DE102008037402A1

DE102008037402A1 - Verfahren zur Erzeugung von Biogas

Info

Publication number: DE102008037402A1
Application number: DE102008037402A
Authority: DE
Inventors: Kerstin Roth; Hans Winter
Original assignee: Schmack Biogas GmbH
Current assignee: Schmack Biogas GmbH
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2008-09-29
Publication date: 2010-04-01

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas durch Vergärung von Biomasse in einer Biogasanlage mit den Schritten Vergärung von Biomasse in zumindest zwei Stufen, nämlich einer Hydrolysestufe und einer ersten Methanisierungsstufe, Trennung des in der ersten Methanisierungsstufe entstehenden Gasgemisches in zwei Gasanteile, wobei ein erster Gasanteil überwiegend aus Methan besteht und ein zweiter Gasanteil überwiegend aus Kohlendioxid besteht, Einbringen des überwiegend aus Kohlendioxid bestehenden Gasanteils der ersten Methanisierungsstufe in den Reaktor einer zweiten Methanisierungsstufe, Einbringen des in der Hydrolysestufe gewonnenen wasserstoffhaltigen Hydrolysegases in den Reaktor der zweiten Methanisierungsstufe und Umsetzung der Gase Wasserstoff und Kohlendioxid in der zweiten Methanisierungsstufe zu Methan in Anwesenheit mathanogener Bakterien.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas.
Stand der Technik
Biogasanlagen erzeugen Methan durch einen mikrobiellen Abbauprozess von organischen Substanzen. Das Biogas entsteht dabei in einem mehrstufigen Prozess der Vergärung oder Faulung durch die Aktivität von anaeroben Mikroorganismen, d. h. unter Ausschluss von Luft.
Das in der Biogasanlage abgebaute organische Material besitzt aus chemischer Sicht einen hochmolekularen Aufbau, der in den einzelnen Verfahrensschritten einer Biogasanlage durch Stoffwechseltätigkeit der Mikroorganismen zu niedermolekularen Bausteinen abgebaut wird. Der Abbau der Biopolymere zu den Endprodukten Methan und Kohlendioxid kann dabei in einen vierstufigen Prozess unterteilt werden. Man unterscheidet zwischen Hydrolyse, Acidogenese, Aceogenese und Methanogenese.
In der Hydrolyse werden hochmolekulare, oft partikulär vorliegende, organische Verbindungen durch Exoenzyme (z. B. Cellulasen, Amylasen, Proteasen, Lipasen) fermentativer Bakterien in lösliche Spaltprodukte überführt. Die dabei gebildeten gasförmigen Produkte bestehen überwiegend aus Kohlendioxid. Fakultativ und obligat anaerob lebende Bakterien, oftmals identisch mit den hydrolysierenden Bakterien, verstoffwechseln in der Acidogenese die Hydrolyseprodukte (z. B. Mono-, Disaccharide, Di-, Oligopeptide, Aminosäuren, Glycerin, langkettige Fettsäuren) intrazellular zu kurzkettigen Fettsäuren, Alkoholen, Wasserstoff und Kohlendioxid.
In der sich anschließenden Acetogenese werden diese organischen Säuren und Alkohole von den acetogenen Bakterien aufgenommen und nach β-Oxidation als Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid wieder ausgeschieden. In der Methanogenese schließlich reduzieren die methanogenen Bakterien Kohlendioxid mit Wasserstoff zu Methan und setzen Essigsäure zu Methan und Kohlendioxid um.
In der Praxis kommerzieller Biogasanlagen werden einstufige und zweistufige Prozesse durchgeführt. Naturgemäß laufen die vier oben beschriebenen Stufen des Abbauprozesses, also Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und Methanogenese, bei einem einstufigen Prozess nebeneinander in einem Reaktor ab. Bei einem zweistufigen Prozess werden die Schritte Hydrolyse und Acidogenese getrennt von den Schritten Acetogenese und Methanogenese durchgeführt. Diese beiden Prozessstufen werden als Hydrolysestufe bzw. als Methanisierungsstufe bezeichnet.
