DE102011118067B4

DE102011118067B4 - Aufbereitungsverfahren von Biomasse mit einer Zugabe mindestens eines Aktivators

Info

Publication number: DE102011118067B4
Application number: DE102011118067.6A
Authority: DE
Inventors: Christine Widmann; August Obermeier
Original assignee: Individual
Current assignee: Widmann Christine De
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2011-11-09
Publication date: 2023-08-17
Anticipated expiration: 2031-11-10
Also published as: DE102011118067A1

Abstract

Aufbereitungsverfahren (11) von Biomasse, die nachfolgend einer Biogasanlage für das Erzeugen von Biogas zugeführt werden soll, mit den Schritten: Bereitstellen (12) von aufzubereitender Biomasse und Zugabe (14) mindestens eines Aktivators zur bereitgestellten Biomasse, der zur biochemischen Aufbereitung der Biomasse führt, wobei als der mindestens eine Aktivator ein Essigsäurebildungsaktivator zugegeben wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Aufbereitungsverfahren von Biomasse, die nachfolgend einer Biogasanlage für das Erzeugen von Biogas zugeführt werden soll, mit den Schritten: Bereitstellen von aufzubereitender Biomasse und Zugabe mindestens eines Aktivators zur bereitgestellten Biomasse, der zur biochemischen Aufbereitung der Biomasse führt.
Biomasse, die zum Erzeugen von Biogas einer Biogasanlage zugeführt werden soll, wird als Biogasrohstoff bzw. -substrat bezeichnet. Als Biogasrohstoff dienen vor allem Pflanzen oder Pflanzenteile, wie beispielsweise nachwachsende Rohstoffe, in Form von Maissilage, Grassilage, Zuckerrüben und Getreide, die größtenteils als Energiepflanzen zur Biogasproduktion angebaut werden. Ferner dienen Pflanzenreststoffe als Biogassubstrat, die außer zur Biogasgewinnung in der Regel nicht verwertet werden können. Des Weiteren zählen zum Biogassubstrat insbesondere auch vergärbare, organische Abfallstoffe, wie Klärschlamm, Bioabfall oder Speisereste und Wirtschaftsdünger, wie Gülle und Stallmist. Eine Biomasse in Form von Stroh und Holz ist wegen des hohen Anteils an Faserstoffen, insbesondere Cellulose (Stroh) und Lignocellulose (Holz) in bisherigen Verfahren schlecht abbaubar und damit schlecht verwertbar.
Die genannte Biomasse wird in bekannten Verfahren zum Erzeugen von Biogas weitgehend ohne vorhergehende, geeignete, spezifische Aufbereitung in einen Gärbehälter, dem sogenannten Hauptreaktor oder Hauptfermenter einer Biogasanlage gegeben. In dem Gärbehälter werden dann Bedingungen geschaffen, die in einem fermentativen Abbau bzw. einer Vergärung mittels entsprechender Bakterien bzw. Mikroorganismen letztendlich zur Bildung von Biogas führen. Das derart gebildete Biogas enthält größtenteils Kohlendioxid und Methan bzw. Methangas, wobei nur Methan ein brennbares Gas ist. Beim Verbrennen von Methan wird Energie frei, die vor allem zum Erzeugen von Strom genutzt wird. Deswegen ist ein hoher Anteil an Methan ein entscheidender Faktor für das Erreichen eines hohen Wirkungsgrads einer Produktion von Biogas aus Biomasse.
Der fermentative Abbau der Biomasse durch entsprechende Mikroorganismen wird herkömmlicherweise in vier Phasen unterteilt, wie sie auch in der Druckschrift DE102008007423A1 beschrieben sind: In eine Hydrolyse, eine Acidogenese, eine Acetogenese und eine Methanogenese. Während der Hydrolyse werden polymere Makromoleküle aus der Biomasse, vor allem Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße hydrolysiert, das heißt aufgespalten. Das Aufspalten erfolgt durch Mikroorganismen, die zunächst verschiedene Arten von Exoenzymen bzw. extrazellulären Enzymen, wie Amylasen, Proteasen und Lipasen ausscheiden. Diese Exoenzyme spalten zumindest einen Teil der polymeren Makromoleküle in Bruchstücke und lösliche Polymere, Oligomere und Monomere auf, wie beispielsweise in Oligo- und Monosaccharide (Mehrfach- und Einfachzucker), Peptide, Aminosäuren, langkettige Fettsäuren und Glycerin. In der daran anschließenden zweiten Phase, der Acidogenese oder Versäuerungsphase, werden die Produkte der Hydrolyse, durch Mikroorganismen, die meist identisch mit den hydrolysierenden Bakterien sind, verstoffwechselt. Es entstehen neben Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid insbesondere kurzkettige, sogenannte niedere Fett- und andere Carbonsäuren, wie Valerian-, Butter- und Propionsäure sowie kurzkettige Alkohole, wie beispielsweise Ethanol. Diese niederen Fett- und Carbonsäuren sowie die kurzkettigen Alkohole werden während der dritten Phase, der sogenannten Acetogenese oder essigbildenden Phase durch acetogene Mikroorganismen ebenfalls in Essigsäure bzw. Acetat sowie Kohlendioxid und Wasserstoff umgesetzt. Aus der gebildeten Essigsäure und aus dem gebildeten Kohlendioxid und Wasserstoff werden in der vierten Phase, der Methanogenese oder methanbildenden Phase mittels methanogener bzw. methanbildender Bakterien Methan gebildet. Diese methanbildenden Bakterien werden auch Anaerobier genannt, da sie nur unter Luftausschluss tätig und lebensfähig sind. Daher muss die Methanogenese zwingend unter Luftausschluss, das heißt anaerob ablaufen.
Die genannten vier Phasen laufen in herkömmlichen Biogasanlagen gleichzeitig in einem Gärbehälter ab. Alternativ dazu sind zweistufige Prozesse bekannt, in denen die Phasen der Hydrolyse und Acidogenese räumlich getrennt von den Phasen der Acetogenese und Methanogenese durchgeführt werden. Die beiden räumlich getrennten Prozessstufen gelten als Hydrolysestufe und als Methanisierungsstufe. Ein derartiger zweistufiger Prozess ist auch in DE102008007423A1 offenbart. Allerdings wird in dem dort beschriebenen Prozess in Bezug auf die Gesamtausbeute an Methan aus einer bestimmten Substratmenge keine nennenswerte Erhöhung im Vergleich zu herkömmlichen Biogasverfahren erzielt.
Ein weiterer Nachteil von bekannten Biogasverfahren ist, dass nach der Produktion von Biogas als Reststoffe mehr oder weniger dickflüssige bzw. viskose Gärrückstände verbleiben. Diese Gärrückstände müssen in relativ großen Lagerbehältern gelagert werden, bis sie als Dünger vor allem auf landwirtschaftliche Felder ausgebracht werden können. Nicht nur die Lagerbehälter, sondern auch die Behälter des Hauptfermenters in herkömmlichen Biogasanlagen sind vergleichsweise groß und benötigen viel Bauaufwand und überbaute Fläche.
Zugrundeliegende Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Aufbereitungsverfahren von Biomasse zu schaffen, mit dem die Biomasse in einem nachfolgenden Verfahren zum Erzeugen von Biogas weitgehend vollständig abgebaut und ein hoher Anteil an Methan aus der aufbereiteten Biomasse gewonnen wird.
Erfindungs-gemäße Lösung
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Aufbereitungsverfahren von Biomasse, die nachfolgend einer Biogasanlage für das Erzeugen von Biogas zugeführt werden soll, gelöst, bei dem folgende Schritte durchgeführt werden: Bereitstellen von aufzubereitender Biomasse und Zugabe mindestens eines Aktivators zur bereitgestellten Biomasse, der zur biochemischen Aufbereitung der Biomasse führt, wobei als der mindestens eine Aktivator ein Essigsäurebildungsaktivator zugegeben wird.
Unter einem Essigsäurebildungsaktivator ist ein Mittel zu verstehen, das mindestens eine der folgenden Funktionen erfüllt: Die Bildung von Essigsäure in Gang zu setzen, die Bildung von Essigsäure zu fördern und die Bildung von Essigsäure aufrecht zu erhalten sowie Essigsäure zu bilden.
Der Begriff Essigsäure bezeichnet vorliegend zum einen die Carbonsäure CH₃COOH mit der chemischen Summenformel C₂H₄O₂, die nach IUPAC-Regelung als Ethansäure benannt wird (IUPAC bedeutet „International Union of Pure and Applied Chemistry“). Weiterhin sind unter dem Begriff Essigsäure auch Acetate zu verstehen. Als Acetate werden allgemein unter anderem die Salze der Essigsäure bezeichnet. Im Besonderen steht Acetat hier für das Acetat-Anion CH₃COO^-, das durch Deprotonierung von Essigsäure gebildet ist. Diese deprotonierte Form der Essigsäure liegt in biochemischen Prozessen größtenteils vor. Darüber hinaus steht das Acetat-Anion in Lösung, insbesondere in wässriger Lösung, mit der Essigsäure in einem chemischen Gleichgewicht. Dieses chemische Gleichgewicht stellt einen sogenannten Essigsäure/Acetat-Puffer dar.
Die Bildung von Essigsäure in der Biomasse geschieht im Verlauf einer essigsauren Fermentation. Bei der essigsauren Fermentation wird die Biomasse von den Essigsäurebildungsaktivatoren teilweise biochemisch abgebaut und Essigsäure gebildet. Zusätzlich laufen in der Biomasse natürliche biochemische Abbauprozesse ab, die entsprechend von den Essigsäurebildungsaktivatoren beeinflusst werden.
Mit der Bildung von Essigsäure kann der Säuregehalt in der aufbereiteten Biomasse bis zu einem pH-Wert von 2,0 bis 4,5, bevorzugt von 2,5 bis 4,0, besonders bevorzugt von 3,0 bis 3,5 gesteigert werden. Es bildet sich also ein essigsaures Milieu.
Die gebildete Essigsäure bewirkt zum einen eine Konservierung der aufbereiteten Biomasse. Insbesondere in Anwesenheit von Luft besteht ansonsten die Gefahr eines unerwünschten Totalabbaus durch zersetzende Bakterien, wie Colibakterien und Fäulnisbakterien. Diese zersetzenden Bakterien sind säureempfindlich und werden durch die gebildete Essigsäure und insbesondere durch das gebildete saure Milieu in ihrer Tätigkeit stark gehemmt.
Darüber hinaus ist das mit der gebildeten Essigsäure geschaffene essigsaure Milieu bei einem nachfolgenden Verwenden der derart aufbereiteten Biomasse zum Erzeugen von Biogas von großem Nutzen: Entscheidend ist hier die erfindungsgemäße Erkenntnis, dass bei der nachfolgenden Methanisierung weitgehend nur Essigsäure zu Methan umgesetzt werden kann.
Damit wird erfindungsgemäß aus der vorliegend besonders umfangreich gebildeten Essigsäure in dem nachfolgenden Methanbildungsverfahren sehr viel Methan produziert.
Besonders vorteilhaft wird darüber hinaus in der essigsauren Fermentation der Biomasse weitgehend keine Milchsäure gebildet. Milchsäure würde andernfalls einen nachfolgenden Prozess zur Methanbildung stören und dadurch die Ausbeute an Methan verringern.
Bei herkömmlicherweise verwendeter Biomasse ist ein hoher Anteil an Milchsäure bzw. Lactat vorhanden, die auch zum Erzeugen von Biogas eingesetzt wird. Dies ist vor allem der Fall, wenn die Biomasse einem Silageprozess unterworfen wurde. Der Silageprozess ist ein herkömmliches Verfahren zum Aufbereiten und Konservieren von Biomasse, insbesondere von pflanzlicher Biomasse, wie Mais, Gras und auch Getreide. Die Biomasse wird dazu während der Ernte zerkleinert, in eine Speichereinrichtung, insbesondere in ein Silo gefüllt und darin verdichtet, um einen weitgehenden Luftausschluss zu erreichen. Im dann natürlich ablaufenden Silageprozess bildet sich die Milchsäure mittels Milchsäurebakterien durch eine natürlich ablaufende Milchsäuregärung unter einem teilweisen biochemischen Abbau der Biomasse. Dieser Prozess der Milchsäuregärung ist für eine Futterkonservierung bei einem Verwenden von Biomasse als Futter gewünscht, da Tiere die gebildete Milchsäure im Futter gut verwerten können. Bei einer Verwendung von herkömmlich aufbereiteter Biomasse zum Erzeugen von Biogas ist die Milchsäuregärung und damit die gebildete Milchsäure jedoch unerwünscht, da gemäß der erfindungsgemäßen Erkenntnis Milchsäure von Methanbakterien nicht abgebaut werden kann. Die Milchsäure stört also den Methanbildungsprozess.
Im erfindungsgemäßen Aufbereitungsverfahren von Biomasse wird die Milchsäuregärung mittels einer Essigsäuregärung, die durch die erfindungsgemäße Zugabe von Essigsäurebildungsaktivatoren bewirkt wird, verdrängt. Damit wird die Bildung von störender Milchsäure weitgehend unterdrückt.
