DE102008033049B4

DE102008033049B4 - Biogasanlage zur anaeroben und einer elektrodynamischen Behandlung von Substraten mittels eines kaskadierten Biogasreaktors

Info

Publication number: DE102008033049B4
Application number: DE102008033049A
Authority: DE
Inventors: Heinz Harrendorf
Original assignee: Harrendorf Heinz Dipl-Ing 30539
Current assignee: Harrendorf Heinz Dipl-Ing 30539
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2011-07-07
Anticipated expiration: 2028-07-15
Also published as: DE102008033049A1

Abstract

Verfahrung zur Erzeugung von Biogas, dadurch gekennzeichnet, dass organische Substanzen zerkleinert und in einem Vorbehälter mit Mischwerkzeugen unter Zufuhr von Wasser sowie der Einspeisung von abgebauten Gärsubstrat zu einer Suspension aufbereitet werden, die Suspension in einen zweistufigen Biogasreaktor in den Prozessraum der erste Stufe eingespeist und hier anaerob im mesophilen oder thermophilen Temperaturbereich behandelt wird, – wobung Impulsen von elektrischen und magnetischen Feldern ausgesetzt wird, die Suspension nach vorgegebener Verweilzeit in der ersten Stufe in den Prozessraum der zweiten Stufe strömt und hier anaerob im mesophilen oder thermophilen Temperaturbereich behandelt wird, – wobei die Suspension in der Zone einer Schlaufenströmung Impulsen von elektrischen und magnetischen Feldern ausgesetzt wird, das im Prozessraum der ersten Stufe gebildete Biogas in den Kreislauf der Schlaufenströmung der Suspension der zweiten Stufe eingetragen wird und die Suspension in der ersten und zweiten...

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage mit einem zweistufigen Biogasreaktor zur anaeroben, elektrischen und der magnetischen Behandlung von organisch belasteten Abwasser sowie organischer Substrate.
Zur Realisierung der verschärften Grenzwerte für die Einleitung von Abwasser und der Auflagen für den Klimaschutz wurde ein Verfahren mit einem neuartigen Biogasreaktor entwickelt.
Stand der Technik
Der anaerobe Abbau von organischen Molekülen erfolgt durch verschiedene Bakteriengruppen in vier Stufen, und zwar in der Hydrolyse, der Acidogenese, der Acetogenese und der Methanogenese.
In den einzelnen Phasen der Prozessstufen werden die molekularen organischen Substanzen abgebaut und in letzter Instanz zu CH₄, CO₂, und H₂S umgewandelt.
Für die Behandlung organischer Substrate sind unterschiedliche Verfahren und Reaktoren entwickelt worden, die kurz aufgezeigt werden.
Bei dem Patent DE 31 02 739 C2 handelt es sich um einen anaerob arbeitenden Kaskasdenreaktor mit einen festen Raumverhältnis der Säure- und Methanstufe, jedoch ist in den beiden Prozessstufen eine Umwälzung des Substrates nicht vorgesehen.
Da die Reaktionsräume unten vollständig offen sind, kommt es bei der Behandlung von Abwasser oder organischer Substrate zu Kurzschlussströmungen und zu keiner Einstellung der aufgezeigten pH-Werte.
Bei dem Patent DE 34 27 976 C2 handelt es sich um einen Anaerob-Reaktor mit einer Hydrolyse- und Versäuerungsstufe sowie der Methanbildungsstufe, wobei das Gärsubstrat in der ersten Stufe durch thermischen Auftrieb und in der zweiten Stufe durch Gaseinpressung umgewälzt wird.
Es hat sich gezeigt, dass in den Prozessräumen eine ideale Mischung des Gärsubstrates nicht möglich ist und die Tendenz einer Pfropfenströmung auftritt.
In der Offenlegungsschrift DE 37 09 690 690 A1 wird ein Biogasreaktor mit Trägerkörpern und einem externen Umwälzkreislauf mit Auffangbehälter aufgezeigt.
In dem Patent US 4,252,901 A wird ein Fermenter mit integrierten Magnetkopf dokumentiert, wobei das Element zur Bildung einer reaktiven Zone unterhalb des Substratspiegels angeordnet ist, jedoch fehlen die Umwälzvorrichtungen.
Bei dem Patent DE 10 2005 024 886 B3 handelt es sich um eine Biogasanlage mit einen Rührkesselfermenter sowie einem externen Magnetrückhaltesystem und einem Zwischenlagerbehälter.
In den Prozessraum des Fermenters werden magnetische Eisen-Partikel eingebracht und ablaufende mikrobielle Biomassen teilweise zurückgeführt.
In der Druckschrift WO 2007/006269 A1 wird eine allgemeine Behandlung von Biomasse oder von Klärschlamm aufgezeigt, wobei das Verfahren mittels schwacher magnetischer Felder in einem Hohl- oder Faulraum erfolgt.
Eine Behandlung der Biomassen oder Klärschlamm durch elektrische Felder ist nicht vorgesehen. Das Verfahren ist für die Hygenisierung und Reinigung von Substraten entwickelt worden.
Bei der Patentschrift EP 223 110 A1 handelt es sich um ein anaerob arbeitenden Rührkesselreaktor, wobei das Substrat und die Mikroorganismen in rohrförmigen Apparaten oder Vorrichtungen durch elektrische Felder mittels abwechselnder und unterschiedlicher sowie umpolbarer Spannungen von mindestens 3500 Volt/cm behandelt werden.
Die Apparate sind mit elektrischen Platten ausgerüstet und in externen Kreisläufen angeordnet. Eine Behandlung des Substrates und der Bakterien mittels magnetischer Felder ist nicht vorgesehen.
In der Patentschrift DE 103 22 119 A1 wird ein Verfahren zur Behandlung von Mikroorganismen und Substraten mittels der Schwebung von magnetischen Feldern aufgezeigt, wobei eine Frequenz von 16,4 Hz bis 108,9 Hz zugrunde gelegt wurde.
Die Bioresonanzeinheiten für die Schwebung werden in einem Fermenter schwimmend angeordnet.
Bei der Erfindung gemäß DE 199 55 219 A1 erfolgt eine Zerkleinerung der Zellen von Biomassen oder Klärschlamm in einer Vorrichtung durch elektromagnetische Felder, wobei die Frequenz in den Erregerspulen 1 Hz bis 1000 Hz beträgt.
Die Biomassen oder der Klärschlamm werden bei dem Durchfluß in der Vorrichtung weder anaerob noch elektrisch behandelt.
Bei der Druckschrift DE 37 08 755 A1 handelt es sich um einen Reaktor mit Pfropfenströmung, wobei das Substrat und die Mikroorganismen bei dem Durchfluß mittels elektrischer Impulse in dem Fermenter behandelt werden.
Die elektrische Behandlung des Substrates erfolgt in einer Vorrichtung mit einem Labyrinthsystem durch Elektroden, welche plattenförmig ausgebildet sind.
Die Behandlung des Substrates und der Mikroorganismen mit magnetischen Elementen ist nicht vorgesehen ist.
In der Patentschrift Japan 2001352870 A soll nach den bisherigen Erkenntnissen eine Kontrolle der Zellen von Mikroorganismen zwischen der acidogenen und methanogenen Phase bei einem dielektrophoretischen Verfahren erfolgen
In der Gebrauchsmusterschrift DE 20 2005 021 412 U1 wird ein Fermenter zur Erzeugung von Biogas aufgezeigt, wobei der Gärraum als Ringraum mit einem Kernraum ausgebildet wurde. Die beiden Prozessräume sind mittels einer Pumpeinrichtung verbunden und haben einen gemeinsamen Gasraum.
Die Einspeisung der Rohstoffe erfolgt in den äußeren Gärraum, wobei für eine kreisförmige Umwälzung des Substrates die Rührwerke in dem Ringraum asymmetrisch angeordnet sind.
Aufgabe der Erfindung
Die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden; erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 bis 24 gelöst.
Es ist bekannt, dass Mikroorganismen Substanzen optimal umwandeln, wenn diese als molekulare Verbindungen vorliegen sowie die Stoffe im Substrat in Lösung gegangen sind oder die Partikel mit einer Größe zwischen 10 μm und 100 μm zur Verfügung stehen.
Für die anaerobe Behandlung organischer Rohstoffe ist es deshalb erforderlich, dass die heterogenen Substanzen zu einer Suspension aufbereitet werden.