In der Hydrolysestufe fällt ein sogenanntes Hydrolysegas an, das im wesentlichen aus CO₂ und H₂ besteht und geringere Anteile an H₂O, H₂S und CH₄ enthält. Das Hydrolysegas hat für eine energetische Nutzung meist einen zu geringen Heizwert und enthält geruchsintensive Begleitstoffe (z. B. H₂S, Buttersäure). Daher wird das Hydrolysegas üblicherweise über einen Biofilter abgeleitet.
In der Methanisierungsstufe verstoffwechseln acetogene und methanogene Bakterien die Spaltprodukte zu einem methanreichen Biogas mit Methan-Gehalten von bis zu 80%.
Um die immer häufiger geforderte Erdgas-Qualität des erzeugten Biogases zu erreichen, müssen Kohlendioxid und weitere störende Bestandteile wie Schwefelwasserstoff und Wasser aus dem Biogas entfernt werden. Zur Abtrennung des Kohlendioxids sind aus dem Stand der Technik zahlreiche Verfahren bekannt. Dazu zählen

– Gaswäsche mittels Wasser, Laugen, Aminen, Selexol (Polyglykolether) etc.,
– trockene Gasadsorption mittels Aktivkohlen und Molekularsieben,
– trockene Membranseparation mittels CO₂-selektiver Permeationsmembranen und
– Tieftemperaturseparation mittels CO₂-Verflüssigung.

Das aus dem in der Methanisierungsstufe gebildeten Gas abgetrennte, zum größten Teil aus Kohlendioxid bestehende Gas wird als Abfallprodukt in die Umwelt entlassen und stellt daher eine an sich unerwünschte CO₂-Quelle dar.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung von Biogas mit einer erhöhten Ausbeute an Methan bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur Erzeugung von Biogas gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Beispielen.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas durch Vergärung von Biomasse in einer Biogasanlage zu Verfügung. Das Verfahren umfasst die Schritte Vergärung von Biomasse in zumindest zwei Stufen, nämlich einer Hydrolysestufe und einer ersten Methanisierungsstufe, Trennung des in der ersten Methanisierungsstufe entstehenden Gasgemisches in zwei Gasanteile, wobei ein erster Gasanteil überwiegend aus Methan besteht und ein zweiter Gasanteil überwiegend aus Kohlendioxid besteht, Einbringen des überwiegend aus Kohlendioxid bestehenden Gasanteils der ersten Methanisierungsstufe in den Reaktor einer zweiten Methanisierungsstufe, Einbringen des in der Hydrolysestufe gewonnenen wasserstoffhaltigen Hydrolysegases in den Reaktor der zweiten Methanisierungsstufe und Umsetzung der Gase Wasserstoff und Kohlendioxid in der zweiten Methanisierungsstufe zu Methan in Anwesenheit methanogener Bakterien.
Im einem zweistufigen Vergärungsprozess wird in der Hydrolysestufe ein Gas mit geringem Methananteil aber hohen H₂-Gehalt produziert, während die Methanisierungsstufe ein Gas mit hohem Methan- und geringem CO₂-Anteil liefert. Die Vergärung in einem zweistufigen Prozess bringt also so gut wie keine Vorteile in Bezug auf die Gesamtausbeute an Methan aus einer bestimmten Substratmenge, es ergibt sich die gleiche Energieausbeute in Form von produziertem Methan wie bei einem herkömmlichen einstufigen Biogasprozess.
Erst durch die Umsetzung von Wasserstoff aus dem üblicherweise als Abgas in die Umwelt abgelassenen Hydrolysegas mit Kohlendioxid, das aus der ersten Methanisierungsstufe nach Abtrennung des Methangases erhalten wird, zu Methan verbessert die Ausbeute des Gesamtprozesses deutlich. Das erfindungsgemäße Verfahren führt daher zu einer deutlichen Steigerung der Energieausbeute einer Biogasanlage und gleichzeitig zu einer geringeren Umweltbelastung, da das bei der Reinigung des Biogases abgetrennte Kohlendioxid nicht mehr als Abfallprodukt behandelt wird, sondern der Gewinnung von Methan dient.
