DE102011104429A1

DE102011104429A1 - Verfahren zur mikrobiologischen Erzeugung eines hochwertigen Energieträgers aus bei der Biodiesel-Herstellung anfallenden Nebenprodukten

Info

Publication number: DE102011104429A1
Application number: DE102011104429A
Authority: DE
Inventors: Heike Fischer; Münzberg Ralph; Erik Ferchau; Glombitza Franz; Jörg Nitzsche; Dipl.-Ing. Listewnik Hans-Frieder
Original assignee: Biowerk Sohland; DBI GAS und UMWELTTECHNIK GmbH; DBI GAS- und UMWELTTECHNIK GmbH; DIE G E O S INGENIEURGMBH; Die Geos Ingenieurgesellschaft Mbh
Current assignee: Biowerk Sohland; DBI GAS und UMWELTTECHNIK GmbH; DBI GAS- und UMWELTTECHNIK GmbH; DIE G E O S INGENIEURGMBH; Die Geos Ingenieurgesellschaft Mbh
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2012-12-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur mikrobiologischen Erzeugung eines hochwertigen Energieträgers aus bei der Biodiesel-Herstellung anfallenden werthaltigen Nebenprodukten Rohglycerin und/oder Seifenwasser. Durch Nutzung der bei der Biodiesel-Herstellung anfallenden Produkte Rohglycerin und Seifenwasser wird Biogas mit Methangehalten von mindestens 60% und Gehalten an Schwefelwasserstoff unter 1.000 ppm erzeugt, wodurch günstige Bedingungen für eine Reinigung des Biogases und Einspeisung in das allgemeine Gasnetz bestehen. Das Rohglycerin wird im Verhältnis zwischen 1:1 bis 1:2 mit Seifenwasser gemischt. Die Biogasbildung kann in einem Reaktor stattfinden, in welchen das Gemisch direkt zugegeben wird, oder in getrennten Reaktoren, indem eine Hydrolysestufe vorgeschaltet und das gebildete Hydrolysat dem Methanreaktor zugeführt wird. Die Reaktoren sind mit speziellen Trägerkörpern mit hoher spezifischer Oberfläche gefüllt, auf welchen sich immobilisierte Mikroorganismen befinden. Die Trägerkörper minimieren ein Auswaschen der Mikroorganismen, so dass eine Rückführung des Fermenterauslaufes in die Hydrolysestufe weitgehend vermieden werden kann. Zugeführt werden erforderlichenfalls Nährstoffe, Spurenelemente und Vitamine sowie Medien zur Regulierung der Pufferkapazität. Die Fermentationsflüssigkeit wird zwecks Durchmischung hydraulisch durch einen äußeren Fermenterumlauf umgewälzt. Damit wird eine schonende Behandlung der immobilisierten Mikroorganismen garantiert. Durch einen im Außenkreislauf integrierten Wärmetauscher wird eine gleichmäßige Temperierung der Fermentationsflüssigkeit erreicht.