Das Unterdrücken der Milchsäurebildung fördert also einen nachfolgend durchzuführenden Methanbildungsprozess. Darüber hinaus wird die Essigsäure selbst im gebildeten essigsauren Milieu der Silage in dem nachfolgenden Methanbildungsprozess zu Methan umgesetzt, was den Methanbildungsprozess zusätzlich fördert.
Vorteilhaft werden als Essigsäurebildungsaktivator lebende Essigsäurebakterien zugegeben. Die lebenden Essigsäurebakterien setzen die vorhandenen Zucker und insbesondere Alkohole, die im Zuge einer natürlich ablaufenden teilweisen Zersetzung der Biomasse gebildet werden, zu Essigsäure um. Damit ist eine vorteilhafte Bildung von Essigsäure erreicht.
Entsprechend ist die Erfindung auch auf eine Verwendung von lebenden Essigsäurebakterien zum Aufbereiten von Biomasse gerichtet, die einer Biogasanlage für das Erzeugen von Biogas zugeführt werden soll.
Besonders vorteilhaft werden die lebenden Essigsäurebakterien in Form einer Suspension zugegeben, die ferner mindestens einen der folgenden Stoffe enthält: Essigsäure, Zucker, Alkohol und Wasser.
Mit der zusätzlichen Zugabe von Essigsäure wird vorteilhaft die Konzentration an Essigsäure erhöht, wodurch ein gewünschtes essigsaures Milieu gefördert wird. Die zugegebene Essigsäure wird ebenfalls vorteilhaft in einem späteren Methanbildungsprozess zu Methan umgesetzt.
Eine Zugabe von lebenden Essigsäurebakterien mit Alkohol, insbesondere Ethanol, ist besonders vorteilhaft, da Alkohol, insbesondere Ethanol, der Ausgangsstoff für eine Bildung von Essigsäure durch die Verstoffwechselung mittels der lebenden Essigsäurebakterien ist. Wird also Alkohol zugegeben, so starten die lebenden Essigsäurebakterien nahezu sofort mit der Verstoffwechselung zu Essigsäure und vermehren sich zudem entsprechend schnell.
Bei einer Zugabe von lebenden Essigsäurebakterien in einer Kombination mit Zucker dient der Zucker als Ausgangsstoff für eine Bildung von Alkohol, insbesondere Ethanol. Der Alkohol wird seinerseits von den lebenden Essigsäurebakterien zu Essigsäure umgesetzt. Auf diese Weise ist also ebenfalls die Umsetzung zu Essigsäure gefördert.
Mit einer Zugabe der lebenden Essigsäurebakterien in einer Kombination mit Wasser wird ein wässriges Medium lebender Essigsäurebakterien gebildet. Das derart gebildete wässrige Medium lebender Essigsäurebakterien ist als Flüssigkeit einfach zu handhaben sowie einfach und schnell in und auf der Biomasse verteilbar sowie mit der Biomasse mischbar. Durch einen natürlichen Wassergehalt der Biomasse bildet sich im Laufe des Abbauprozesses ein wässriges Medium in der Biomasse. Das zugegebene wässrige Medium lebender Essigsäurebakterien entspricht hinsichtlich seiner Polarität dem wässrigen Medium der Biomasse. Damit ist eine gute Durchdringung der Biomasse mit lebenden Essigsäurebakterien geschaffen, was eine schnelle und umfassende Reaktion der lebenden Essigsäurebakterien mit der Biomasse ermöglicht.
Bevorzugt werden die lebenden Essigsäurebakterien mit mindestens zwei der genannten Stoffe zur Biomasse gegeben. Die Wirkungen der genannten Stoffe ergänzen sich entsprechend und die genannten Vorteile werden dadurch potenziert.
Ganz besonders vorteilhaft ist eine Kombination von lebenden Essigsäurebakterien mit allen genannten Stoffen Essigsäure, Zucker, Alkohol und Wasser. In dieser Kombination ergänzen sich alle genannten Wirkungen entsprechend. Darüber hinaus schafft gerade diese Kombination zusammen mit den Zuckern und insbesondere Alkoholen, die im Zuge der natürlich ablaufenden teilweisen Zersetzung in der Biomasse gebildet werden, eine schnelle und weitgehend kontinuierliche Bildung von Essigsäure.
Insbesondere wird vorteilhafterweise in der Suspension eine Konzentration von lebenden Essigsäurebakterien von 5 × 10⁶ bis 90 × 10⁶, bevorzugt von 15 × 10⁶ bis 50 × 10⁶ und besonders bevorzugt von 18 × 10⁶ bis 22 × 10⁶ Essigsäurebakterien pro Milliliter eingestellt. Derart eingestellt, ist eine stark aufkonzentrierte und dennach vitale Suspension an lebenden Essigsäurebakterien geschaffen, mit der besonders schnell und umfassend aus der bereits biochemisch in kurzkettige Bestandteile aufgespaltenen Biomasse Essigsäure gebildet wird.
Besonders bevorzugt werden die lebenden Essigsäurebakterien als Suspension bereitgestellt. Diese Suspension weist vorzugsweise einen hochkonzentrierten und hoch-vitalen Anteil von 5 × 10⁶ bis 90 × 10⁶, bevorzugt von 15 × 10⁶ bis 50 × 10⁶ und besonders bevorzugt von 18 × 10⁶ bis 22 × 10⁶ Essigsäurebakterien pro Milliliter Flüssigkeit auf. Ferner enthält die Suspension bevorzugt mindestens einen der folgenden Stoffe: Essigsäure, Zucker, Stärke, Alkohol und Wasser. Bevorzugt ist der Zucker in diesem Fall ein Restzucker, die Stärke eine Reststärke und/oder der Alkohol ein Restalkohol, die in der Suspension aus einer vorhergehenden Essigproduktion ohnehin zumindest teilweise enthalten sind. Essigsäure ist dabei in einer Konzentration von bevorzugt 10 bis 15 % des Gesamtvolumens enthalten.
Die lebenden Essigsäurebakterien wechselwirken ferner vorteilhaft mit biochemischen Bruchstücken aus der Biomasse, die ebenfalls vor allem Zucker und Alkohol sein können. Diese biochemischen Bruchstücke sind bevorzugt während der natürlich ablaufenden teilweisen Zersetzung der Biomasse entstanden. Dies ermöglicht vorteilhaft ein schnelles Wachstum der Essigsäurebakterien und eine starke Bildung von Essigsäure aus der Biomasse. Durch den vorhandenen Gehalt an Restalkohol kann ein Vergärungsprozess von Alkohol zu Essigsäure mittels der lebenden Essigsäurebakterien sofort starten, sodass nahezu sofort Essigsäure gebildet wird.
Die genannte Suspension wird dabei bevorzugt folgendermaßen gewonnen: Zur Produktion wird bevorzugt 15 %-iger Ethanol mit Essigsäurebakterien versetzt. In einer darauf folgenden aeroben Fermentation, der sogenannten Essigsäuregärung, vermehren sich die Essigsäurebakterien und verstoffwechseln Ethanol zu Essigsäure. Es entsteht eine milchig trübe Lösung, die filtriert wird, besonders bevorzugt mittels Feinstfiltration. Als Filtrat wird ein klarer Essig erhalten. Als Rückstand bleibt die Suspension aus Essigsäure und lebenden Essigsäurebakterien sowie oftmals Restalkohol, Wasser, Restzucker und/oder Stärke.
Vorteilhaft wird die Suspension in einer Menge von 0,05 Litern bis 1,00 Litern, bevorzugt von 0,10 Litern bis 0,40 Litern und besonders bevorzugt von 0,20 Litern pro Kubikmeter Biomasse zugegeben. Mit dieser Menge kann die gewünschte Bildung an Essigsäure vorteilhaft bis zu einem pH-Wert von 2,0 bis 4,5, bevorzugt von 2,5 bis 4,0, besonders bevorzugt von 3,0 bis 3,5 erreicht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird als Essigsäurebildungsaktivator lebende Hefe zugegeben. Bevorzugt wird als lebende Hefe Saccharomyces cerevisiae gewählt. Die lebende Hefe setzt die in der Biomasse vorhandenen Zucker zu Alkoholen, insbesondere zu Ethanol um. Die Alkohole sind Ausgangsstoffe für eine Bildung von Essigsäure mittels Essigsäurebakterien.
Entsprechend ist die Erfindung auch auf eine Verwendung von lebender Hefe zum Aufbereiten von Biomasse gerichtet, die einer Biogasanlage für das Erzeugen von Biogas zugeführt werden soll.
Bei einer bevorzugten zusätzlichen Zugabe von lebenden Essigsäurebakterien zur lebenden Hefe werden die gebildeten Alkohole sofort von den lebenden Essigsäurebakterien in Essigsäure umgesetzt. Mit dieser Umsetzung steigt der Säuregehalt in der Biomasse und der pH-Wert sinkt. Ab einem pH-Wert von etwa 3,5 bis 4,7 stirbt die lebende Hefe ab und deren wertvolle Inhaltsstoffe werden freigesetzt. Die Inhaltsstoffe sind insbesondere Enzyme und Mikronährstoffe, wie Vitamine und Spurenelemente, wie vor allem Selen und Zink. Nach dem Freisetzen unterstützen diese Inhaltsstoffe die lebenden Essigsäurebakterien als wertvolle Nährstoffe. Mittels dieser optimalen Nährstoffversorgung der lebenden Essigsäurebakterien wird der Abbauvorgang in der Biomasse zu Essigsäure stark beschleunigt.
Besonders vorteilhaft ist eine Zugabe von lebender Hefe und einer Suspension aus lebenden Essigsäurebakterien zumindest mit Zucker, insbesondere Restzucker zur Biomasse. Dieser Restzucker kann sofort von der lebenden Hefe zu Alkohol verstoffwechselt werden, der dann von den lebenden Essigsäurebakterien zu Essigsäure umgesetzt wird. Somit ist mit der Zugabe der lebenden Hefe zumindest zu Beginn eine kontinuierliche Essigsäuregärung gewährleistet und gefördert.
Gleichzeitig wird die Biomasse, insbesondere die Silage durch natürlich ablaufende Abbauprozesse teilweise zersetzt. Bei der Zersetzung entstehen aus der Biomasse vor allem teilweise kurzkettige Zucker, die von der lebenden Hefe und den lebenden Essigsäurebakterien zu Essigsäure umgesetzt werden. Die Umsetzung erfolgt so lange bis ein pH-Wert von 2,0 bis 4,5, bevorzugt von 2,5 bis 4,0, besonders bevorzugt von 3,0 bis 3,5 erreicht ist. Es verbleiben zum großen Teil jedoch langkettige, polymere Inhaltsstoffe, wie Kohlenhydrate, Faserstoffe, Stärke, Fette und Eiweiße in der Biomasse, die mittels der gebildeten Essigsäure vorteilhaft konserviert sind.
In vorteilhafter Weise wird die lebende Hefe in Form von Flüssighefe zugegeben. Als Flüssighefe ist die lebende Hefe besonders einfach und schnell in der Biomasse verteilbar. Darüber hinaus ist die Flüssighefe sehr gut mit der erfindungsgemäßen Suspension an lebenden Essigsäurebakterien als Flüssigkeit mischbar. Damit wird eine sehr gute Vermischung der lebenden Hefe mit den lebenden Essigsäurebakterien und der Biomasse erreicht. Derart vermischt, reagieren die lebende Hefe, die lebenden Essigsäurebakterien und die Biomasse schnell und umfassend miteinander.
Besonders vorteilhaft wird die Flüssighefe in einer Menge von 0,1 Litern bis 1,6 Litern, bevorzugt von 0,2 Litern bis 0,8 Litern und besonders bevorzugt von 0,3 Litern bis 0,4 Litern pro Kubikmeter Biomasse zugegeben. Mit dieser Menge an lebender Hefe in Form von Flüssighefe wird die gewünschte Bildung an Essigsäure vorteilhaft bis zu einem pH-Wert von 2,0 bis 4,5, bevorzugt von 2,5 bis 4,0, besonders bevorzugt von 3,0 bis 3,5 erreicht.
Entsprechend ist die Erfindung auch auf ein Mittel zum Aufbereiten von Biomasse gerichtet, mit mindestens zwei Komponenten, von denen eine erste Komponente lebende Essigsäurebakterien sind und die zweite Komponente mindestens einer der folgenden Stoffe ist: Essigsäure, Zucker Alkohol und Wasser. Ganz besonders vorteilhaft ist die Erfindung auf ein Mittel zum Aufbereiten von Biomasse gerichtet, bei dem lebende Hefe als zusätzliche Komponente beinhaltet ist. Mit den entsprechenden Kombinationen der genannten Komponenten werden bei deren Verwendung als Mittel zum Aufbereiten von Biomasse die bereits genannten Vorteile erzielt.
