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Die vorliegende Patentanmeldung bezieht sich auf ein Verfahren zum bakteriellen Vergären von organischem Material zu brennbaren Gasen in einem Substrat, das Spurenelemente enthält, sowie auf eine Spurenelementemischung zur Zudosierung in ein Gärsubstrat aus nachwachsenden Rohstoffen als organischem Material, die zumindest die Spurenelemente Kobalt, Nickel und Selen enthält.
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In Biogasanlagen wird organisches Material, bevorzugt Maissilage oder andere Pflanzensilagen oder auch unsilierte leicht aufschließbare organische Materialien, zu Biogas vergoren. Es werden häufig organische Materialien verwendet, die in der freien Natur innerhalb von ein bis zwei Jahren an der Luft verrotten würden. Die Vergärung eines großen Teils des organischen Materials erfolgt in mehreren Schritten – Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese sowie Methanogenese – durch Bakterien.
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Im Betrieb von Biogasanlagen, insbesondere den rein pflanzenvergärenden Anlagen, traten vermehrt Probleme im Bereich der Prozessbiologie auf. Als Ursache wurde ein Spurenelementemangel festgestellt. In Laboren wurden dann unterschiedliche Konzentrationen von Spurenelementen eingesetzt und deren Auswirkungen analysiert. Bekannt ist mittlerweile, dass für eine optimale Reaktionsgeschwindigkeit in Biogasanlagen eine optimale Spurenelementkonzentration im Substrat vorhanden sein muss. Inzwischen werden handelsübliche Medien für Bakterien hergestellt, die eine bestimmte Konzentration an Spurenelementen in mol/l enthalten.
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In der Schrift
DE 103 00 082 A1 wird ein Verfahren zur Biogaserzeugung unter Verwendung einer Spurenelementemischung vorgestellt, deren Konzentrationsverhaltnisse bezogen auf die Flüssigkeitsmenge in Litern des verwendeten Substrats angegeben sind.
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Aufgrund der Materialviefalt, die in Biogasanlagen eingesetzt wird, wurde erkannt, dass eine Angabe zur Spurenelementversorgung in mol/l Gärsubstrat nicht ausreichend ist. In der Schrift
EP 1 997 901 B1 ist offenbart, die Spurenelementeversorgung in Bezug zu setzen auf den Trockensubstanzanteil, einem Maß für den Anteil organischer Masse in einer Umgebung, beispielsweise in mg/kg, anzuwenden ist.
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Trotz der Einhaltung der in der Schrift
EP 1 997 901 B1 vorgeschlagenen Wertebereiche ist es jedoch noch immer zu Unter- oder Überversorgungen der Bakterien mit Spurenelementen gekommen, die zunächst nicht erklärlich gewesen sind und die zu Beeinträchtigungen in der Leistungsfähigkeit der Biogasanlagen geführt haben. Die bekannten Spurenelementemischungen sind auch nicht so gemischt, dass ein Betreiber einer Biogasanlage die Spurenelemente dem Gärsubstrat in einer Konzentration zuführen kann, in der eine ausreichende Versorgung der Bakterien mit Spurenelementen möglichst sichergestellt ist.
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Demgemäß ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Verfahren der Fermentation des organischen Materials zu Biogas sowie die Zusammensetzung der dem Gärsubstrat zuzugebenden Spurenelementemischung zu verbessern.
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Die Aufgabe wird für ein gattungsgemäßes Verfahren gelöst, indem bei Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen als organischem Material die Konzentrationen zumindest für die Spurenelemente
| Kobalt | zwischen 0,6 und 1,2, |
| Nickel | zwischen 1 und 5 und |
| Selen | zwischen 0,06 und 0,01 |
mg/kg der organischen Trockensubstanz im Gärsubstrat betragen.