Description

Das vorliegende Verfahren hat eine vorteilhafte Erzeugung von Methan aus bei der biochemischen Erzeugung von Biodiesel anfallenden Nebenprodukten, wie Rohglycerin und Seifenwasser zum Inhalt.
Biogas wird als Energieträger durch Gärung aus Abwässern, Reststoffen aus der Tierproduktion und Lebensmittelindustrie sowie aus nachwachsenden Rohstoffen gewonnen, wobei das Substrat für letztere Verfahren häufig in Konkurrenz zur Lebensmittel- und Futterherstellung steht. Mit der Zielstellung künftig mehr Energie aus nachwachsenden Rohstoffen zu erzeugen, muss auch nach weiteren Einsatzprodukten für die Biogaserzeugung gesucht werden.
Bekannt ist, dass der Biogasprozess in mehreren Stufen verläuft. Diese sind erstens die Hydrolyse (2) und Versäuerung zur Umwandlung der Substrate in leicht abbaubare organische Verbindungen und zweitens die Methanbildung aus diesen Verbindungen. Diesem Stand der Technik entsprechend existieren verschiedene Anlagenkonzepte.
Bei der Herstellung von Biodiesel in Form von Fettsäuremethylestern (FAME), speziell Rapsmethylester (RME), fällt als ein Nebenprodukt Rohglycerin an. Dieses Rohglycerin wird großteils chemisch aufgereinigt und hauptsächlich zu Pharmaglycerin und anderen Industrieprodukten weiter verarbeitet. Der Bedarf für diese Anwendungsbereiche ist jedoch begrenzt.
In derzeitigen Biogasanlagen kann Rohglycerin in geringen Mengen als Cosubstrat eingesetzt werden. Weiterhin beschreiben die EP 1818314 A2 , WO 2007/093398 A2 , A3 und DE 10 2006 006 743 A1 die Möglichkeiten der Biogasherstellung aus organisch beladenen Flüssigkeiten, u. ä. aus glycerinbeladenen Abwässern.
Als weiteres Nebenprodukt der Biodieselerzeugung fällt Seifenwasser an, das bislang vorrangig wie Abwasser eingestuft wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Biogaserzeugung bereit zu stellen, das die Nebenprodukte der Biodieselherstellung Rohglycerin und Seifenwasser als hauptsächliche Einsatzprodukte benutzt und die Erzeugung eines qualitativ hochwertigen Biogases ermöglicht. Dieses Biogas soll für eine Reinigung und Weiterveredlung besonders geeignet sein.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Gemisch von Rohglycerin und Seifenwasser (Substratgemisch) in Verhältnissen zwischen 1:1 und 1:2 der Biogaserzeugung zugeführt wird, wobei der Biogasreaktor mit speziellen Trägerkörpern, auf denen die Mikroorganismen immobilisiert sind, befüllt ist. Die Trägerkörper bestehen vorzugsweise aus Schaumstoff, so dass eine hohe Ansiedlungsdichte der Mikroorganismen gewährleistet werden kann. Die Substratzugabe erfolgt kontinuierlich oder quasikontinuierlich (fedbatch). Nach Abschluss der Methanbildung bzw. nach einer bestimmten Verweilzeit wird ein Teil der Flüssigphase aus dem Biogasreaktor abgezogen. Das Biogas verlässt den Reaktor am Reaktorkopf.
Während des Prozesses wird der Inhalt des Bioreaktors durch langsame Rührung und/oder je nach Größe der Anlage durch hydraulische Umwälzung der Flüssigphase im äußeren Fermenterumlauf durchmischt. Auf diese Weise werden die immobilisierten Mikroorganismen schonend behandelt. Gleichzeitig erfolgt eine Temperierung des Reaktorinhaltes, wobei dies vorzugsweise durch Anordnung von Wärmetauschern im Umwälzkreislauf des Bioreaktors (5) ermöglicht wird.
Dem Biogasreaktor werden im Substrat nicht ausreichend vorhandenen Nährstoffe, Spurenelemente, Vitamine (3) sowie Chemikalien zur Pufferung des pH-Wertes zugegeben. Wahlweise kann dafür von Feststoffen befreiter Gärrest aus landwirtschaftlichen Biogasanlagen eingesetzt werden.
Da Rohglycerin leicht biologisch abgebaut wird und damit große Mengen organischer Säuren entstehen, kann es sinnvoll sein, den Biogasprozess zweistufig zu führen. Es wird eine Hydrolysestufe in einem oder mehreren separaten Reaktor/-en vorgeschaltet, worin das Ausgangssubstrat hydrolytisch gespalten und zu organischen Säuren abgebaut wird. Diese können dem Methanreaktor dosiert zugeführt werden. Der Vorteil besteht in dem getrennten Ablauf der wichtigsten Prozessschritte der Biogasbildung.
Dadurch können die jeweils optimalen Bedingungen für die Hydrolysestufe und die Methanbildung eingestellt werden. Die Hydrolysestufe wird aerob betrieben. Sie wird belüftet. Das in dieser Stufe entstehende Kohlendioxid wird abgeführt, so dass das darauf folgend im Biogasreaktor sich bildende Biogas eine höhere Methankonzentration und damit einen höheren Brennwert aufweist. Auch in der Hydrolysestufe können spezielle Trägerkörper zur Immobilisierung der Mikroorganismen eingesetzt werden. Die Trägerkörper können Kugeln, Pall- oder Raschigringe oder ähnliches aus Ton, Keramik oder anderen Materialien mit großer Oberfläche und einer Dichte größer 1 sein, um ein Aufschwimmen zu vermeiden.
