagen auf ca. 10% und nach einer Verweilzeit von 60 Tagen auf noch 8,9% beläuft. Darüber hinaus kann festgestellt werden, dass die produzierten Gasmengen bei den Rohsubstratproben stark und bei den mechanisch zerkleinerten Proben sehr gering differieren. Das Streuungsmaß wird durch den Vermahlungsprozess deutlich verringert, es tritt eine Homogenisierung des Substrates ein, welche geringere Schwankungen im Biogasprozess zur Folge hat und diesen positiv beeinflusst.
• In der Versuchsreihe II konnte bewiesen werden, dass ein mechanischer Aufschluss, hier am Beispiel der Substratzerkleinerung mit der „IMPRA-Mühle", es den Mikroorganismen möglich macht, die Organik von NaWaRo's schneller und weiter abzubauen und in Biogas umzuwandeln. Im Rohsubstrat eingeschlossene Nährstoffe werden durch Prallzerkleinerung freigesetzt und Zell- bzw. Pflanzenstrukturen soweit zerstört, dass den Anaerobiern die organischen Bestandteile besser zugänglich gemacht werden. Für den Betrieb einer BGA mit einer derzeitig immer häufiger werdenden Verweilzeit von 20 Tagen im Hauptfermenter bedeutet dies eine Ertragssteigerung von 10%.
• Es konnte in dieser Versuchsreihe eine Biogasproduktion erreicht werden, die bei mechanischer Aufbereitung der Maissilage 86%, des nach Buswell theoretisch möglichen Ertrages von 726 mli.N./g oTS entspricht. Rohe Maissilage erzielt hier nur ca. 79% des möglichen Biogases.
• Die dritte Versuchsreihe III wurde erneut in Anlehnung an Versuchsreihe 11 durchgeführt, wiederum wurde frisches Ausgangsmaterial vermahlen und anschließend auf sein Gaspotential untersucht. Hierbei wurde nochmals der unterschiedliche Gasertrag von unbehandeltem zu mechanisch aufgeschlossenem Substrat geprüft und nachgewiesen.
• Einsatz von Enzymen
• Weiter zum Einsatz kommen können in der Prozessflüssigkeit und als Additiv Enzyme, welche einen Aufschluss des Substrates herbeiführen können. Der enzymatische Aufschluss ist bei der Substratbehandlung in Biogasprozessen ein Verfahren, welches durch Integration in den IMPRASYN-Prozess eine verbesserte Funktion verspricht.
• Unter enzymatischem Aufschluss versteht man die Stoffumwandlung eines Ausgangssubtrates hin zu einem gewünschten Produkt durch eine chemische Reaktion, welche von einem Enzym katalysiert wird. Für verschiedenste Reaktionen gibt es die dazugehörigen Enzyme, welche z. B. hydrolytische Spaltungsreaktionen katalysieren, Proteine durch Hydrolyse abbauen oder auch Polymerisationsreaktionen herbeiführen. Man kann Enzyme verfahrenstechnisch einsetzen, um Ausgangssubstrate auf molekularer Ebene zu desintegrieren beziehungsweise neue für den Prozess dienliche Produkte zu erhalten.
• Ein Enzym ist allgemein ein Protein, welches eine spezifische chemische Reaktion katalysiert. Diese Katalyse funktioniert durch Herabsetzen der Aktivierungsenergie, wodurch es zu einem schnelleren Erreichen des chemischen Gleichgewichtes kommt. Die bei der Substratumwandlung entstehenden Produkte liegen danach frei vor und auch das Enzym liegt anschließend wie jeder Katalysator in seiner Ausgangsform vor, frei verfügbar für weitere Reaktionen. Ursprünglich nutzt die Natur diese Proteine in den Zellen, um den chemischen Umsatz intra- oder extrazellulär zu beschleunigen oder zu ermöglichen.
• Heute können Enzyme jedoch biotechnologisch gezielt hergestellt werden und somit auch gezielt für spezifische Reaktionen eingesetzt werden. Die Wirtschaftlichkeit von Enzymen stellt sich erst seit kurzer Zeit ein, da Enzyme mittlerweile großtechnisch und industriell gefertigt werden können. Sie werden inzwischen vielfach in der Medizintechnik, Nahrungsmittel- und Papierindustrie eingesetzt.
• Beispielhafte Wirkungsweise von Enzymen38. Eine enzymatisch katalysierte Reaktion läuft nach folgendem Schema ab: Enzym + Substrat ↔ Enzym-Substrat-Komplex ↔ Produkt + Enzym