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Eine Bewertung der Spurenelementversorgung nicht nur auf Basis der Trockensubstanz, sondern der organischen Trockensubstanz ist sinnvoller, da sie nur den Anteil des Materials berücksichtigt, welches im Gärsubstrat vergoren werden kann. Je nach eingesetztem Material variiert der organische Trockensubstanzgehalt als Anteil an der Trockensubstanz im Ganzen beträchtlich. Die Trockensubstanz im Ganzen kann auch unterschiedlich große Mengen an anorganischer Trockensubstanz enthalten. Bezieht man sich nur auf den Trockensubstanzgehalt, dann kann dies wegen eines unbekannt hohen Anteils an anorganischen Anteilen zu einer Fehlbewertung und unzureichenden Dosierung der Spurenelemente im Substrat führen. Dabei kann es dann schnell zu einer Unter- oder Überversorgung der Bakterien mit Spurenelementen kommen. Eine solche Unter- oder Überversorgung, die jeweils zu Leistungseinbußen der Biogasanlage führte, kann durch die neue Bezugsgröße vermieden werden.
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Die Bestimmung der organischen Trockensubstanz erfolgt labormäßig in verschiedenen Schritten.
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Im ersten Schritt wird eine Ausgangsmenge eines Substrats gewogen und danach bei 110°C so lange getrocknet, bis die Wasserbestandteile verdampft sind. Übrig bleibt ein Feststoff, der organische Substanzen und mineralische Substanzen als Anteile in einem noch unbekannten Verhältnis zueinander enthält. Durch nochmaliges Verwiegen des Feststoffs und einem Vergleich mit der Ausgangsmenge des Substrats kann der Trockensubstanzanteil im Substrat bestimmt werden.
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Um den Anteil der organischen Trockensubstanz im Gärsubstrat feststellen zu können, ist jedoch noch ein zweiter Schritt erforderlich. Der getrocknete Feststoff wird über einen geeigneten Zeitraum hinweg verkohlt, beispielsweise bei 550°C. Bei diesem Prozess verbrennt der Kohlenstoffanteil aus den organischen Verbindungen im Feststoff zu CO2 und gast aus dem Feststoff aus. Als Feststoff bleiben danach nur noch die anorganischen Rückstände zurück. Diese anorganischen Rückstände des Feststoffes können erneut verwogen werden, um die Anteile der anorganischen Rückstände an den Feststoffen und/oder ihr absolutes Gewicht zu bestimmen. Bei einer Subtraktion der gewogenen anorganischen Rückstände vom Wert der gewogenen Feststoffe verbleibt der Wert der organischen Rückstände, die im Substrat enthalten gewesen sind. Der Anteil der auf diese Weise ermittelten anorganischen Rückstände im Feststoff liegt im Normalfall bei Verwendung von nachwachsenden Rohstoffen als organischem Material etwa bei 10% bis 20% der Feststoffe, was schon eine erhebliche Schwankungsbreite darstellt und eine erhebliche Fehlerquelle für eine ausreichende Versorgung der Bakterien mit Spurenelementen darstellen kann. Im Umkehrschluss bedeuten die 10% bis 20% der anorganischen Rückstände im Feststoff einen Gehaltsanteil der organischen Rückstände von 80% bis 90% im Feststoff. Für das aus der Subtraktion ermittelte absolute Gewicht der organischen Feststoffe sowie den Anteil der organischen Feststoffe an den Feststoffen insgesamt und am Substrat können sodann rechnerisch die Mengen an Spurenelementen ermittelt werden, die im Substrat vorhanden sein müssen, um eine gute Funktion der Bakterien sicherzustellen, indem die ermittelten Anteile auf die Füllmenge des Substrats im Gärbehälter umgerechnet werden.
