DE102009059947A1 - Verfahren zur Erhöhung der Gasausbeute in einer Gärvorrichtung, insbesondere einer Biogasanlage oder einem Fermenter, sowie Verwendung einer Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur Erhöhung der Gasausbeute in einer Gärvorrichtung, insbesondere einer Biogasanlage oder einem Fermenter, sowie Verwendung einer Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Gasausbeute in einer Gärvorrichtung, insbesondere einer Biogasanlage oder einem Fermenter, bei dem Biomasse vor und/oder nach der Fermentation in einem Wirkraum Trägheitskräften infolge kurzzeitiger extremer Beschleunigung und unmittelbar darauffolgender Verzögerung des in einem geschlossenen Strömungskanal strömendenden Trägermediums ausgesetzt wird, wobei die auf die Biomasse wirkenden Trägheitskräfte über eine Änderung des Aggregatzustandes erzeugt werden, indem das Trägermedium beim Eintritt in den Wirkraum zum Verdampfen und beim Verlassen des Wirkraums zum Kondensieren gebracht wird.
Ferner betrifft die Erfindung eine Gärvorrichtung, insbesondere Biogasanlage oder Fermenter, bei der in einem Wirkraum Biomasse infolge kurzzeitiger extremer Beschleunigung und unmittelbar darauf folgender Verzögerung desintegriert wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Gasausbeute in einer Gärvorrichtung, insbesondere einer Biogasanlage oder einem Fermenter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die Verwendung einer Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens sowie eine Gärvorrichtung.
  • In einer Biogasanlage wird Biogas durch Vergärung von Biomasse erzeugt. Das erzeugte Biogas wird in energietechnischen Anlagen zur Erzeugung von Energie genutzt. Die anfallenden Gärrückstände aus der Biogasproduktion werden als landwirtschaftliche Düngemittel verwendet.
  • Als Substrate zur Biogaserzeugung wird organische Biomasse wie Gülle, Silage oder Bioabfall eingesetzt. Diese Substrate sind unter anaeroben Bedingungen dem mikrobiellen Abbau (Vergärung) leicht zugänglich. Ligninhaltige Substrate wie Holz oder trockene Gräser sind unter anaeroben Bedingungen nur schwer abbaubar und werden daher als Substrat zur Biogaserzeugung zumeist weniger bevorzugt. Bei der Fermentation der Biomasse entsteht als Hauptabbauprodukt das energiereiche Methan (CH4) sowie Kohlendioxid (CO2). Diese gasförmigen Produkte bilden die Hauptkomponenten des Biogases.
  • Der Abbauprozess in der Fermentation läuft mehrstufig ab und kann in den einzelnen Stufen als Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese sowie Methanogenese unterteilt werden. Während der Fermentation wird ein Großteil der eingesetzten organischen Trockensubstanz in Biogas umgesetzt. Als Gärrückstand bleibt ein wässriges Gemisch aus schwer abbaubarem organischen Material, insbesondere lignin- und zellulosehaltigen Produkten sowie anorganischen Stoffen wie Mineralien zurück. Aufgrund der hohen Konzentration von Spurenelementen (insbesondere Stickstoff, Phosphor) werden diese Gärrückstände in der Landwirtschaft als Dünger eingesetzt.
  • Je nach Art des eingesetzten Substrates unterscheidet man zwischen einer Nassfermentation und einer Trockenfermentation bzw. Nassvergärung und Trockenvergärung. Bei der Nassfermentation macht ein hoher Wasseranteil das Substrat rühr- und fließfähig. Die Trockenfermentation erfolgt normalerweise mit stapelbarer organischer Biomasse.
  • Die Leistungsfähigkeit einer Biogasanlage wird durch deren Wirkungsgrad bestimmt, welcher wiederum abhängig ist von den eingesetzten Substraten (deren Art und Form) und den Bedingungen in den ablaufenden Fermentationsprozessen.
  • Nach der Fermentation ist bei vielen Anlagen noch ein Lagerbehälter vorgesehen, der luftdicht abgeschlossen ist und in dem eine Nachgärung von schwer vergärbarer Biomasse erfolgt. Bei der Nachgärung werden auch schwer abbaubare Substrate umgesetzt. Die Nachgärreste werden teilweise erneut dem Fermenter zurückgeführt.