Besonders bevorzugt wird das erfindungsgemäße Mittel zum Aufbereiten von pflanzlicher Biomasse, insbesondere von Silage verwendet, die einer Biogasanlage für das Erzeugen von Biogas zugeführt werden soll. Das Mittel ist in diesem Fall insbesondere ein Silageaufbereitungsmittel bzw. ein Siliermittel. Alternativ wird das erfindungsgemäße Mittel bevorzugt auch zum Aufbereiten von Klärschlamm als Biomasse verwendet.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Mittels ist, dass die einzelnen Komponenten leicht und in großem Maßstab herstellbar und damit sehr kostengünstig sind. Essigsäure wird zum einen großtechnisch chemisch hergestellt und zum anderen biotechnologisch aus Alkohol, insbesondere Ethanol mit Hilfe von Bakterien. Die dabei verwendeten Bakterien können auch als die erfindungsgemäß verwendeten lebenden Essigsäurebakterien verwendet werden. Auch lebende Hefe wird industriell in großem Maßstab hergestellt, ebenso wie Zucker und Alkohol.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird bei der Zugabe des mindestens einen Aktivators zur bereitgestellten Biomasse der Essigsäurebildungsaktivator auf die Biomasse aufgesprüht. Ein Aufsprühen des mindestens einen Aktivators schafft eine weitgehend gleichmäßige und feine Verteilung des Essigsäurebildungsaktivators in der Biomasse. Damit ist ein gleichmäßiges Aufbereiten der Biomasse gewährleistet.
Das Aufbereiten der Biomasse erfolgt bevorzugt in einer Speichereinrichtung, wie beispielsweise in einem Silo für Silage oder einem Pufferspeicher für Klärschlamm.
Bevorzugt erfolgt das Aufsprühen des mindestens einen Aktivators im Falle von Erntegut als Biomasse während der Ernte auf das Erntegut. Dabei kann sich das Erntegut bereits in der Speichereinrichtung, wie einem Silo befinden und dort mit dem Essigsäurebildungsaktivator besprüht werden. Besonders bevorzugt erfolgt das Besprühen jedoch bereits durch eine entsprechende Sprüheinrichtung an einer Erntemaschine, wie einem Häcksler. Im Anschluss an das Besprühen wird das Erntegut erst in eine Speichereinrichtung gefüllt.
Alternativ wird als Biomasse ein Klärschlamm aus Kläranlagen verwendet, der sich z. B. in einem Pufferspeicher befindet. Dort wird der Klärschlamm mit dem erfindungsgemäßen mindestens einem Essigsäurebildungsaktivator versetzt, um die Bildung eines essigsauren Milieus auch im Klärschlamm zu fördern und zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird ferner die aufbereitete Biomasse nach einem solchen Aufbereitungsverfahren in einer Biogasanlage zum Erzeugen von Biogas verwendet.
Derart aufbereitete Biomasse hat, wie erläutert, bei dem Verwenden in einer Biogasanlage zum Erzeugen von Biogas den entscheidenden Vorteil, dass sie nahezu keine Milchsäure enthält. Wie bereits geschildert, würde die Milchsäure einen nachfolgend ablaufenden Methanbildungsprozess stören.
Darüber hinaus ist in der erfindungsgemäß aufbereiteten Biomasse bereits Essigsäure vorhanden, die in dem nachfolgenden ablaufenden Methanbildungsprozess eines Verfahrens zum Erzeugen von Biogas in Essigsäure umgesetzt wird. Dabei liegt der Erfindung die Erkenntnis zu Grunde, dass in einem Methanbildungsprozess weitgehend nur aus Essigsäure Methan gebildet werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung wird die erfindungsgemäß aufbereitete Biomasse derart verwendet, dass eine Biogasanlage mit einem Behälterraum bereitgestellt wird und folgende Schritte durchgeführt werden: Zugeben von aufbereiteter Biomasse in den Behälterraum und Schaffen von Bedingungen in dem Behälterraum, die dort zu einer weiteren Bildung von Essigsäure aus der zugegebenen Biomasse führen.
Dabei wird zum Schaffen von Bedingungen in dem Behälterraum, die dort zu einer weiteren Bildung von Essigsäure aus der zugegebenen Biomasse führen, mindestens ein Essigsäurebildungsaktivator zugegeben. Unter einem Essigsäurebildungsaktivator ist auch hier ein Mittel zu verstehen, das mindestens eine der folgenden Funktionen erfüllt: Die Bildung von Essigsäure in Gang zu setzen, die Bildung von Essigsäure zu fördern und die Bildung von Essigsäure aufrecht zu erhalten sowie Essigsäure zu bilden. Damit ist eine besonders quantitative, insbesondere nahezu ausschließliche Bildung von Essigsäure aus der zugegebenen Biomasse in einem Behälterraum erreicht.
Die nahezu ausschließliche Bildung von Essigsäure aus der zugegebenen Biomasse ist erwünscht, da die Erfindung auf der Erkenntnis beruht, dass weitgehend nur aus Essigsäure Methan erzeugt werden kann. Deswegen ist es vorteilhaft, Bedingungen zu schaffen, unter denen die zugegebene Biomasse zunächst möglichst quantitativ zu Essigsäure abgebaut wird. Dazu liegt der Erfindung die Idee zugrunde, die Phase der Acetogenese in einem Behälterraum weitgehend vollständig ablaufen zu lassen und damit von der Phase der Methanogenese zu trennen. Die Trennung ermöglicht es, für eine möglichst quantitative Essigsäurebildung optimale Bedingungen zu schaffen, ohne die methanogenen Mikroorganismen während der Methanogenese an einer Methanbildung zu hindern. Bevorzugt erfolgt eine räumliche Trennung zwischen Acetogenese und Methanogenese.
Im Vergleich dazu laufen zumindest die Acetogenese und Methanogenese in bekannten Verfahren zusammen in einem Behälterraum des Gärbehälters in einem Wechselspiel zwischen acetogenen und methanogenen Bakterien ab. Dabei ist die Acetogenese ein energieverbrauchender Prozess und die Methanogenese ein energieliefemder Prozess. Die Energie, die bei der Bildung von Methan frei wird, kann somit für die Bildung von Essigsäure wieder genutzt werden. Aus der gebildeten Essigsäure wird wiederum Methan gebildet, sodass ein Reaktionskreislauf entsteht. Mittels dieses Reaktionskreislaufes werden die Prozesse in Gang gehalten. Allerdings erfordert dies eine sehr genaue Prozesssteuerung, da die methanogenen Bakterien vor allem sehr empfindlich gegenüber pH-Wert-Änderungen, insbesondere gegenüber einer Versäuerung und damit einem Sinken des pH-Wertes sind. Sinkt der pH-Wert zu stark, so sterben die methanogenen Bakterien ab oder werden sehr stark geschwächt, wodurch kein Methan mehr erzeugt werden kann. Es droht ein Umkippen im Gärbehälter, was zu einer gefürchteten „Stockbildung“ der Biomasse im Gärbehälter führen kann, gerade wenn alle vier Phasen in einem Behälter nebeneinander ablaufen.
Diese Gefahr besteht erfindungsgemäß durch die Trennung der Acetogenese und der Methanogenese nicht. Zum Trennen der beiden Phasen wird ein Behälterraum zur Verfügung gestellt, in dem Bedingungen geschaffen werden, unter denen zumindest die Phase der Acetogenese, das heißt, die Phase der Bildung von Essigsäure abläuft. Besonders bevorzugt laufen zudem die Phasen der Hydrolyse und der Acidogenese in dem selben Behälterraum ab.
Mit der Bildung der Essigsäure bildet sich gleichzeitig eine flüssige Phase in dem Behälterraum.
Vorteilhaft wird als der mindestens eine Essigsäurebildungsaktivator ein gekeimtes Keimgut zugegeben. Unter gekeimtem bzw. vorgekeimtem bzw. angekeimtem Keimgut ist ein Keimgut zu verstehen, dessen Keimprozess bzw. Keimvorgang begonnen und nachfolgend unterbrochen worden ist. Dadurch sind zum einen Enzyme aktiviert, die in einem einzelnen Keimgutkom des Keimguts enthalten sind. Diese Enzyme fördern einen Abbauprozess von langkettigen Nährstoffen in kurzkettige Nährstoffe sowohl im einzelnen Keimgutkorn als auch in der zugegebenen Biomasse. Darüber hinaus sind im gekeimten Keimgut bereits aufgeschlossene, kurzkettige Nährstoffe vorhanden, die ihrerseits sofort zur Bildung von Essigsäure zur Verfügung stehen.
Bevorzugt dient als gekeimtes Keimgut ein gekeimtes Getreide. Besonders bevorzugt wird als gekeimtes Getreide das sogenannte Malz, insbesondere Grünmalz verwendet. Mit dem gekeimten Getreide steht eine Mischung aus aktivierten Enzymen zur Verfügung, die besonders vorteilhaft für den Abbau der Biomasse ist. Die aktivierten Enzyme umfassen insbesondere Amylasen, Proteasen und Hemicellulasen. Amylasen katalysieren den Abbau von Polysacchariden, wie z.B. Stärken in wasserlösliche Einfach- und Doppelzucker. Proteasen katalysieren die Spaltung von Proteinen in kurzkettige Peptide und Aminosäuren und Hemicellulasen die Spaltung von in pflanzlichen Zellwänden vorkommenden Hemicellulosen. Mit diesem genannten Enzymmix werden entscheidende Katalysatoren bzw. Beschleuniger zur Biomasse bzw. zum Substrat gegeben, die deren Umsetzung erheblich verbessern. Zudem ist die Energiedichte von Getreide im Vergleich zur sonstigen Biomasse am höchsten, insbesondere durch den hohen Stärkegehalt. Diese Stärke ist in gekeimtem Getreide bereits teilweise in Zucker aufgespalten, der im Behälterraum nahezu sofort weiter umgesetzt wird, insbesondere zu Alkoholen, aus denen in der Phase der Acetogenese Essigsäure gewonnen wird.
Besonders vorteilhaft wird das gekeimte Keimgut mit einem Gewichtsanteil von 5 % bis 70 %, bevorzugt von 8 % bis 60 %, besonders bevorzugt von 10 % bis 50 % bezogen auf das Gewicht an Biomasse im Behälterraum zugegeben. Mit dem genannten Gewichtsanteil an gekeimtem Keimgut wird die Bildung von Essigsäure aus Biomasse derart aktiviert, dass die Biomasse weitgehend zu Essigsäure umgesetzt wird. Je nach Art der Biomasse können hier unterschiedliche Gewichtsanteile zugegeben werden.
Vorteilhaft wird ferner als der mindestens eine Essigsäurebildungsaktivator ein Enzym zugegeben. Das Enzym wird bevorzugt aus mindestens einer der Gruppen der Hemicellulasen, Glucanasen, Xylanasen und Cellulasen gewählt. Dabei spalten Hemicellulasen biochemisch Hemicellulose auf, was als Sammelbezeichnung für verschiedene Bestandteile pflanzlicher Zellwände dient. Zu diesen Bestandteilen gehören auch Glucane und Xylane, die wiederum jeweils von den Glucanasen und Xylanasen biochemisch zerlegt werden. Cellulasen unterstützen die biochemische Aufspaltung von Cellulose, die als Stützsubstanz in allen pflanzlichen Geweben vorkommt. Mit der Zugabe von mindestens einem der genannten Enzyme wird vorteilhaft eine biochemische Aufspaltung der pflanzlichen Zellwände und Gewebe der Biomasse ermöglicht und beschleunigt. Die derart aufgespaltene Biomasse wird in den weiter ablaufenden Abbauprozessen zu Essigsäure umgesetzt. Auf diese Weise wird also die Bildung von Essigsäure durch die Zugabe von dem Enzym als mindestens ein Essigsäurebildungsaktivator in Gang gehalten. Verstärkt wird diese Wirkung vorteilhaft durch die Zugabe von Kombinationen der genannten Enzyme.
Besonders vorteilhaft wird das Enzym in einem Gewichtsanteil von 0,1 kg bis 3,0 kg, bevorzugt von 0,5 kg bis 2,0 kg und besonders bevorzugt von 0,8 kg bis 1,2 kg pro Tonne Biomasse im Behälterraum zugegeben. Damit ist eine weitgehend vollständige und damit rückstandsfreie Zersetzung der Biomasse erreicht.
Ferner wird als der mindestens eine Essigsäurebildungsaktivator vorteilhaft eine lebende Hefe zugegeben. Bevorzugt wird als lebende Hefe Saccharomyces cerevisiae gewählt. Die lebende Hefe wandelt den in der bereits teilweise aufgeschlossenen Biomasse vorhandenen Zucker und den bevorzugt durch die Zugabe von gekeimtem Getreide zusätzlich vorhandenen Zucker zumindest teilweise in Alkohol, insbesondere Ethanol um. Der Alkohol ist wiederum Ausgangsstoff für die Bildung von Essigsäure, sodass mittels des Zugebens der lebenden Hefe eine beschleunigte und möglichst quantitative Bildung von Essigsäure gewährleistet ist. Während der Bildung von Essigsäure sinkt der pH-Wert, das heißt das Milieu wird zunehmend saurer. Ab einem pH-Wert von etwa 3,5 bis 4,7 stirbt die Hefe ab und setzt ihre Inhaltsstoffe frei. Als freigesetzte Inhaltsstoffe sind hier insbesondere Enzyme und Mikronährstoffe, wie Vitamine und Spurenelemente, insbesondere Selen und Zink zu nennen. Diese Inhaltsstoffe sind sehr wertvoll für den weiteren Prozess der Bildung von Essigsäure, da sie unterstützend auf essigsäurebildende bzw. acetogene Mikroorganismen wirken. Mit dem Absterben der Hefe werden die acetogenen Mikroorganismen optimal mit Mikronährstoffen, wie Vitaminen und Spurenelementen, insbesondere Selen und Zink versorgt. Dadurch wird die Bildung der Essigsäure gefördert und beschleunigt.
