DE102009009985A1

DE102009009985A1 - Verfahren zur Aufkonzentration von Mikroorganismen in wässrigen Substraten

Info

Publication number: DE102009009985A1
Application number: DE102009009985A
Authority: DE
Inventors: Benno Dr. Brachthäuser; Maja Surkamp
Original assignee: ENVIO BIOGAS BETEILIGUNGS GmbH
Current assignee: BEBRA BIOGAS GMBH, DE
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2010-08-26
Also published as: KR20100095994A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufkonzentration von Mikroorganismen in wässrigen Substraten, insbesondere bestehend aus pflanzlicher und tierischer Biomasse in Nassfermentationsverfahren für Biogasanlagen (100), insbesondere in zwei- oder mehrstufigen Biogasanlagen (100), mindestens aufweisend die folgenden Schritte: - Zugabe des wässrigen Substrates mit darin enthaltenen Mikroorganismen in mindestens einen Reaktorbehälter (3, 9) einer Biogasanlage (100) mit anschließender Hydrolyse und Fermentation des Substrates in einem definierten Temperaturbereich, - Überführung des hydrolysierten und fermentierten, wässrigen Substrates in ein mit einem Reaktorbeälter (3, 9) verbundenes Separationsmodul (5), - Separation des wässrigen Substrates in ein Konzentrat und ein Permeat im Separationsmodul (5), - Rückführung des aufkonzentrierten Konzentrates in einen Reaktorbehälter (3, 9) zur Anreicherung des wässrigen Substrates mit Mikroorganismen und Steuerung des Trockensubstanzgehalts, - Ausscheidung des Permeates aus mindestens einem Reaktorbehälter (3, 9) und/oder Speicherung des Permeates, - Vergärung des Substrates in mindestens einem Reaktorbehälter (3, 9) und - Abscheidung des durch die Vergärung gewonnenen Biogases.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufkonzentration von Mikroorganismen in wässrigen Substraten, insbesondere bestehend aus pflanzlicher oder tierischer Biomasse, in Nassfermentationsverfahren für Biogasanlagen, insbesondere in zwei- oder mehrstufigen Biogasanlagen.
Zur Erzeugung von Biogas stehen heute unterschiedliche Techniken zur Verfügung, bei denen zumeist alle biologischen Abbauprozesse in einem oder getrennt in zwei oder mehr aufeinander folgenden Prozessstufen ablaufen. Dabei unterscheidet man nach Nass- und Trockenfermentationsverfahren sowie kontinuierlichen bzw. diskontinuierlichen oder Batch-Fermentationsverfahren und dem Temperaturbereich, bei denen die Anlagen betrieben werden.
Zur weiteren Differenzierung der Anlagen werden die eingesetzten Substrate herangezogen. Dabei unterscheidet man nach Mono- und Cofermentationsanlagen sowie Wirtschaftsdüngeranlagen.
Als Gärbehälter kommen überwiegend volldurchmischte, stehende Behälter aus Stahlbeton, emailliertem Metall oder Edelstahl vor. Außerdem gibt es liegende Behälter, die im Pfropfenstrom gefahren werden. Die Gärbehälter sind in der Regel mit Heizsystemen ausgestattet. Als Sonderbauformen gelten Verfahren wie Doppelkammerverfahren oder Behälter mit integrierter Hydrolysekammer.
Aktive Biomasse wird durch Einbringen von Wirtschaftsdünger, z. B. Gülle, Mist, Kot, oder aktiver Biomasse aus laufenden Anlagen in das System eingebracht. Es handelt sich hierbei um eine komplexe Mischkultur, die unter anderem die erforderlichen Methanbakterien enthält. Methanbildende Bakterien benötigen zum Zellwachstum und zur Methanbildung einfache Kohlenstoffverbindungen wie Essigsäure. Diese werden durch weitere Bakterien über Hydrolyse und Säurebildung zur Verfügung gestellt. Dabei ist die räumliche Nähe von Methanbakterien und Essigsäure bildenden unablässig.
Für die Nassvergärung werden als Grundsubstrate Wirtschaftsdünger mit hohen Wassergehalten eingesetzt. Um deren Energiegehalt zu steigern, werden zusätzliche Cosubstrate wie nachwachsende Rohstoffe, Nahrungsmittelabfälle und tierische Nebenprodukte eingesetzt. Wichtig zur Erzeugung von Biogas sind hohe organische Kohlenstoffanteile der Substrate. Hauptkriterium für die Verwendbarkeit in der Nassfermentation ist die Pumpfähigkeit der Einsatzstoffe.
Die Substrate werden über unterschiedliche Einbringtechniken in Fermenter eingebracht, in welchem große Teile der organischen Substanz abgebaut werden. Anschließend werden nicht abgebaute Gärreste aus dem Prozess ausgetragen.
Der biologische Prozess ist abhängig von der hydraulischen Verweilzeit, der Raumbelastung, der Temperatur und dem pH-Wert des Gärsubstrates. Während der pH-Wert der Biogasanlagen nur sehr selten geregelt wird, kann die Temperatur durch Heizsysteme der Gärbehälter (Reaktorbehälter) geregelt werden. Optimale Biogasausbeuten können im mesophilen Bereich (32°C bis 42°C) oder im thermophilen Bereich (50°C bis 57°C) erreicht werden.