  • Da die Vergärung von lignin- und zellulosehaltigen Substraten problematisch ist, wird in der DE 10 2004 054 468 A1 ein Verfahren zur anaeroben Vergärung pflanzlicher Substrate und deren Vorbehandlung mit thermomechanischem Aufschluss in einem Reaktor beschrieben. Bei diesem Verfahren wird zur Erzielung einer nachweislich höheren Gasbildungsrate dem Vergärungsprozess eine aufbereitungstechnische Vorstufe außerhalb des Reaktors durch Extrusion der pflanzlichen Substrate vorgeschaltet. Allerdings wird in einer solchen Anlage durch die Verwendung eines Extruders keine vollständige Zerstörung der Ligninstrukturen und Aufbruch zellulärer Strukturen für den Biogasbildungsprozess erreicht. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass bei einer Platzierung des Extruders vor dem Fermenter auch Fremdstoffe wie z. B. Metallteile und Steine in den Extruder gelangen und diesen unter Umständen beschädigen können.
  • In der DE 10 2007 037 202 A1 wird ein Verfahren zur Umwandlung von Biomasse beschrieben, wobei der Gärrest eines Fermenterreaktors einer Fest-Flüssig-Phasentrennung mit anschließender Thermodruckhydrolyse unterworfen wird. Die so behandelte Feststoffphase wird einem Fermenter zugeführt. Ein vollständiger Zellaufschluss ist auch hier nicht zu erreichen.
  • In der DE 10 2008 030 653 A1 wird ein Verfahren und eine Anlage zur Steigerung der Biogasausbeute eines abbaubaren Substrates beschrieben, bei dem eine thermische Desintegrationsstufe vorgesehen ist, die sich zwischen der Hydrolysestufe und der Methanstufe befindet. Dadurch soll die CO2-Gesamtbilanz verringert werden. Die thermische Desintegrationsstufe besteht aus einem Behältnis mit einem Rührwerk.
  • Im nächsten Stand der Technik, der DE 20 2009 002 537 U1 , wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten Gasausbeute durch weiteren Aufschluss von organischer Biomasse in Biogasanlagen beschrieben. Die Vorrichtung besteht aus einem Extruder, welcher wenigstens eine Verdichtungsschnecke für die gequollenen Feststoffe der organischen Biomasse besitzt. Durch den Druck, die Temperatur und eine nachfolgende starke Herabsetzung der Volumenspannung der gequollenen Feststoffe soll die Wirkung der Kavitation und Implosion der Zellen der gequollenen Feststoffe größer sein als die von Zellen nicht gequollener Biomasse als Ausgangsstoff für die Biogasanlage. Der Extruder ist zwischen einem Separator zum Trennen von flüssigen und festen Substraten zu einem Behältnis mit einem Rührwerk angeordnet. Die beschriebene Einrichtung bedarf demnach eines Separators sowie eines getrennten Extruders, die als kontinuierlich arbeitende Baueinheiten vorhanden sein müssen. Auch bezüglich des damit zu erreichenden Zellaufschlusses kann diese Einrichtung nicht befriedigen. Ferner führt die Kavitation zu Materialabrasionen. Dies ist unbefriedigend.
  • Es ist daher im Hinblick auf den bekannten Stand der Technik Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem/der die Gasausbeute in einer Gärvorrichtung, insbesondere einer Biogasanlage oder einem Fermenter, erhöht werden kann, um so den Wirkungsgrad solcher Anlagen bei der Fermentation organischer Biomasse durch höhere Ausbeuten an Biogas zu steigern.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Die Erfinder haben überraschenderweise festgestellt, dass die Gasausbeute aus organischer Biomasse in einer Biogasanlage dadurch erhöht werden kann, indem die Biomasse vor der Fermentation in einem Wirkraum Trägheitskräften infolge kurzzeitiger extremer Beschleunigung und unmittelbar darauffolgender Verzögerung des in einem geschlossenen Strömungskanal strömenden Trägermediums ausgesetzt wird. Erfindungsgemäß werden dabei die auf die Biomasse wirkenden Trägheitskräfte über eine Änderung des Aggregatzustandes erzeugt, indem das Trägermedium beim Eintritt in den Wirkraum zum Verdampfen und beim Verlassen des Wirkraums zum Kondensieren gebracht wird. Ein solches Verfahren ist bereits im Bereich von Kläranlagen bekannt, um den chemischen Sauerstoffbedarf (CSB-Wert) zu erhöhen. Der CSB-Wert ist ein Maß für die Summe aller im Wasser vorhandenen, unter bestimmten Bedingungen oxidierbaren Stoffe. Man vergleiche hierzu die DE 103 43 748 B4 . Die Erfinder haben nun festgestellt, dass sich das Verfahren auch dafür eignet, die Gasausbeute aus organischer Biomasse in einer Gärvorrichtung, insbesondere einer Biogasanlage oder einem Fermenter, zu erhöhen.