• Für die Reaktion grundlegende Faktoren sind zum einen die räumliche Nähe, damit die katalysierte Reaktion ablaufen kann, zum anderen müssen die Liganden gebunden und immobil vorliegen. Enzyme wirken spezifisch, das heißt, sie können nur eine bestimmte Reaktion katalysieren, des Weiteren ist die Aktivität eines Enzyms von zahlreichen physikalischen und chemischen Faktoren abhängig. Grundlegend beeinflussen die Temperatur, der PH-Wert und das Vorhandensein denaturierender Agentien die Wirkung der Biokatalysatoren.
• Der enzymatische Aufschluss unterliegt folgender Intention. Die in der Biogasproduktion eingesetzten Gärsubstrate sind im NaWaRo-Bereich zu einem hohen Prozentsatz bestehend aus Lignocellulose, einem stützenden und gerüstbildenden Material, welches sich aus Cellulose, Hemicellulose und Lignin zusammensetzt. Sie können überschlägig in einem Verhältnis von 4:3:3 angenommen werden. Cellulosen sind langkettige Polysaccharide bestehend aus gekoppelten Monosacchariden, den Glukosebausteinen. Hemicellulosen sind Heteropolysaccharide, welche nicht nur Glukosebausteinen enthalten, sondern zusätzlich eine Reihe von anderen Zuckern wie Xylose, Mannose, Galaktose und Arabinose. Der Polymerisationsgrad der Hemicellulose (ca. 200) liegt deutlich niedriger als der von Cellulose (ca. 6000–16000) und liegt meist in verzweigter Struktur vor. Lignin ist eine dreidimensional vernetzte, aromatische Kohlenwasserstoff-Verbindung, bestehend aus einer Anzahl monomerer Bausteine, die durch verschiedene, schwer abbaubare Bindungen miteinander verknüpft sind. Lignin dient als Kleber zwischen der Cellulose und Hemicellulose und gibt dem Lignocellulose-Gerüst der Pflanze die Stabilität. Die Cellulose, Hemicellulose und das Lignin können von den Mikroorganismen jedoch nicht oder nur schwer aufgebrochen und verwertet werden und somit kann der Energieinhalt der NaWaRos nicht vollständig ausgeschöpft wer den. Durch den Einsatz spezieller auf die Spaltungsreaktion der Cellulosen angepasster Enzyme ist es möglich, die Polysaccharide zu Oligo- oder Monosacchariden aufzuspalten.
• Diese Oligo- und Monosaccharide sind dann im Gegensatz zu den Polysacchariden meist wasserlöslich und von den Mikroorganismen verwertbar.
• Der in der Cellulose gespeicherte Energieinhalt wird somit freigelegt und den Anaerobiern für ihren Stoffwechsel und somit zur Methanproduktion zugänglich gemacht. Des Weiteren liegen monomere Zucker, teilweise in ein Gerüst aus Lignin und Cellulose eingeschlossen, vor. Diese werden durch den Enzymeinsatz zusätzlich zugänglich für die Mikroorganismen. Koppelt man den mechanischen Aufschluss mit dem enzymatischen, so zeigen sich hier Vorteile: Die mechanisch zerkleinerten Substrate besitzen nach ihrem Aufschluss eine stark vergrößerte spezifische Oberfläche, wodurch es für die Enzyme deutlich einfacher ist ihre Liganden zu erreichen. Die räumliche Nähe, ein grundlegender Faktor für die Funktion von Enzymen, wird verbessert, damit dann die chemische Reaktion eingeleitet werden kann. Ein gekoppelter Aufschluss könnte somit die effektive Energieausbeute bei NaWaRos deutlich steigern.
• Folgende Enzyme sind beispielhaft für den enzymatischen Aufschluss von NaWaRos einsetzbar. Grundsätzlich müssen die gewählten Enzyme in der Lage sein, die drei Bausteine der Lignocellulose in ihre für die Mikroorganismen verwertbaren Untereinheiten zu zerlegen.
• In der papiertechnischen Industrie haben sich für den Lignocelluloseaufschluss vorrangig Cellulasen, Hemicellulasen und Ligninasen bewährt. Cellulasen spalten prinzipiell die 1-4-β-glycosidische Bindung der Cellulose. Diese besteht aus Glukosebausteinen, die über die β-(1-4)-glykosidische Bindung miteinander verknüpft sind. Nach der Reaktion liegen dann einzelne Glukosemoleküle oder verkürzte Celluloseketten vor, welche enzymatisch weiter zerlegt werden können. Speziell kommen bei dieser Reaktion die 1-4-β-Glucanasen zum Einsatz, sie führen die Hydrolyse der Cellulose herbei.