Besonders vorteilhaft wird die lebende Hefe in Form von Flüssighefe zugegeben. Als Flüssighefe ist die lebende Hefe einfach und schnell in der Biomasse verteilbar und mit der Biomasse, insbesondere durch Rühren, mischbar. Damit wird eine gute Durchdringung der Biomasse mit lebender Hefe erreicht und eine weitgehend umfassende Reaktion der lebenden Hefe mit der Biomasse ermöglicht.
In vorteilhafter Weise wird die Flüssighefe in einer Menge von 0,5 Litern bis 4,5 Litern, bevorzugt in einer Menge von 1,2 Litern bis 3,3 Litern und besonders bevorzugt von 1,8 bis 2,2 Litern pro Kubikmeter Biomasse im Behälterraum zugegeben. Mit dieser Menge an lebender Hefe in Form von Flüssighefe wird eine besonders quantitative Bildung von Essigsäure erreicht.
Ferner werden besonders vorteilhaft als der mindestens eine Essigsäurebildungsaktivator lebende Essigsäurebakterien zugegeben. Lebende Essigsäurebakterien verstoffwechseln insbesondere unter aeroben Bedingungen Zucker und Ethanol zu Essigsäure. Sie gelten als acetogene Bakterien und sind die eigentlichen Essigsäurebildner. Als Essigsäurebildner finden die Essigsäurebakterien optimale Bedingungen im Behälterraum, da die zugegebene Biomasse entsprechend aufbereitet und zerlegt wird. Bevorzugt ist zusätzlich insbesondere Zucker aufgrund der Zugabe des gekeimten Keimguts nahezu sofort verfügbar. Besonders bevorzugt liegt Alkohol vor, der mittels Zugabe der lebenden Hefe nahezu sofort aus dem vorhandenen Zucker gebildet ist und von den Essigsäurebakterien nahezu sofort zu Essigsäure umgesetzt wird. Auf diese Weise sind erfindungsgemäß Bedingungen für einen schnellen Beginn der Bildung von Essigsäure geschaffen.
Zusätzlich wird bei einer bevorzugten Zugabe von lebender Hefe die Bildung von Essigsäure durch Essigsäurebakterien beschleunigt, wenn die lebende Hefe ab einem pH-Wert von etwa 3,5 bis 4,7 abstirbt und deren Inhaltsstoffe freigesetzt werden. Diese Inhaltsstoffe, insbesondere Mikronährstoffe, wie Vitamine und Spurenelemente, wie vor allem Zink und Selen stehen als wertvolle Nährstoffe für den Stoffwechsel der Essigsäurebakterien zur Verfügung. Auf diese Weise werden die Essigsäurebakterien vorteilhaft optimal mit Nährstoffen versorgt.
Insbesondere werden die lebenden Essigsäurebakterien mit einem Gewichtsanteil von 0,1 % bis 6,0 %, bevorzugt von 0,3 % bis 3,0 %, besonders bevorzugt von 0,5 % bis 1,5 % bezogen auf das Gewicht an Biomasse im Behälterraum zugegeben. Damit ist vorteilhafterweise eine weitere Bedingung zu einer besonders quantitativen Bildung von Essigsäure geschaffen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung werden die lebenden Essigsäurebakterien in Form einer Suspension zugegeben, die ferner mindestens einen der folgenden Stoffe enthält: Essigsäure, Alkohol, Zucker und Wasser.
Mit der zusätzlichen Zugabe von Essigsäure wird vorteilhaft die Konzentration an Essigsäure im Behälterraum erhöht, wodurch ein gewünschtes essigsaures Milieu gefördert wird. Die zugegebene Essigsäure wird vorteilhaft in einem späteren Methanbildungsprozess zu Methan umgesetzt.
Eine Zugabe von lebenden Essigsäurebakterien mit Alkohol, insbesondere Ethanol, ist besonders vorteilhaft, da Alkohol, insbesondere Ethanol, der Ausgangsstoff für eine Bildung von Essigsäure durch die Verstoffwechselung mittels der lebenden Essigsäurebakterien ist. Wird also Alkohol zugegeben, so starten die lebenden Essigsäurebakterien nahezu sofort mit der Verstoffwechselung zu Essigsäure und vermehren sich zudem entsprechend schnell.
Bei einer Zugabe von lebenden Essigsäurebakterien in einer Kombination mit Zucker, wird zumindest mittels der zuvor genannten, ebenfalls vorhandenen lebenden Hefe weitgehend Alkohol, insbesondere Ethanol produziert. Der Alkohol wird seinerseits von den lebenden Essigsäurebakterien zu Essigsäure umgesetzt. Auf diese Weise ist also ebenfalls die Umsetzung zu Essigsäure gefördert.
Mit einer Zugabe der lebenden Essigsäurebakterien in einer Kombination mit Wasser wird ein wässriges Medium lebender Essigsäurebakterien gebildet. Das derart gebildete wässrige Medium lebender Essigsäurebakterien ist als Flüssigkeit einfach zu handhaben sowie einfach und schnell in der Biomasse verteilbar sowie mit der Biomasse mischbar. Durch einen natürlichen Wassergehalt der Biomasse bildet sich im Laufe des Abbauprozesses im Behälterraum eine flüssige Phase. Diese flüssige Phase enthält ebenfalls ein wässriges Medium. Das zugegebene wässrige Medium lebender Essigsäurebakterien entspricht hinsichtlich seiner Polarität dem wässrigen Medium der flüssigen Phase in dem Behälterraum. Damit ist eine schnelle und umfassende Reaktion der lebenden Essigsäurebakterien unmittelbar in der flüssigen Phase der Biomasse ermöglicht.
Bevorzugt werden die lebenden Essigsäurebakterien mit mindestens zwei der genannten Stoffe zur Biomasse in den Behälterraum gegeben. Die Wirkungen der genannten Stoffe ergänzen sich entsprechend und die genannten Vorteile werden dadurch potenziert.
Ganz besonders vorteilhaft ist eine Kombination von lebenden Essigsäurebakterien mit allen genannten Stoffen Essigsäure, Zucker, Alkohol und Wasser. In dieser Kombination ergänzen sich alle genannten Wirkungen entsprechend. Darüber hinaus schafft gerade diese Kombination mit den während der Abbauprozesse der Hydrolyse und Acidogenese entstandenen Bruchstücken der Biomasse eine weitgehend kontinuierliche Bildung von Essigsäure.
Insbesondere wird in der Suspension eine Konzentration von lebenden Essigsäurebakterien von 5 × 10⁶ bis 90 × 10⁶, bevorzugt von 15 × 10⁶ bis 50 × 10⁶ und besonders bevorzugt von 18 × 10⁶ bis 22 × 10⁶ Essigsäurebakterien pro Milliliter eingestellt. Derart eingestellt, ist eine stark aufkonzentrierte und dennoch vitale Suspension an lebenden Essigsäurebakterien geschaffen, mit der besonders schnell und umfassend aus der bereits biochemisch in kurzkettige Bestandteile aufgespaltenen Biomasse Essigsäure gebildet wird.
Besonders bevorzugt wird die Suspension aus einer Produktion von Essig gewonnen und enthält einen hochkonzentrierten und hoch-vitalen Anteil von 5 × 10⁶ bis 90 × 10⁶, bevorzugt von 15 × 10⁶ bis 50 × 10⁶ und besonders bevorzugt von 18 × 10⁶ bis 22 × 10⁶ Essigsäurebakterien pro Milliliter Flüssigkeit. Ferner enthält die Suspension vorzugsweise mindestens einen der folgenden Stoffe: Essigsäure, Zucker, Stärke, Alkohol und Wasser. Bevorzugt ist der Zucker dann in diesem Fall ein Restzucker, die Stärke eine Reststärke und/oder der Alkohol ein Restalkohol, die in der Essigproduktion nicht umgesetzt wurden. Essigsäure liegt dabei vorteilhaft in einer Konzentration von bevorzugt 10 bis 15 % des Gesamtvolumens vor. Gerade die Kombination der lebenden Essigsäurebakterien mit den genannten Stoffen in der Suspension und den Bruchstücken, die während der Acidogenese entstanden sind, führt zu einer Aktivierung der Essigsäurebakterien und zu einer weitgehend quantitativen Bildung von Essigsäure aus der zugegebenen Biomasse.
Ferner werden vorteilhaft als Bedingungen in dem Behälterraum, die dort zu einer Bildung von Essigsäure aus der zugegebenen Biomasse führen, ein pH-Wert von 2,5 bis 4,0, bevorzugt von 2,8 bis 3,8, besonders bevorzugt von 3,0 bis 3,5 eingestellt. Mit dem Einstellen des vergleichsweise niedrigen pH-Wertes von besonders bevorzugt 3,0 bis 3,5 ist insbesondere eine nahezu ausschließliche Bildung von Essigsäure aus der Biomasse gefördert. Darüber hinaus ist ein saures Milieu erreicht, in dem auch die in bekannten Verfahren schwer aufzuspaltenden Substrate mit einem hohen Anteil an Faserstoffen leichter zu hydrolysieren sind. Es handelt sich hier beispielsweise um die in der Regel schwer aufspaltbare Cellulose und Hemicellulose, die sich als Gerüstsubstanzen in pflanzlichen Zellwänden befinden und die sich im sauren Milieu biochemisch leichter in lösliche Bruchstücke zerlegen lassen. Auf diese Weise ist eine weitergehende Aufspaltung der Biomasse geschaffen.
Des Weiteren ist durch das geschaffene saure Milieu vorteilhaft eine gewisse Hygienisierung der Biomasse erreicht, indem schädliche Mikroorganismen abgetötet werden. Ferner werden beispielsweise beim Einsatz von Klärschlamm als Biomasse, die dort in der Regel vorhandenen Hormone im geschaffenen sauren Milieu zersetzt.
Darüber hinaus werden vorzugsweise als Bedingungen in dem Behälterraum, die dort zu einer Bildung von Essigsäure aus der zugegebenen Biomasse führen, aerobe Bedingungen geschaffen. Das heißt, dass die Bildung von Essigsäure nicht unter Luftausschluss erfolgt. Dies erleichtert den Bau und Betrieb des zugehörigen Behälters, da kein gasdichter Behälterraum geschaffen werden muss. Zudem gelangt bei dem Zugeben von Biomasse immer wieder Luft in den Behälterraum, was im erfindungsgemäßen Verfahren im Gegensatz zu bekannten Verfahren keine Störung der ablaufenden Prozesse in dem Behälterraum bewirkt.
Auch die Phasen der Hydrolyse und Acidogenese laufen neben der Acetogenese bevorzugt aerob ab.
Ferner wird vorteilhaft als Bedingungen in dem Behälterraum, die dort zu einer Bildung von Essigsäure aus der zugegebenen Biomasse führen, eine Temperatur von 40 °C bis 60 °C, bevorzugt von 45 °C bis 55 °C und besonders bevorzugt von 49. °C bis 51 °C eingestellt. Die eingestellte Temperatur wird bevorzugt während der Bildung von Essigsäure ständig beibehalten. Dadurch sind optimale Bedingungen für die Hydrolyse und Acidogenese geschaffen, um einen schnellen und effektiven Abbau der Biomasse zu gewährleisten. Insbesondere haben die Enzyme, die einen Abbau von Hemicellulose bewirken, hier ihr Temperatur-Optimum. Darüber hinaus wird für die energieverbrauchende Reaktion der Essigsäurebildung in der Phase der Acetogenese Energie in Form von Wärme zugeführt. Die Wärme wird über eine geeignete Heizung bereitgestellt. Besonders bevorzugt wird die Wärme zum Zuführen über eine Rückkopplung von frei werdender Wärmeenergie bei einem Verbrennen von gebildetem Methan in einem nachgelagerten Verfahrensschritt in einem Blockheizkraftwerk gewonnen.
Die Biomasse versauert in dem Behälterraum unter Bildung von Essigsäure und unter Bildung einer flüssigen Phase besonders schnell innerhalb von 2 bis 8, bevorzugt von 3 bis 7, besonders bevorzugt von 4 bis 6 Tagen. Dabei wird ein pH-Wert von 2,5 bis 4,0, bevorzugt von 2,8 bis 3,8, besonders bevorzugt von 3,0 bis 3,5 erreicht.