  • Die für die Biogasgewinnung eingesetzte Biomasse wird als Suspension in einem geschlossenen Strömungskanal mit einem Wirkraum über eine entsprechend dimensionierte Pumpe einer kurzzeitigen Extrembeschleunigung ausgesetzt, wodurch der Dampfdruck des Trägermediums gegenüber dem Druck in dem Wirkraum stark abgesenkt wird und das Trägermedium von seiner Flüssigphase vollständig in die Dampfphase überführt wird. Dadurch wird ein homogener Dampfstrom erreicht, der beim Eintritt in den Wirkraum auf die in der Suspension vorhandenen organischen zellulären Bestandteile kurzzeitig eine Extrembeschleunigung ausübt und beim Verlassen des Wirkraums extreme Verzögerungskräfte freisetzt, wenn die Dampfphase zurück in die Flüssigphase kondensiert.
  • Die Änderung des Aggregatzustands wird erfindungsgemäß über eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit erreicht. Dies erfolgt über eine Verengung des Querschnitts des Strömungskanals, der vorzugsweise eine konisch verlaufende Verengung umfasst, bei welcher der Durchmesser an der Eintrittsstelle des Wirkraumes und der Durchmesser an der Austrittsstelle des Wirkraumes größer ist als der Durchmesser an der engsten Stelle der Verjüngung. Die am Ende des konvergenten Kanalteils erreichte Strömungsgeschwindigkeit muss größer sein als die kritische Geschwindigkeit für einen Phasenwechsel (d. h. die Überführung von Flüssigphase in die Dampfphase). Die kritische Geschwindigkeit ist wiederum abhängig von der Dichte des Trägermediums sowie dem atmosphärischen Druck. Im Grenzfall, d. h. wenn die Strömungsgeschwindigkeit der kritischen Geschwindigkeit entspricht, bildet sich im engsten Kanalquerschnitt eine Unstetigkeitsfläche aus, über die der Phasenwechsel von Wasser in Wasserdampf stattfindet.
  • Vorzugsweise umfasst der Wirkraum einen konvergent verlaufenden Kanalteil mit einem engsten Kanalquerschnitt. In einer Ausführungsform ist der Wirkraum eine Düse. Bevorzugt ist der Durchmesser (d) und die Länge (l) der Düse in einem Verhältnis von 1:4 bis 1:6, vorzugsweise in einem Verhältnis von 1:5 zueinander. Die Strömungsgeschwindigkeit wird im Eintrittsbereich des Wirkraums so stark gesteigert, dass das Trägermedium der behandelten Suspension in dem Wirkraum vollständig von der Flüssigphase in die Dampfphase (d. h. zu Wasserdampf) übergeht und keine Kavitationsblasen gebildet werden. Beim Austritt aus dem Wirkraum wird der Dampfstrom aufgrund des größer werdenden Durchmessers im Austrittsbereich starken Verzögerungskräften ausgesetzt, und es erfolgt eine Kondensation des Wasserdampfes.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass neben einer hohen Gasbausbeute Kavitationserscheinungen vermieden werden. Als Kavitation wird die lokale Entstehung und Auflösung von Blasen oder Hohlräumen in Flüssigkeiten infolge von Druckschwankungen bezeichnet. Kavitationsblasen entstehen, indem der statische Druck unterhalb des Dampfdrucks der Flüssigkeit abgesenkt wird, wodurch sich einzelne Dampf- oder Gasblasen bilden. Nach dem Gesetz von Bernoulli ist der Druck in einer Flüssigkeit umso geringer, je höher die Geschwindigkeit ist. Mit steigender Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit kommt es zu einer Druckabsenkung. In die so entstandenen Blasen bzw. Hohlräume diffundieren die in der Flüssigkeit gelösten Gase hinein. Steigt der Druck in der Flüssigkeit wieder an, kondensiert der Dampf in den Blasen bzw. Hohlräumen, und die Gasblasen kollabieren durch den äußeren Druck schlagartig. Dadurch entstehen sehr hohe lokale Druck- und Temperaturspitzen. Des Weiteren wird das Gas in der Blase ionisiert, und es entstehen Radikale, die chemisch reaktiv sein können. Ferner werden durch das Kollabieren der Blase extreme lokale Schock- und Druckwellen erzeugt, bei denen es zu einem Flüssigkeitsstrom durch den Unterdruck der kollabierten Blase kommt. Solche Flüssigkeitsströme werden häufig als Mikrojets oder Flüssigkeitsjets bezeichnet.