Die Verweilzeit entspricht dem mittleren, theoretischen Aufenthalt eines jeden Substratteilchens, das dem Gärprozess zugeführt wird. Sie ergibt sich aus der biologischen Verstoffwechselung der Substrate durch Mikroorganismen. Die Biogasproduktion aus komplexen Substraten erfolgt über bis zu vier Abbaustufen, die jeweils von verschiedenen Mikroorganismen geleistet werden und in unterschiedlichen Geschwindigkeiten erfolgen.
Aus diesem Grund ist die Verweilzeit in einstufigen Verfahren an den langsamsten biologischen Prozess angepasst und beträgt dort in Abhängigkeit von den eingesetzten Rohstoffe und von der Reaktionstemperatur zwischen 20 bis 60 Tage.
Im zweistufigen System kann die Verweilzeit entsprechend in den biologischen Prozessen der einzelnen Stufen angepasst werden. Sie beträgt in der ersten Stufe 5 bis 15 Tage und in der zweiten Stufe 20 bis 40 Tage. Bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen, die mit Gülle oder nachwachsenden Rohstoffen oder organischen Abfällen betrieben werden, betragen die Verweilzeiten in der ersten Stufe zwischen 10 bis 25 Tagen und in der zweiten Stufe zwi schen 20 bis 60 Tage. Für mehrstufige Systeme gibt es entsprechend mehr Kombinationsmöglichkeiten.
Die Raumbelastung gibt an, wie viel organische Trockenmasse pro Kubikmeter Nettofermentervolumen täglich zugeführt wird. Sie ist abhängig von dem Trockensubstanzgehalt der Substrate und der eingesetzten Substratmenge sowie vom Fermentervolumen. Die Raumbelastung ist auch ein Maß für die theoretisch mögliche Biogasausbeute und hat Einfluss auf die Anlagenbiologie. Sehr hohe Raumbelastungen hemmen diese.
Ein limitierender Faktor für die Raumbelastung ist zudem die sogenannte Substrathemmung. Dieser Begriff beschriebt eine Zustand, bei dem sich die Substrate gegenseitig behindern, da die Produkte der Katalyse nicht vom Enzym wegkommen, und die Substrate nicht hin. Die Reaktionsgeschwindigkeit sinkt aufgrund der zu hohen Substratkonzentration.
Sehr viele Biogasanlagen zur Nassfermentation werden heute nach vorhandenen Substraten und deren verwertbaren organischen Anteil ausgelegt. Dabei ist die Größe der Fermenter abhängig von der Raumbelastung, die erfahrungsgemäß von der verfügbaren Pump- und Rührwerkstechnik verarbeitet werden kann. Erfahrungswerte liegen im Bereich von ca. 2,5 bis 3,5 kgoTS/m³d oder 12% bis 15% Trockensubstanzgehalt (TS).
Bei einem definierten Fermentervolumen sinkt mit steigender Faulraumbelastung die hydraulische Verweilzeit, mit anderen Worten: der Durchsatz. Bei wässrigen Substraten mit geringer Energiedichte bedeutet dies, dass sehr große Fermentervolumen vorgehalten werden müssen.
Aus der DE 10 2005 025 886 B3 ist ein Verfahren zum Regeln eines Gehaltes mikrobieller Biomasse in einem oder mehreren Reaktoren einer Biogasanlage bekannt. Dabei ist vorgesehen, die mikrobielle Biomasse in dem oder den Reaktor(en) mit magnetischen Partikeln zu versetzen und aus einem Ablauf, welcher mit einem oder allen Reaktoren in Verbindung steht, mit Hilfe einer Magnetkraft-Rückhalteeinrichtung eine ablaufende mikrobielle Biomasse zumindest teilweise abzuscheiden. Wenigstens ein Teil der abgeschiedenen Menge der ablaufenden mikrobiellen Biomasse wird über eine Rückführeinrichtung in den oder die Reaktor(en) zur weiteren Verwendung bei der Biogaserzeugung eingebracht
Aus der DE 195 07 258 A1 ist ein Verfahren zum mikrobiellen Abbau organisch belasteter Substrate bekannt, bei dem der Abbau in einer oder in mehreren Stufen erfolgt und das ebenfalls in einem ein- oder mehrteiligen Reaktor durchgeführt wird. In dem Verfahren werden dem Biogasreaktor organische Reststoffe entnommen und einer Trennstufe zugefügt. In der Trennstufe werden die Reststoffe aufkonzentriert, und die in diesen enthaltende Flüssigkeit wird um mindestens 50 reduziert und abgeführt. Der Trennstufe ist ein zweiter Biogasreaktor als zweite Methanisierungstufe zugeordnet, welcher die entnommenen und aufkonzentrierten organischen Reststoffe zugeführt werden. Durch diese Verfahrensweise wird erreicht, dass Rest- und Abfallstoffe mit einer hohen Konzentration an Feststoffen biologisch bis auf eine sehr kleine Restmenge abbaubar sind.
Im Wesentlichen bestehen beim Stand der Technik wesentliche Probleme, die insbesondere bei der Nassfermentation auftreten und mit den Auslegungsparametern, mit der Raumbelastung und der hydraulischen Verweilzeit zusammen hängen. Aufgrund der in landwirtschaftlichen Biogasanlagen nur rudimentär vorhandenen Fermentationstechnik werden die Anlagen nicht unter optimalen biologischen Bedingungen gefahren, sondern am Limit der einsetzbaren Rühr- und Pumptechnik. Um wirtschaftliche Energiebeträge zu erreichen, werden große Mengen an Substraten eingesetzt und umfassende Fermentervolumen vorgehalten, was viel Bauraum erfordert und hohe Kosten nach sie zieht. Bei den verwendeten Bauformen wird nach Ablauf der vordefinierten hydraulischen Verweilzeit neben nicht vergärbarem Material auch wertvolle Biomasse aus dem Fermenter ausgetragen, die dem Prozess unweigerlich verloren geht. Über diesen Austragungsprozess werden auch wichtige Mikroorganismen z. B. Bakterien ausgetragen, die dem weiteren Fermentationsprozess, und damit dem Ziel der Methanbildung, nicht mehr zu Verfügung stehen.