• Hemicellulasen umfassen eine größere Gruppe an Enzymen, da die Zusammensetzung von Hemicellulose aus verschiedenen Monosacchariden besteht. Die Grundstruktur des Polysaccharides besteht überwiegend aus glycosidisch verknüpften Glucose-, Xylose- oder Mannoseeinheiten, jedoch sind zusätzlich an die Hauptkette weitere Zuckerreste wie Galaktose oder Arabinose geknüpft. Um die Hauptkette in die einzelnen Zuckermoleküle spalten zu können, werden hauptsächlich die Enzyme 1-4-β-Glucanase, 1,4-β-D-Xylanase und 1,4-β-D-Mannanase benötigt. Diese Enzyme hydrolysieren die glycosidischen Bindungen des Heteropolysaccharides Hemicellulose und erzeugen damit die monomeren Zuckermoleküle, welche von den Mikroorganismen verwertet werden können. Für den Ligninabbau sind die Ligninasen zuständig. Hier kommen Enzyme wie die Phenoloxidasen, Laccase und Ligninperoxidasen zum Einsatz, sie spalten die unterschiedlichen Bindungen in die Einzelbausteine des vielfach verzweigten Ligninmoleküls. Das biologisch schwer verwertbare Lignin kann so teilweise abbaubar gemacht werden, die Hauptaufgabe des Enzymeinsatzes ist hier jedoch die Auflösung der Ligninvernetzung von Cellulose und Hemicellulose.
• Durch den Einsatz des IMPRASYN-Verfahrens wird das Substrat zerkleinert und bis hin zur zellulären Struktur aufgeschlossen. Es wird die spezifische Oberfläche stark erhöht und Nährstoffe den Mikroorganismen und den Enzymen direkt zugänglich gemacht.
• Daraus resultiert ein deutlich höherer Gasertrag, pro eingesetzter Ausgangssubstratmenge, eine Erhöhung der Biogasmenge pro Zeit, somit wird die Verweildauer der Produktsubstrate/Gärsubstrate in den Fermentern erheblich verkürzt. Es erfolgt ein fast vollständiger Abbau des für die Mikroorganismen verwertbaren organischen Materials.
• Mit dem IMPRASYN-Verfahren wird erstens ein „syn"chrones An"impf"en des Substrates, während des Aufschlussvorganges, der „Prall"zerkleinerung, mit den vorhandenen Bakterienstämmen aus dem Biogasprozess erreicht und zweitens ist ein schneller beginnender anaerober Abbauprozess nach Einbringung des Substrates in den Fermenter und somit auch eine schnellere Methanproduktion möglich. Drittens wird eine homogene Durchmischung des Substrates mit den Bakterienstämmen schon während des Zerkleinerungsprozesses erzielt.
• Ökonomisch bietet die Nutzung des IMPRASYN-Verfahrens, bei bereits installierten Anlagen erheblich verbesserte Nutzung der Fermentervolumina und damit mehr Gas bei gleichem Faulraum und für Neuanlagen, die gleiche Leistung, bei deutlich geringerer Investition im Behälterbau.
• Schließlich werden Sekundäreffekte des IMPRASYN-Verfahrens in einer Biogasanlage erreicht, nämlich, kleinere und homogener Partikelgrößen des Substrates für eine bessere Benetzung mit Flüssigkeit. Schwimmschichtbildungen werden minimiert, da die Substratpar tikel absinken. Zudem erfolgt eine starke Absenkung der Viskositäten des Substrates, wodurch weitere prozessuale Merkmale wie z. B. niedrigere Pumpendrücke mit einhergehender Energieeinsparung, kürzere Rührintervalle bei gleicher Durchmischung und geringerer Verschleiß im Gesamtprozess zu verzeichnen sind.
• Im Ergebnis werden sogar Gas- und Schwimmschichtbildungen im Endlager minimiert, wodurch Absaugen und Ausbringen auf Felder vereinfacht wird.
• Mit dem Verfahren wird eine Optimierung des gesamten Prozessesablaufes in Biogasanlagen durch eine nachhaltige Verbesserung vieler Prozessparameter erreicht. Die Rentabilität von bestehenden Anlagen wird gesteigert und Neuanlagen werden preiswerter. Glossar