Methanogene Bakterien werden in Biogasanlagen üblicherweise zur Umsetzung von biologischem Substrat, das aus der Hydrolysestufe in die Methanisierungsstufe überführt wird, eingesetzt. Methanogene Bakterien sind aber auch in der Lage, in Abwesenheit von biologischem Substrat die als Gase zugeführten Edukte Wasserstoff und Kohlendioxid zu Methan umzusetzen. In dem erfindungsgemäßen Verfahren bietet es sich an, die zweite Methanisierungsstufe ohne biologisches Substrat zu betreiben. In dem zweiten Methanisierungsreaktor sind dann vorzugsweise immobilisierte methanogene Bakterien in wässriger Suspension anwesend. Selbstverständlich umfasst die vorliegende Erfindung aber auch Verfahren, bei denen in der zweiten Methanisierungsstufe ein biologisches Substrat eingesetzt wird.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei den methanogenen Bakterien zumindest teilweise um Bakterien der Familien Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanosarcinales und/oder Methanopyrales. Besonders bevorzugt werden ein oder mehrere Bakterienkulturen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Methanobacterium, Methanobrevibacterium, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanogenium und Methanosarcina eingesetzt. Ganz besonders bevorzugt werden Bakterienkulturen von Methanothermobacter wolfei (hinterlegt unter DSMZ-Nr.:2970) verwendet.
Die genannten Bakterienfamilien und Bakterienarten können sowohl als Reinkulturen wie als künstlich oder natürlich gewonnene Mischkulturen eingesetzt werden. Bevorzugt erfolgt der Einsatz von Kulturen, die überwiegend aus einer Bakterienart bestehen. Um solche, überwiegend von einer Bakterienart dominierten Kulturen im Sinne der vorliegenden Erfindung handelt es sich, wenn die Kultur zu mehr als 50% aus einer bestimmten Bakterienart besteht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird neben dem wasserstoffhaltigen Hydrolysegas zusätzlicher Wasserstoff in die zweite Methanisierungsstufe eingebracht. Die Zugabe von weiterem Wasserstoff kann erforderlich sein, wenn Kohlendioxid in dem zweiten Methanisierungsreaktor in einem stöchiometrischen Überschuss vorliegt. Bekanntermaßen folgt die Umsetzung von Kohlendioxid und Wasserstoff zu Kohlendioxid der folgenden Reaktionsgleichung: CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O
Zur vollständigen Umsetzung eines Mols Kohlendioxid zu einem Mol Methan sind also 4 Mol Wasserstoff erforderlich. Besonders bevorzugt wird daher in die zweite Methanisierungsstufe zusätzlicher Wasserstoff in einer Menge eingebracht, die ein molares Verhältnis von Kohlendioxid zu Wasserstoff von rund 1:4 gewährleistet.
Es soll darauf hingewiesen werden, dass in jedem Fall, in dem nachfolgend von der „Umsetzung des Wasserstoffs des Hydrolysegases” die Rede ist, immer auch eine Umsetzung von mit weiterem Wasserstoff angereicherten Hydrolysegas verstanden wird. Der Ausdruck „Umsetzung des Wasserstoffs des Hydrolysegases” soll also nicht auf den Fall beschränkt verstanden werden, dass ausschließlich Hydrolysegas umgesetzt wird.
Das in der ersten Methanisierungsstufe entstehende Biogas wird üblicherweise gereinigt, um eine Erhöhung des Methananteils zu erreichen. Häufig erfolgt eine Reinigung des Biogases bis hin zur Erdgas-Qualität, wodurch die Möglichkeit eröffnet wird, das Biogas direkt in das Erdgas-Netz zur Versorgung der Endverbraucher einzuspeisen. Die angesprochene Reinigung des Biogases kann z. B. durch eine chemische Wäsche erfolgen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt daher die erfindungsgemäße Trennung des in der ersten Methanisierungsstufe entstandenen Gasgemisches in zwei Gasanteile durch eine chemische Wäsche.