Wichtig für einen stabil laufenden Prozess ist neben den Substraten vorrangig jedoch auch eine ausreichende Menge an Bakterien, die die Substrate abbauen, das heißt: in Biogas umwandeln können.
Methanbakterien sind auf die Vergesellschaftung mit acetogenen Bakterien angewiesen, da sie nur einfache Kohlenstoff-Verbindungen verwerten können und ihnen diese von Acetogenen zur Verfügung gestellt werden. Zur Ausbildung dieser Symbiose müssen sie in direktem räumlichen Kontakt stehen. Diese Tatsache wird in bekannten Nassvergärungsverfahren dem Zufall überlassen. Es kommt häufig vor, dass Anlagen nicht in Volllast betrieben werden können, weil die Abbauleistung der Biologie spärlich und die Energieinhalte der Substrate zu gering sind. Betreiber neigen dazu, in diesen Fällen die Substratzufuhr zu erhöhen. Dadurch verringert sich die Verweilzeit und die an die vorherrschenden Bedingungen angepassten Mikroorganismen werden in ihrer Abbauleistung gehemmt. Neben der Hemmung kann es zu einem Ausschwemmen der Mikroorganismen kommen, sodass die Biogasentwicklung vollständig zum Erliegen kommen kann.
Ein weiteres Problem bei den herkömmlichen Nassfermentierungsanlagen sind die niedrigen Energieinhalte vor allem von Wirtschaftsdüngern, wie z. B. Gülle. Diese werden durch Zugabe von wertvollen Rohstoffen wie Mais oder anderen nachwachsenden Rohstoffen oder Speiseabfällen erhöht. Hier leidet vor allem die Wirtschaftlichkeit der Anlagen für die Betreiber, da Rohstoffe zugekauft oder auf vorhandenen Flächen angebaut werden müssen. Es können zusätzliche hohe Kosten verursacht werden.
Ausgehend von dieser Problemstellung ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Aufkonzentration von organischer Biomasse und Mikroorganismen in wässrigen Substraten, insbesondere bestehend aus pflanzlicher oder tierischer Biomasse, in Nassfermentationsverfahren für Biogasreaktoren bereitzustellen, mit denen eine verbesserte Umsatzleistung der Substrate durch Mikroorganismen und damit eine wirtschaftlichere Führung des Biogaserzeugungsprozesses möglich ist.
Zur Problemlösung zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren mindestens durch die folgenden Schritte aus:

– Zugabe des wässrigen Substrates mit darin enthaltenen Mikroorganismen in mindestens einen Reaktorbehälter einer Biogasanlage mit anschließender Hydrolyse und Fermentation des Substrates in einem definierten Temperaturbereich,
– Überführung des hydrolysierten und fermentierten, wässrigen Substrates in ein mit einem Reaktorbehälter verbundenes Separationsmodul,
– Separation des wässrigen Substrates in ein Konzentrat und ein Permeat im Separationsmodul,
– Rückführung des aufkonzentrierten Konzentrates in einen Reaktorbehälter zur Anreicherung des wässrigen Substrates mit Mikroorganismen und Steuerung des Trockensubstanzgehalts,
– Ausscheidung des Permeates aus mindestens einem Reaktorbehälter und/oder Speicherung des Permeates,
– Vergärung des Substrates in mindestens einem Reaktorbehälter und
– Abscheidung des durch die Vergärung gewonnenen Biogases

Vorteilhafterweise kann durch dieses Verfahren eine Erhöhung der Stoffwechselleistung der Mikroorganismen, z. B. der Methanbakterien erreicht werden, da diese infolge der Separation im Separationsmodul der sogenannten Bioresonanz ausgesetzt werden. Unter Bioresonanz im vorliegenden Zusammenhang wird verstanden einen Stimulation der Bakterien dadurch auszusetzen, dass man diese einem Stress aussetzt, beispielsweise einer mechanischen Schwerbelastung, wie sie in Pumpen oder dergleichen erfolgt. Hierdurch wird deren Umsatzleistung erhöht.
Die Separation hat den Effekt, dass sich die Mikroorganismen im Konzentrat anreichern können. Vorteilhafterweise ist durch die Steigerung der Umsatzleistung und durch die Anreicherung der Mikroorganismen im Konzentrat eine Steigerungsrate der Umsatzleistung von bis zu 30 möglich. Außerdem kann durch die Separation im Separationsmodul die Mikroorganismendichte im Substrat wesentlich erhöht werden.
Die Bioresonanzreaktion und die Aufkonzentration können sowohl in ein- als auch in mehrstufigen Biogasreaktoren eeingestezt werden. Dabei ist es möglich, ein- oder mehrere Separationsmodule vorzusehen, in denen das Bioresonanz-Prinzip durchgeführt wird, wodurch es zur Erhöhung der Umsatzleistung der Mikroorganismen kommt und zudem eine Anreicherung der Mikroorganismen im Konzentrat erzielt werden kann.