Die Herstellung einer Suspension erfolgt in einer Aufbereitungsanlage, wobei die Energiepflanzen Mais, Getreide, Gras usw. mittels Walzenmühlen, Vibrations-Kolloidmühlen oder Extrudern zerkleinert und in einem Behälter unter der zusätzlichen Dosierung von Wasser homogenisiert werden.
Für die Aufbereitung der organischen Substanzen ist es von besonderer von Bedeutung, das diese mit dem Gärsubstrat gemischt werden, um durch ein günstiges Verhältnis der Kohlenstoff- und Stickstoffverbindungen eine hohe Abbaubarkeit der Stoffe in einen Bereich von C/N mit 20 bis 35 zu erzielen. Durch eine weitgehende Rückführung des abgelaufenen Gärsubstrates wird sowohl die organische als auch die bakterielle Biomasse in dem Biogasreaktor aufkonzentriert.
Eine Kofermentation mit Substanzen aus einer Mischung von Energiepflanzen, sowie einem Substratanteil von Schweinegülle, organisch belastetem Abwasser oder die Verwertung von Algen ist für eine hohe Gasbeute der organischen Substanzen daher von erheblichen Vorteil.
Um eine hohe Leistungsfähigkeit des entwickelten Biogasreaktors zu erzielen, ist es erforderlich, dass für die Stoffübertragung und der Stoffumwandlung von molekularen Verbindungen die aufbereiteten, organischen Stoffe der Suspension ideal gemischt und mit einem Trockenstoffgehalt von 8% bis 12% in den Fermenter eingespeist werden.
Ein ideales Mischverhalten des Gärsubstrates ist durch die optimale Anordnung von Mammutpumpen in dem zweistufigen Biogasreaktor realisierbar, wobei die Substanzen durch Gaseinpressung in einer Aufströmung und in einer Abströmung nach dem Schlaufenprinzip schonend umgewälzt werden. Hierbei sind die Mammutpumpen am Kopfende mit einer konzentrischen Erweiterung ausgeführt, um im Bereich des Flüssigkeitsspiegels die Geschwindigkeit des Gärsubstrates herabzusetzen, sodass bei unausgeglichenen Nährstoffgehalten des Substrates einer Schaumbildung entgegen gewirkt wird.
In der Zweiphasenströmung der Substratumwälzung werden durch die erzeugten Phasengrenzflächen und der Charakteristik der Verweilzeit, die Prozesse für den Stoffübergang und der Stoffumwandlung in der Geometrie der Prozessräume des Reaktors entscheidend beeinflusst.
Es ist bekannt, dass die Leistung eines Biogasrektors durch niederfrequenten Wechelstrom wesentlich gesteigert werden kann, wobei die Ergebnisse bereits 1952 in Deutschland gewonnen wurden.
Für diesen Aspekt sind in erster Linie Magnetbakterien der Gattung Rhodospirillaceae maßgebend.
Darüber hinaus wurde entdeckt, dass Magnetbakterien in der Zelle Magnetosomenkristalle aufweisen und Magnetosomenproteine ein Bestandteil jener Membranhülle ist, die die Magnetkristalle umschließt, d. h., oszillierende elektrische Felder und magnetische Schwingungen können die Mikroorganismen so beeinflussen, dass biochemische Reaktionen beschleunigt und verstärkt werden.
Elektrostatische Wechselwirkungen beruhen auf den Ladungsdifferenzen der Moleküle, sodass durch diese Elektronegativität umliegende Verbindungen beeinflusst werden.
Auch die Bewegungen der Elektronen, die ein Atomkern eines Elementes in einem Molekül umgeben, sind entscheidend von der Lage der Atome in den Molekülen abhängig.
Diese Bewegungen erzeugen ein lokales Magnetfeld, welches dem statischen Magnetfeld so entgegen wirkt, dass es zu einer Änderung der Resonanzfrequenz bzw. einer chemischen Verschiebung kommt. Es ist hierbei bemerkenswert, dass ein Elektron durch die Eigenrotation (Spin) ein magnetischen Dipol besitzt und durch die rotierende elektrische Ladung ein Kreisstrom erzeugt wird, der für eine magnetische Resonanz die Basis bildet.
Zur Aktivierung der Ladungsträger in den komplexen Molekülen des Substrates sowie einer Resonanz in den Mikroorganismen sind elektrostatische Wechselwirkungen und magnetische Schwingungen von entscheidender Bedeutung, insbesondere wird die chemiosmotische Kopplung beeinflusst.
Ein besonderes Merkmal ist die Leitfähigkeit von Abwasser und der Suspension, die je nach Art der Substanzen in einem Bereich von 2 mS/cm und 20 mS/cm liegt.
Bei Anlegung einer Spannung fließt im Substrat ein elektrischer Strom nach dem ohmschen Gesetz.
Durch die Anwendung des Hall-Effektes kann in einem leitenden Substrat eine elektrische Spannung induziert werden, wobei diese durch die gruppierte Anordnung von elektrischem und magnetischen Vorrichtungen mittels Elektroden abgegriffen wird.
Für die erzeugte Hallspannung ist die Konzeption eines MHD-Generators maßgebend, welcher nach dem magnetohydrodynamischen Prinzip arbeitet.
Nach der theoretisch aufgestellten Gleichung beträgt die Hallspannung: U_H = I·B·R_H·b^–1 (Volt)
Zwischen den Elektroden, die im Bereich des Gärsubstrates angeordnet sind, fließt Strom gemäß der Faradayschen Gesetze, der bei einer ausreichender Gruppierung von Elektroden und Dauermagneten das Wasser im Substrat zersetzt und dadurch die Gase Wasserstoff und Sauerstoff an den Elektroden bzw. an den Kathoden und Anoden aufsteigen.
Bei diesem Verfahren handelt es sich um die Elektrolyse von Wasser durch elektrischen Gleichstrom nach der Reaktionsgleichung: 4H₃O⁺ + 4OH^– → 2H₂ + O₂ + 6H₂O
Mittels der Impulse von Gleichstromfeldern entstehen Poren in der Membrane einer Zellwand von Mikroorganismen, wobei Moleküle eines Gärsubstrates in einem Magnetfeld polarisiert werden. Durch die gebildeten Poren werden Ionen und abgespaltene Moleküle in die Zelle der Mikroorganismen geschleust und verändern dadurch die Ionenkonzentration und den pH-Gradienten.
Die Stoffwechselleistung der Bakterien wird durch die dargestellte Elektroporation gesteigert, das Wachstum beschleunigt und bei optimaler Einstellung der Impulse die Zellsterblichkeit reduziert.
Die elektrischen Felder werden durch einen Impulsgenerator mit Gleichstrombetrieb und Leistungsverstärker erzeugt und mittels der Elektroden, welche zwischen Permanentmagnete angeordnet sind, über ein Dielektrikum oder unmittelbar auf die Mikroorganismen und Substanzen des strömenden Gärsubstrates übertragen.
Nach bisherigen Erkenntnissen sind Gleichstromimpulse mit einem Rechtecksignal bei der Feldstärke von 20 bis 600 Volt, einer Sequenz von 10 bis 1000 Pulse/s, einer Pulsbreite von 10 μs bis 1000 μs sowie einer Zykluszeit von 10 μs bis 10 ms effektive Werte für die Mikroorganismen und Substanzen. Die optimale Einstellung der Spannung, der Pulssequenz, der Pulsbreite und der Zykluszeit mit einem variablen Tastverhältnis, erfolgt mittels einer Fuzzy-Logic-Regelanlage oder eines Computers.
Das variable Tastverhältnis wird hierbei in Abhängigkeit der Leitfähigkeit des Gärsubstrates in den Prozessräumen eingestellt, wobei für das Programm die Erkenntnisse aus den Durchläufen in den Messprotokollen maßgebend sind.
Bei optimaler Einstellung der elektrischen Parameter wird durch eine Senkung des Redoxpotentials die maximale Nutzbarkeit der freien Energie im Gärsubstrat wesentlich verbessert und die Tendenz von molekularen Verbindungen zur Abgabe von Elektronen erhöht.
Die gruppierten Dauermagnete sollten ein Energieprodukt (B × H) von 200 kJ/m³ und eine Remanenz von mindestens 1000 mTesla sowie eine Koerzitivfeldstärke (H_c) von 800 kA/m aufweisen.