Besonders vorteilhaft wird in dem Behälterraum während der Bildung von Essigsäure unter Bildung von flüssiger Phase gerührt, insbesondere ständig gleichmäßig gerührt. Damit wird ein gleichmäßiges Durchmischen der in den Behälterraum gegebenen Biomasse mit dem mindestens einen Essigsäurebildungsaktivator gewährleistet. Besonders bevorzugt wird eine Rührwerkstechnik, insbesondere in Form einer Spirale nach der deutschen Patentanmeldung 10 2011 111 271.9 verwendet, auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.
Mit der Bildung von Essigsäure in dem Behälterraum, insbesondere nach dem Erreichen des pH-Wertes von 2,5 bis 4,0, bevorzugt von 2,8 bis 3,8, besonders bevorzugt von 3,0 bis 3,5, wird ein weitgehender Abschluss der Acetogenese erreicht. Danach kann eine Phase der Methanogenese eingeleitet werden. Dazu können in dem Behälterraum dann Bedingungen geschaffen werden, die zu einer Bildung von Methan aus der gebildeten Essigsäure führen.
Alternativ wird die erfindungsgemäß aufbereitete Biomasse zum Erzeugen von Biogas besonders vorteilhaft derart verwendet, dass an der Biogasanlage außer dem genannten, damit ersten Behälterraum ein davon räumlich getrennter zweiter Behälterraum bereitgestellt wird und folgende Schritte durchgeführt werden: Überführen von Biomasse und damit von gebildeter Essigsäure aus dem ersten Behälterraum in den zweiten Behälterraum, Schaffen von Bedingungen in dem zweiten Behälterraum, die dort zu einer Bildung von Methan führen, Messen des pH-Wertes der Biomasse im zweiten Behälterraum und Überführen von weiterer Biomasse und damit von weiterer gebildeter Essigsäure aus dem ersten Behälterraum in den zweiten Behälterraum in Abhängigkeit des gemessenen pH-Wertes im zweiten Behälterraum.
Nach dem Erreichen des pH-Wertes von 2,5 bis 4,0, bevorzugt von 2,8 bis 3,8, besonders bevorzugt von 3,0 bis 3,5 in dem ersten Behälterraum wird bevorzugt zunächst zumindest ein Teil der flüssigen Phase der versäuerten Biomasse in den zweiten Behälterraum, vorzugsweise unter zumindest leichter Abkühlung überführt. Im ersten Behälterraum bilden sich des Weiteren Gase, insbesondere Kohlendioxid und Wasserstoff, die abgeleitet werden. Besonders bevorzugt werden diese Gase ebenfalls in den zweiten Behälterraum eingeleitet.
In dem zweiten Behälterraum werden vorteilhaft zum Schaffen von Bedingungen, die dort zu einer Bildung von Methan führen, methanbildende Bakterien zugegeben und eine Temperatur von 32 °C bis 46 °C, bevorzugt von 34 °C bis 42 °C, besonders bevorzugt von 37 bis 39 °C eingestellt. Bei dieser Temperatur arbeiten methanbildende, sogenannte methanogene Bakterien optimal. Die methanogenen Bakterien bilden in einem Stoffwechselprozess aus der im ersten Behälterraum gebildeten und in den zweiten Behälterraum überführten Essigsäure weitgehend Methan. Weiteres Methan wird besonders bevorzugt von den methanogenen Bakterien auch aus dem in der Acido- und Acetogenese in dem ersten Behälterraum gebildeten Kohlendioxid und Wasserstoff gebildet, das vorteilhaft in den zweiten Behälterraum eingeleitet wird. Als methanogene Bakterien werden besonders bevorzugt spezielle Methanbakterien aus einem Anaerobreaktor einer Brauerei eingesetzt, mit denen vorteilhaft ein Methananteil von etwa 89 % im Biogas erreicht wird.
Die methanbildenden Bakterien sind nur unter Luftausschluss tätig und lebensfähig. Daher muss die Methanogenese im zweiten Behälterraum zwingend unter Luftausschluss, das heißt anaerob ablaufen. Dazu ist insbesondere ein gasdichter zweiter Behälterraum geschaffen.
Im zweiten Behälterraum erfolgen ferner ein Messen des pH-Wertes der Biomasse und ein Überführen von weiterer Biomasse und damit von weiterer gebildeter Essigsäure aus dem ersten Behälterraum in den zweiten Behälterraum in Abhängigkeit des gemessenen pH-Wertes im zweiten Behälterraum. Dabei wird das Überführen von Biomasse aus dem ersten Behälterraum in den zweiten Behälterraum in Abhängigkeit des gemessenen pH-Wertes im zweiten Behälterraum bei einem gemessenen pH-Wert von 7,0 bis 7,4, bevorzugt von 7,1 bis 7,3 und besonders bevorzugt von 7,2 durchgeführt. Insbesondere wird nur flüssige Phase aus dem ersten Behälterraum in den zweiten Behälterraum überführt. Dies erfolgt so lange, bis durch das Überführen von insbesondere nur flüssiger Phase ein pH-Wert von 6,3 bis 6,7, bevorzugt von 6,4 bis 6,6 und besonders bevorzugt von 6,5 in dem zweiten Behälterraum gemessen wird. Bei diesem pH-Wert wird das Überführen der Biomasse gestoppt. Aus der überführten Biomasse, insbesondere aus der Essigsäure wird mittels einer Verstoffwechselung durch die Methanbakterien Methan gebildet, was zu einer Verminderung des Säuregehalts und damit zu einem Anstieg des pH-Wertes führt. Wird im zweiten Behälterraum wieder ein pH-Wert von besonders bevorzugt 7,2 gemessen, so wird erneut vom ersten Behälterraum Biomasse, insbesondere nur flüssige Phase in den zweiten Behälterraum überführt, solange bis der pH-Wert im zweiten Behälterraum wieder besonders bevorzugt 6,5 beträgt. Dieser pH-Wert steigt mittels der Methanbildung wieder an. Bei einem pH-Wert von besonders bevorzugt 7,2 wird aus dem ersten Behälterraum erneut versäuerte Biomasse in den zweiten Behälterraum überführt. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis der zweite Behälterraum voll ist.
Auf diese Weise erfolgt ein pH-Wert-gesteuertes Überführen von versäuerter Biomasse aus dem ersten Behälterraum in den zweiten Behälterraum, das bevorzugt semi-kontinuierlich abläuft. Durch das wiederholte Absinken und Wiederansteigen des pH-Wertes im zweiten Behälterraum zwischen besonders bevorzugt 6,5 und 7,2 werden die Methanbakterien trainiert. Mit dem Training wird ein entsprechendes Einstellen des genannten pH-Wert-Bereichs als Arbeitsoptimum für die Methanbakterien im zweiten Behälterraum erreicht. Dadurch ist eine besonders große und schnelle Ausbeute an Methan erzielt, wobei das gebildete Methan bevorzugt aus dem zweiten Behälterraum abgeführt wird.
Während des pH-Wert-gesteuerten Überführens wird bevorzugt gerührt, besonders bevorzugt ständig gerührt, sodass ein gleichmäßiges Durchmischen der Biomasse im zweiten Behälterraum geschaffen ist.
Nach dem Erreichen einer maximalen Füllhöhe des zweiten Behälterraums und des pH-Wertes von besonders bevorzugt 7,2 wird das Rühren beendet. Daran anschließend sedimentieren schwere, noch ungelöste bzw. nicht lösliche Stoffe. Nach einer Zeitdauer von 1 bis 5, bevorzugt 2 bis 4 und besonders bevorzugt von 3 Stunden haben sich die ungelösten bzw. nicht löslichen Stoffe abgesetzt und sich ein flüssiger Überstand gebildet. Die beschriebene Bildung von Methan im zweiten Behälterraum dauert etwa 1 bis 3 Tage und bevorzugt etwa 2 Tage. Damit ist erfindungsgemäß ein Verfahren mit einem stark beschleunigten Schritt der Methanbildung geschaffen.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung wird die erfindungsgemäß aufbereitete Biomasse derart verwendet, dass an der Biogasanlage ein dritter, vom ersten und zweiten Behälterraum räumlich getrennter Behälterraum bereitgestellt wird und folgende Schritte durchgeführt werden: Überführen von Biomasse aus dem zweiten Behälterraum in den dritten Behälterraum, Schaffen von Bedingungen in dem dritten Behälterraum, die dort zu einer weiteren Bildung von Methan führen, Messen des pH-Wertes der Biomasse im dritten Behälterraum, Überführen von weiterer Biomasse aus dem zweiten Behälterraum in den dritten Behälterraum in Abhängigkeit des gemessenen pH-Wertes im dritten Behälterraum. Dabei wird das Überführen von Biomasse aus dem zweiten Behälterraum in den dritten Behälterraum in Abhängigkeit des gemessenen pH-Wertes bei einem gemessenen pH-Wert im dritten Behälterraum von 7,3 bis 7,7, bevorzugt von 7,4 bis 7,6 und besonders bevorzugt von 7,5 durchgeführt. Dies erfolgt so lange, bis durch das Überführen von Biomasse ein pH-Wert von 6,3 bis 6,7, bevorzugt von 6,4 bis 6,6 und besonders bevorzugt von 7,2 im dritten Behälterraum gemessen wird. Dann wird das Überführen der Biomasse gestoppt. Aus der überführten Biomasse wird insbesondere aus dort noch vorhandener, restlicher Essigsäure mittels einer Verstoffwechselung durch die Methanbakterien weiteres Methan gewonnen. Bei Bedarf werden besonders bevorzugt werden weitere methanbildende Bakterien zugegeben. Mit der Bildung von weiterem Methan ist ein Anstieg des pH-Wertes im dritten Behälterraum verbunden. Wird dort erneut ein pH-Wert von besonders bevorzugt 7,5 gemessen, so wird wiederum vom zweiten Behälterraum Biomasse in den dritten Behälterraum überführt, solange bis der pH-Wert im dritten Behälterraum wieder besonders bevorzugt 7,2 beträgt. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis der dritte Behälterraum gefüllt ist. Dabei wird bevorzugt nur flüssige Phase aus dem zweiten Behälterraum in den dritten Behälterraum überführt, die aus dem flüssigen Überstand gewonnen wird, der sich während der Sedimentation im zweiten Behälterraum bildet. Im dritten Behälterraum wird dabei bevorzugt gerührt, besonders bevorzugt ständig gerührt.
Vorteilhaft wird zum Schaffen von Bedingungen im dritten Behälterraum, die dort zu einer weiteren Bildung von Methan führen, eine Temperatur von 27 °C bis 38 _- °C, bevorzugt von 29 °C bis 35 °C und besonders bevorzugt von 31 bis 33 °C eingestellt. Ein Luftausschluss ist auch im dritten Behälterraum notwendig, um für die methanbildenden Bakterien optimale anaerobe Lebens- und Arbeitsbedingungen zu schaffen. Die methanbildenden Bakterien werden dabei in der Regel vom zweiten Behälterraum mit der flüssigen Phase in den dritten Behälterraum überführt. Bei Bedarf werden bevorzugt zusätzlich weitere methanbildende Bakterien in den dritten Behälterraum gegeben.
Die Vorteile des pH-Wert-gesteuerten Überführens von Biomasse aus dem zweiten Behälterraum in den dritten Behälterraum, gelten entsprechend dem pH-Wert-gesteuerten Überführen von Biomasse aus dem ersten Behälterraum in den zweiten Behälterraum. Insgesamt ist damit ein automatischer Betrieb des Verfahrens geschaffen.
Ist die maximale Füllhöhe im dritten Behälterraum erreicht und der pH-Wert 7,3 bis 7,7, bevorzugt 7,4 bis 7,6 und besonders bevorzugt 7,5, so wird das Rühren beendet und gewartet, bis sich schwere ungelöste Stoffe abgesetzt haben. Nach einer Zeitdauer von etwa 1 bis 3 Tagen, bevorzugt etwa 2 Tagen ist die weitere Bildung von Methan im dritten Behälterraum abgeschlossen. Damit ist auch im dritten Behälterraum eine sehr stark beschleunigte Methanbildung erreicht.
Insgesamt wird durch das Schaffen von Bedingungen in dem dritten Behälterraum, die zu der weiteren Bildung von Methan führen, eine besonders gute Verwertung der zugegebenen Biomasse und darüber hinaus eine besonders hohe Ausbeute an Methan erzielt. Das gebildete Methan wird aus dem dritten Behälterraum bevorzugt über ein Leitungssystem zusammen mit dem gebildeten Methan aus dem zweiten Behälterraum abgeleitet. Nach dem Ableiten wird das gebildete Methan zur Stromerzeugung direkt in einem Blockheizkraftwerk verbrannt. Vor dem Verbrennen kann das Methan bevorzugt in einem Gasspeicher zwischengelagert werden. Alternativ wird das gebildete Methan als Ersatz für Erdgas über ein Leitungssystem beispielsweise zu einzelnen Endverbrauchern geführt.