Das Konzentrat, das eine erhöhte Mikroorganismenkonzentration und stark aktivierte Mikroorganismen enthält, kann in den oder in die Biogasreaktor(en) zur Anreicherung des wässrigen Substrats gegeben werden
Das bei der Aufkonzentration verbleibende Permeat, das sich durch einen hohen Wassergehalt auszeichnet, kann aus dem Reaktorbehälter ausgeschieden und/oder gespeichert werden. Alternativ kann das Permeat direkt mindestens einem Reaktorbehälter zugeführt werden, um einen bestimmten Trockensubstanzgehalt im Reaktorbehälter einzustellen.
Ebenfalls kann das Permeat vorher in einem separaten Behälter gespeichert werden und dann gezielt einem Biogasreaktor zugeführt werden.
Nach der Rückführung des aufkonzentrierten Konzentrates in einen oder mehrere Reaktorbehälter erfolgt die Vergärung des Substrates im jeweiligen Reaktorbehälter. Bei dieser Reaktion entsteht die als „Biogas” bezeichnete und überwiegend Methan enthaltende Gasmischung. Das Biogas kann durch eine Biogasleitung in einen entsprechenden Biogasbehälter bzw. Gasspeicher gelangen.
Vorteilhafterweise kann das Separationsmodul als Platten-, als Röhren- oder als Cross-Flow-Filter ausgebildet sein. Es ist weiterhin möglich, dass das Separationsmodul als Schwerkrafteindicker, als Zentrifuge oder als Dekanter ausgebildet ist. Darüber hinaus können für das Separationsmodul Kombinationen aus den vorbeschriebenen Modulen verwendet werden. Beispielsweise können ein Platten- oder ein Röhrenfilter mit einem Schwerkrafteindicker und/oder einer Zentrifuge verwendet werden.
Durch die Verwendung dieser Filter kann zum einen eine erfolgreiche Separation der Trockensubstanz vom Wasseranteil erreicht werden; darüber hinaus kann durch diese Filter die Aufkonzentrationen der Mikroorganismen im Substrat, d. h. die Rückhaltung von Mikroorganismen im Substrat, erreicht werden.
In erfindungsgemäßer Weise wurde erkannt, dass über die Separation der Trockensubstanzgehalt des Substrates in beliebiger Weise eingestellt werden kann. Dabei hat sich gezeigt, dass der Trockensubstanzgehalt des Substrates auf 5% bis 25%, vorzugsweise auf 12% bis 15% eingestellt werden kann. Mit diesem Anteil an Trockensubstanz ist eine besonders wirtschaftliche Betriebsweise des Biogasreaktors möglich. Hierzu wird über eine Regelung der Filterleistung im Zusammenhang mit Trockensubstanzmessungen der Trockensubstanzgehalt im Fermenter über die Entnahme von Permeat eingestellt. Bei Bedarf ist möglich, das Per meat in beliebiger Menge in den oder die Reaktorbehälter einzubringen, um den Trockensubstanzgehalt des Substrates in beliebiger Weise auf einen bestimmten Wert einzuregeln.
Vorteilhafterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Vergärung im Biogasreaktor eine Temperatur von 37°C bis 90°C eingestellt. Innerhalb dieses Temperaturbereichs ist eine wirtschaftliche Vergärung des Substrates gegeben. Die Separation des wässrigen Substrates kann vorteilhafterweise kontinuierlich oder in zeitlichen Intervallen während des Fermentationsprozesses erfolgen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Transport bzw. die Überführung des wässrigen Substrates in das Separationsmodul mittels einer Umwälzpumpe erfolgt. Dabei ist es möglich, dass auch mehrere Umwälzpumpen vorhanden sein können, die das wässrige Substrat aus mehreren Reaktoren in mehrere Separationsmodule überführen bzw. umpumpen. Je nachdem, wie viele Stufen der Prozess der Biogaserzeugung aufweist, können auch entsprechende Anzahlen von Separaturen bzw. Separationsmodulen und Umwälzpumpen vorgesehen werden. Es kann auch nur mit einer Umwälzpumpe gearbeitet werden, welche für die Umwälzung des Substrates sorgt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, dass dem wässrigen Substrat ein Cosubstrat, beispielsweise Getreide, Gräser, Mais oder andere organische Reststoffe wie z. B. Speisereste zugegeben werden. Auf diese Weise kann der Trockensubstanz und damit der Energiegehalt des Substrates weiter erhöht werden, damit eine wirtschaftliche Erzeugung von Biogas möglich ist. Dabei kann das wässrige Substrat vor der Zugabe in den oder in die Reaktorbehälter auf einen bestimmten Trockensubstanzgehalt aufkonzentriert werden. Es hat sich gezeigt, dass dabei ein Trockensubstanzgehalt von 5% bis 25% TS, vorzugsweise 12% bis 15% TS, gewählt wird, um eine wirtschaftliche Erzeugung von Biogas zu ermöglichen.
Die Separation des wässrigen Substrates im Separationsmodul bzw. in den Separationsmodulen kann erfolgen, wenn die Teilchengröße der Trockensubstanz in einem Bereich von 0,01 mm bis 1,5 mm liegt. Kleinere Teilchengrößen der Trockensubstanz lassen sich mit den genannten Filtern nicht mehr ausreichend separieren oder die Separation von Teilchen mit Größen außerhalb dieses Bereichs ist nicht wirtschaftlich.