Für eine hochgradige Reaktion der Stoffe sowie einer Resonanz der Mikroorganismen sind besonders elektromagnetische Impulse wirksam, welche mittels elektrischer Spulen mit integrierten Magnetkern über ein Dielektrikum oder mittelbar in das Gärsubstrat gestrahlt werden.
Die Magnetspulen werden mit pulsierenden Gleichstrom betrieben und sollten eine Flussdichte (B) zwischen 600 mTesla bis 3000 mTesla aufweisen.
Der Gleichstrom wird mittels eines Impulsgenerators mit Leistungsverstärker erzeugt oder die Felder durch eine elektronische Schaltungsanordnung mit Kondensatorbatterie und Schutzdrossel induziert. Die magnetischen Felder werden mittels einer gruppierten Batterie von Elektromagnetspulen, welche zwischen Elektroden angeordnet sind, über ein Dielektrikum oder unmittelbar auf die Mikroorganismen und Substanzen in das strömende Gärsubstrat übertragen.
Wirksame magnetische Felder werden durch Gleichstrom mit trapezförmiger Flanke, Pulsspannungen von 20 bis 250 Volt, Pulsbreiten von 10 μs bis 100 ms, Pulssequenzen von 100 bis 4000 Pulse/s und einer Zykluszeit in einem Bereich von 10 μs bis 100 ms erzielt.
Die optimale Einstellung der Parameter für die elektrischen und die magnetischen Impulse sowie der Zykluszeit mit einem variablen Tastverhältnis, erfolgt mittels einer Fuzzy-Logic-Regelanlage oder eines Computers.
Das variable Tastverhältnis wird hierbei in Abhängigkeit der Leitfähigkeit des Gärsubstrates in den Prozessräumen eingestellt, wobei für das Programm die Erkenntnisse aus den Durchläufen in den Messprotokollen maßgebend sind.
Da es sich bei einer Gärung um anaerobe Redoxprozesse an Kohlenstoffverbindungen handelt, kann durch Redoxreaktionen in der Cytoplasmamembran von Bakterien ein Protonengradient aufgebaut werden, d. h., dass es zu einer Elektronentransportphosphorylierung kommt.
Unter den aufgezeigten Aspekten stellen sich in dem Milieu des Substrates optimale Bedingungen für eine große Leistung der Mikroorganismen ein, sodass ein hoher Abbaugrad der Stoffe erreicht wird.
In biochemischen Reaktionen ist Sauerstoff der wichtigste Elektronenakzeptor, insbesondere, da durch die paramagnetische Eigenschaft des Gases die Prozesse verstärkt ablaufen.
Für die kinetische Reaktion einer Elektronenaufnahme ist die Strömung des Gärsubstrates im Bereich magnetischer Felder durch die Anordnung von gruppierten Magneten maßgebend.
Obwohl Sauerstoff die Methanbakterien schädigt, wird bei einem dosierten Eintrag von molekularem Sauerstoff oder Luft das Wachstum der obligaten Desulfurikanten in dem Gärsubstrat gehemmt und die Produktion von Schwefelwasserstoff (H₂S) unterbunden.
Für die Hemmung der Schwefelbakterien ist es relevant, dass durch den Eintrag des Gases O₂ sich eine Sauerstoffkonzentration von maximal 0,1 mg/l in dem Gärsubstrat eingestellt.
Durch unmittelbare Elektronenaufnahme ist der Eintrag von Sauerstoff mit einer geringeren Menge erforderlich, d. h., dass die Stoffwechselleistungen der Methanbakterien nicht gemindert werden. Aufgrund der elektrodynamischen Prozesse wird die Bildung von Wasserstoffperoxid (H₂O₂) oder Superoxid (O₂ ^–) in den Prozessräumen blockiert und Zellbausteine für Mikroorganismen nicht zerstört.
Die Erzeugung von Methangas mit Wasserstoff als universelles Substrat sowie als Quelle für Kohlenstoff und Elektronenakzeptor ist gebildetes Kohlendioxid ein energetischer Vorteil.
Die erhöhte Produktion von Methangas aus Wasserstoff und Kohlendioxid erfolgt in der ersten Stufe des anaeroben Verfahrens gemäß folgender Gleichung: 4H₂ + CO₂ → CH₄ + 2H₂O – 135,4 kJ/mol
Die in der ersten Stufe des zweistufigen Biogasreaktors gebildeten Gase Wasserstoff und Kohlendioxid werden in die zweite Stufe eingeführt, insbesondere, um die Gase fast vollständig in Methangas umwandeln.
Der energetische Vorteil zur Produktion von Methangas basiert auf der vorwiegenden Erzeugung von Wasserstoff in der ersten Stufe des anaeroben Verfahrens.
Die Hydrolyse- und Versäuerungsphase muss in dem zweistufigen Biogasreaktor deshalb mit einer hydraulischen Verweilzeit zwischen 12 und 36 Stunden betrieben werden.
Für die vorwiegende Erzeugung von Wasserstoff in der ersten Stufe des zweistufigen Biogasreaktors ist die Einstellung eines pH-Wertes zwischen 5,0 und 5,6 in dem Prozessraum erforderlich.
Bei einem Absinken des eingestellten pH-Wertes im Prozessraum der ersten Stufe wird Gärsubstrat aus dem Prozessraum der zweiten Stufe eingespeist.
Aufgrund der neuen Technologien kann eine Gasausbeute der Substanzen in dem Biogasreaktor mit 600 m³/t oTS bis 1200 m³/t oTS erwartet werden, wobei der Methangehalt etwa 65%–85% und der Kohlendioxidgehalt etwa 35%–15% des Gases beträgt.
Die Methanqualität des Biogases ist in erster Linie von der Zusammensetzung der organischen Stoffe und molekularer Verbindungen in dem Substrat abhängig.
In der 1 ist das Schaltschema einer Biogasanlage mit vertikalen Schnitt durch den zweistufigen Biogasreaktor und den Mammutpumpen mit integrierten Wärmetauschern im Prozessraum der ersten Stufe und im Prozessraum der zweiten Stufe sowie die Aufbereitung der Rohstoffe und die Mischung des Abwassers in dem Verfahrens dargestellt.
In der 2 ist das Schaltschema einer Biogasanlage mit vertikalen Schnitt durch den zweistufigen Biogasreaktor und den Mammutpumpen mit separaten Wärmetauschern im Prozessraum der ersten Stufe und im Prozessraum der zweiten Stufe sowie die Aufbereitung der Rohstoffe und die Mischung des Abwassers in dem Verfahren dargestellt.
In der 3 ist ein Biogasreaktor in einem horizontalen Schnitt mit den Mammutpumpen und den Wärmetauschern in dem ersten und zweiten Prozessraum gemäß der 1 dargestellt, wobei die die Mammutpumpen mit integrierten Wärmetauschern im zweiten Prozessraum ersichtlich sind.
In der 4 ist ein Biogasreaktor in einem horizontalen Schnitt mit den Mammutpumpen und den Wärmetauschern in dem ersten und zweiten Prozessraum gemäß der 2 dargestellt, wobei die separat angeordneten Wärmetauscher im ersten und zweiten Prozessraum ersichtlich sind.
In der 5 ist eine Begasungsvorrichtung mit einem oberen Ausschnitt des Begasungstellers und vertikalen Schnitt durch das Modul der gruppierten Anordnung und Ausrichtung der Elektroden und Dauermagnete und der geschlossenen Gaskammer für den Prozessraum 2 gemäß der zweistufigen Biogasanlage nach 1 dargestellt.
In der 6 ist eine Begasungsvorrichtung mit einem oberen Ausschnitt des Begasungstellers und vertikalen Schnitt durch das Modul der gruppierten Anordnung und Ausrichtung der Elektroden und Dauermagnete und der geschlossenen Gaskammer für den Prozessraum 4 gemäß der zweistufigen Biogasanlage nach 1 dargestellt.
In der 7 ist eine Begasungsvorrichtung mit einem oberen Ausschnitt des Begasungstellers und vertikalen Schnitt durch das Modul der gruppierten Anordnung und Ausrichtung der Elektroden und Magnetkernspulen und der geschlossenen Gaskammer für den Prozessraum 2 gemäß der zweistufiggen Biogasanlage nach 2 dargestellt.
In der 8 ist eine Begasungsvorrichtung mit einem oberen Ausschnitt des Begasungstellers und vertikalen Schnitt durch das Modul der gruppierten Anordnung und Ausrichtung der Elektroden und Magnetkernspulen und der geschlossenen Gaskammer für den Prozessraum 4 gemäß der zweistufiggen Biogasanlage nach 2 dargestellt.