Besonders bevorzugt erfolgt die CO₂-Abtrennung aus dem Gas der ersten Methanisierungsstufe durch eine Wasserwäsche, eine Wäsche mit Natronlauge oder auch eine Wäsche unter Verwendung des Adsorptionsmittels Selexol^TM, das auf der Basis von Polyglykolen aufgebaut ist. Besonders bevorzugt erfolgt die CO₂-Abtrennung durch eine Aminwäsche (z. B. MEA/DEA). Die genannten Waschverfahren haben gemeinsam, dass die zur Adsorption des Kohlendioxids eingesetzten Stoffe nachfolgend regeneriert werden. Dabei wird das zuvor gebundene Kohlendioxid wieder freigesetzt. Bei einer Aminwäsche entsteht beispielsweise Amin-Carbonat, bei dessen Regeneration das in der Aminwäsche gebundene Kohlendioxid wieder abgespalten wird.
Häufig wird das in der Methanisierungsstufe gewonnene Biogas in einem sich direkt bei der Biogasanlage befindlichen Blockheizkraftwerk verbrannt, also zu thermischer Energie umgesetzt, welche anschließend in elektrischen Strom umgewandelt wird. Bei der Verbrennung des hauptsächlich aus Methan bestehenden Biogases entsteht Kohlendioxid, das üblicherweise als Abgas in die Umwelt entlassen wird. Auch dieses Kohlendioxid kann in dem erfindungsgemäßen Verfahren in der zweiten Methanisierungsstufe mit Wasserstoff zu Methan umgesetzt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird daher der aus dem in der ersten Methanisierungsstufe entstandenen Gasgemisch abgetrennte, überwiegend aus Methan bestehende Gasanteil in einem Blockheizkraftwerk unter Freisetzung von thermischer Energie zu Kohlendioxid umgesetzt und das kohlendioxidhaltige Abgas des Blockheizkraftwerks in den Reaktor der zweiten Methanisierungsstufe eingebracht.
In den Reaktor der zweiten Methanisierungsstufe werden also bis zu vier verschiedene Gase eingeleitet, nämlich der überwiegend aus Kohlendioxid bestehende Gasanteil der ersten Methanisierungsstufe, das in dem Blockheizkraftwerk entstandene, kohlendioxidhaltige Gas, das in der Hydrolysestufe gewonnene, kohlendioxidhaltige und wasserstoffhaltige Hydrolysegas und zusätzlicher Wasserstoff. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Einleiten in den Reaktor der zweiten Methanisierungsstufe durch den Boden des Reaktors der zweiten Methanisierungsstufe. In der zweiten Methanisierungsstufe muss ein möglichst intensiver Kontakt zwischen den anwesenden methanogenen Bakterien und den zugeführten Gasen hergestellt werden, da diese von den Bakterien zu Methan umgesetzt werden sollen. Ein solcher intensiver Kontakt lässt sich am einfachsten durch ein Einblasen der Gase von unten in die Bakteriensuspension oder durch die Verwendung eines Belüftersteins herstellen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Umsetzung der Gase Wasserstoff und Kohlendioxid in der zweiten Methanisierungsstufe zu Methan bei thermophilen, besonders bevorzugt bei hyperthermophilen Bedingungen. Bevorzugt werden in der zweiten Methanisierungsstufe also Temperaturen von über 50°C, bevorzugt von über 60°C, besonders bevorzugt von über 70°C eingestellt. Durch den Betrieb der zweiten Methanisierungsstufe bei den genannten höheren Temperaturen kann eine Kontamination der verwendeten methanogenen Bakterienkulturen mit Bakterienarten, die keinen Beitrag zur Methanbildung leisten oder diese sogar behindern, eingeschränkt werden.