Um die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens noch weiter zu steigern, ist es vorteilhaft, dem wässrigen Substrat Enzyme und/oder weitere Zusatzstoffe, z. B. Spurenelemente zuzugegeben. Durch die Zugabe solcher Enzyme kann z. B. die Abbauleistung der Mikroorganismen, insbesondere der Methanbakterien, weiter gesteigert werden, sodass die Verweildauer des Substrates im Biogasreaktor verkürzt werden kann, ohne dass ein Rückgang der Wirtschaftlichkeit in Kauf genommen werden muss.
Durch diese veränderte Verfahrensführung bei einer zwei- oder mehrstufigen Biogasanlage mit integrierter Separationstechnik ist es so möglich, durch gezielte Fraktionierung bzw. Separierung von Gärsubstrat oder Rohstoffen die Retentionszeiten der Stoffe für jede einzelne Stufe zu differenzieren. So werden für die Bestandteile der Rohstoffe sowie der Biomasse in den jeweiligen Stufen optimale Verweilzeiten und damit verbunden die bestmögliche Ausbeute an Biogas sowie eine Minimierung der Gärbehälter (Reaktorbehälter) erreicht.
Je nach Anordnung der Separation werden zwei Resultate bei der Prozessführung erzielt:

– Einerseits können wässrige Substrate vor der Zufuhr in die Gärbehälter (Reaktorbehälter) behandelt werden, um deren Energiedichte zu erhöhen. Dies ist z. B. der Fall, wenn über die Separation eine Aufkonzentrierung zu einem Konzentrat erreicht wird, das eine höheren Trockensubstanz sowie eine größere Anzahl von Bakterien enthält.
– Andererseits kann die Biomasse im Gärbehälter (Reaktorbehälter) zurückgehalten werden, um die Retentionszeiten zu erhöhen.

Es ist auch möglich, beide Behandlungsarten jeweils kombiniert ablaufen zu lassen und diese bei mehrstufigen Nassfermentationen jeweils an beliebiger Stelle zwischen den Stufen einzusetzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient auch zur Anhebung der Retentionszeiten und damit der Optimierung des biologischen Abbauprozesses der Substrate und deren Umsetzung in Biogas. Durch die Erhöhung der Retentionszeiten kann die Biomasse im Fermenter angereichert und die Biogasausbeute erhöht werden. Dabei wird das Gärsubstrat durch Separation in einem Separationsmodul fraktioniert und biomassereiche Fraktion kann im Gärbehälter (Reaktorbehälter) zurückgehalten werden. Das Permeat kann abgeführt oder zur Regulierung des Trockensubstanzgehaltes wieder zurück in den gleichen Gärbehälter (Reaktorbehälter) geführt werden. Die Rückführung des Permeates kann erfol gen, wenn der Trockensubstanzgehalt im Gärbehälter (Reaktorbehälter) zu groß ist, sodass über eine Zugabe von Permeat der Trockensubstanzgehalt verringert werden muss.
Die Regelgröße ist beim vorliegenden Verfahren der Trockensubstanzgehalt im Gärbehälter (Reaktorbehälter): Ist der Trockensubstanzgehalt im Gärbehälter ausreichend hoch, können sich die Methan bildenden Bakterien anreichern und der Methanertrag (Biogasertrag) kann erhöht werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn – wie oben beschrieben – eine Separation im Separationsmodul erfolgt, durch die Bioresonanz verursacht wird und somit die Umsatzleistung der Methan bildenden Bakterien erhöht werden kann.
Entscheidend für die Fermentation bzw. für die Erzeugung von Biogas sind die in den Substraten erhaltenen Nährstoffe und die dort lebenden Mikroorganismen. Es müssen sowohl Mikroorganismen als auch deren Nährstoffe in ausreichender Menge vorhanden sein. Das Optimum des Fermentationsprozesses ist erreicht, wenn sich die Substratzu- und -abfuhr in Abhängigkeit von der Wachstumsrate der Methanbakterien im Fließgleichgewicht befinden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können wässrige Substrate fraktioniert werden, d. h. in ein Konzentrat und in ein Permeat aufgeteilt (separiert) werden, so dass vor dem eigentlichen Gärprozess die Energiedichte des Substrates erhöht und somit die Biogasausbeute verbessert werden kann.
Hierbei werden über dieselbe Separationseinheit bzw. über dasselbe Separationsmodul zwei Fraktionen aus dem Substrat hergestellt. Dies ist zum einen das Konzentrat als energiereiche Fraktion, das anschließend dem Prozess zugeführt wird und über das der Prozess über den Trockensubstanzgehalt im Gärbehälter geregelt wird.
Die energiearme Fraktion, das Permeat, kann entweder dem Prozess entzogen oder zur Regulierung des Trockensubstanzgehaltes wiederverwendet werden, z. B. wenn dieser zu groß ist.
Es ist auch möglich, Kombinationen aus beiden Verfahrensweisen in Abhängigkeit von den vorhandenen Substraten zu erstellen. Dabei wird ein optimaler Trockensubstanzgehalt ermittelt und die Fraktionierung, das heißt die Separierung im Separationsmodul, entsprechend eingestellt.
Eine bevorzugte Biogasanlage zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 15 dargelegt und wird nachfolgend anhand der Zeichnungen zu einem Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein vereinfachtes Verfahrensschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zweistufigen Biogasanlage und
2 eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer mehrstufigen Biogasanlage.