Gemäß der 1 werden die aufzubereitenden Energiepflanzen über die Dosiervorrichtung 44 in der Walzenmühle 43 zerkleinert und mittels der Förderschnecke 73 direkt in den äußeren Kreislauf einer Maischanlage eingespeist.
Das Substrat der Maischanlage wird im äußeren Kreislauf mittels der Pumpe 76, der Rohrleitung 75 über das Schraubenspindelaggregat 74 umgewälzt und homogenisiert.
Die Herstellung einer Suspension erfolgt mittels geeigneter Mischwerkzeuge im Maischbehälter 45, wobei den organischen Stoffen Wasser über das Magnetventil 46 zudosiert wird, um einen optimalen Trockenstoffgehalt für die Behandlung der Suspension einzustellen.
Darüber hinaus wird abgebautes Gärsubstrat aus dem Behälter 102 mittels der Pumpe 101 angesaugt und durch die Rohrleitung 100 in den Maischbehälter 45 zurückgeführt.
Bei einem Betrieb mit Kofermentation wird zusätzlich der Suspension aus dem Behälter 45 Abwasser oder Gülle aus dem Behälter 47 mittels der Pumpen 78 und 80 in den Injektor 82 gespeist und das dort gemischte Substrat über die Rohrleitung 83 in den Prozessraum 2 des Biogasreaktors gepumpt. Die Einspeisung des Substrates erfolgt in den Prozessraum 2 durch das zentral angeordnete Rohr in dem doppelwandigen Rohr 41 und der Düse 39.
In dem Prozessraum 2 sind die Mammutpumpen 51 ohne Wärmetauscher angeordnet, da durch den Wärmefluss über die zylindrische Wand 9 die Einstellung einer Temperatur im Prozessraum 2 nicht erforderlich ist.
In dem Prozessraum 4 erfolgt eine Einstellung der Temperatur mittels der Wärmetauscher 15.
Für die kreisförmige Umwälzung des Gärsubstrates in dem Prozessraum 2 wird Biogas aus dem Gasraum 3 mittels des Verdichters 12 angesaugt und über die Rohrleitung 85 durch den Ringraum des Doppelrohres 41 in die Gaskammern 57, welche unterhalb der Mammutpumpen gemäß der 5 angeordnet sind, gedrückt.
Die zylindrischen Mammutpumpen 51 sind am Kopfende mit einer konzentrischen Erweiterung 50 bestückt, um eine Schaumbildung im Gasraum 3 zu verhindern.
Im unteren Bereich sind die Mammutpumpen 51 mit der konzentrischen Reduzierung 55 ausgeführt, um eine Begasungsvorrichtung mit den Modulen der Elektroden 65 und 67 sowie den Dauermagneten 66 und 68 integrieren zu können.
Da der Biogasreaktor nach dem Durchlaufprinzip arbeitet, strömt die gleiche Menge Gärsubstrat des eingespeisten Substrates durch die Schlitze 92, welche oberhalb des Kegelbodens 93 angeordnet sind, in den Prozessraum 4.
Im Prozessraum 4 sind die Mammutpumpen 11 mit den Wärmetauschern 15 ausgerüstet, welche über die Heizungsleitungen 42 und 72 mit einem Wärmeaggregat verbunden sind.
Die zylindrischen Mammutpumpen 11 sind am Kopfende mit einer konzentrischen Erweiterung 10 bestückt, um eine Schaumbildung im Gasraum 6 zu verhindern.
Im unteren Bereich sind die Mammutpumpen 11 mit der konzentrischen Reduzierung 18 ausgeführt, um eine Begasungsvorrichtung mit einem Modul der Elektroden 29 und 31 sowie der Dauermagnete 30 und 32 integrieren zu können. (Siehe 6)
Für die kreisförmige Umwälzung des Gärsubstates im Prozessraum 4 wird Biogas aus dem Gasraum 6 mittels des Verdichters 14 angesaugt und durch die Rohrleitung 87 in die Gaskammern 21, die unterhalb der Mammutpumpen 11 gemäß 6 angeordnet sind, gedrückt.
Zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Biogasreaktors wird das im Prozessraum 2 erzeugte Biogas mittels des Verdichters 13 aus dem Gasraum 3 angesaugt und über das Regelventil 1 durch die Rohrleitung 86 in die Gaskammern 21 der Begasungsvorrichtungen gemäß 6 gedrückt.
Durch die Entnahme des Biogases aus dem Gasraum 3 und den Eintrag in den Prozessraum 4 ist ein Druckausgleich zwischen dem Gasraum 3 und 6 erforderlich, welches mittels einer Einstellung des Differenzdruckes durch das Regelventil 1 erfolgt.
Der Verdichter 88 saugt über das Regelventil 84 Luft an und drückt das Gas über die Rohrleitung 89 durch das Ringrohr des Doppelrohres 41 in die Gaskammern 57 der Begasungsvorrichtungen gemäß der 5.
Der Verdichter 98 saugt über das Regelventil 97 Luft an und drückt das Gas über die Rohrleitung 99 in die Gaskammern 21 der Begasungsvorrichtungen.
Bei einem unzulässigen Absinken des pH-Wertes in dem Prozessraum 2 wird aus dem Prozessraum 4 Gärsubstrat mittels der Pumpe 96 angesaugt und über die Rohrleitung 94 durch das zentrale Rohr des Doppelrohres 41 in den Prozessraum 2 eingespeist.
Das abgebaute Gärsubstrat fließt über das Siphon 49 und die Rohrleitung 48 in den Behälter 102 und wird dort zur weiteren Verwendung gesammelt.
Für die Aufbereitung der Substanzen wird eine Teilmenge des abgebauten Gärsubstrates aus dem Behälter 102 mittels der Pumpe 101 und der Rohrleitung 100 in den Maischbehälter 45 eingespeist.
Das produzierte Biogas sammelt sich im ringförmigen Gasraum 6 und wird über die Rohrleitung 5 zur Verbrennung einem Ottomotor oder einer Gasturbine zugeführt.
Gemäß der 2 werden die aufzubereitenden Energiepflanzen über die Dosiervorrichtung 44 in der Walzenmühle 43 zerkleinert und mittels der Förderschnecke 73 direkt in den äußeren Kreislauf der Maischanlage eingespeist.
Das Substrat der Maischanlage wird in dem äußeren Kreislauf mittels der Pumpe 76 und der Rohleitung 75 über das Schraubenspindelaggregat 74 umgewälzt und homogenisiert.
Die Herstellung der Suspension erfolgt mittels geeigneter Mischwerkzeuge in dem Maischbehälter 45, wobei den Substanzen Wasser über das Magnetventil 46 zudosiert wird, um einen optimalen Trockenstoffgehalt für die Behandlung der Suspension einzustellen.
Darüber hinaus wird abgebautes Gärsubstrat aus dem Behälter 102 angesaugt und durch die Pumpe 101 sowie die Rohrleitung 100 in den Maischbehälter 45 zurückgeführt.
Bei einem Betrieb mit Kofermentation wird der Suspension aus dem Behälter 45 Abwasser oder Gülle aus dem Behälter 47 mittels der Pumpen 78 und 80 in den Injektor 82 gespeist und das dort gemischte Substrat über die Rohrleitung 83 in den Prozessraum 2 des Biogasreaktors gepumpt.
Die Einspeisung des Substrates in den Prozessraum 2 erfolgt durch das zentrale Rohr des Doppelrohres 41 und der Düse 39, wobei durch den Ringraum des Doppelrohres 41 Biogas sowie Luft in die Gaskammern 57 gemäß 7 gedrückt wird.
In dem Prozessraum 2 ist der Wärmetauscher 54 an der inneren Fläche des Kernraumes an der doppelwandigen Zylinderwand 9 angeordnet, insbesondere, um in der Abströmung 53 des Gärsubstrates eine hohe Wärmeübertragung zu erzielen.
Der Wärmetauscher 54 ist über die Heizungsleitungen 91 und 95 mit einem Wärmeaggregat für die Versorgung verbunden.