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Je nach für das Substrat verwendetem Material können die organischen und anorganischen Rückstandsanteile aber auch erheblich von den vorgenannten Normalwerten abweichen. Die Abweichungen und Schwankungen der Anteile der organischen Rückstände im Substrat haben in der Vergangenheit dazu geführt, dass die Prozessbiologie in jeweiligen Biogaserzeugungsanlagen wegen eines Mangels an Spurenelementen versagte und die darin befindlichen Bakterien nicht mehr optimal arbeiteten oder sogar als Folge abstarben.
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Werden nun der Erfindung gemäß die Spurenelemente im Verhältnis zu den vorhandenen organischen Trockensubstanzen in die Biogaserzeugungsanlage dosiert, und zwar innerhalb der angegebenen Wertebereiche, so entstehen durch diese Maßnahme keine Nachteile. Im Gegenteil kann durch die Bestimmung des Anteils der organischen Trockensubstanz im Substrat die Spurenelementemischung so genau auf die Bedürfnisse der Bakterien eingestellt werden, dass durch die Spurenelementemischung eine optimale Nährstoffversorgung der Bakterien möglich ist. Die Leistungsschwankungen aus der Vergangenheit können auf diese Weise erheblich verringert oder ganz vermieden werden.
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Für eine gute Gasausbeute und eine für die Bakterien überlebensfähige Spurenelementeversorgung sollten im Substrat zumindest die Spurenelemente Kobalt, Nickel und Selen in den angegebenen Konzentrationen der organischen Trockensubstanz enthalten sein. Diese Spurenelemente sind für die Stoffwechselprozesse der Bakterien im Gärbehälter unverzichtbar, wenn diese eine wirtschaftlich akzeptable Gasumsetzrate erzielen sollen.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung betragen außerdem die Konzentrationen eines oder mehrerer der folgenden Spurenelemente
| Molybdän | zwischen 0,8 und 1,6 und/oder |
| Mangan | zwischen 70 und 120 und/oder |
| Kupfer | zwischen 6 und 10 und/oder |
| Wolfram | zwischen 0,02 und 0,08 und/oder |
| Vanadium | zwischen 0,02 und 0,08 und/oder |
| Zink | zwischen 60 und 100 |
mg/kg der organischen Trockensubstanz im Gärsubstrat. Diese Spurenelemente können zusätzlich zu den angegebenen Konzentrationen von Kobalt, Nickel und Selen dem Gärsubstrat zugegeben werden. Durch den Zusatz dieser Spurenelemente kann die Umsetzleistung der Bakterien zusätzlich gesteigert und stabilisiert werden. Von diesen Spurenelementen müssen nicht alle im Gärsubstrat enthalten sein, positive Effekte lassen sich bereits dann erzielen, wenn nur eines dieser Spurenelemente der Spurenelementemischung aus Kobalt, Nickel und Selen zugesetzt ist.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung werden die Spurenelemente dem Gärsubstrat in Gestalt einer oder mehreren Spurenelementemischungen zudosiert, in der oder denen die Spurenelemente in einer pro Kilogramm organischer Trockensubstanz dosierten Mischung vorgehalten sind. In der Spurenelementemischung sind die Spurenelemente in den Mengenverhältnissen enthalten, wie sie vorstehend für die Ansprüche 1 und 2 angegeben sind. Durch die Verwendung einer einzigen Mischung ist die Zugabe der Spurenelemente für den Betreiber der Biogasanlage vereinfacht. Ein Betreiber kann die Spurenelemente zwar jeweils einzeln je nach benötigter Menge verwiegen und dem Gärsubstrat zugeben, dies ist jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden. Durch die Bereitstellung einer fertigen Mischung von Spurenelementen genügt es, die im Gärbehälter vorgehaltene Menge an organischer Trockensubstanz im Substrat in kg zu bestimmen, wie es vorstehend beschrieben ist, und sodann die für diese Menge an organischer Trockensubstanz benötigte Menge der Spurenelementemischung zu verwiegen und dem Substrat zuzugeben. Dabei kann der Betreiber der Biogasanlage der Empfehlung des Herstellers der Spurenelementemischung folgen, die auf der Verpackung der Spurenelementemischung angegeben ist. Durch das einmalige Verwiegen einer Aufgabemenge der Spurenelementemischung können mehrfache Wiege- und Zudosierungsvorgänge vermieden werden. Es ist auch möglich, zwei oder drei Spurenelementemischungen zu verwenden, bei deren Verwendung sich der Wiege- und Zudosierungsaufwand noch immer erheblich verringern lässt. So kann beispielsweise eine Basismischung eingesetzt werden, die beispielsweise die Spurenelemente Kobalt, Nickel und Selen enthält, sowie eine oder mehrere Zusatzmischungen, die weitere Zusammensetzungen von Spurenelementen enthalten können. Natürlich kann der Hersteller der Spurenelementemischung die Dosierungsempfehlung nicht nur pro kg der organischen Trockensubstanz angeben, eine Dosierungsempfehlung ist auch pro Tonne oder Gramm an organischer Trockensubstanz möglich.