In dem ersten Methanisierungsreaktor verbleibt nach der Herstellung des Biogases als Fermentationsrückstand eine Mischung aus Wasser, nicht abgebautem organischen Material und anorganischen Bestandteilen. Nicht abgebaut werden in der Regel stark ligninhaltige, holzige Materialien und cellulosereiche Stoffe. Anorganische Bestandteile sind Minerale in Form von Sand und Steinen, aber auch kristallisierte Salze. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird dieses Rest-Biomasse-Substrat nach der Gärung aus der ersten Methanisierungsstufe entfernt und zumindest teilweise in die Hydrolysestufe eingespeist.
Durch die Rückführung von ausgefaultem Rest-Biomasse-Substrat aus der ersten Methanisierungsstufe wird eine Anhebung des pH-Wertes und somit eine Pufferung der Hydrolysestufe erreicht. Durch die Variation der Rückführmenge kann also der pH-Wert im Hydrolysereaktor gesteuert werden.
Bevorzugt wird der pH des Biomasse-Substrates in der Hydrolysestufe auf einen Wert zwischen 4,0 und 7,0 eingestellt. Besonders bevorzugt wird der pH des Biomasse-Substrates in der Hydrolysestufe auf einen Wert zwischen 5,5 und 7,0 eingestellt. Ganz besonders bevorzugt wird der pH des Biomasse-Substrates in der Hydrolysestufe auf einen Wert größer 6,0 eingestellt. Die Regelung des pH-Wertes der Hydrolysestufe kann besonders vorteilhaft durch Variation der aus der Hydrolysestufe rückgeführten Menge an Rest-Biomasse-Substrat erfolgen. Durch die Erhöhung des pH-Wertes wird die chemische Aggressivität des Substrats vermindert. Dadurch wird es möglich, den Fermenter aus einfachen klassischen Beton herzustellen und Einbauten aus schwarzem Stahl vorzusehen, wodurch teures Edelstahl vermieden wird.
Andererseits ist das Einstellen des pH-Wertes auf 5,7 besonders vorteilhaft in Bezug auf die Produktion von Biogas mit möglichst geringem Anteil an Methan (< 5%), was aufgrund der Instabilität von einfachen Beton gegenüber sauren Lösungen wiederum einen höheren Aufwand in der Fertigung des Rührbehälters erfordert. Eine geringe Menge an in der Hydrolysestufe produziertem Methan kann insbesondere im Hinblick auf einen aus der Literatur als „Endprodukthemmung” bekannten Mechanismus von Vorteil sein. Es hat sich nämlich gezeigt, dass der Stoffwechsel methanproduzierender Bakterien durch die Anwesenheit von Methan gehemmt wird. Durch einen geringen Anteil an in der Hydrolysestufe produziertem Methan wird ein ebenso geringer Anteil an Methan in die zweite Methanisierungsstufe eingebracht und damit das Problem der Endprodukthemmung in der zweiten Methanisierungsstufe von vorne herein vermieden.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn aus dem Rest-Biomasse-Substrat vor der Einspeisung in die Hydrolysestufe zumindest ein Teil der darin enthaltenen Feststoffe entfernt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass der Trockensubstanzgehalt in der Hydrolysestufe zwischen 10 und 25% beträgt, wodurch ein effizienter Abbau des Biomasse-Substrats gewährleistet wird.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zur Durchführung der oben beschriebenen Verfahren. Bei der Vorrichtung handelt es sich um eine Biogasanlage mit zumindest einem Hydrolysereaktor und zumindest zwei Methanisierungsreaktoren, nämlich einen ersten Methanisierungsreaktor und einen zweiten Methanisierungsreaktor. Daneben ist zumindest ein Mittel zur Trennung des in dem ersten Methanisierungsreaktor entstehenden Gasgemisches in zwei Gasanteile vorgesehen, wobei das Mittel eine Trennung in einen ersten überwiegend aus Methan bestehenden Gasanteil und in einen zweiten überwiegend aus Kohlendioxid bestehenden Gasanteil ermöglicht. Außerdem umfasst die Biogasanlage zumindest ein Mittel zum Transport des überwiegend aus Kohlendioxid bestehenden Gasanteils der ersten Methanisierungsstufe zu dem zweiten Methanisierungsreaktor, zumindest ein Mittel zum Transport des in dem Hydrolysereaktor gewonnenen wasserstoffhaltigen Hydrolysegases zu dem zweiten Methanisierungsreaktor, zumindest ein Mittel zum Einbringen von Gasen in den zweiten Methanisierungsreaktor und zumindest ein Mittel zur Zuführung einer Bakterienkultur in den zweiten Methanisierungsreaktor. Erfindungsgemäß sind in der Bakterienkultur methanogene Bakterien enthalten.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Hydrolysereaktor um einen Pfropfenstromfermenter, der insbesondere bevorzugt aus Beton gefertigt ist.