Bei der Betriebsweise des Biogasreaktors mit einer mesophilen Temperatur im Prozessraum 2 und einer thermophilen Temperatur im Prozessraum 4 erfolgt die Rückgewinnung der Prozessenergie mittels einer rekuperativen Wärmeanlage, wobei der Wärmetauscher 77 als Modul des Systems dargestellt ist. Für die kreisförmige Umwälzung des Gärsubstrates in dem Prozessraum 2 wird Biogas aus dem Gasraum 3 mittels des Verdichters 12 angesaugt und über die Rohrleitung 85 durch den Ringraum des Doppelrohres 41 in die Gaskammern 57, welche unterhalb der Mammutpumpen 51 gemäß 7 angeordnet sind, gedrückt.
Die zylindrischen Mammutpumpen 51 sind am Kopfende mit der konzentrischen Erweiterung 50 bestückt, um eine Schaumbildung im Gasraum 3 zu verhindern.
Im unteren Bereich sind die Mammutpumpen 51 mit einer konzentrischen Reduzierung 55 ausgeführt, um eine Begasungsvorrichtung mit einem Modul der Elektroden 65 und 67 und der Magnetspulen 66 und 68 integrieren zu können. (Siehe 7)
Da der Biogasreaktor nach dem Durchlaufprinzip arbeitet, strömt die gleiche Menge Gärsubstrat des eingespeisten Substrates durch die Schlitze 92, welche oberhalb des Kegelbodens 93 angeordnet sind, in den Prozessraum 4.
Im Prozessraum 4 ist ein Wärmetauscher 15 an der inneren Fläche der zylindrischen Außenwand 8 angeordnet, um in der Abströmung 17 des Gärsubstrates eine hohe Wärmeübertragung zu erzielen. Der Wärmetauscher 15 ist durch Heizungsleitungen 42 und 72 mit einem Wärmeaggregat verbunden. Für die kreisförmige Umwälzung des Gärsubstrates im Prozessraum 4 wird Biogas aus dem Gasraum 6 mittels des Verdichters 14 angesaugt und durch die Rohrleitung 87 in die Gaskammern 21, die unterhalb der Mammutpumpen 11 gemäß 8 angeordnet sind, gedrückt.
Die zylindrischen Mammutpumpen 11 sind am Kopfende mit einer konzentrischen Erweiterung 10 bestückt, um eine Schaumbildung im Gasraum 6 zu verhindern.
Im unteren Bereich sind die Mammutpumpen 11 mit einer konzentrischen Reduzierung 18 ausgeführt, um eine Begasungsvorrichtung mit einem Modul der Elektroden 29 und 31 und Magnetkernspulen 30 und 32 integrieren zu können. (Siehe 8)
Zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Biogasreaktors wird das im Prozessraum 2 erzeugte Biogas mittels des Verdichters 13 aus dem Gasraum 3 angesaugt und über das Regelventil 1 durch die Rohrleitung 86 in die Gaskammern 21 der Begasungsvorrichtungen gepresst.
Durch die Entnahme des Biogases aus dem Gasraum 3 und den Eintrag in den Prozessraum 4 ist ein Druckausgleich zwischen den Gasräumen 3 und 6 erforderlich, welches mittels einer Einstellung des Differenzdruckes durch das Regelventil 1 erfolgt.
Der Verdichter 88 saugt über das Regelventil 84 Luft an und drückt das Gas über die Rohrleitung 89 in das Ringrohr des Doppelrohres 41 in die Gaskammern 57 der Begasungsvorrichtungen gemäß der 7.
Bei einem unzulässigen Absinken des pH-Wertes in dem Prozessraum 2 wird aus dem Prozessraum 4 Gärsubstrat mittels der Pumpe 96 angesaugt und über die Rohrleitung 94 durch das zentrale Rohr des Doppelrohres 41 in den Prozessraum 2 eingespeist.
Das abgebaute Gärsubstrat fließt über das Siphon 49 und die Rohrleitung 48 in den Behälter 102 und wird dort zur weiteren Verwendung gesammelt.
Für die Aufbereitung der Substanzen wird eine Teilmenge des abgebauten Gärsubstrates aus dem Behälter 102 mittels der Pumpe 101 und der Rohrleitung 100 über den Wärmetauscher 77 in den Maischbehälter 45 eingespeist.
Das produzierte Biogas sammelt sich im ringförmigen Gasraum 6 und wird über die Rohrleitung 5 zur Verbrennung einem Ottomotor oder einer Gasturbine zugeführt.
Gemäß der 3 sind im mittleren Bereich des Prozessraumes 2 die Mammutpumpen 51 und in der Mitte des Kernraumes die Düse 39 angeordnet, wobei die Prozessräume 2 und 4 und Gasräume 3 und 6 durch eine zylindrische Wand 9 getrennt sind.
In dem Prozessraum 4 sind im mittleren Bereich des Ringraumes die Mammutpumpen 11 mit integrierten Wärmetauschern 15 angeordnet und mit einer konzentrischen Reduzierung 18 ausgeführt. In der Mitte der Mammutpumpen 11 ist der Begasungsteller 19, sowie die Kappe 24 für die Dauermagnete 30 und 32 und die Elektroden 29 und 31 angeordnet.
Im äußeren Bereich des Ringraumes verlaufen oberhalb des Reaktorbodens die Heizungsleitungen 42 und 72, welche die Wärmetauscher 15 über ein Wärmeaggregat versorgen.
In dem Ringraum verlaufen unterhalb der Mammutpumpen 11 die Gasleitungen 36, 37 und 38 zur Versorgung der Begasungsvorrichtungen.
Der Biogasreaktor ist durch die Anordnung der Elemente Außenwand 8, Domdeckel 7, Boden 90 und Kegelboden 93 ein geschlossenes System.
Gemäß der 4 sind im mittleren Bereich des Prozessraumes 2 drei Mammutpumpen 51 und in der Mitte des Kernraumes die Düse 39 angeordnet, wobei die Prozessräume 2 und 4 und Gasräume 3 und 6 durch eine zylindrische Doppelwand 9 getrennt sind.
Die Doppelwand 9 besteht aus zwei einzelnen Wänden, die ein Zwischenraum mit einer Luftfüllung trennt, um den Wärmedurchgang bei einem mesophilen-thermophilen Verfahren zu minimieren.
An der inneren Fläche der Doppelwand 9 des Prozessraumes 2 ist der Wärmetauscher 54 angeordnet, welcher über die Heizungsleitungen 91 und 95 mit einem Wärmeaggregat verbunden ist.
In dem Prozessraum 4 sind im mittleren Bereich des Ringraumes die Mammutpumpen 11 angeordnet und mit einer konzentrischen Reduzierung 18 ausgeführt.
In dem mittleren Bereich des Ringraumes verlaufen unterhalb der Mammutpumpen 11 die Gasleitungen 36, 37 und 38 zur Versorgung der Begasungsvorrichtungen.
An der inneren Fläche der Außenwand 8 des Prozessraumes 4 ist der Wärmetauscher 15 angeordnet, welcher durch die Heizungsleitungen 42 und 72 mit einem Wärmeaggregat verbunden ist.
Der Biogasreaktor ist durch die Anordnung der Elemente Außenwand 8, Domdeckel 7, Boden 90 und Kegelboden 93 ein geschlossenes System.
Gemäß der 5 ist eine Begasungsvorrichtung aufgezeigt, die aus dem Begasungsteller 56, den Gasdüsen 63, der Gaskammer 57, den Elektroden 65 und 67, den Dauermagneten 66 und 68, dem Quarz- oder Plexiglasrohr 62, dem Innenrohr 71, den Isolierscheiben 60, den Isolierringen 61, sowie der Kappe 59 besteht.
Das Gärsubstrat wird im Prozessraum 2 mittels der Begasungsteller 56, welche in den konzentrischen Reduzierungen 55 der Mammutpumpen 51 angeordnet sind, in der Aufströmung 52 und der Abströmung 53 schonend nach dem Schlaufenprinzip umgewälzt.
Für die mehrfache Umwälzung des Gärsubstrates ist die Menge des eingepressten Gases maßgebend, wobei das Gas über den Anschluss 58 in die Gaskammern 57 gedrückt wird.
In der Gaskammer 57 werden die einströmenden Gase gemischt und durch Gasdüsen 63, welche im Kopfbereich des Begasungstellers 56 angeordnet sind, direkt in das Gärsubstrat eingetragen. Oberhalb des Begasungstellers 56 befinden sich die Module mit den Elektroden 65 und 67 und den Dauermagneten 66 und 68, die in der Aufströmung 52 des Gärsubstrates mit einer gruppierten Ausführung angeordnet sind.