  • Die Bildung solcher Kavitationsereignisse ist allerdings nachteilig, da sie zu Materialabrasionen führen, d. h. zu Abrieben an der Oberfläche von Düsen. Solche Kavitationsphänomene sind beispielsweise bei Schiffspropellern bekannt, wo sie als Kavitationsfraß bezeichnet werden. Durch die Schockwellen der kollabierenden Kavitationsblasen wird das Oberflächenmaterial durch die hohen mechanischen Beanspruchungen langsam herausgelöst. Nach einiger Zeit können aus der Oberfläche sogar größere Bestandteile herausbrechen, bis das Material unbrauchbar ist. Bei einem Verfahren zur Erhöhung der Gasausbeute aus organischer Biomasse in Biogasanlagen ist eine solche Materialabtragung jedoch unerwünscht. Erfindungsgemäß werden Kavitationserscheinungen vermieden, indem die zu behandelnde Suspension im Strömungskanal des Wirkraumes vollständig in die Dampfphase überführt wird. Die Bildung von Kavitationsblasen wird dadurch vermieden. Die Oberfläche des Wirkraumes bleibt beständig und ist gegenüber einer Materialabtragung resistent.
  • Die auf hydrodynamische Weise erreichte Desintegration der organischen Biomasse hat zur Folge, dass die Zellstrukturen oder schwer abbaubare Lignin- und Zellulosestrukturen der Biomassesubstrate aufgebrochen werden, wodurch sich die Angriffsfläche für die Vergärung während der Fermentation erhöht. Der Stoffwechsel verläuft effektiver und erhöht die Gasbildung in der Methanbildungsphase. Durch die Oberflächenvergrößerung und die damit verbundene verbesserte Angriffsfläche können die bei der Vergärung wirkenden Mikroorganismen und Enzyme ihre Angriffsziele besser erreichen und verstoffwechseln.
  • Zur weiteren Erhöhung der Gasausbeute kann die Biomasse mehrfach durch denselben Wirkraum gefördert werden. Vorzugsweise liegt die Strömungsgeschwindigkeit zwischen 40 und 50 m/sec, mindestens jedoch bei 20 m/sec. Da sich in vielen Anlagen nach der Fermentation ein Nachgärschritt anschließt, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Desintegration entweder vor dem eigentlichen Fermentationsschritt oder im Anschluss an die Nachgärung anzuordnen. In einer Ausführungsform wird ein Desintegrationsschritt zwischen der Fermentation und der Nachgärung angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform ist ein Desintegrationsschritt zwischen der Nachgärung und dem Restelager angeordnet. Überraschenderweise konnte festgestellt werden, dass durch den Aufbruch der zellulären Strukturen eine höhere Wirkung der Düngemittel erreicht wird.
  • Je nach Ausführungsform können ein oder mehrere Desintegrationsschritte entweder vor der Fermentation, nach der Fermentation und der Nachgärung oder bei der Rückführung des Substrates von der Nachgärung in die Fermentation oder bei der Weiterführung des Substrates zwischen der Nachgärung und dem Restelager angeordnet werden.