Im Anschluss an die Methanbildung wird die flüssige Phase als Überstand aus dem dritten Behälterraum abgelassen, wobei das Ablassen der flüssigen Phase der Biomasse aus dem dritten Behälterraum bei einem gemessenen pH-Wert von 7,3 bis 7,7, bevorzugt von 7,4 bis 7,6 und besonders bevorzugt von 7,5 durchgeführt wird. Die abgelassene flüssige Phase umfasst als End- bzw. Nebenprodukt weitgehend nur Wasser, das bevorzugt in einen Vorfluter und besonders bevorzugt direkt in einen Kanal eingeleitet wird. Damit entfällt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also die Notwendigkeit, große, voluminöse Lagerbehälter für Gärreste zu schaffen. Bevorzugt ist ein sehr kleines Endlager mit einem Volumen, das beispielsweise nur für Wartungszwecke ausreicht, gebildet.
Insgesamt werden im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt einzelne Behälterräume und insbesondere einzelne Behälter verwendet, die vergleichsweise klein ausgebildet sind und auch nicht vor Ort hergestellt werden müssen. Die einzelnen Behälter und sonstigen technischen Details, wie Pumpen, Steuerungselemente und Leitungen werden in einer großen Fertigungstiefe bevorzugt maschinell hergestellt und vor Ort gemäß einem Baukastensystem nur noch miteinander verbunden. Insgesamt ergibt sich damit eine Biogasanlage, die etwa 5- bis 12-mal kleiner ist als herkömmliche Anlagen und dadurch einen wesentlich niedrigeren Platzbedarf aufweist.
Der Behälterraum kann von einem Behälter gebildet sein, der verschiedene, räumlich voneinander weitgehend getrennte Behälterräume in einem Behälter bereitstellt. Bevorzugt wird aber ein erster Behälterraum mit einem ersten Behälter, ein zweiter Behälterraum mit einem zweiten Behälter und ein dritter Behälterraum mit einem dritten Behälter, die räumlich entfernt voneinander aufgestellt sind, gebildet.
Für den ersten Behälterraum wird bevorzugt eine Behältertechnik nach den deutschen Patentanmeldungen 10 2011 111 271.9 und 10 2011 111 273.5 verwendet, die entsprechend angepasst ist. Insbesondere ist zumindest die Innenwand des ersten Behälterraums säurebeständig gestaltet und dazu bevorzugt aus Edelstahl gebildet. Besonders bevorzugt sind sowohl der erste Behälterraum als auch der zweite und dritte Behälterraum zudem isoliert und beheizbar gestaltet. Der zweite und dritte Behälterraum sind darüber hinaus gasdicht ausgebildet, um anaerobe Bedingungen schaffen zu können.
Insgesamt ist mit dem erfindungsgemäßen Aufbereitungsverfahren von Biomasse ein Verfahren geschaffen, mit dem die aufbereitete Biomasse an die Erfordernisse für ein nachfolgend durchzuführendes Verfahren zum Erzeugen von Biogas angepasst ist. Wird die erfindungsgemäß aufbereitete Biomasse in einer Biogasanlage zum Erzeugen von Biogas verwendet, so wird die Biomasse nahezu vollständig umgesetzt. Dadurch wird eine hohe Effizienz im Verfahren zum Erzeugen von Biogas erzielt. Des weiteren wird ein hoher Methananteil im Biogas von etwa 90 % erreicht und damit ein niedriger Kohlendioxidausstoß bei der Herstellung des Methans verursacht. Ferner werden nahezu keine Gärreste gebildet, wodurch nahezu kein Transport für Gärreste bzw. Reststoffe anfällt und gegebenenfalls nur ein sehr kleines Endlager erforderlich ist. Insgesamt sind für das Verfahren zum Erzeugen von Biogas wesentlich kleinere Behälter notwendig, sodass damit eine Biogasanlage gebildet werden kann, die etwa 5- bis 12-mal kleiner ist als herkömmliche Anlagen und dadurch einen wesentlich niedrigeren Platzbedarf aufweist. Zudem sind die kleineren Behälter in einer großen Fertigungstiefe bereits als Module, bevorzugt maschinell, herstellbar. Die einzelnen Module müssen dann zum Bau einer Biogasanlage vorteilhaft vor Ort gemäß einem Baukastensystem nur noch miteinander verbunden werden. Die kleinere Behältergröße und damit das kleinere Volumen an Biomasse ermöglichen schnellere Reaktionszeiten während des Betriebes. Es kann beispielsweise sehr schnell von Grundlast auf Volllast gefahren werden. Insgesamt ist durch das pH-Wert-gesteuerte Überführen der Biomasse von einem Behälterraum in den nächsten Behälterraum ein automatischer Betrieb des Verfahrens zum Erzeugen von Biogas geschaffen. Ferner ist mit dem Aufbereitungsverfahren von Biomasse, bevorzugt zusammen mit dem Verfahren zum Erzeugen von Biogas eine sehr schnelle Bildung von Methan erreicht, da ein kompletter Durchgang des Verfahrens insgesamt bereits innerhalb 4 bis 14 Tagen, bevorzugt 7 bis 11 Tagen und besonders bevorzugt 8 bis 10 Tagen abgeschlossen ist.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Detaillierte Beschreibung des Ausführungsbeispiels
1 zeigt ein Verfahren 10 zum Erzeugen von Biogas aus Biomasse. Dabei wird zuerst ein Aufbereitungsverfahren 11 von Biomasse durchgeführt. In dem Aufbereitungsverfahren 11 wird in einem ersten Schritt 12 aufzubereitende Biomasse bereitgestellt. Als Biomasse dient vorliegend Maissilage in einer Mischung mit Grassilage. Zu der Silage wird in einem nächsten Schritt 14 mindestens ein Aktivator zugegeben, der zur biochemischen Aufbereitung der Silage führt. Die Zugabe 14 des Aktivators kann auch als ein Schritt der Milieusteuerung bezeichnet werden, der zu einer essigsauren Fermentation der Silage führt.
Im Schritt 14 werden als Aktivator zwei Essigsäurebildungsaktivatoren zugegeben. Dazu erfolgt eine Zugabe 16 von lebender Hefe und eine Zugabe 18 von lebenden Essigsäurebakterien, in der Form, dass die lebende Hefe und die lebenden Essigsäurebakterien während der Ernte auf die Silage aufgesprüht werden. Die lebende Hefe wird dabei als Flüssighefe Saccharomyces cerevisiae mit einem Volumen von etwa 0,3 Litern pro Kubikmeter Biomasse zugegeben und die lebenden Essigsäurebakterien in Form einer Suspension mit einem Volumen von etwa 0,2 Litern pro Kubikmeter Biomasse. Die Suspension wird aus der Produktion von Essig gewonnen und weist dabei einen hochkonzentrierten und hoch-vitalen Anteil von 18 × 10⁶ bis 22 × 10⁶ Essigsäurebakterien pro Milliliter Flüssigkeit auf. Ferner enthält die Suspension Wasser, Essigsäure, Restzucker, Reststärke und Restalkohol. Mit den Zugaben 16 und 18 werden Bedingungen geschaffen, die zu einem biochemischen Aufbereiten der Biomasse im Verlauf einer essigsauren Fermentation führen. Dabei setzt die lebende Hefe den in der Biomasse vorhandenen Zucker zu Alkoholen, insbesondere Ethanol um. Die gebildeten Alkohole werden nahezu sofort von den lebenden Essigsäurebakterien zu Essigsäure umgesetzt, wodurch der Säuregehalt steigt und der pH-Wert sinkt. Wird der pH-Wert von etwa 3,8 bis 4,6 erreicht, so stirbt die lebende Hefe ab. Als Folge stehen den Essigsäurebakterien die von der Hefe freigesetzten Inhaltstoffe als Nährstoffe zur Verfügung. Insbesondere Vitamine, Enzyme und Spurenelemente, wie vor allem Selen und Zink sind hier wichtige Nährstoffe, die den Abbauvorgang der Essigsäurebakterien zu Essigsäure beschleunigen.
Insgesamt wird die Biomasse im Verlauf der essigsauren Fermentation biochemisch teilweise abgebaut und Essigsäure gebildet, bis ein pH-Wert von etwa 3,0 bis 3,5 erreicht ist. Die gebildete Essigsäure dient als Konservierungsmittel für die aufbereitete Biomasse gegenüber einem unerwünschten Totalabbau durch zersetzende Bakterien und Schimmelpilze. Darüber hinaus unterdrückt die Bildung von Essigsäure vorteilhaft die ansonsten natürlich einsetzende Milchsäurebildung in der Silage. Wird Silage zum Erzeugen von Biogas verwendet, ist Milchsäure bzw. Lactat nicht erwünscht, da die Milchsäure den Methanbildungsprozess stört. Das Unterdrücken der Milchsäurebildung fördert einen nachfolgend durchzuführenden Methanbildungsprozess. Darüber hinaus wird die Essigsäure bzw. Acetat im gebildeten essigsauren Milieu der Silage in dem nachfolgenden Methanbildungsprozess zu Methan umgesetzt, was den Methanbildungsprozess zusätzlich fördert.
Die derart gewonnene essigsauer fermentierte Silage wird in einer weiter nicht näher dargestellten Speichereinrichtung, wie beispielsweise einem Silo gelagert.
Besonders bevorzugt wird die Silage portionsweise einer Zugabe 14 von Aktivatoren mit den Schritten 16 bis 18 unterzogen, wobei die derart gewonnenen Portionen bzw. Rationen an essigsauer fermentierter Silage insbesondere ohne längere Lagerzeit zum Erzeugen von Biogas verwendet werden können.
Als Alternative zu einer Silage kann als Biomasse auch Klärschlamm verwendet werden. Im Klärschlamm wird ebenso im Schritt 14 durch die Zugabe 16 von lebender Hefe und die Zugabe 18 von lebenden Essigsäurebakterien ein essigsaures Milieu geschaffen. Dies erfolgt in einem weiter nicht näher dargestellten Pufferspeicher.
Die derart aufbereitete Biomasse wird in den nachfolgenden Verfahrensschritten zum Erzeugen von Biogas verwendet.
Dazu ist eine in 2 dargestellte Biogasanlage 20 geschaffen mit einem ersten Behälterraum 22, einem zweiten Behälterraum 24 und einem dritten Behälterraum 26. Die Behälterräume 22 bis 26 sind dabei als runde, hohlzylindrische, isolierte und beheizbare Behälter aus Edelstahl gestaltet, die räumlich voneinander getrennt sind.
Zum Erzeugen von Biogas erfolgt zunächst mit Hilfe einer Mischeinrichtung 28 über eine Dosierschnecke 30 und eine Förder- und Zerkleinerungseinrichtung 32 die Zugabe 34 der essigsauer fermentierten Silage in den ersten Behälterraum bzw. Behälter 22. Mit der Förder- und Zerkleinerungseinrichtung 32 wird die Silage zusätzlich mechanisch zerkleinert, insbesondere geschnitten. Bei der Zugabe 34 werden täglich jeweils 2 bis 3 Portionen, insbesondere Tagesrationen an essigsauer fermentierter Silage in den Behälter 22 gefüllt. Dabei wird der Behälter 22 bis zu einer maximalen Raumbelastung von 25 bis 50 kg CSB/m³ und Tag befüllt.
In dem Behälter 22, dem sogenannten Versäuerungsbehälter, insbesondere Vorversäuerungsbehälter, werden anschließend in einem Schritt 36 Bedingungen geschaffen, die zu einer Bildung von Essigsäure aus der zugegeben Silage führen. Dieser Schritt 36 wird auch als Versäuerung oder Maischen bezeichnet.
Zum Schaffen 36 von Bedingungen, die zu einer Bildung von Essigsäure führen werden die Verfahrensschritte 38, 40, 42 und 44 durchgeführt. Diese Verfahrensschritte sind nicht chronologisch nacheinander durchführbar, da sie weitgehend miteinander wechselwirken. Es erfolgt zum einen ein Einstellen 38 des pH-Wertes im Behälter 22 auf einen Wert von besonders bevorzugt 3,0 bis 3,5. Darüber hinaus erfolgt ein Schaffen 40 von aeroben Bedingungen im Behälter 22, zum einen durch eine entsprechende Behälterkonstruktion des Behälters 22, der nicht gasdicht ausgebildet ist und ferner dadurch, dass bei dem Zugeben 34 von Biomasse immer wieder Luft in den Behälter 22 gelangt. Des Weiteren wird mit einem Schritt 42 die Temperatur auf besonders bevorzugt 49 °C bis 51 °C eingestellt und während der Bildung von Essigsäure ständig beibehalten. Mit dem Schritt 44 wird ferner mindestens ein Essigsäurebildungsaktivator zur Silage in den Behälter 22 gegeben.
Als mindestens ein Essigsäurebildungsaktivator wird ein gekeimtes Getreide, das sogenannte Malz zugegeben. Dabei wird das Malz aus einem Malzsilo 46 über eine Zerkleinerungseinrichtung 48 in den Behälter 22 gefüllt. Mit der Zerkleinerungseinrichtung 48 wird das Malz zusätzlich mechanisch zerkleinert, insbesondere geschnitten. Das Malz wird mit einem Gewichtsanteil von 10 % bis 50 %, bezogen auf das Gewicht an Biomasse im Behälter 22 zugegeben. Mit dem Malz, das heißt mit dem angekeimten Getreide steht ein aktiviertes Getreide zur Verfügung, das eine Mischung aus aktivierten Enzymen enthält, die insbesondere Amylasen, Proteasen und Hemicellulasen umfasst. Damit werden mit dem gekeimten Getreide entscheidende Katalysatoren bzw. Beschleuniger zur Silage gegeben, die deren Umsetzung erheblich verbessern. Zudem wird mit dem Getreide durch dessen hohen Stärkegehalt ein Aktivator mit hoher Energiedichte zugegeben. Diese Stärke ist in gekeimtem Getreide bereits teilweise in Zucker aufgespalten, der im Behälter 22 sofort weiter umgesetzt wird.