  Abbau:	Zerlegung chemischer Verbindungen in einfachere Moleküle
  Abbaubarkeit:	Eigenschaft einer Substanz, durch bestimmte Reaktionen umgewandelt werden zu können
  Anaerobier:	Bakterien des anaeroben Abbauprozesses
  Biogas:	Gasmischung aus den Hauptbestandteilen CH4 und CO2, entsteht durch anaeroben Abbau organischer Substanz; auch Klärgas, Sumpfgas oder Faulgas genannt; durch Verbrennung in Gasmotoren zur Energiegewinnung einsetzbar
  Biogasanlage:	Anlage zur Erzeugung und Verwertung von Biogas
  Biozönose:	Lebensgemeinschaft verschiedener Organismen, meint hier die Symbiose der acetogenen und methanogenen Bakterien des anaeroben Abbaus
  Durchsatz:	verarbeitete/durchgesetzte Menge pro Zeiteinheit
  Erneuerbare Energien:	(Regenerative Energien) Energieträger, die unendlich lange zur Verfügung stehen und sich erneuern, im Gegensatz zu den fossilen Energieträgern, die an begrenzte Stoffvorräte gebunden sind
  Faulraumbelastung:	Kennzahl für die zugeführte Masse an kg oTS pro m3 Fermenter und Tag
  Fermentation:	Gärprozess in einer Biogasanlage, in dem unter anaeroben Bedingungen das organische Material abgebaut wird
  Fermenter:	Behälter, in dem die biologische Umsetzung der Substrate stattfindet; auch Reaktor, Gärbehälter, Faulbehälter
  Hemicellulosen:	Gruppe von Polysacchariden unterschiedlicher Zusammensetzung, die in Pflanzenfasern und Zellwänden von Gräsern, Getreide und anderen höheren Pflanzen vorkommt, v. a. zusammen mit Cellulose und Lignin in der Holz-Zellwand
  HPLC:	High Performance Liquid Chromatography (engl.) oder auch Hochleistungsflüssigkeitschromatographie, die HPLC ist ein Flüssigchromatographie-Verfahren, mit der man Substanzen trennt und diese identifizieren und quantifizieren kann
  Impfsubstrat:	auch Impfschlamm, in den Gärversuchen eingesetztes Material, welches aus einem Faulturm einer Kläranlage stammt und bereits dem Faulungsprozess unterworfen war
  Kraft-Wärme-Kopplung:	Energieerzeugungs- bzw. Umwandlungsverfahren, bei dem gleichzeitig mechanische bzw. elektrische sowie thermische Energie bereitgestellt wird
  lag-Phase:	meint eine Anlauf- oder auch Verzögerungsphase, in der die Bakterien mit dem anaeroben Abbauprozess beginnen
  Liganden:	Ein Begriff aus der Biochemie für ein Molekül, das sich an ein Zielmolekül binden kann, bezieht sich hier auf die Komplexbildung zwischen Enzym und zu spaltendem Molekül
  Lignin:	hochpolymerer Pflanzenstoff, der in verholzenden Pflanzen die Zellmembranzwischenräume füllt (Lignifizierung bzw. Verholzung) und Stützstrukturen wie Cellulose untereinander verbindet
  Maische:	hergestellte Mischung aus Substrat, Gülle, Trübwasser und Zusätzen, bevor sie in den Fermenter gefördert wird
  Nachwachsende Rohstoffe:	stoffliche oder energetisch genutzte, land- und forstwirtschaftlich erzeugte Produkte
  Organische Trockensubstanz:	Anteil der organischen Masse eines Stoffes ohne Wasseranteil, i. d. R. durch Trocknung bei 105°C und anschließendes Glühen bei 550°C ermittelt, auch Glühverlust
  Polymerisationsgrad:	die Anzahl der in einer makromolekularen Kette vereinigten Grundbausteine
  Primärenergie:	Energie in ihrer ursprünglichen, technisch noch nicht erschlossenen bzw. umgewandelten Form
  Silage:	durch Milchsäuregärung konservierte Pflanzenstoffe
  Substrat:	allgemeine Bezeichnung für das zur Vergärung eingesetzte organische Material, aus welchem Biogas erzeugt wird
  Trockensubstanz:	wasserfreier Anteil eines Stoffes nach der Trocknung bei 105°C, nach DIN-Norm eigentlich Trockenrückstand
  Trübwasser:	rezirkuliertes Prozesswasser nach Abscheiden der nicht vergärbaren Bestandteile, beinhaltet in hohem Maße die Bakterienstämme für den anaeroben Abbauprozess
  Verweilzeit:	Zeitspanne, in der das zugeführte Substrat im Fermenter verweilt
  worst-case-Messung:	Erfassen des schlechtesten Ergebnisses einer Messung