  • Besonders hervorzuheben ist, dass das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Verbesserung der Viskosität im Fermenter führt. Dadurch wird das eingesetzte Substrat dünnflüssiger, wodurch die Rührwerke weniger Arbeit zu verrichten haben. Dies führt zu erhebliche Strom- und Energieeinsparungen. Die gesamte Anlage läuft daher wirtschaftlicher, was einen erheblichen Vorteil gegenüber bekannten Anlagen darstellt. Die Effizienz konnte ferner gesteigert werden, indem die Biomasse vor der Desintegration zusätzlich homogenisiert wird.
  • Die Erfindung wird in den nachstehenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
  • 1 ein Grundschema zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Wirkraumes einer erfindungsgemäßen Desintegrationsvorrichtung,
  • 3 Vergleichsversuche einer Biogasanlage zur Erhöhung der Gasausbeute.
  • In 1 ist ein vereinfachtes Schema zur Integration des erfindungsgemäßen Verfahrens in eine bestehende Biogasanlage gezeigt. Die Behandlung der organischen Biomasse kann entweder vor der Fermentation, nach der Fermentation oder nach der Nachgärung erfolgen. Erfindungsgemäß können ein oder mehrere Desintegrationsschritte, wie in der 1 dargestellt, vorgesehen sein. In einer ersten Variante wird die eingesetzte organische Biomasse vor der Fermentation in einer unabhängigen Desintegrationsvorrichtung aufgeschlossen und dann dem Fermenter überführt. In einer weiteren Variante kann die Desintegration zwischen der Fermentation und der Nachgärung erfolgen. Dies steigert die Effizienz in der Nachgärungsstufe. In einer weiteren Variante ist ein zusätzlicher Desintegrationsschritt zwischen der Nachgärung und der Fermentation vorgesehen. Schließlich ist auch eine Desintegration zwischen der Nachgärung und dem Restelager möglich, was zu einer Erhöhung der Effizienz der aus den Resten gewonnenen Düngemittel führt. Je nach Ausführungsform können einzelne Desintegrationsschritte in einer Anlage vorgesehen sein. Auch Anlagen mit mehreren Desintegrationsschritten an den aufgezeigten Stufen sind denkbar.
  • Exemplarisch soll nun ein Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben werden. Biomasse wie Gülle, Silage, insbesondere Maissilage, wird vor der Fermentation der erfindungsgemäßen Desintegrationsvorrichtung zugeführt. Dabei wird die Biomasse durch eine Düse mit einer Strömungsgeschwindigkeit von ca. 50 m/sec gepumpt. Die Düse weist eine zentrale, konisch verlaufende Verengung auf. Bei der angewendeten Strömungsgeschwindigkeit wird das flüssige Trägermedium vollständig von der Flüssigphase in die Dampfphase überführt, d. h. es findet ein Aggregatszustandswechsel statt. Zellstrukturen, faserförmige Strukturen und Membrane werden nahezu vollständig aufgebrochen. Beim Austritt des Wirkraumes vergrößert sich der Querschnitt des Strömungskanals, so dass es zu einem erneuten Phasenwechsel von der Dampfphase in die Flüssigphase kommt, wodurch enorme Verzögerungskräfte auf die partikulären Substanzen in der Suspension wirken und deren Aufschluss fördern.
  • In 2 erkennt man einen schematisch dargestellten Wirkraum. Übersteigt die Strömungsgeschwindigkeit (u) die kritische Strömungsgeschwindigkeit (u > ukrit) bei einem aufgespannten Wirkraum mit einer Länge IW > 0, erfolgt ein Übergang der Flüssigphase in die Dampfphase. In der Skizze unten ist eine Unstetigkeitsfläche als Grenzfall mit u = ukrit gezeigt.