Eine Rückführung des Fermenterablaufes in die Hydrolysestufe ist nicht notwendig. Im Unterschied zu den unter [0004] aufgeführten Schriften erfolgt kein Rücklauf der Flüssigphase zur Hydrolyse (2). Damit wird ein Aufsalzen des Fermenterinhaltes vermieden, da im Rohglycerin Natrium oder Kalium entsprechend des eingesetzten Katalysators während des Produktionsprozesses vorhanden sind. Zusätzlich wird die Verfahrensführung dadurch vereinfacht und der apparative Aufwand gesenkt.
Die Einführung der Flüssigkeiten in Hydrolysebehälter und Fermenter erfolgt durch Tauchrohre. Diese können nach oben gebogen sein, um einen Biogaseintrag und eine Biogasableitung und damit eine Schaumbildung zu verhindern.
Da es sich bei den Substraten um feststofffreie Flüssigkeiten handelt, können die Füllstände mittels Überlauf geregelt werden. Dabei ist auf den Druckausgleich der Gasphase zu achten.
Während der ersten Stufe der Biogaserzeugung, der Hydrolyse (2), wurden Rohglycerin und Seifenwasser entsprechend der Beschreibung in einen Reaktor, der mit immobilisierten Trägerkörpern gefüllt war, gegeben. Der pH-Wert wurde auf 5,0 bis 5,5 gehalten. Die Konzentration der organischen Säuren erreichte Werte von 5.000 bis 6.000 mg/l. Das Hydrolysat gelangte quasikontinuierlich in den Methanreaktor. Die spezifische Biogasbildung konnte auf diese Weise gegenüber der Zugabe von Rohglycerin und Seifenwasser verdoppelt werden.
Die Fermentation von Rohglycerin und Seifenwasser entsprechend der Beschreibung im quasikontinuierlichen Verfahren mit täglicher Zugabe erbrachte Biogas mit Konzentrationen > 60% Methan. Durch die Verwendung von Trägerkörpern zur Fixierung der aktiven Biomasse und die Versorgung des Prozesses mit Nährstoffen, Spurenelementen und Vitaminen konnte der Prozess deutlich höher belastet werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorlage
2: Hydrolyse
3: Nährstoffe, Spurenelemente, Vitamine
4: Fermenter
5: äußere temperierte Umwälzung
6: Nachgärbehälter
7: Abluft
8: Biogas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1818314 A2 [0005]
EP 2007/093398 A2 [0005]
DE 102006006743 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur mikrobiologischen Erzeugung von Biogas dadurch gekennzeichnet, dass als einzige Substrate dass bei der Biodieselherstellung anfallenden Produkte Rohglycerin und Seifenwasser eingesetzt werden, wobei das Verhältnis Rohglycerin zu Seifenwasser frei gewählt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass dem Biogasprozess die Nährstoffe, Spurenelemente und Vitamine zugeführt werden, die im Substrat nicht in ausreichender Menge vorhanden sind.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass für die Versorgung mit Nährstoffen, Spurenelementen und Vitaminen flüssiger, von Feststoffen befreiter Gärrest aus Biogasanlagen, deren Substrat pflanzlicher und/oder tierischer Herkunft ist, eingesetzt werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Prozess in eine aerobe Hydrolysestufe und eine Methanstufe getrennt und in zwei separaten Reaktorstufen durchgeführt wird, wodurch die Bedingungen für die Mikroorganismen in jeder Stufe optimal gestaltet werden können, dabei das in der Hydrolysestufe entstehende Hydrolysat, welches überwiegend aus niederen organischen Säuren besteht, dem Methanreaktor zugeführt und dort zu Biogas mit einem Methangehalt von mindestens 60% umgewandelt wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Substratzugabe kontinuierlich oder quasikontinuierlich erfolgt und die Hydrolysestufe aus einem oder mehreren parallel dem Methanreaktor zugeordneten Reaktoren besteht, die aktiv belüftet werden.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Methanreaktor und der Reaktor oder die Reaktoren für die Hydrolyse mit Trägerkörpern gefüllt werden, auf denen die für die entsprechende Stufe notwendigen Mikroorganismen immobilisiert sind, wobei die Trägerkörper für die Methanstufe aus Schaumstoffwürfeln mit einer Kantenlänge von 10 bis 30 mm, vorzugsweise 20 mm, oder Schaumstoffkugeln mit einem Durchmesser von 10 bis 30 mm bestehen und die Trägerkörper für die Hydrolysestufe Kugeln, Pall- oder Raschigringe o. ä. aus Ton, Keramik oder anderen Materialien sein können.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Inhalt des Methanreaktors und der Hydrolysereaktoren zur Homogenisierung des Inhaltes mechanisch gerührt und/oder über einen äußeren Kreislauf umgewälzt wird, wobei im Falle der Umwälzung die Temperierung durch in den Außenkreislauf angeordnete Wärmetauscher erfolgen kann.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Füllstände der Hydrolysereaktoren und des Fermenters durch Überlauf geregelt werden können.
Verfahren nach Ansprüchen 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Einbringung des Substrates in die Hydrolyseraktoren und die Einbringung des Hydrolysats in den über am Ende nach oben gebogenen Tauchrohre gestaltet werden kann.