Daneben ist bevorzugt zusätzlich zumindest ein Mittel zur Rückführung von aus dem ersten Methanisierungsreaktor entferntem Rest-Biomasse-Substrat in den Hydrolysereaktor vorgesehen. Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform ist zusätzlich ein Mittel zur Entfernung von Feststoffen aus dem Rest-Biomasse-Substrat vorgesehen. Bevorzugt wird zur Abtrennung der Feststoffe ein Pressschneckenseparator eingesetzt.
Die mit den bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Biogasanlage verbundenen Vorteile wurden bereits im Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. So entsprechen beispielsweise die mit dem Verfahrensschritt „Rückführung von aus dem Methanisierungsreaktor entferntem Rest-Biomasse-Substrat in den Hydrolysereaktor” verbundenen Vorteile den mit der Anwesenheit eines „Mittels zur Rückführung von aus dem Methanisierungsreaktor entferntem Rest-Biomasse-Substrat in den Hydrolysereaktor” verbundenen Vorteilen. Auf die entsprechenden Ausführungen wird in diesem Zusammenhang verwiesen.
Daneben umfasst die vorliegende Erfindung auch die Verwendung einer Bakterienkultur in einem der oben beschriebenen Verfahren oder in einer Biogasanlage wie oben näher erläutert. Erfindungsgemäß umfasst die Bakterienkultur methanogene Bakterien.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei den methanogenen Bakterien zumindest teilweise um Bakterien der Familien Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanosarcinales und/oder Methanopyrales. Besonders bevorzugt werden ein oder mehrere Bakterienkulturen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Methanobacterium, Methanobrevibacterium, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanogenium und Methanosarcina eingesetzt. Ganz besonders bevorzugt werden Bakterienkulturen von Methanothermobacter wolfei (hinterlegt unter DSMZ-Nr.:2970) verwendet.
Die genannten Bakterienfamilien und Bakterienarten können sowohl als Reinkulturen wie als künstlich oder natürlich gewonnene Mischkulturen eingesetzt werden. Bevorzugt erfolgt der Einsatz von Kulturen, die überwiegend aus einer Bakterienart bestehen.
Schließlich umfasst die vorliegende Erfindung auch eine immobilisierte Bakterienkultur, die sich zum Einsatz in einem der oben beschriebenen Verfahren oder zum Einsatz in einer Biogasanlage wie oben näher erläutert eignet. Erfindungsgemäß sind in der immobilisierten Bakterienkultur methanogene Bakterien enthalten.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei den methanogenen Bakterien zumindest teilweise um Bakterien der Familien Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanosarcinales und/oder Methanopyrales. Besonders bevorzugt werden ein oder mehrere Bakterienkulturen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Methanobacterium, Methanobrevibacterium, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanogenium und Methanosarcina eingesetzt. Ganz besonders bevorzugt werden Bakterienkulturen von Methanothermobacter wolfei (hinterlegt unter DSMZ-Nr.:2970) verwendet.