  • Zur Erzeugung des Wirkraumes wird die durch den konvergenten Kanalteil (dA/dx < 0, Kanalquerschnitt A(x)) strömende Biomasse in einen Zustand versetzt, der das die Mikroorganismen umgebende Wasser verdampfen lässt. Dazu muss am Ende des konvergenten Kanalteils eine Geschwindigkeit u ≥ ukrit erreicht werden, die allein von der Dichte des Wassers und dem atmosphärischen Druck geprägt ist. Im Grenzfall u = ukrit bildet sich im engsten Kanalquerschnitt eine Unstetigkeitsfläche aus, über die der Phasenwechsel von Wasser in Wasserdampf stattfindet. In diesem speziellen Fall existiert mit der Länge IW = 0 noch kein endlicher Wirkraum. Ein nutzbarer Wirkraum wird erst mit Geschwindigkeiten u > ukrit aufgespannt. Die Länge des Wirkraum IW > 0 kann außerdem durch die Wahl der Querschnittsverteilung A(x) des sich hinter der engsten Stelle anschließenden divergenten Kanalteils (dA/dx > 0) beeinflusst werden und endet, wenn im divergenten Kanalteil wieder die kritische Geschwindigkeit ukrit erreicht wird.
  • Bedingt durch den Phasenwechsel (Wasser verdampft zu Wasserdampf) geraten die Mikroorganismen beim Eintritt in den aktiven Wirkraum sprunghaft in ein Strömungsfeld mit um den Faktor 1000 erhöhten Geschwindigkeiten, die sich beim Verlassen des Wirkraumes genau um diese Erhöhung wieder sprunghaft reduzieren. Mit der Steigerung der Geschwindigkeit auf Werte u > ukrit lassen sich Effekte erzielen, die von der Ablösung bioaktiver Stoffe an der Oberfläche der Mikroorganismen bis hin zum Zerreißen der Mikroorganismen und dem Freisetzen der Zellinhaltsstoffe durch Zellaufschluss reichen. Bewirkt werden die Effekte im Wesentlichen durch die Massenkräfte, die beim Durchlaufen des aktiven Wirkraumes auf die organischen Bestandteile der Biomasse einwirken. Durch Wahl der Geschwindigkeit u > ukrit der Biomasse, die im engsten Kanalquerschnitt gerade auf den Dampfdruck des Wassers führt, kann gezielt eine Selektierung der Mikroorganismen vorgenommen werden.
  • Der Prozess des sich in der Zeit permanent auf- und abbauenden Wirkraumes mit einem Aggregatzustand größter Oberfläche führt bei Biomasse mit dem üblichen TS-Gehalt auf hydrodynamisch selbstständig erzeugte hochfrequente Druckspitzen im Bereich von 10 bis 20 kHz, die akustisch durch die dabei entstehenden intensiven Knallgeräusche wahrgenommen werden. Die Knallgeräusche beginnen beim Erreichen der kritischen Geschwindigkeit u = ukrit und steigen simultan mit der Vergrößerung der Geschwindigkeit auf Werte u > ukrit an.
  • Anders als bei üblichen Kavitationseffekten, deren lokales Verhalten mit Werkstoffzerstörungen verknüpft ist, stellt sich in dem mit hohen Geschwindigkeiten u > ukrit erzeugten Wirkraum eine homogene Mikrokavitation ein, die Abriebe und Zerstörungen der Kanalwände ausschließt.
  • In 3 sind Vergleichsversuche verschiedener Anlagekonzepte gezeigt. Übliche Biogasanlagen haben eine Gasausbeute von ca. 600 l/kg organischer Trockensubstanz. Mit Hilfe optimierter Verfahren, bei denen die Gasbeute erhöht wird, lässt sich eine Steigerung auf etwa 700 l/kg organischer Trockensubstanz erreichen. Eine drastische Steigerung erkennt man jedoch bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Biogasanlagen, bei dem die Effizienz und somit der Wirkungsgrad der Anlage um 33% gegenüber einer Standardanlage erhöht werden konnte.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich demnach, um in einer Gärvorrichtung, insbesondere in einer Biogasanlage oder einem beliebigen Fermenter, die Gasausbeute aus organischer Biomasse drastisch zu erhöhen. Eine solche Wirkung war nicht vorhersehbar und für die Erfinder unerwartet. Obgleich das erfindungsgemäße Verfahren vorwiegend in Biogasanlagen Verwendung finden dürfte, eignet es sich generell für jeden Gärprozess, bei dem Bildung von Biogasen im Vordergrund steht. Insofern ist die Erfindung nicht allein auf Biogasanlagen beschränkt, sondern erfasst sämtliche Gärvorrichtungen sowie Fermentationsanlagen. Ersichtlich ist jedoch im Zusammenhang mit Biogasanlagen, dass die erhöhte Gasausbeute letztendlich zu einer verbesserten Energiebilanz führt. Dadurch werden Kosten gesenkt, der Wirkungsgrad der Anlage erhöht und letztendlich die Energieausbeute in der nachgeschalteten Energieaufbereitungsanlage erhöht. Durch den Aufschluss der zellulären und holzartigen Substanzen wird ferner eine Freisetzung der in den Rückständen vorhandenen Düngerstoffe erreicht, was zu einer verbesserten Wirkung der Düngemittel führen kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102004054468 A1 [0008]