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Die Aufgabe wird für eine gattungsgemäße Spurenelementemischung gelöst, indem die Spurenelementemischung eine Konzentration der Spurenelemente von
| Kobalt | zwischen 0,6 und 1,2, |
| Nickel | zwischen 1 und 5 und |
| Selen | zwischen 0,06 und 0,01 |
mg/kg der organischen Trockensubstanz im Gärsubstrat aufweist. Für die erfindungsgemäße Spurenelementemischung gelten die vorstehend bereits für das Verfahren beschriebenen Vorteile entsprechend.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Spurenelementmischung Konzentrationen eines oder mehrerer der folgenden Spurenelemente
| Molybdän | zwischen 0,8 und 1,6 und/oder |
| Mangan | zwischen 70 und 120 und/oder |
| Kupfer | zwischen 6 und 10 und/oder |
| Wolfram | zwischen 0,02 und 0,08 und/oder |
| Vanadium | zwischen 0,02 und 0,08 und/oder |
| Zink | zwischen 60 und 100 |
mg/kg der organischen Trockensubstanz im Gärsubstrat auf. Auch für diese Konzentrationen gelten die bereits vorstehend für das Verfahren beschriebenen Vorteile entsprechend.
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Die Erfindung wird bei Verwendung mehrerer Spurenelementemischungen zur Zudosierung in ein Gärsubstrat aus nachwachsenden Rohstoffen als organischem Ma terial, die zumindest die Spurenelemente Kobalt, Nickel und Selen enthalten, gelöst, indem die Spurenelementemischungen gemeinsam eine Konzentration der Spurenelemente von
| Kobalt | zwischen 0,6 und 1,2, |
| Nickel | zwischen 1 und 5 und |
| Selen | zwischen 0,06 und 0,01 |
und wahlweise zusätzliche Konzentrationen eines oder mehrerer der folgenden Spurenelemente
| Molybdän | zwischen 0,8 und 1,6 und/oder |
| Mangan | zwischen 70 und 120 und/oder |
| Kupfer | zwischen 6 und 10 und/oder |
| Wolfram | zwischen 0,02 und 0,08 und/oder |
| Vanadium | zwischen 0,02 und 0,08 und/oder |
| Zink | zwischen 60 und 100 |
mg/kg der organischen Trockensubstanz im Gärsubstrat aufweisen. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung müssen die Spurenelemente Kobalt, Nickel und Selen nicht zwangsläufig in einer einzigen Spurenelementemischung vorhanden sein, sie können auch über mehrere Spurenelementemischung verteilt vorhanden sein, wenn sich diese miteinander zu den angegebenen Konzentrationen kombinieren lassen.
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Die Erfindung kann von einem Fachmann auf eine ihm als geeignet erscheinende Weise abgewandelt und an einen konkreten Anwendungsfall angepasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10300082 A1 [0004]
- EP 1997901 B1 [0005, 0006]