Im Schritt 44 wird weiterhin als mindestens ein Essigsäurebildungsaktivator ein Enzym zugegeben. Als Enzym wird eine Mischung aus Hemicellulasen, Glucanasen, Xylanasen und Cellulasen mit einem Gewichtsanteil von 0,8 kg bis 1,2 kg pro Tonne Biomasse gewählt. Diese Enzyme ermöglichen und beschleunigen die biochemische Aufspaltung insbesondere der Zellwände und Zellgewebe der Silage.
Ferner wird im Schritt 44 als weiterer Essigsäurebildungsaktivator eine lebende Hefe zugegeben. Es wird als lebende Hefe Saccharomyces cerevisiae gewählt und in Form von Flüssighefe in einer Menge von 1,8 bis 2,2 Litern pro Kubikmeter Silage in den Behälter 22 gefüllt. Die lebende Hefe wandelt den in der bereits teilweise aufgeschlossenen Silage vorhandenen Zucker und den bevorzugt durch die Zugabe von gekeimtem Getreide zusätzlich vorhandenen Zucker zumindest teilweise in Alkohol, insbesondere Ethanol um. Ab einem pH-Wert von etwa 3,5 bis 4,6 stirbt die lebende Hefe ab, was zu einem Freisetzen von Vitaminen, Enzymen und Spurenelementen, wie vor allem Zink und Selen führt, die dann als wertvolle Nährstoffe für den Stoffwechsel von Essigsäurebakterien zur Verfügung stehen.
Darüber hinaus werden im Schritt 44 als weiterer Essigsäurebildungsaktivator lebende Essigsäurebakterien mit einem Anteil von 0,5 % bis 1,5 % bezogen auf die Menge der Biomasse im Behälter 22 zugegeben. Die lebenden Essigsäurebakterien werden als Suspension aus der Produktion von Essig gewonnen, wie sie bereits im Verfahrensschritt 18 verwendet worden ist. Die lebenden Essigsäurebakterien sind acetogene Bakterien und die eigentlichen Essigsäurebildner. Als solche finden sie optimale Bedingungen im Behälter 22, da die Silage dort entsprechend aufbereitet und zerlegt wird. Aufgrund der Zugabe des Malzes ist Zucker nahezu sofort verfügbar. Des Weiteren liegt Alkohol vor, der insbesondere mittels der lebenden Hefe nahezu sofort aus dem vorhandenen Zucker gebildet ist. Dieser Alkohol, insbesondere Ethanol wird von den Essigsäurebakterien zu Essigsäure umgesetzt. Vorteilhaft werden die lebenden Essigsäurebakterien ab einem pH-Wert von 3,5 bis 4,6 nach dem Absterben der lebenden Hefe durch die freiwerdenden Inhaltsstoffe der Hefe aktiviert.
Während der Bildung von Essigsäure im Behälter 22 wird mit einem, vorliegendspiralförmigen Rührwerk 50 ständig gleichmäßig gerührt, um ein gleichmäßiges Durchmischen der Silage und der Essigsäurebildungsaktivatoren zu schaffen.
Die beim Maischen im Verfahrensschritt 36 geschaffenen Bedingungen führen innerhalb von 4 bis 6 Tagen zu einer fast ausschließlichen Bildung von Essigsäure unter Bildung einer flüssigen Phase im Behälter 22. Dabei versauert die Biomasse bis zu einem pH-Wert von etwa 3,0 bis 3,5. Damit ist ein saures Milieu erreicht, in dem auch die ansonsten schwer aufzuspaltenden Faserstoffe leichter hydrolysiert werden können. Es wird eine vollständig flüssige Biomasse im Behälter 22 erhalten.
Nach dem Messen 52 des pH-Wertes von 3,0 bis 3,5 im Behälter 22 erfolgt zum Starten ein Überführen 54 zumindest eines Teils der flüssigen Biomasse aus dem ersten Behälter 22 in den zweiten Behälter 24. Dazu ist am Behälter 22 ein Auslass 56 vorgesehen, der mit einer Leitung 58 verbunden ist, die über einen Einlass 60 von oben in den Behälter 24 führt. Angetrieben wird das Überführen 54 von einer Pumpe 62, die dazu in der Leitung 58 angebracht ist und die flüssige Biomasse durch die Leitung 58 in den Behälter 24 pumpt.
In dem zweiten Behälter 24, dem sogenannten Hauptfermenter, werden zum Schaffen 64 von Bedingungen, die dort zu einer Bildung von Methan führen die Verfahrensschritte 66, 68, 70 und 72 durchgeführt. Auch diese Verfahrensschritte sind nicht streng chronologisch nacheinander durchführbar, da sie weitgehend miteinander wechselwirken. Zum Schaffen 66 von anaeroben Bedingungen ist der Behälter 24 als gasdichter Behälter ausgeführt. Mit der Zugabe 68 von methanbildenden Bakterien und dem Einstellen 70 der Temperatur auf etwa 37 °C bis 39 °C werden weitere Voraussetzungen zur Metharibildung geschaffen. Dabei werden als methanbildende, sogenannte methanogene Bakterien spezielle Methanbakterien aus einem Anaerobreaktor einer Brauerei eingesetzt. Diese Methanbakterien bilden in einem Stoffwechselprozess aus der im ersten Behälter 22 gebildeten und in den zweiten Behälter 24 überführten Essigsäure weitgehend Methan unter optimalen Bedingungen. Es wird ein Anteil an Methan im Biogas von nahezu 90 % erreicht.
Zum Einstellen 72 des pH-Wertes im zweiten Behälter 24, der im Bereich zwischen etwa 6,5 und 7,2 liegen sollte, werden folgende weitere Schritte durchgeführt: Messen 74 des pH-Wertes der Biomasse im zweiten Behälter 24 und Überführen 54 von flüssiger, versäuerter Biomasse aus dem ersten Behälter 22 in den zweiten Behälter 24 in Abhängigkeit des gemessenen pH-Wertes im zweiten Behälter 24. Wird ein pH-Wert von etwa 7,2 gemessen, so erfolgt das Überführen 54 von versäuerter Biomasse aus dem ersten Behälter 22 in den zweiten Behälter 26 durch die Leitung 58, angetrieben von der Pumpe 62. Die Pumpe 62 ist mit einer Regel- bzw. Steuerungseinrichtung 76 gekoppelt, in der die gemessenen pH-Werte elektronisch verarbeitet werden, wodurch ein Steuern 78 des Überführens 54 bewerkstelligt ist. Das Überführen 54 von versäuerter Biomasse erfolgt so lange, bis im zweiten Behälter 24 ein pH-Wert von etwa 6,5 gemessen wird. Dann wird das Überführen 54 der versäuerten Biomasse gestoppt. Im Behälter 24, dem Hauptfermenter, erfolgt die Fermentation bzw. Verstoffwechselung von Essigsäure zu Methan, was zu einer Verminderung des Säuregehalts und damit zu einem Anstieg des pH-Wertes führt. Wird beim Messen 74 des pH-Wertes im zweiten Behälter 24 wieder ein pH-Wert von etwa 7,2 gemessen, so erfolgt erneut ein Überführen 54 von versäuerter Biomasse aus dem ersten Behälter 22 in den zweiten Behälter 24, solange bis der pH-Wert im zweiten Behälter 24 wieder etwa 6,5 beträgt. Das Messen 74 des pH-Wertes, Überführen 54 und Steuern 78 wird so lange wiederholt, bis im zweiten Behälter 24 das Füllmaximum erreicht ist. Auf diese Weise erfolgt ein pH-Wert-gesteuertes Überführen 54 von versäuerter Biomasse aus dem Vorversäuerungsbehälter 22 in den Hauptfermenter 24, das annähernd kontinuierlich abläuft. Dabei wird im Behälter 24 mit einem dafür vorgesehenen Rührwerk 80 ständig gerührt.
Durch das wiederholte Absinken und Wiederansteigen des pH-Wertes im Hauptfermenter 24 zwischen bevorzugt 6,5 und 7,2 werden die Methanbakterien trainiert. Mit dem Training wird ein entsprechendes Einstellen des genannten pH-Wert-Bereichs als Arbeitsoptimum für die Methanbakterien erreicht. Dadurch ist eine besonders große und schnelle Ausbeute an Methan erzielt. Die Bildung von Methan im Hauptfermenter 24 dauert etwa nur 2 Tage, während bevorzugt ein kontinuierliches Ableiten 82 des gebildeten Methans aus dem Hauptfermenter 24 über eine Leitung 84 in einen Gasspeicher 86 erfolgt.
Nach dem Erreichen einer maximalen Füllhöhe im Behälter 24 und des pH-Wertes von etwa 7,2 wird das Rühren beendet. Man lässt den Behälterinhalt für ca. 2 bis 4 Stunden ruhen, sodass schwere, noch ungelöste bzw. nicht lösliche Stoffe sedimentieren können und sich ein flüssiger Überstand bildet.
Die als Nebenprodukt im Vorversäuerungsbehälter 22 gebildeten Gase, vor allem Kohlendioxid und Wasserstoff werden aus dem Behälter 22 abgeleitet. Alternativ werden Kohlendioxid und Wasserstoff nach dem Ableiten 88 in den Hauptfermenter 24 eingeleitet und dort von den methanbildenden Bakterien ebenfalls zu Methan umgesetzt. Dies erhöht die Ausbeute an Methan.
Nachdem sich im Behälter 24 ein flüssiger Überstand gebildet hat, erfolgt ein zumindest teilweises Überführen 90 dieses flüssigen Überstands aus dem zweiten Behälter 24 in den dritten Behälter 26. Dazu ist am Behälter 24 ein Auslass 92 im oberen Drittel des Behälters 24 vorgesehen, der mit einer Leitung 94 verbunden ist, die über einen Einlass 96 von oben in den Behälter 26 führt. Angetrieben wird das Überführen 90 von einer Pumpe 98, die dazu in der Leitung 94 angebracht ist und die Flüssigkeit des Überstands durch die Leitung 94 in den Behälter 26 - pumpt.
Im dritten Behälter 26, dem sogenannten Nachfermenter, erfolgt ein Schaffen 100 von Bedingungen, die dort zu einer weiteren Bildung von Methan führen. Dazu werden die Verfahrensschritte 102, 104, 106 und 108 durchgeführt. Auch diese Verfahrensschritte sind nicht streng chronologisch nacheinander durchzuführen, da sie weitgehend miteinander wechselwirken. Zum Schaffen 102 von anaeroben Bedingungen ist der Behälter 26 als gasdichter Behälter ausgeführt. Mit dem Einstellen 104 der Temperatur auf 31 °C bis 33 °C und mit der Zugabe 106 von methanbildenden Bakterien werden zusätzliche Voraussetzungen zu einer weiteren Methanbildung geschaffen. Die Zugabe 106 der methanbildenden Bakterien erfolgt mit dem Überführen 90 von Flüssigkeit und damit von darin enthaltenen Bakterien aus dem Hauptfermenter 24 in den Nachfermenter 26. Bei Bedarf erfolgt eine erneute Zugabe 106 von methanbildenden Bakterien direkt in den Nachfermenter 26.
Zum Einstellen 108 des pH-Wertes im dritten Behälter 26, der im Bereich zwischen 7,2 und 7,5 liegen sollte, werden folgende weitere Schritte durchgeführt: Messen 110 des pH-Wertes der Biomasse im dritten Behälter 26 und Überführen 90 von flüssiger Biomasse aus dem zweiten Behälter 24 in den dritten Behälter 26 in Abhängigkeit des gemessenen pH-Wertes im dritten Behälter 26. Wird ein pH-Wert von etwa 7,5 gemessen, so erfolgt das Überführen 90 von flüssiger Biomasse aus dem zweiten Behälter 24 in den dritten Behälter 26 durch die Leitung 94, angetrieben von der Pumpe 98. Die Pumpe 98 ist mit der Regel- bzw. Steuerungseinrichtung 76 gekoppelt, in der die gemessenen pH-Werte elektronisch verarbeitet werden, wodurch ein Steuern 78 des Überführens 90 bewerkstelligt ist. Das Überführen 90 von flüssiger Biomasse erfolgt so lange, bis im dritten Behälter 26 ein pH-Wert von etwa 7,2 gemessen wird. Dann wird das Überführen 90 gestoppt. Im Behälter 26, dem Nachfermenter wird aus der überführten Biomasse, insbesondere aus dort noch vorhandener, restlicher Essigsäure mittels einer Verstoffwechselung durch die Methanbakterien weiteres Methan gewonnen. Mit der Bildung von weiterem Methan steigt der pH-Wert im dritten Behälter 26 wieder an. Wird beim Messen 110 im dritten Behälter 26 erneut ein pH-Wert von etwa 7,5 gemessen, so erfolgt wiederum ein Überführen 90 von Biomasse aus dem zweiten Behälter 24 in den dritten Behälter 26, so lange bis der pH-Wert im dritten Behälter 26 wieder einen Wert von etwa 7,2 hat. Die Verfahrensschritte des Messens 110 des pH-Wertes, des Überführens 90 und des Steuerns 78 werden so lange wiederholt, bis der dritte Behälter 26 maximal gefüllt ist. Auf diese Weise erfolgt ein pH-Wert-gesteuertes Überführen 90 von flüssiger Biomasse aus dem Hauptfermenter 24 in den Nachfermenter 26, das annähernd kontinuierlich abläuft. Dabei wird im Behälter 26 mit einem dafür vorgesehenen Rührwerk 112 ständig gerührt. Es erfolgt ein kontinuierliches Ableiten 114 des gebildeten Methans aus dem Nachfermenter 26 über die Leitung 84 in den Gasspeicher 86.