• Abkürzungen

• BGA

  Biogasanlage

  H₄

  Methan

  CO₂

  Kohlendioxid

  EEG

  Gesetz für den Vorrang erneuerbarer Energien (Erneuerbare-Energien-Gesetz)

  EU

  Europäische Union

  FCKW

  Fluorkohlenwasserstoffe

  H₂

  Wasserstoff

  HPLC

  High Performance Liquid Chromatography

  i. N.

  im Normzustand

  KWK

  Kraft-Wärme-Kopplung

  NaWaRo

  nachwachsender Rohstoff

  oTS

  organische Trockensubstanz

  TS

  Trockensubstanz

1

Biomasse-Mahlgut [Ausgangssubstrat]

1'

zerkleinertes Biomasse-Mahlgut [Produktsubstrat]

2

Prozessflüssigkeit [Impf-Flüssigkeit]

100

Prallmühle [IMPRA-Mühle]

102

Gehäuse

104

Rotor

106

Hammer/Schläger

108

Mahlkammer

110

Schacht

112

Sieb/Siebrost/Siebkorb

114

Mahlkreis

116

Unterkonstruktion

118

erster Bereich [Düsenbereich]

120

zweiter Bereich [Düsenbereich

124

pendelnde Aufhängung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• - DIN 38414 Teil 248 [0056]
• - DIN 38414 Teil 3 [0058]
• - DIN 4188 [0060]
• - DIN 38414 Teil 8 [0076]
• - VDI 4630 [0076]
• - DIN 38414 Teil 8 [0079]
• - DIN 38414 Teil 8 [0132]

Claims (23)