Die elektrische Hallspannung wird mittels der Module mit den Dauermagneten 66 und 68 und den Elektroden 65 und 67, welche im Kreisring des Quarz- oder Plexiglasrohres 62 und Rohrwand 71 angeordnet sind, erzeugt.
Die Hallspannungen der radial und vertikal angeordneten Module einer Mammutpumpe werden in Reihe geschaltet, wobei das Gärsubstrat in dem Aufstrom 52 unmittelbar durch die Formation der elektrischen und magnetischen Felder strömt.
Bei Substraten mit komplexer Zusammensetzung wird die Hallspannung der in Reihe geschalteten Module einer Mammutpumpe mit den in Reihe geschalteten Modulen der in dem Prozessraum 2 angeordneten Mammutpumpen mittels Schaltungsanordnung zusätzlich in Reihe geschaltet, wobei das Gärsubstrat durch das resultierende Feld der einzelnen Hallspannungen strömt.
Durch die hohe Spannung der in Reihe geschalteten Hallspannungen können Verbindungen von schwer abbaubaren Stoffen in beiden Prozessräumen umgewandelt werden.
Die Formation der magnetischen Feldlinien 69 steht mit einem Winkel von 90° zur Richtung der Strömung des Gärsubstrates und die elektrischen Impulse gemäß den Feldlinien 70 senkrecht zur Tangente der Zellmembrane von Mikroorganismen.
Durch eine horizontale Ausrichtung der Nord- und Südpole der Dauermagnete 66 und 68 wird die maximale mögliche Hallspannung erzeugt.
Bei optimaler Einstellung der Schaltung werden durch den Strom der Hallspannung und den Strom der Gleichspannungsimpulse für die Elektroporation erhebliche Mengen an Wasserstoff und Sauerstoff im Gärsubstrat gebildet, wobei die aufsteigenden Gase im Prozessraum 2 umgewandelt werden. Aufgrund der Effekte durch die elektrischen und magnetischen Felder wird die Leistungsfähigkeit des Biogasreaktors erheblich verbessert und die Brennstoffleistung erhöht.
Gemäß der 6 ist eine Begasungsvorrichtung aufgezeigt, die aus dem Begasungsteller 19, den Gasdüsen 28, der Gaskammer 21, den Elektroden 29 und 31, den Dauermagneten 30 und 32, dem Quarz- oder Plexiglasrohr 27, dem Innenrohr 35, den Isolierscheiben 25, den Isolierringen 26, sowie der Kappe 24 besteht.
Das Gärsubstrat wird im Prozessraum 4 mittels der Begasungsteller 19, welche in den konzentrischen Reduzierungen 18 der Mammutpumpen 11 angeordnet sind, in der Aufströmung 16 und in der Abströmung 17 nach dem Schlaufenprinzip schonend umgewälzt.
Für die mehrfache Umwälzung des Gärsubstrates ist die Menge des eingepressten Gases maßgebend, wobei die Gase über die Anschlüsse 20, 22 und 23 in die Gaskammern 21 gedrückt werden.
In der Gaskammer 21 werden die einströmenden Gase gemischt und durch Gasdüsen 28, welche im Kopfbereich des Begasungstellers 19 angeordnet sind, direkt in das Gärsubstrat direkt eingetragen. Oberhalb des Begasungstellers 19 befinden sich die Module mit den Elektroden 29 und 31 und den Dauermagneten 30 und 32, die in der Aufströmung 16 des Gärsubstrates mit einer gruppierten Ausführung angeordnet sind.
Die elektrische Hallspannung wird mittels der Module mit den Dauermagneten 30 und 32 und den Elektroden 29 und 31, welche im Kreisring des Quarz- und Plexiglasrohres 27 und Rohrwand 35 angeordnet sind, erzeugt.
Die Hallspannungen der radial und vertikal angeordneten Module einer Mammutpumpe werden in Reihe geschaltet, wobei das Gärsubstrat in dem Aufstrom 16 unmittelbar durch die Formation der elektrischen und magnetischen Felder strömt.
Bei Substraten mit komplexer Zusammensetzung wird die Hallspannung der in Reihe geschalteten Module einer Mammutpumpe mit den in Reihe geschalteten Modulen der in dem Prozessraum 4 angeordneten Mammutpumpen mittels Schaltungsanordnung zusätzlich in Reihe geschaltet, wobei das Gärsubstrat durch das resultierende Feld der Hallspannungen strömt.
Durch die hohe Spannung der in Reihe geschalteten Hallspannungen können Verbindungen von schwer abbaubaren Stoffen in den beiden Prozessräumen umgewandelt werden.
Die Formation der magnetischen Feldlinien 33 steht mit einem Winkel von 90° zur Richtung der Strömung des Gärsubstrates und die elektrischen Impulse gemäß den Feldlinien 34 senkrecht zur Tangente der Zellmembrane von Mikroorganismen.
Durch eine horizontale Ausrichtung der Nord- und Südpole der Dauermagnete 30 und 32 kann die maximal mögliche Hallspannung erzeugt werden.
Bei optimaler Einstellung der Schaltung werden durch den Strom der Hallspannung und den Strom der Gleichspannungsimpulse für die Elektroporation erhebliche Mengen an Wasserstoff und Sauerstoff im Gärsubstrat gebildet, wobei die Gase im Prozessraum 4 umgewandelt werden.
Aufgrund der Effekte durch die elektrischen und magnetischen Felder wird die Leistungsfähigkeit des Biogasreaktors erheblich verbessert und die Brennstoffleistung erhöht.
Gemäß der 7 ist eine Begasungvorrichtung aufgezeigt, welche aus dem Begasungsteller 56, den Gasdüsen 63, der Gaskammer 57, den Elektroden 65 und 67, den Ringkernspulen 66 und 68, dem Quarz- oder Plexiglasrohr 62, dem Innenrohr 71, den Isolierscheiben 60, den Isolierringen 61, sowie der Kappe 59 besteht.
Das Gärsubstrat wird im Prozessraum 2 mittels der Begasungsteller 56, welche in den konzentrischen Reduzierungen 55 der Mammutpumpen 51 angeordnet sind, in der Aufströmung 52 und der Abströmung 53 schonend nach dem Schlaufenprinzip umgewälzt.
Für die mehrfache Umwälzung des Gärsubstrates ist die Menge des eingepressten Gases maßgebend, wobei das Gas über den Anschluss 58 in die Gaskammern 57 gedrückt wird.
In der Gaskammer 57 werden die einströmenden Gase gemischt und durch Gasdüsen 63, welche im Kopfbereich des Begasungstellers 56 angeordnet sind, direkt in das Gärsubstrat eingetragen. Oberhalb des Begasungstellers 56 befinden sich die Module mit den Elektroden 65 und 67 und den Ringkernspulen 66 und 68, die in der Aufströmung 52 des Gärsubstrates mit einer gruppierten Ausführung angeordnet sind.
Die elektrische Hallspannung wird mittels der Module mit den Ringkernspulen 66 und 68 und den Elektroden 65 und 67, welche im Kreisring des Quarz- oder Plexiglasrohres 62 und Rohrwand 71 angebracht sind, erzeugt.
Die Hallspannungen der radial und vertikal angeordneten Module einer Mammutpumpe werden in Reihe geschaltet, wobei das Gärsubstrat in dem Aufstrom 52 unmittelbar durch die Formation der elektrischen und magnetischen Felder strömt.
Bei Substraten mit komplexer Zusammensetzung wird die Hallspannung der in Reihe geschalteten Module einer Mammutpumpe mit den in Reihe geschalteten Modulen der in dem Prozessraum 2 angeordneten Mammutpumpen mittels Schaltungsanordnung zusätzlich in Reihe geschaltet, wobei das Gärsubstrat durch das resultierende Feld der einzelnen Hallspannungen strömt.
Durch die hohe Spannung der in Reihe geschalteten Hallspannungen können Verbindungen von schwer abbaubaren Stoffen in beiden Prozessräumen umgewandelt werden.
Die Formation der magnetischen Feldlinien 69 steht mit einem Winkel von 90° zur Richtung der Strömung des Gärsubstrates und die elektrischen Impulse gemäß den Feldlinien 70 senkrecht zur Tangente der Zellmembrane von Mikroorganismen.