Bei Bedarf erfolgt das Überführen 90 von flüssiger Biomasse als Rezirkulat auch in die entgegengesetzte Richtung aus dem dritten Behälter 26 in den zweiten Behälter 24. Dazu ist am dritten Behälter 26 ein Auslass 116 in der oberen Hälfte des Behälters 26 vorgesehen, der mit einer Leitung 118 verbunden ist, die in einen Einlass 120 von oben in den Behälter 24 führt. Angetrieben wird das Überführen 90 in diesem Fall von einer Pumpe 122, die mit der Regel- bzw. Steuerungseinrichtung 76 gekoppelt und in der Leitung 118 angebracht ist. Derart angeordnet, pumpt die Pumpe 122 die Flüssigkeit des Überstands aus dem Behälter 26 durch die Leitung 118 in den Behälter 24. Dies wird erforderlich, wenn der pH-Wert im zweiten Behälter 24 nach dem Überführen 54 von versäuerter Biomasse aus dem ersten Behälter 22 in den zweiten Behälter 24 zu langsam ansteigt.
Nach Erreichen der maximalen Füllhöhe des dritten Behälters 26 und nach dem Messen 110 des pH-Wertes von etwa 7,5, wird das Rühren beendet und gewartet, bis sich schwere ungelöste Stoffe abgesetzt haben. Nach einer Zeitdauer von etwa 2 Tagen ist die weitere Bildung von Methan im Nachfermenter 26 abgeschlossen.
Nach dem erfolgten Ableiten 82 und 114 des gebildeten Methans in den Gasspeicher 86 wird das Methan vorteilhaft bei Bedarf zum Gewinnen 124 von Energie in einem Blockheizkraftwerk 126 verbrannt. Die gewonnene Energie wird im Generator 128 in elektrische Energie gewandelt.
Im dritten Behälter 26 erfolgt nach der Methanbildung und dem Messen 110 des pH-Wertes von etwa 7,5 ein Ablassen 130 der flüssigen Phase als Überstand aus dem dritten Behälter 26. Dafür ist ein Auslass 132 in der oberen Hälfte des Behälters 26 angebracht. Die abgelassene flüssige Phase umfasst als End- bzw. Nebenprodukt weitgehend nur Wasser, das bevorzugt in einen Vorfluter eingeleitet wird. Alternativ dazu wird die derart gebildete und abgelassene flüssige Phase direkt in einen Kanal geleitet.
Insgesamt ist mit dem erfindungsgemäßen Aufbereitungsverfahren von Biomasse ein Verfahren geschaffen, mit dem die aufbereitete Biomasse an die Erfordernisse für ein nachfolgend durchzuführendes Verfahren zum Erzeugen von Biogas angepasst ist. Wird die erfindungsgemäß aufbereitete Biomasse in einer Biogasanlage zum Erzeugen von Biogas verwendet, so wird die Biomasse nahezu vollständig umgesetzt. Dadurch wird eine hohe Effizienz im Verfahren zum Erzeugen von Biogas erzielt. Des weiteren wird ein hoher Methananteil im Biogas von etwa 90 % erreicht und damit ein niedriger Kohlendioxidausstoß bei der Herstellung des Methans verursacht. Ferner werden nahezu keine Gärreste gebildet, wodurch nahezu kein Transport für Gärreste bzw. Reststoffe anfällt und gegebenenfalls nur ein sehr kleines Endlager erforderlich ist. Insgesamt sind für das Verfahren zum Erzeugen von Biogas wesentlich kleinere Behälter notwendig, sodass damit eine Biogasanlage gebildet werden kann, die etwa 5- bis 12-mal kleiner ist als herkömmliche Anlagen und dadurch einen wesentlich niedrigeren Platzbedarf aufweist. Zudem sind die kleineren Behälter in einer großen Fertigungstiefe bereits als Module, bevorzugt maschinell, herstellbar. Die einzelnen Module müssen dann zum Bau einer Biogasanlage vorteilhaft vor Ort gemäß einem Baukastensystem nur noch miteinander verbunden werden. Die kleinere Behältergröße und damit das kleinere Volumen an Biomasse ermöglichen schnellere Reaktionszeiten während des Betriebes. Es kann beispielsweise sehr schnell von Grundlast auf Volllast gefahren werden. Insgesamt ist durch das pH-Wert-gesteuerte Überführen der Biomasse von einem Behälterraum in den nächsten Behälterraum ein automatischer Betrieb des Verfahrens zum Erzeugen von Biogas geschaffen. Ferner ist mit dem Aufbereitungsverfahren von Biomasse, bevorzugt zusammen mit dem Verfahren zum Erzeugen von Biogas eine sehr schnelle Bildung von Methan erreicht, da ein kompletter Durchgang des Verfahrens insgesamt bereits innerhalb 4 bis 14 Tagen, bevorzugt 7 bis 11 Tagen und besonders bevorzugt 8 bis 10 Tagen abgeschlossen ist.
Abschließend sei angemerkt, dass sämtlichen Merkmalen, die in den Anmeldungsunterlagen und insbesondere in den abhängigen Ansprüchen genannt sind, trotz dem vorgenommenen formalen Rückbezug auf einen oder mehrere bestimmte Ansprüche, auch einzeln oder in beliebiger Kombination eigenständiger Schutz zukommen soll.
Bezugszeichenliste

10: Verfahren zum Erzeugen von Biogas
11: Aufbereitungsverfahren von Biomasse
12: Bereitstellen von aufzubereitender Biomasse
14: Zugabe eines Aktivators
16: Zugabe von lebender Hefe
18: Zugabe von lebenden Essigsäurebakterien
20: Biogasanlage
22: erster Behälterraum
24: zweiter Behälterraum
26: dritter Behälterraum
28: Mischeinrichtung
30: Dosierschnecke
32: Förder- und Zerkleinerungseinrichtung
34: Zugabe von Biomasse in den ersten Behälterraum
36: Schaffen von Bedingungen, die zu einer Bildung von Essigsäure führen
38: Einstellen des pH-Wertes
40: Schaffen von aeroben Bedingungen
42: Einstellen der Temperatur
44: Zugeben von mindestens einem Essigsäurebildungsaktivator
46: Malzsilo
48: Zerkleinerungseinrichtung
50: Rührwerk
52: Messen des pH-Wertes im ersten Behälterraum
54: Überführen
56: Auslass
58: Leitung
60: Einlass
62: Pumpe
64: Schaffen von Bedingungen, die zu einer Bildung von Methan führen
66: Schaffen von anaeroben Bedingungen
68: Zugabe von methanbildenden Bakterien
70: Einstellen der Temperatur
72: Einstellen des pH-Wertes
74: Messen des pH-Wertes im zweiten Behälterraum
76: Steuerungseinrichtung
78: Steuern
80: Rührwerk im zweiten Behälter
82: Ableiten von Methan
84: Leitung
86: Gasspeicher
88: Ableiten von Kohlendioxid und Wasserstoff
90: Überführen
92: Auslass
94: Leitung
96: Einlass
98: Pumpe
100: Schaffen von Bedingungen, die zu einer Bildung von Methan führen
102: Schaffen von anaeroben Bedingungen
104: Einstellen der Temperatur
106: Zugabe von methanbildenden Bakterien
108: Einstellen des pH-Wertes
110: Messen des pH-Wertes im dritten Behälterraum
112: Rührwerk im dritten Behälter
114: Ableiten von Methan
116: Auslass
118: Leitung
120: Einlass
122: Pumpe
124: Gewinnen von Energie
126: Blockheizkraftwerk
128: Generator
130: Ablassen
132: Auslass

Claims

Aufbereitungsverfahren (11) von Biomasse, die nachfolgend einer Biogasanlage für das Erzeugen von Biogas zugeführt werden soll, mit den Schritten: Bereitstellen (12) von aufzubereitender Biomasse und Zugabe (14) mindestens eines Aktivators zur bereitgestellten Biomasse, der zur biochemischen Aufbereitung der Biomasse führt, wobei als der mindestens eine Aktivator ein Essigsäurebildungsaktivator zugegeben wird.
Aufbereitungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Essigsäurebildungsaktivator lebende Essigsäurebakterien zugegeben werden.
Aufbereitungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die lebenden Essigsäurebakterien in Form einer Suspension zugegeben werden und die Suspension ferner mindestens einen der folgenden Stoffe enthält: Essigsäure, Zucker, Alkohol und Wasser.
Aufbereitungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Suspension eine Konzentration von lebenden Essigsäurebakterien von 5 × 10⁶ bis 90 × 10⁶, bevorzugt von 15 × 10⁶ bis 50 × 10⁶ und besonders bevorzugt von 18 × 10⁶ bis 22 × 10⁶ Essigsäurebakterien pro Milliliter eingestellt wird.
Aufbereitungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Essigsäurebildungsaktivator lebende Hefe zugegeben wird.
Aufbereitungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die lebende Hefe in Form von Flüssighefe zugegeben wird.
Aufbereitungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Zugabe (14) des mindestens einen Aktivators zur bereitgestellten Biomasse der Essigsäurebildungsaktivator auf die Biomasse aufgesprüht wird.
Verwendung der nach einem Aufbereitungsverfahren (11) gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 aufbereiteten Biomasse in einer Biogasanlage (20) zum Erzeugen von Biogas.
Verwendung nach Anspruch 8, bei der eine Biogasanlage (20) mit einem Behälterraum (22) bereitgestellt wird, mit den Schritten: - Zugeben (34) von aufbereiteter Biomasse in den Behälterraum (22) und - Schaffen (36) von Bedingungen in dem Behälterraum (22), die dort zu einer weiteren Bildung von Essigsäure aus der zugegebenen Biomasse führen.
Verwendung nach Anspruch 9, bei der an der Biogasanlage (20) außer dem genannten, damit ersten Behälterraum (22) ein davon räumlich getrennter zweiter Behälterraum (24) bereitgestellt wird und folgende Schritte durchgeführt werden: - Überführen (54) von Biomasse und damit von gebildeter Essigsäure aus dem ersten Behälterraum (22) in den zweiten Behälterraum (24), - Schaffen (64) von Bedingungen in dem zweiten Behälterraum (24), die dort zu einer Bildung von Methan führen, - Messen (74) des pH-Wertes der Biomasse im zweiten Behälterraum (24) und - Überführen (54) von weiterer Biomasse und damit von weiterer gebildeter Essigsäure aus dem ersten Behälterraum (22) in den zweiten Behälterraum (24) in Abhängigkeit des gemessenen pH-Wertes im zweiten Behälterraum (24).
Verwendung nach Anspruch 10, bei der an der Biogasanlage (20) ein dritter, vom ersten und zweiten Behälterraum (22, 24) räumlich getrennter Behälterraum (26) bereitgestellt wird und folgende Schritte durchgeführt werden: - Überführen (90) von Biomasse aus dem zweiten Behälterraum (24) in den dritten Behälterraum (26), - Schaffen (100) von Bedingungen in dem dritten Behälterraum (26), die dort zu einer weiteren Bildung von Methan führen, - Messen (110) des pH-Wertes der Biomasse im dritten Behälterraum (26) und - Überführen (90) von weiterer Biomasse aus dem zweiten Behälterraum in den dritten Behälterraum (26) in Abhängigkeit des gemessenen pH-Wertes im dritten Behälterraum (26).
Verwendung von lebenden Essigsäurebakterien zum Aufbereiten von Biomasse, die einer Biogasanlage für das Erzeugen von Biogas zugeführt werden soll.
Verwendung von lebender Hefe zum Aufbereiten von Biomasse, die einer Biogasanlage für das Erzeugen von Biogas zugeführt werden soll.
Mittel zum Aufbereiten von Biomasse, mit mindestens zwei Komponenten, von denen eine erste Komponente lebende Essigsäurebakterien sind und die zweite Komponente mindestens einer der folgenden Stoffe ist: Essigsäure, Zucker Alkohol und Wasser.
Mittel zum Aufbereiten von Biomasse nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzliche Komponente lebende Hefe beinhaltet ist.