    • DE 102007037202 A1 [0009]
    • DE 102008030653 A1 [0010]
    • DE 202009002537 U1 [0011]
    • DE 10343748 B4 [0014]

Claims (20)

  1. Verfahren zur Erhöhung der Gasausbeute in einer Gärvorrichtung, insbesondere einer Biogasanlage oder einem Fermenter, bei dem Biomasse vor und/oder nach der Fermentation in einem Wirkraum Trägheitskräften infolge kurzzeitiger extremer Beschleunigung und unmittelbar darauffolgender Verzögerung des in einem geschlossenen Strömungskanal strömendenden Trägermediums ausgesetzt wird, wobei die auf die Biomasse wirkenden Trägheitskräfte über eine Änderung des Aggregatzustandes erzeugt werden, indem das Trägermedium beim Eintritt in den Wirkraum zum Verdampfen und beim Verlassen des Wirkraums zum Kondensieren gebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Aggregatzustandes über eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit über eine Verengung des Querschnitts des Strömungskanals erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit über eine konisch verlaufende Verengung des Wirkraumes erfolgt, bei welcher der Durchmesser an der Eintrittsstelle des Wirkraumes und der Durchmesser an der Austrittsstelle des Wirkraumes größer ist als der Durchmesser an der engsten Stelle der Verengung.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Verengung um eine Düse handelt:
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser und die Länge der Düse in einem Verhältnis von 1:4 bis 1:6 zueinander stehen.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit zwischen 40 und 50 m/sec beträgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse mehrfach durch den selben Wirkraum gefördert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Desintegration der Biomasse vor der Fermentation erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Desintegration der Biomasse nach der Nachgärung erfolgt.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Desintegration der Biomasse zwischen der Nachgärung und dem Restelager erfolgt.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse vor der Desintegration homogenisiert wird.
  13. Verwendung einer Vorrichtung, bestehend aus einem Wirkraum in dem Biomasse Trägheitskräften infolge kurzzeitiger extremer Beschleunigung und unmittelbar darauffolgender Verzögerung des in einem geschlossenen Strömungskanal. strömendenden Trägermediums ausgesetzt wird, wobei der Wirkraum aus einem konvergent verlaufenden Kanalteil und einer Verengung besteht, so dass das Trägermedium beim Eintritt in den Wirkraum zum Verdampfen und beim Verlassen des Wirkraums zum Kondensieren gebracht wird, zur Behandlung von Biomasse in einer Gärvorrichtung, insbesondere einer Biogasanlage oder einem Fermenter.
  14. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei der konisch verlaufenden Verengung der Durchmesser an der Eintrittsstelle des Wirkraumes und der Durchmesser an der Austrittsstelle des Wirkraumes größer ist als der Durchmesser an der engsten Stelle der Verengung.
  15. Verwendung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkraum eine Düse ist.
  16. Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser und die Länge der Düse in einem Verhältnis von 1:4 bis 1:6 zueinander stehen.
  17. Gärvorrichtung, insbesondere Biogasanlage oder Fermenter, umfassend eine einer Vorrichtung, bestehend aus einem Wirkraum in dem Biomasse Trägheitskräften infolge kurzzeitiger extremer Beschleunigung und unmittelbar darauffolgender Verzögerung des in einem geschlossenen Strömungskanal strömendenden Trägermediums ausgesetzt wird, wobei der Wirkraum aus einem konvergent verlaufenden Kanalteil und einer Verengung besteht, so dass das Trägermedium beim Eintritt in den Wirkraum zum Verdampfen und beim Verlassen des Wirkraums zum Kondensieren gebracht wird, zur Behandlung von Biomasse in einer Gärvorrichtung, insbesondere einer Biogasanlage oder einem Fermenter.