1 zeigt schematisch eine zweistufige Biogasanlage 100. Aus einer Vorgrube 1 gelangt das Substrat über eine Substratleitung 2, auch Umwälzleitung genannt, in den ersten Reaktorbehälter 3. Im Reaktorbehälter 3 wird unter Temperatureinwirkung die sogenannte erste Stufe durchgeführt, nämlich die Hydrolyse und die Fermentation der eingesetzten Rohstoffe des Substrates. Die Vergä rungstemperatur wird in Abhängigkeit von der Betriebsweise und dem eingesetzten Rohstoff festgelegt und beträgt in der ersten Stufe 37°C bis 55°C. Der Trockensubstanzgehalt im Reaktorbehälter 3 wird überwacht und vorzugsweise auf 5% bis 25% TS festgelegt.
Über die Substratleitung 2, in der eine Umwälzpumpe 4 angeordnet ist, gelangt das Substrat in ein Separationsmodul 5. In dem Separationsmodul 5 erfolgt die Aufteilung des Substrates in

– ein Konzentrat, das sich durch einen höheren Feststoffgehalt und einen hohen Anteil von Mikroorganismen auszeichnet, und in
– das sogenannte Permeat, das energiearm ist und einen hohen Wasseranteil aufweist.

Über die sogenannte Konzentratleitung 6 kann das aufkonzentrierte Konzentrat, das einen hohen Anteil an Mikroorganismen sowie einen hohen Trockensubstanzgehalt aufweist, in den Reaktorbehälter 3 zurückgeführt werden. Sollte sich herausstellen, dass im Reaktorbehälter 3 der Trockensubstanzgehalt zu hoch ist, kann über eine Permeatleitung 7 ein Teil des Permeats wieder in den ersten Reaktorbehälter 3 zurückgeführt werden, um dadurch im Reaktorbehälter 3 einen gewünschten Trockensubstanzgehalt einzustellen.
Es ist auch möglich, dass das Substrat von der Umwälzpumpe 4 durch das Separationsmodul 5 über die Substratleitung 8 in den zweiten Reaktorbehälter 9 gelangt. In dieser zweiten Stufe (dem Nachgärer) erfolgt die Vergärung der nach der Fermentation in der ersten Stufe verbliebenen Substrate sowie der Filtrate aus der Separation. Das bedeutet, dass die Gärreste aus der ersten Stufe, also aus dem ersten Reaktorbehälter 3, in die zweite Stufe, das heißt: in den zweiten Reaktorbehälter 9 gelangen. Die sogenannte zweite Stufe kann entweder unbeheizt sein oder ebenfalls in Anhängigkeit von der gewählten Temperatur der ersten Stufe auf eine Temperatur von 37°C bis 55°C beheizt werden. Da die zweite Stufe im Reaktorbehälter 9 nur mit dünnflüssigem Material beaufschlagt wird, das hier entweder bereits vergoren ist oder nur flüssigen Nährstoff enthält, kann die zweite Stufe wesentlich kleiner ausgeführt sein als die erste Stufe. Außerdem ist die Verweilzeit der einfließenden Substrate genauso lang wie oder kürzer als in der ersten Stufe. Aus diesem Grunde kann die einzusetzende Rührwerkstechnik deutlich kleiner ausfallen, da das in dieser Stufe verweilende Substrat eine geringere Dichte aufweist. Hierdurch lassen sich die Kosten für die Erstellung der Anlage reduzieren. Das entstehende Biogas aus den Reaktorbehältern 3 und 9 wird über eine Biogasleitung 10 in einen Biogasbehälter bzw. in einen Gasspeicher 11 geleitet.
Über eine Messvorrichtung 12, die sowohl an dem ersten Reaktorbehälter 3 als auch am zweiten Reaktorbehälter 9 angeordnet sein kann, kann ständig der Trockensubstanzgehalt des Substrates im Reaktorbehälter 3 bzw. 9 gemessen werden. Wird ein zu geringer oder zu großer Trockensubstanzgehalt gemessen, kann entsprechend mit Konzentrat oder Permeat der Trockensubstanzgehalt des Substrates in beliebiger Weise angepasst werden, sodass eine hohe Wirtschaftlichkeit für die Biogaserzeugung eingestellt werden kann. Im Biogasbehälter (Gasspeicher 11) wird das entstehende Biogas, das aus beiden Stufen, nämlich der ersten Stufe mit dem Reaktorbehälter 3 und der zweiten Stufe mit dem Reaktorbehälter 9, gesammelt und der weiteren Verwertung zugeführt.
Es ist auch möglich, dem Substrat sogenannte Cosubstrate zuzuführen. Dabei werden die Cosubstrate über einem Mischsystem, bestehend aus einem Feststoffdosierer und einer Pumpe, dem Prozess zugeführt. Dabei wird der Feststoff mit Gärsubstrat angemaischt und über einen separaten Zulauf, der in 1 nicht dargestellt ist, in den Reaktorbehälter 3 oder in den Reaktorbehälter 9 gepumpt. Über eine weiter Pumpe können die Reaktorbehälter 3, 9 beispielsweise mit Gülle aus einer Vorgrube 1 beschickt werden.