1. Verfahren zur Konditionierung, insbesondere mechanische Aufbereitung, eines Biomasse-Mahlgutes, als Ausgangssubstrat, zum Einsatz des konditionierten Mahlgutes, als Produktsubstrat, in einem Fermenter einer Biogasanlage, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ausgangssubstrat (1) (Biomassenrezeptur), während einer mechanischen Aufbereitung eine Prozessflüssigkeit (2) zugeführt wird, die den mechanischen oder den mechanischen und einen biochemischen Konditionierungsprozess fördert, wodurch ein Produktsubstrat (1') erhalten wird, welches durch die mechanische Konditionierung, während des nachfolgenden Fermentierungsprozesses, bei vergleichbarer Ausgangssubstratmenge, die Erzeugung einer erhöhten Biogasmenge erlaubt und durch die mechanische und biochemische Konditionierung die Erzeugung der erhöhten Biogasmenge beschleunigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Ausgangssubstrat (1) (Biomassenrezeptur), durch mechanische Aufbereitung und Zuführung von Prozessflüssigkeit (2), eine Zwangs-Nass-Vermahlung durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessflüssigkeit (2) zur Unterstützung der mechanischen Konditionierung Wasser ist oder die Prozessflüssigkeit (2) bei gleichzeitiger mechanischer und biochemischer Konditionierung des Ausgangssubstrates (1) (Biomassenrezeptur), biochemisch wirkende Inhaltsstoffe, wie Impfstoffe in Form von anaeroben Bakterienstämmen und/oder in Form von biochemisch als Katalysatoren wirkenden Enzymen enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessflüssigkeit (2) bei gleichzeitiger mechanischer und biochemischer Konditionierung des Ausgangssubstrates (1) (Biomassenrezeptur), aus Anteilen Wasser und Inhaltsstoffen, wie anaerobe Bakterienstämme und/oder Enzyme durch Zugabe in Form von Additiven gebildet wird, wobei als Additiv ein Rezirkulat aus einem Fermentierungsprozess einsetzbar ist, das bereits anaerobe Bakterienstämme und/oder Enzyme enthält oder die Impfstoffe, wie anaerobe Bakterienstämme und/oder Enzyme in der Prozessflüssigkeit (2) bereits anhalten sind, da als Prozessflüssigkeit (2) Rezirkulat direkt aus einem Fermentierungsprozess verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssubstrat (1) (Biomassenrezeptur) einer Prallzerkleinerung unterliegt und mechanisch zerkleinert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine vorgebbare Partikelgröße und/oder eine vorgebbare Faserlänge, des Produktsubstrates (1') (Biomassenrezeptur), durch Veränderung einer Umfangsgeschwindigkeit, der rotierenden Mahl-/Zerkleinerungswerkzeuge, des Ausgangssubstratdurchsatzes und/oder in Abhängigkeit der Siebart und Sieblochung eines Siebkorbes (112) einer Prallmühle (100) eingestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Prallzerkleinerung ein Produktsubstrat (1') (Biomassenrezeptur), mit einer geringen Partikelgröße und/einer verkürzten Faserlänge erzeugt wird, wodurch eine größere spezifische Oberfläche des Produktsubstrates (1') erreicht wird, wodurch der biochemische Stoffwechsel im nachfolgenden Fermentierungsprozess angeregt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Prallzerkleinerung des Ausgangssubstrates (1) (Biomassenrezeptur), ausgehend von einem Ausgangssubstrat (1) mit Substrat-Partikeln von circa bis zu 25% kleiner als 4 mm, ein Produktsubstrat (1') mit Substrat-Partikeln von circa bis zu 90% kleiner 4 mm mechanisch aufschließbar ist, wodurch die Benetzungsfähigkeit des Produkt substrates (1') mit Prozessflüssigkeit (2) erhöht und die Schwimmschichtenbildung des Produktsubstrates (1') in dem nachfolgenden Fermentierungsprozess reduziert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Prallzerkleinerung des Ausgangssubstrates (1) (Biomassenrezeptur), eine Homogenisierung der Partikelgröße des Produktsubstrates erreicht wird, wodurch die Fließfähigkeit, des mit der Prozessflüssigkeit (2) versetzenden Produktsubstrates erhöht beziehungsweise deren Viskosität erniedrigt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Prallwirkung eine flächige Krafteinwirkung auf die Partikel und/oder Fasern des Ausgangssubstrates (1) (Biomassenrezeptur), erreicht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Prallzerkleinerung des Ausgangssubstrates (1) (Biomassenrezeptur) ein hoher Aufschlussgrad durch Desintegration des Ausgangssubstrates (1) bis hin zum zellularen und/oder molekularen Aufschluss vorgenommen wird, so dass ein effektiver, biochemischer Stoffwechsel des Produktsubstrates (1') im nachfolgenden Fermentierungsprozess ermöglicht wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zellular und/oder molekular aufgeschlossene Produktsubstrat (Biomassenrezeptur), (1') in dem sich anschließenden Fermentierungsprozess für Anaerobier und Enzyme angreifbarer wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung von Prozessflüssigkeit (2), je nach Art des Ausgangssubstrates (Biomassenrezeptur), in einem Verhältnis der Menge des Ausgangssubstrates (1) zur Prozessflüssigkeit (2) variabel ist und in einem Bereich von • einer größten Konzentration – Trockensubstanz (TS) des Ausgangssubstrates (1) im Verhältnis zur Prozessflüssigkeit (2) 60:40 [TS:Flüssigkeit] bis zu • einer geringsten Konzentration – Trockensubstanz (TS) des Ausgangssubstrates (1) im Verhältnis zur Prozessflüssigkeit (2) 10:90 [TS:Flüssigkeit] eingestellt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Inhaltsstoffe – Impfstoffe – wie anaerobe Bakterienstämme und/oder Enzyme als Katalysatoren in der Prozessflüssigkeit (2) einen Trockensubstanzanteil (TS) von 0% bis zu 10% aufweisen.
15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur für die Prozessflüssigkeit (2) zwischen 5°C und 70°C eingestellt wird.
16. Prallmühle mit einem Gehäuse und einem ein Biomasse-Mahlgut als Ausgangssubstrat aufnehmenden Siebkorb, in dem rotierende Mahl-/Zerkleinerungswerkzeuge, fixiert in einem Rotor mit variabler Drehzahl zur Konditionierung des Ausgangssubstrates zu einem Produktsubstrat, insbesondere zur mechanischen Aufbereitung, angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein geschlossener Siebkorb (112) mit einem Einfüllschacht (110) angeordnet ist, der eine Mahlkammer (108) mit einem das Ausgangssubstrat (1) (Biomassenrezeptur), zwangskonditionierenden Mahlkreis (114) ausbildet, wobei das Produktsubstrat (1') nur durch Passieren des Siebkorbes (112) die Mahlkammer (108) verlässt und der Mahlkammer (108) während der Zwangskonditionierung von innen oder innen und außen Prozessflüssigkeit (2) zuführbar ist.
17. Prallmühle (100) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessflüssigkeit (2) über einen ersten Düsenbereich (118) ins Innere der Mahlkammer (108) und über einen zweiten Düsenbereich (120) von außen an die Mahlkammer (108) bringbar ist.
18. Prallmühle (100) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallmühle (100) zur mechanischen Aufbereitung des Ausgangssubstrates (1) durch eine Prallzerkleinerung, um eine Achse relativ zu dem statisch angeordneten Siebkorb (112) rotierende Mahlwerkzeuge, insbesondere Prallhämmer oder Prallschläger (106), aufweist, die gemäß der Umfangsgeschwindigkeit (Rotor-Drehzahl und Rotor-Durchmesser) einen entscheidenden Erfolg der Zerkleinerung zwischen 75 und 145 m/sec. gewährleisten.
19. Prallmühle nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der gewünschten Substrat-Partikelgröße des Produktsubstrates (1') die Umfangsgeschwindigkeit, die Anzahl der Prallhämmer oder Prallschläger (106), sowie die Durchsatzmenge des Ausgangssubstrates (1) veränderbar sind.
20. Prallmühle (100) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der gewünschten Substrat-Partikelgröße und des Produktsubstrates (1') (Biomassenrezeptur) verschieden geformte Öffnungen im Siebkorb (112) durch auswechselbare Siebe bzw. Roste mit vorgebbaren Öffnungsflächen vorgesehen sind.
21. Prallmühle (100) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der gewünschten Substrat-Partikelgröße und des Produktsubstrates (1') eine kreisrunde Sieblochung des Siebkorbes (112) von 15 bis 25 mm vorgebbar ist, gleichwohl aber auch verschiedenen Formen eines Streckmetalles verschiedener Größen vorgebbar sind.
22. Prallmühle (100) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Düsenbereich (118, 120) auch zur Zuführung von Reinigungsflüssigkeit dient, so dass mindestens einer der Düsenbereiche (118, 120) für Reinigungszwecke bei stehender und/oder laufender Prallmühle (100) einsetzbar ist.
23. Verwendung einer Prall- oder Hammermühle (100) nach einem der Ansprüche 16 bis 22 zur Konditionierung eines, als Ausgangssubstrat (1) (Biomassenrezeptur), in die Prall- oder Hammermühle (100) einbringbaren Biomasse-Mahlgutes (1, 1'), zur Durchführung eines Verfahrens, nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wodurch ein Produktsubstrat (1') erhalten wird, welches, während des nachfolgenden Fermentierungsprozesses, bei vergleichbarer Ausgangssubstratmenge, die Erzeugung einer erhöhten Biogasmenge, die vorgenannten Energieeinsparungen und eine erhöhte Faulraumbelastung erlaubt.