  18. Gärvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei der konisch verlaufenden Verengung der Durchmesser an der Eintrittsstelle des Wirkraumes und der Durchmesser an der Austrittsstelle des Wirkraumes größer ist als der Durchmesser an der engsten Stelle der Verengung.
  19. Gärvorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirkraum eine Düse ist.
  20. Gärvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser und die Länge der Düse in einem Verhältnis von 1:4 bis 1:6 zueinander stehen.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023030624A1 (de) * 2021-09-01 2023-03-09 Schmack Biogas Service Gmbh Verfahren und anlage zur verarbeitung von biologischem substrat

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CZ2015358A3 (cs) * 2015-05-28 2016-07-27 Jaroslav Skopal Způsob ošetření biomasy laserovým světlem a zařízení k provádění tohoto způsobu
ES2729407T3 (es) * 2015-09-11 2019-11-04 pro agri gmbh Procedimiento y dispositivo para producir biogás

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10343748A1 (de) * 2003-08-29 2005-03-24 BIONIK GmbH - Innovative Technik für die Umwelt Verfahren und Einrichtung zum Zerkleinern partikulärer organischer Substanzen in Suspensionen von Mikroorganismen
DE102004054468A1 (de) 2004-11-11 2006-05-24 Rösing, Gerhard, Dr. Verfahren zur anaeroben Vergärung pflanzlicher Substrate und deren Vorbehandlung mittels thermomechanischem Aufschluss
DE102007037202A1 (de) 2007-07-30 2009-02-05 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Konversion von Biomasse zu Biogas in anaeroben Fermentern
DE202009002537U1 (de) 2009-02-18 2009-04-30 Meyer, Herwig, Dipl.-Landw. Einrichtung zur verbesserten Gasausbeute durch weiteren Aufschluss von organischer Biomasse in Biogasanlagen
DE102008030653A1 (de) 2007-12-30 2009-07-02 Archea Biogastechnologie Gmbh Verfahren und Anlage zur Steigerung der Biogasausbeute eines Substrats

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6013183A (en) * 1998-08-05 2000-01-11 Paradigm Environmental Technologies Inc. Method of liquefying microorganisms derived from biological wastewater treatment processes
DE10155161A1 (de) * 2001-11-12 2003-05-22 Emu Unterwasserpumpen Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Abwasser, Klärschlamm und organischen Substraten
DE102007007721A1 (de) * 2007-02-16 2008-08-21 BIONIK GmbH - Innovative Technik für die Umwelt Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von Klärschlamm, Abwasser oder einer Suspension partikulärer Substanzen

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10343748A1 (de) * 2003-08-29 2005-03-24 BIONIK GmbH - Innovative Technik für die Umwelt Verfahren und Einrichtung zum Zerkleinern partikulärer organischer Substanzen in Suspensionen von Mikroorganismen
DE10343748B4 (de) 2003-08-29 2005-11-10 BIONIK GmbH - Innovative Technik für die Umwelt Verfahren zum Zerkleinern partikulärer organischer Substanzen in Suspensionen von Mikroorganismen
DE102004054468A1 (de) 2004-11-11 2006-05-24 Rösing, Gerhard, Dr. Verfahren zur anaeroben Vergärung pflanzlicher Substrate und deren Vorbehandlung mittels thermomechanischem Aufschluss
DE102007037202A1 (de) 2007-07-30 2009-02-05 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Verfahren zur Konversion von Biomasse zu Biogas in anaeroben Fermentern
DE102008030653A1 (de) 2007-12-30 2009-07-02 Archea Biogastechnologie Gmbh Verfahren und Anlage zur Steigerung der Biogasausbeute eines Substrats
DE202009002537U1 (de) 2009-02-18 2009-04-30 Meyer, Herwig, Dipl.-Landw. Einrichtung zur verbesserten Gasausbeute durch weiteren Aufschluss von organischer Biomasse in Biogasanlagen

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023030624A1 (de) * 2021-09-01 2023-03-09 Schmack Biogas Service Gmbh Verfahren und anlage zur verarbeitung von biologischem substrat

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