2 beschreibt den Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer mehrstufigen Biogasanlage 101. Aus der Vorgrube 1 gelangt das Substrat über die Substratleitung 2 wahlweise separiert oder unbehandelt (in 2 nicht dargestellt) in die erste Stufe, d. h. in den ersten Reaktorbehälter 3, in dem die Hydrolyse des eingesetzten Substrates durchgeführt wird. Die Hydrolysetemperatur wird in Abhängigkeit von der Betriebsweise und den eingesetzten Rohstoffen (Substrate) festgelegt und beträgt 30°C bis 90°C. Der Trockensubstanzgehalt wird kontinuierlich oder diskontinuierlich über die Messvorrichtung(en) 12 überwacht und vorzugsweise auf einen Trockensubstanzgehalt von 5% bis 25% festgelegt. Über die Substratleitung 2 gelangt das hydrolysierte Substrat von einer Umwälzpumpe 4 bewegt in ein erstes Separationsmodul 5. In dem Separationsmodul 5 wird das Substrat wieerum in ein Konzentrat und ein Permeat getrennt. Das Permeat kann se parat gespeichert werden oder dem Prozess zur Regelung des Trockensubstanzgehaltes zugeführt werden.
Das Konzentrat, das sich dadurch auszeichnet, dass es einen höheren Trockensubstanzgehalt sowie eine erhöhte Anzahl von Mikroorganismen aufweist, wird für die weitere Prozessführung verwendet und kann in den ersten Reaktorbehälter 3 zurückgeführt werden oder zur weiteren Fermentation und zur weiteren Biogasproduktion in die nächsten Stufen bzw. die folgenden Reaktorbehälter 9 und 18 eingebracht werden. In den Reaktorbehälter 3 der ersten Stufe können zur Beschleunigung des Hydrolyseprozesses in Abhängigkeit von der geplanten Betriebsweise und den eingesetzten Rohstoffe (Substraten) noch Enzyme und/oder andere Zusatzstoffe zugesetzt werden.
In der zweiten Stufe, die im zweiten Reaktorbehälter 9 durchgeführt wird, erfolgt die Vergärung der hydrolisierten Substrate aus dem Reaktorbehälter 3 der ersten Stufe. Auch im Reaktorbehälter 9 der zweiten Stufe erfolgt die Einstellung der Vergärungstemperatur in Anhängigkeit der Betriebsweise und den eingesetzten Rohstoffen (Substraten) und wird beispielsweise auf 37°C bis 55°C eingestellt. Der Trockensubstanzgehalt wird auch hier kontinuierlich oder diskontinuierlich überwacht, wobei die Überwachung ebenfalls über eine oder mehrere Messvorrichtung(en) 12 erfolgt. Der Trockensubstanzgehalt wird über die Separation der Substrate im Separationsmodul 15 konstant auf einem festen Wert gehalten.
In der dritten Stufe, d. h. in einem dritten Reaktorbehälter 18, erfolgt die Vergärung der Reststoffe des Substrates aus der zweiten Stufe sowie ggf. der Filtrate aus der ersten und zweiten Stufe. Die dritte Stufe im Bioreaktor 18 kann entweder beheizt oder unbeheizt sein und ebenfalls in Anhängigkeit von der gewählten Temperatur der zweiten Stufe auf 37°C bis 55°C beheizt werden. Da die dritte Stufe nur mit dünnflüssigem Substrat beaufschlagt wird, welches entweder bereits vergoren ist oder nur flüssige Nährstoffe enthält, kann die dritte Stufe wesentlich kleiner ausgeführt sein als die zweite Stufe. Außerdem ist die Verweilzeit des einfließenden Substrates genauso lang oder kürzer wie die Verweilzeit in der zweiten Stufe. Die einzusetzende Rührwerkstechnik kann aufgrund der geringeren Dichte des Substrates wesentlich leistungsärmer und damit günstiger ausfallen. Das entstehende Biogas wird aus den Reaktorbehältern 9 der zweiten Stufe und dem Reaktorbehälter 18 der dritten Stufe über die Biogasleitung 10 in einen Biogasbehälter 11 als Gasspeicher geleitet.
Der Transport des aufkonzentrierten oder ursprünglichen Substrates vom Reaktorbehälter 9 der zweiten Stufe zum Reaktorbehälter 18 der dritten Stufe erfolgt über die Substratleitung 13. Die Umwälzung erfolgt hierbei durch die zweite Umwälzpumpe 14, die auch ausgeschiedenes Substrat in das zweite Separationsmodul 15 pumpen kann. Über eine Konzentrat- und/oder eine Permeatleitung 16, 17 kann Konzentrat oder Permeat in den Reaktorbehälter 9 der zweiten Stufe zurückgepumpt werden, um den Trockensubstanzgehalt des Gärsubstrates zu regeln.
Die eben beschriebenen Verfahrensweisen bewirken eine effektive Rückhaltung von Biomasse in den Reaktorbehältern und damit eine Optimierung der biologischen Aktivität der Biomasse durch Bioresonanz, welche durch die Separation in den jeweiligen Separationsmodulen, 5, 15 hervorgerufen wird. Das Aufkonzentrieren der wässrigen Substrate erhöht dabei den Energiegehalt und entzieht dem Prozess unnötiges Wasser, das nicht mehr erwärmt werden muss. Durch dieses Verfahren wird der biologische Methanbildungsprozess deutlich verbessert. Das Verfahren führt insgesamt zu einer Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Biogasanlagen für die Betreiber und zur Kostensenkung bei der Investition in die Biogasanlage. Durch die Reduzierung des Substrat- bzw. Cosubstratverbrauches werden weniger Anbauflächen benötigt, und der Zukauf kann gesenkt oder eingestellt werden.