Die genannten Bakterienfamilien und Bakterienarten können sowohl als Reinkulturen wie als künstlich oder natürlich gewonnene Mischkulturen eingesetzt werden. Bevorzugt erfolgt der Einsatz von Kulturen, die überwiegend aus einer Bakterienart bestehen.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In der Praxis kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise zur Erzeugung und Aufbereitung von ca. 700 m³ Biogas aus nachwachsenden Rohstoffen, entsprechend einem Verbrauch von ca. 2,5 t Maissilage pro Stunde, eingesetzt werden.
Dazu wird in einem Hydrolysereaktor mit einem Volumen von ca. 600 m³ die Hydrolyse des Biomasse-Substrats durchgeführt. Die Menge des pro Stunde entstehenden Hydrolysegases liegt zwischen 100 und 200 m³. Der Hydrolysereaktor wird als Pfropfenstromfermenter mit horizontalen, langsam drehenden Rührwerk ausgeführt.
In der zweiten Prozessstufe, der ersten Methanisierungsstufe, werden 300–500 m³ Biogas/h mit einem Methangehalt von > 60 Vol.-% erhalten.
Das in der ersten Methanisierungsstufe entstandene Biogas wird mittels einer Ethanolaminwäsche in zwei Gasanteile getrennt. Der erste, hauptsächlich aus Methan bestehende Gasanteil wird gegebenenfalls durch weitere Reinigungsschritte (Restentschwefelung, Wasserabscheidung) auf Erdgas-Qualität aufgereinigt.
Das in dem Hydrolysereaktor entstandene Hydrolysegas und der zweite, überwiegend aus CO₂ bestehende Gasanteil aus der ersten Methanisierungsstufe werden zu einem kleinvolumigen Reaktor geführt, in dem die zweite Methanisierungsstufe abläuft.
Die Gase werden durch den Boden des zweiten Methanisierungsreaktors eingeleitet und durchströmen eine wässrige Suspension von immobilisierten methanogenen Bakterien der Art Methanothermobacter wolfei. Das in der zweiten Methanisierungsstufe erhaltene Gas weist einen Anteil an Methan von mehr als 20 Vol.-% auf.

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Biogas durch Vergärung von Biomasse in einer Biogasanlage umfassend die Schritte – Vergärung von Biomasse in zumindest zwei Stufen, nämlich einer Hydrolysestufe und einer ersten Methanisierungsstufe, – Trennung des in der ersten Methanisierungsstufe entstehenden Gasgemisches in zwei Gasanteile, wobei ein erster Gasanteil überwiegend aus Methan besteht und ein zweiter Gasanteil überwiegend aus Kohlendioxid besteht, – Einbringen des überwiegend aus Kohlendioxid bestehenden Gasanteils der ersten Methanisierungsstufe in den Reaktor einer zweiten Methanisierungsstufe, – Einbringen des in der Hydrolysestufe gewonnenen wasserstoffhaltigen Hydrolysegases in den Reaktor der zweiten Methanisierungsstufe, – Umsetzung der Gase Wasserstoff und Kohlendioxid in der zweiten Methanisierungsstufe zu Methan in Anwesenheit methanogener Bakterien.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den methanogenen Bakterien zumindest teilweise um ein oder mehrere Arten von Bakterien der Familien Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanosarcinales und Methanopyrales handelt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den methanogenen Bakterien zumindest teilweise um ein oder mehrere Bakterien der Arten Methanobacterium, Methanobrevibacterium, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanogenium, Methanosarcina und Methanothermobacter wolfei handelt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem wasserstoffhaltigen Hydrolysegas zusätzlicher Wasserstoff in die zweite Methanisierungsstufe eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die zweite Methanisierungsstufe zusätzlicher Wasserstoff in einer Menge eingebracht wird, die ein molares Verhältnis von Kohlendioxid zu Wasserstoff von rund 1:4 gewährleistet.