Nach derzeitigen Erkenntnissen wird durch die Kreuzung der elektrischen und magnetischen Felder die radiale Ausbreitung der Felder verbessert, sodass die elektrodynamischen Effekte im Gärsubstrat für die Mikroorganismen und Substanzen effektiver wirksam sind.
Durch eine horizontale Ausrichtung der Nord- und Südpole der Magnetkernspulen 65 und 67 wird die maximal mögliche Hallspannung erzeugt.
Bei optimaler Einstellung der Schaltung werden durch den Strom der Hallspannung und den Strom der Gleichspannungsimpulse für die Elektroporation erhebliche Mengen an Wasserstoff und Sauerstoff im Gärsubstrat gebildet, wobei die aufsteigenden Gase im Prozessraum 2 umgewandelt werden. Durch die Effekte der elektrischen und magnetischen Felder sowie Kopplung von vertikal wirksamen magnetischen Feldern wird eine wesentlich höhere Leistungsfähigkeit des Biogasreaktors erzielt und die Brennstoffleistung erhöht.
Gemäß der 8 ist eine Begasungsvorrichtung aufgezeigt, welche aus dem Begasungteller 19, den Gasdüsen 28, der Gaskammer 21, den Elektroden 29 und 31, den Ringkernspulen 30 und 32, dem Quarz- oder Plexiglasrohr 27, dem Innenrohr 35, den Isolierscheiben 25, den Isolierringen 26, sowie der Kappe 24 besteht.
Das Gärsubstrat wird im Prozessraum 4 mittels der Begasungsteller 19, welche in den konzentrischen Reduzierungen 18 der Mammutpumpen 11 angeordnet sind, in der Aufströmung 16 und der Abströmung 17 nach dem Schlaufenprinzip schonend umgewälzt.
Für die mehrfache Umwälzung des Gärsubstrates ist die Menge des eingepressten Gases maßgebend, wobei das Gas über die Anschlüsse 20, 22 und 23 in die Gaskammer 21 gedrückt wird.
In der Gaskammer 21 werden die einströmenden Gase gemischt und durch Gasdüsen 28, welche im Kopfbereich des Begasungstellers 19 angeordnet sind, direkt in das Gärsubstrat eingetragen. Oberhalb des Begasungstellers 19 befinden sich die Module mit den Elektroden 29 und 31 und den Ringkernspulen 30 und 32, die in der Aufströmung 16 des Gärsubstrates mit einer gruppierten Ausführung angeordnet sind.
Die elektrische Hallspannung wird mittels der Module mit den Ringkernspulen 30 und 32 und den Elektroden 29 und 31, welche im Kreisring des Quarz- oder Plexiglasrohres 27 und Rohrwand 35 angeordnet sind, erzeugt.
Die Hallspannungen der radial und vertikal angeordneten Module einer Mammutpumpe werden in Reihe geschaltet, wobei das Gärsubstrat in dem Aufstrom 16 unmittelbar durch die Formation der elektrischen und magnetischen Felder strömt.
Bei Substraten mit komplexer Zusammensetzung wird die Hallspannung der in Reihe geschalteten Module einer Mammutpumpe mit den in Reihe geschalteten Modulen der in dem Prozessraum 4 angeordneten Mammutpumpen mittels Schaltungsanordnung zusätzlich in Reihe geschaltet, wobei das Gärsubstrat durch das resultierende Feld der einzelnen Hallspannungen strömt.
Durch die hohe Spannung der in Reihe geschalteten Hallspannungen können Verbindungen von schwer abbaubaren Stoffen in beiden Prozessräumen umgewandelt werden.
Die Formation der magnetischen Feldlinien 33 steht mit einem Winkel von 90° zur Richtung der Strömung des Gärsubstrates und die elektrischen Impulse gemäß den Feldlinien 34 senkrecht zur Tangente der Zellmembrane von Mikroorganismen.
Nach derzeitigen Erkenntnissen wird durch die Kreuzung der elektrischen und magnetischen Felder die radiale Ausbreitung der Felder verbessert, sodass elektrodynamische Effekte in dem Gärsubsubstrat für die Mikroorganismen und Substanzen effektiver wirksam sind.
Durch eine horizontale Ausrichtung der Nord- und Südpole der Magnetkernspulen 30 und 32 steht die maximal mögliche Hallspannung zur Verfügung.
Bei optimaler Einstellung der Schaltung werden durch den Strom der Hallspannungen und den Strom der Gleichspannungsimpulse für die Elektroporation erhebliche Mengen an Wasserstoff und Sauerstoff im Gärsubstrat gebildet, wobei die aufsteigenden Gase im Prozessraum 4 umgewandelt werden. Durch die Effekte der elektrischen und magnetischen Felder sowie Kopplung von vertikal wirksamen magnetischen Feldern wird eine wesentlich höhere Leistungsfähigkeit des Biogasreaktors erzielt und die Brennstoffleistung erhöht.
Bezugszeichenliste

1: Regelventil Differenzdruck der Gasräume
2: Prozessraum der ersten Stufe
3: Gasraum der ersten Stufe
4: Prozessraum der zweiten Stufe
5: Rohrleitung Biogaszufuhr Verbraucher
6: Gasraum der zweiten Stufe
7: Domdeckel des Biogasreaktors
8: Außenwand des Reaktors
9: Trennwand der Prozessräume
10: Erweiterung Mammutpumpe zweiter Prozessraum
11: Mammutpumpe der zweiten Stufe
12: Gasverdichter Umwälzung Substrat erste Stufe
13: Gasverdichter Biogaseintrag aus der ersten Stufe
14: Gasverdichter Umwälzung Substrat zweite Stufe
15: Wärmetauscher zweiter Prozessraum
16: Aufwärtsströmung des Gärsubstrates
17: Abwärtsströmung des Gärsubstrates
18: Reduzierung Mammutpumpe zweiter Prozessraum
19: Begasungskopf mit Modulen zweite Stufe
20: Rohrstutzen Biogaszufuhr Umwälzung Substrat
21: Gaskammer Mischung Gase zweite Stufe
22: Rohrstutzen Lufteintrag zweite Stufe
23: Rohrstutzen Biogaseintrag aus erster Stufe
24: Schutzkappe Elektroden und Magnete
25: Isolierscheiben der Elektroden
26: Isolierringe der Elektroden
27: Quarz- oder Plexiglasrohr
28: Düsen für Gaseintrag zweite Stufe
29: Elektrode der Pole
30: Dauermagnet oder Elektromagnet SN
31: Elektrode der Pole
32: Dauermagnet oder Elektromagnet NS
33: Feldlinie der Dauer- oder Elektromagnete
34: Feldlinie der elektrischen Pole
35: Rohrwand Modul Elektroden und Magnete erste Stufe
36: Rohrleitung Luftzufuhr Gaskammern zweite Stufe
37: Rohrleitung Biogaszufuhr aus der ersten Stufe
38: Rohrleitung Biogaszufuhr Umwälzung Substrat zweite Stufe
39: Düse Eintrag der Suspension erster Prozessraum
40: Verbindungsrohr Begasungskopf und Doppelrohr
41: Doppelrohr Substrat und Gas erste Stufe
42: Rohrleitung Heizungsvorlauf
43: Walzenmühle für die Rohstoffe
44: Dosiervorrichtung für die Rohstoffe
45: Maischbehälter für die Rohstoffe
46: Magnetventil Wasserzufuhr
47: Behälter für Abwasser
48: Rohrleitung Ableitung Gärsubstrat
49: Siphon Ableitung Gärsubstrat
50: Erweiterung Mammutpumpe erster Prozessraum
51: Mammutpumpe der ersten Stufe
52: Aufwärtsströmung des Gärsubstrates
53: Abwärtsströmung des Gärsubstrates
54: Wärmetauscher erster Prozessraum
55: Reduzierung Mammutpumpe erste Stufe
56: Begasungskopf mit Modul erste Stufe
57: Gaskammer Mischung Gase erste Stufe
58: Rohrstutzen Zufuhr Biogas und Luft
59: Schutzkappe Elektroden und Magnete
60: Isolierscheibe der Elektroden
61: Isolierring der Elektroden
62: Quarz- oder Plexiglasrohr
63: Düsen für Gaseintrag erste Stufe
64: Freie Position
65: Elektrode der Pole
66: Dauermagnet oder Elektromagnet SN
67: Elektrode der Pole
68: Dauermagnet oder Elektromagnet NS
69: Feldlinie der Dauer- oder Elektromagnete
70: Feldlinie der elektrischen Pole
71: Rohrwand Modul Elektroden und Magnete zweite Stufe
72: Rohrleitung Heizungsrücklauf
73: Förderschnecke der Walzenmühle
74: Schraubenspindelaggregat
75: Rohrleitung Umwälzung Suspension
76: Pumpe Umwälzung Maische
77: Wärmetauscher rekuperative Anlage
78: Pumpe Einspeisung Suspension erste Stufe
79: Rohrleitung Suspension Einlauf Injektor
80: Pumpe Abwasser Einlauf Injektor erste Stufe
81: Rohrleitung Einlauf Abwasser Injektor und Reaktor
82: Injektor Mischung Substrate
83: Rohrleitung Einspeisung Suspension erste Stufe
84: Regelventil Luftansaugung erste Stufe
85: Rohrleitung Biogas Umwälzung erste Stufe