1: Vorgrube
2: Substratleitung (Umwälzleitung)
3: Reaktorbehälter (Stufe 1)
4: Umwälzpumpe
5: Separationsmodul
6: Konzentratleitung
7: Permeatleitung
8: Substratleitung
9: Reaktorbehälter (Stufe 2)
10: Biogasleitung
11: Biogasbehälter (Gasspeicher)
12: Messvorrichtung
13: Substratleitung
14: Umwälzpumpe
15: Separationsmodul
16: Konzentratleitung
17: Permeatleitung
18: Reaktorbehälter (Stufe 3)
100: Biogasanlage
101: Biogasanlage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005025886 B3 [0016]
- DE 19507258 A1 [0017]

Claims

Verfahren zur Aufkonzentration von Mikroorganismen in wässrigen Substraten in Nassfermentationsverfahren für Biogasanlagen (100, 101), insbesondere in zwei- oder mehrstufigen Biogasanlagen (100, 101), mindestens aufweisend die folgenden Schritte: – Zugabe des wässrigen Substrates mit darin enthaltenen Mikroorganismen in mindestens einen Reaktorbehälter (3, 9, 18) einer Biogasanlage (100, 101) mit anschließender Hydrolyse und Fermentation des Substrates in einem definierten Temperaturbereich, – Überführung des hydrolysierten und fermentierten, wässrigen Substrates in ein mit einem Reaktorbehälter (3, 9, 18) verbundenes Separationsmodul (5, 15), – Separation des wässrigen Substrates in ein Konzentrat und ein Permeat im Separationsmodul (5, 15), – Rückführung des aufkonzentrierten Konzentrates in einen Reaktorbehälter (3, 9, 18) zur Anreicherung des wässrigen Substrates mit Mikroorganismen und Steuerung des Trockensubstanzgehalts, – Ausscheidung des Permeates aus mindestens einem Reaktorbehälter (3, 9, 18) und/oder Speicherung des Permeates, – Vergärung des Substrates in mindestens einem Reaktorbehälter (3, 9, 18) und – Abscheidung des durch die Vergärung gewonnenen Biogases
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Separationsmodul (5, 15) – ein Platten-, ein Röhren- oder ein Cross-Flow-Filter oder – ein Schwerkrafteindicker, eine Zentrifuge oder ein Dekanter oder – eine Kombination aus diesen Modulen verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Permeat zur Steuerung des Trockensubstanzgehaltes mindestens einem Reaktorbehälter (3, 9, 18) zugegeben werden kann.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Trockensubstanzgehalt des Substrates auf 5–25%, vorzugsweise auf 12–15% eingestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vergärung in einem Reaktorbehälter (3, 9, 18) ein Temperaturbereich von 37–90°C eingestellt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Separation des wässrigen Substrates in zeitlichen Intervallen während des Fermentationsprozesses erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Überführung des wässrigen Substrates in das Separationsmodul (5, 15) mittels mindestens einer Umwälzpumpe (4, 14) erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem wässrigen Substrat ein Cosubstrat, beispielsweise Getreide oder Gräser, insbesondere Mais, organische Reststoffe, beispielsweise Speisereste, zugegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das wässrige Substrat vor der Zugabe in einen Reaktorbehälter (3, 9, 18) auf einen Trockensubstanzgehalt von 5–25%, vorzugweise auf 12–15%, aufkonzentriert wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Separation des wässrigen Substrates im Separationsmodul (5, 15) bei einer Teilchengröße der Trockensubstanz von 0,01–1,5 mm beginnt.
Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus pflanzlicher und/oder tierischer Biomasse besteht.
Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem wässrigen Substrat Enzyme und/oder weitere Zusatzstoffe wie Spurenelemente, zugegeben werden.
Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroorganismen Methanbakterien sind.
Verfahren nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Biogas über eine Biogasleitung (10) ausgeschieden wird und in einem Gasspeicher (11) gespeichert wird.
Biogasanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem ersten Reaktorbehälter (3) für die Hydrolyse und die Fermentation und einem zweiten Reaktorbehälter (9), dadurch gekennzeichnet, – dass zwischen den Reaktorbehältern (3, 9) wenigstens ein Separationsmodul (5) angeordnet ist, von dem eine Konzentratleitung (6) in den ersten Reaktorbehälter (3) zurückführt und – dass die Reaktorbehälter (3, 9) miteinander verbunden sind – über wenigstens eine Permeatleitung (7), die an dem Separationsmodul (5) vorbei läuft, und – über wenigstens eine Substratleitung (8), die durch das Separationsmodul (5) hindurch läuft.
Biogasanlage nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Substratleitung (8) wenigstens eine Umwälzpumpe (4) angeordnet ist.
Biogasanlage nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Separationsmodul (5, 15) – ein Platten-, ein Röhren- oder ein Cross-Flow-Filter oder – ein Schwerkrafteindicker, eine Zentrifuge oder ein Dekanter oder – eine Kombination aus diesen Modulen ist.
Biogasanlage nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem zweiten Reaktorbehälter (9) ein dritter Reaktorbehälter (18) angeordnet ist und dass zwischen den Reaktorbehältern (9, 18) wenigstens ein zweites Separationsmodul (15) angeordnet ist, von dem eine Konzentratleitung (16) in den zweiten Reaktorbehälter (3) zurückführt und dass die Reaktorbehälter (3, 9) miteinander verbunden sind: – über wenigstens eine zweite Permeatleitung (17), die an dem zweiten Separationsmodul (15) vorbei läuft, – sowie über wenigstens eine zweite Substratleitung (13), die durch das zweite Separationsmodul (15) hindurch läuft.