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung des in der ersten Methanisierungsstufe entstandenen Gasgemisches in zwei Gasanteile durch eine chemische Wäsche erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als chemische Wäsche eine Wasser-Wäsche, eine Wäsche mit Natronlauge, eine Selexol^TM-Wäsche oder eine Amin-Wäsche, insbesondere eine Ethanolamin-Wäsche, eingesetzt wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem in der ersten Methanisierungsstufe entstandenen Gasgemisch abgetrennte, überwiegend aus Methan bestehende Gasanteil in einem Blockheizkraftwerk unter Freisetzung von thermischer Energie zu Kohlendioxid umgesetzt wird und das kohlendioxidhaltige Abgas des Blockheizkraftwerks in den Reaktor der zweiten Methanisierungsstufe eingebracht wird.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen eines oder mehrerer Gase ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: – überwiegend aus Kohlendioxid bestehender Gasanteil der ersten Methanisierungsstufe, – in dem Blockheizkraftwerk entstandenes, kohlendioxidhaltiges Gas, – in der Hydrolysestufe gewonnenes, wasserstoffhaltiges Hydrolysegas, – zusätzlicher Wasserstoff in den Reaktor der zweiten Methanisierungsstufe durch ein Einleiten durch den Boden des Reaktors der zweiten Methanisierungsstufe erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung der Gase Wasserstoff und Kohlendioxid in der zweiten Methanisierungsstufe zu Methan bei einer Temperatur von über 50°C, bevorzugt von über 60°C, besonders bevorzugt von über 70°C stattfindet.
Biogasanlage zur Durchführung eines Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10 umfassend – zumindest einen Hydrolysereaktor, – zumindest zwei Methanisierungsreaktoren, nämlich einen ersten Methanisierungsreaktor und einen zweiten Methanisierungsreaktor, – zumindest ein Mittel zur Trennung des in dem ersten Methanisierungsreaktor entstehenden Gasgemisches in zwei Gasanteile, wobei das Mittel eine Trennung in einen ersten überwiegend aus Methan bestehenden Gasanteil und in einen zweiten überwiegend aus Kohlendioxid bestehenden Gasanteil ermöglicht, – zumindest ein Mittel zum Transport des überwiegend aus Kohlendioxid bestehenden Gasanteils der ersten Methanisierungsstufe zu dem zweiten Methanisierungsreaktor, – zumindest ein Mittel zum Transport des in dem Hydrolysereaktor gewonnenen wasserstoffhaltigen Hydrolysegases zu dem zweiten Methanisierungsreaktor, – zumindest ein Mittel zum Einbringen von Gasen in den zweiten Methanisierungsreaktor, – zumindest ein Mittel zur Zuführung einer Bakterienkultur in den zweiten Methanisierungsreaktor, wobei die Bakterienkultur methanogene Bakterien umfasst.
Verwendung einer Bakterienkultur in einem Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10 oder in einer Biogasanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bakterienkultur methanogene Bakterien umfasst.
Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um methanogenen Bakterien zumindest teilweise um ein oder mehrere Arten von Bakterien der Familien Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanosarcinales und Methanopyrales handelt.
Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den methanogenen Bakterien zumindest teilweise um ein oder mehrere Bakterien der Arten Methanobacterium, Methanobrevibacterium, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanogenium, Methanosarcina und Methanothermobacter wolfei handelt.
Immobilisierte Bakterienkultur geeignet zum Einsatz in einem Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10 oder in einer Biogasanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bakterienkultur methanogene Bakterien umfasst.
Immobilisierte Bakterienkultur nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den methanogenen Bakterien zumindest teilweise um ein oder mehrere Arten von Bakterien der Familien Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanosarcinales und Methanopyrales handelt.
Immobilisierte Bakterienkultur nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den methanogenen Bakterien zumindest teilweise um ein oder mehrere Bakterien der Arten Methanobacterium, Methanobrevibacterium, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanogenium, Methanosarcina und Methanothermobacter wolfei handelt.