86: Rohrleitung Biogaseintrag aus erster Stufe
87: Rohrleitung Biogas Umwälzung Gärsubstrat zweite Stufe
88: Verdichter Lufteintrag erste Stufe
89: Rohrleitung Zufuhr Luft Doppelrohr erste Stufe
90: Zylinderboden des Biogasreaktors
91: Rohrleitung Heizungsvorlauf
92: Schlitze in der Trennwand erster und zweiter Prozessraum
93: Kegelboden erster Prozessraum
94: Rohrleitung Rückführung Gärsubstrat in erste Stufe
95: Rohrleitung Heizungsrücklauf
96: Pumpe Rückführung Gärsubstrat in erste Stufe
97: Regelventil Luftansaugung zweite Stufe
98: Verdichter Lufteintrag zweite Stufe
99: Rohrleitung Zufuhr Luft zweite Stufe
100: Rohrleitung Rückführung Gärsubstrat in den Maischbehälter
101: Pumpe Rückführung Gärsubstrat in den Maischbehälter
102: Behälter abgebautes Gärsubstrat
103: Ablaufleitung

Claims

Verfahrung zur Erzeugung von Biogas, dadurch gekennzeichnet, dass organische Substanzen zerkleinert und in einem Vorbehälter mit Mischwerkzeugen unter Zufuhr von Wasser sowie der Einspeisung von abgebauten Gärsubstrat zu einer Suspension aufbereitet werden, die Suspension in einen zweistufigen Biogasreaktor in den Prozessraum der erste Stufe eingespeist und hier anaerob im mesophilen oder thermophilen Temperaturbereich behandelt wird, – wobei die Suspension in der Zone einer Schlaufenströmung Impulsen von elektrischen und magnetischen Feldern ausgesetzt wird, die Suspension nach vorgegebener Verweilzeit in der ersten Stufe in den Prozessraum der zweiten Stufe strömt und hier anaerob im mesophilen oder thermophilen Temperaturbereich behandelt wird, – wobei die Suspension in der Zone einer Schlaufenströmung Impulsen von elektrischen und magnetischen Feldern ausgesetzt wird, das im Prozessraum der ersten Stufe gebildete Biogas in den Kreislauf der Schlaufenströmung der Suspension der zweiten Stufe eingetragen wird und die Suspension in der ersten und zweiten Stufe nach dem Schlaufenprinzip im Aufstrom und Abstrom in einer Zweiphasenströmung durch den Eintrag von Biogas gemischt und umgewälzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Suspension vor der Einleitung in den Prozessraum der ersten Stufe belastetes Abwasser zugemischt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Biogas aus der ersten Stufe vor der Einleitung in den zweiten Prozessraum mit Luft oder Sauerstoff angereichert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pulsierende elektrische und magnetische Felder zur Behandlung von Mikroorganismen und der Suspension in beiden Prozessräumen verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verwendung von Permanentmagneten die Erzeugung der elektrischen Felder mit einer Pulsbreite von 10 μs bis 1 ms, die Pulssequenz von 10 bis 1000 Pulse/s und die Zykluszeit 10 μs bis 10 ms beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung von Elektromagneten die Erzeugung der magnetischen Felder mit einer Pulsbreite von 10 μs bis 100 ms, die Pulssequenz von 100 bis 4000 Pulse/s und die Zykluszeit von 10 μs bis 100 ms beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einstellung des Methangehaltes des im zweiten Prozessraum erzeugten Biogases durch die elektrischen Impulse für die Elektroporation, die Induktion von elektrischen Spannungen mittels magnetischer Felder und Elektroden für die Produktion von Wasser- und Sauerstoff sowie Anordnung einer Fuzzy-Logic-Regelanlage oder eines Computers für den ersten und zweiten Prozessraum erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umwälzung und Mischung der Suspension in beiden Prozessräumen nach dem Schlaufen-Prinzip mittels Mammutpumpen mit integrierten Begasungsvorrichtungen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Einstellung des pH-Wertes in den ersten Prozessraum Suspension aus dem zweiten Prozessraum eingespeist wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgleich des Gasdruckes zwischen den Gasräumen der beiden Prozessräume durch die Differenzdruckregelung mittels eines extern angeordneten Regelventiles am Biogasreaktor erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung einer Suspension aus nachwachsenden Rohstoffen oder organischen Substanzen durch die Aufbereitung der Stoffe in einem Maischbehälter mittels eines Mischwerkzeuges unter der Zudosierung von Wasser sowie den Umlauf der Suspension in einem externen Kreislauf über ein Schraubenspindelaggregat erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufbereitung der Ausgangsstoffe sowie die Einstellung der Konzentration der Suspension abgebautes Gärsubstrat aus einem der zweiten Stufe nachgeordneten Sammelbehälter der Biogasanlage zurückgeführt und in den Maischbehälter eingespeist wird.
Biogasanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–12, gekennzeichnet durch – einen Zerkleinerer und einen nachgeschalteten Maischbehälter mit Mischwerkzeugen, – einen zweistufigen Biogasreaktor mit einem ersten Prozessraum und einem zweiten den ersten Prozessraum umschließenden Prozessraum wobei in beiden Prozessräumen Mammutpumpen angeordnet sind und im unteren Bereich der Mammutröhren jeweils eine Einrichtung zur Einbringung von Gas sowie eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer und magnetischer Felder angeordnet sind, – einen Sammelbehälter für abgebautes Gärsubstrat mit einer Rückführung zum Maischbehälter, – eine Biogasleitung aus dem Kopfbereich des ersten Prozessraumes in die Zuführleitung zur Gaseinleitung im unteren Bereich des zweiten Prozessraumes.
Biogasanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Abwasserbehälter für die Zuführung von abgebauten Gärsubstrat in die Suspension vor der Einleitung in den ersten Prozessraum.
Biogasanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Betriebsweise des Biogasreaktors mit einer mesophilen Temperatur in beiden Prozessräumen in dem zweiten Prozessraum die Mammutpumpen mit integrierten Wärmetauschern ausgebildet sind oder ein Wärmetauscher an der Außenwand angeordnet ist.
Biogasanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Betriebsweise des Biogasreaktors mit einer mesophilen Temperatur im ersten Prozessraum und mit einer thermophilen Temperatur im zweiten Prozessraum in beiden Räumen die Mammutpumpen mit integrierten Wärmetauschern ausgebildet sind oder ein Wärmetauscher im zugehörigen Prozessraum an der Außenwand angeordnet ist.
Biogasanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Prozessraum in einem mittleren Durchmesser des Kernraumes 3 bis 5 Mammutpumpen und im zweiten Prozessraum in einem mittleren Durchmesser des Ringraumes 6 bis 12 Mammutpumpen in dem Biogasreaktor angeordnet sind.
Biogasanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden für die elektrischen Felder als segmentförmiges Bauelement zwischen Permanentmagnete oder Magnetkernspulen mit vertikalen Ausrichtung der Plus- und Minuspole oberhalb der Begasungsvorrichtung in der mittleren Zone einer Mammutpumpe angeordnet werden.
Biogasanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete oder Magnetkernspulen für die magnetischen Felder als segmentförmiges Bauelement zwischen den Elektroden mit horizontaler Ausrichtung der Nord- und Südpole oberhalb der Begasungsvorrichtung in der mittleren Zone einer Mammutpumpe angeordnet werden.
Biogasanlage nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden und Magnetkernspulen zwischen den ringförmigen Isolierscheiben und Isolierringen in einem transparenten, elektrisch und magnetisch nicht leitfähigen Rohr angeordnet werden.