DE102013101882B4

DE102013101882B4 - Verfahren zum Erzeugen von Methan aus versäuerter Biomasse

Info

Publication number: DE102013101882B4
Application number: DE102013101882.3A
Authority: DE
Inventors: Christine Widmann; August Obermeier
Original assignee: OBERMEIER WIDMANN GbR; Obermeier- Widmann GbR
Current assignee: WIDMANN, CHRISTINE, DE
Priority date: 2013-02-26
Filing date: 2013-02-26
Publication date: 2018-10-11
Anticipated expiration: 2033-02-27
Also published as: DE102013101882A1

Abstract

Verfahren (10) zum Erzeugen von Methan (12) aus Biomasse (14) mit den Schritten:- Herstellen von versäuerter Biomasse (26) und-Verbrauchen der versäuerten Biomasse (26) zum Gewinnen von Methan (12), bei dem nach dem Herstellen von versäuerter Biomasse (26) und vor dem Verbrauchen der versäuerten Biomasse (26) die versäuerte Biomasse (26) bedarfsgerecht je nach Energiebedarf zwischengespeichert wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen von Methan aus Biomasse mit den Schritten: Herstellen von versäuerter Biomasse und Verbrauchen der versäuerten Biomasse zum Gewinnen von Methan. Ferner betrifft die Erfindung eine dazu versäuerte Biomasse.
In bekannten Verfahren zum Erzeugen von Biogas, insbesondere Methan aus Biomasse wird Biomasse in einen Gärbehälter, dem sogenannten Hauptreaktor oder Hauptfermenter gegeben. Dort werden Bedingungen geschaffen, die in einem fermentativen Abbau bzw. einer Vergärung mittels entsprechender Mikroorganismen letztendlich zur Bildung von Biogas führen. Das derart gebildete Biogas enthält Kohlendioxid und Methan bzw. Methangas, wobei nur Methan brennbar ist und damit nur dieses als Energielieferant verwertet werden kann. Beim Verbrennen von Methan wird Energie frei, die sowohl als thermische Energie als auch zum Erzeugen von elektrischer Energie bzw. Strom genutzt wird.
Zur Biomasse zählen organische Stoffe, insbesondere vergärbare, organische Abfallstoffe, wie Klärschlamm, Bioabfall oder Speisereste und Wirtschaftsdünger, wie Gülle und Stallmist sowie Laub und Rasenschnitt. Zudem werden Biogasrohstoffe bzw. Substrate, insbesondere Pflanzen oder Pflanzenteile als Biomasse verwendet, wie beispielsweise nachwachsende Rohstoffe, in Form von Maissilage, Grassilage, Zuckerrüben und Getreide, die größtenteils als Energiepflanzen zur Biogasproduktion angebaut werden. Ferner dienen Pflanzenreststoffe als Biomasse, die außer zur Biogasgewinnung in der Regel nicht verwertet werden können. Stroh und Holz sind wegen des hohen Anteils an Faserstoffen, insbesondere Cellulose (Stroh) und Lignocellulose (Holz) in bisherigen Verfahren schlecht abbaubar und damit schlecht verwertbar.
Der fermentative Abbau der Biomasse durch entsprechende Mikroorganismen wird in vier Phasen unterteilt, wie sie auch in DE 10 2008 007 423 A1 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 Mikroorganismen Methan gebildet.
Damit der fermentative Abbau der Biomasse stattfinden kann, werden die Phasen kontinuierlich aufeinander folgend durchlaufen. Dabei wird kontinuierlich Methan erzeugt. Je gleichmäßiger dabei die Prozessführung des fermentativen Abbaus ist, desto höher sind bei bekannten Anlagen für die Biogaserzeugung die Ausbeuten an Methan. Dazu lehrt DE 10 2011 118 068 A1 ein Verfahren zum Erzeugen von Biogas aus Biomasse, bei dem in einem ersten Behälterraum aus Biomasse Essigsäure gebildet wird. Von dort wird die Biomasse mit der gebildeten Essigsäure in einen zweiten Behälterraum zur Bildung von Methan überführt, und zwar in Abhängigkeit eines im zweiten Behälterraum gemessenen pH-Wertes. Das gebildete Methan wird in einen Gasspeicher abgeleitet und bei Bedarf zum Gewinnen von Energie verbrannt.
Erfindungsgemäße Lösung
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Erzeugen von Methan aus Biomasse geschaffen, mit den Schritten: Herstellen von versäuerter Biomasse und Verbrauchen der versäuerten Biomasse zum Gewinnen von Methan. Dabei wird nach dem Herstellen von versäuerter Biomasse und vor dem Verbrauchen der versäuerten Biomasse die versäuerte Biomasse bedarfsgerecht je nach Energiebedarf zwischengespeichert. Dazu wird beim Herstellen von versäuerter Biomasse die Biomasse bevorzugt in einem Behälterraum bereitgestellt. Dort werden Bedingungen geschaffen, die dazu führen, dass die Biomasse biochemisch in niedermolekulare Stoffe aufgespalten wird. Die niedermolekularen Stoffe sind insbesondere kurzkettige Fettsäuren, kurzkettige Alkohole, wie Ethanol, Aminosäuren sowie kurzkettige Carbonsäuren, wie Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure und Valeriansäure. Damit versäuert die Biomasse also beim Aufspalten. Die derart versäuerte Biomasse wird nicht wie herkömmlich sofort einer Methanogenese zum Gewinnen von Methan unterworfen, sondern wird erfindungsgemäß zwischengespeichert.
Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf der Erkenntnis, dass bekannte Verfahren zum Herstellen von Biogas einen gravierenden Nachteil haben: Die dort stattfindende, kontinuierliche Erzeugung von Methan kann nämlich nicht Schwankungen im tatsächlichen Energiebedarf berücksichtigen. Stimmt der benötigte Energiebedarf nicht mit der gebildeten Methanmenge überein, tritt entweder ein Methanüberschuss oder ein Methandefizit ein. Überschüssiges Methan kann zwar gespeichert werden. Diese Art der Speicherung ist aufgrund des gasförmigen Aggregatzustandes von Methan aber kostenaufwändig.
Der Erfindung schafft demgegenüber ein Verfahren zum Erzeugen von Methan aus Biomasse, mit dem Methan bedarfsgerecht je nach Energiebedarf aus Biomasse gewonnen werden kann.
Darüber hinaus ist die erfindungsgemäß versäuerte Biomasse überraschenderweise eine besonders einfache Speicherform für Energie mit einer besonders hohen Energiedichte, nach derzeitiger Abschätzung von bis zu 2 kWh/Liter. Es hat sich gezeigt, dass die versäuerte Biomasse ohne Qualitätsverlust besonders lange gelagert bzw. zwischengespeichert werden kann. Damit ist ein „flüssiger“ Energiespeicher für Energie aus Biomasse geschaffen, der im Gegensatz zu einem Methanspeicher leichter handhabbar ist. Zum Speichern von Methan als Gas müsste ein gasdichter Behälter vorgesehen werden. Ein Austreten von Methan würde zu einem Energieverlust und zu einer Schädigung der Umwelt von Methan als hochwirksames Treibhausgas führen. Demgegenüber ist die erfindungsgemäß versäuerte Biomasse nicht umweltgefährdend und kann mit wenig Aufwand gespeichert sowie bei Bedarf auch einfach transportiert werden. Besonders geeignet sind dazu säurefeste Behälter, insbesondere IBC Container (Intermediate Bulk Container), die nicht gasdicht sein müssen. Damit kann die erfindungsgemäß versäuerte Biomasse dorthin gebracht werden, wo sie zum nachfolgenden Gewinnen von Methan benötigt wird. Mittels der erfindungsgemäßen Lösung wird also ein zeit- und ortsflexibler Energiespeicher geschaffen, der in Verbindung mit einem geeigneten Methanisierungsreaktor selbst einen Heizölersatz für Heizanlagen und/oder einen Treibstoffersatz für Kraftfahrzeuge bilden kann. Die versäuerte Biomasse kann genau dann methanisiert werden, wenn Energie, insbesondere in Form von thermischer oder elektrischer Energie, benötigt wird.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die versäuerte Biomasse in fließfähigem Zustand zwischengespeichert. Dabei bedeutet fließfähig, dass die versäuerte Biomasse zumindest annähernd dem Verhalten einer Flüssigkeit ähnelt. Die derart versäuerte Biomasse kann in einen Speicher- und/oder Transportbehälter gefüllt und mit einer Pumpe, insbesondere mit Standardpumptechnik aus rostfreiem Stahl (V4A), je nach Bedarf umgepumpt werden.
Dabei wird erfindungsgemäß vorteilhaft beim Herstellen von versäuerter Biomasse die versäuerte Biomasse fließfähig gemacht, insbesondere aufkonzentriert. Beim erfindungsgemäßen Herstellen von versäuerter Biomasse werden aus der Biomasse die niedermolekularen Stoffe und das darin enthaltene Wasser freigesetzt. Dadurch wird in einem einzigen Verfahrensschritt die Biomasse fließfähig gemacht. Bevorzugt werden gegebenenfalls noch vorhandene Feststoffe mechanisch abgetrennt.
Die derart hergestellte, versäuerte und fließfähige Biomasse kann im Bedarfsfall aufkonzentriert werden, um lager- bzw. speicherraumsparend eine höhere Energiedichte zu erreichen. Bevorzugt wird dazu die versäuerte, fließfähige Biomasse bis zu einem Gel aufkonzentriert, das nach wie vor pumpfähig und zudem frostunempfindlich ist. Insbesondere wird die fließfähige Biomasse dazu mittels thermischer und/oder mechanischer Behandlung eingedickt.
Zudem erfolgt gemäß der Erfindung das Herstellen von versäuerter Biomasse vorzugsweise kontinuierlich und das Verbrauchen der versäuerten Biomasse zum Gewinnen von Methan diskontinuierlich. Mit dem diskontinuierlichen Verbrauchen der versäuerten Biomasse und dem dabei diskontinuierlich gewonnenen Methan, kann aus dem Methan genau dann Energie gewonnen werden, wenn dies erforderlich ist. Bedarfsgerecht können so Energiespitzen abgedeckt werden. So kann bei einem Einspeisen von aus dem Methan erzeugter elektrischer Energie in das öffentliche Stromnetz ein besonders hoher Strompreis erzielt werden. Bei Eigenstromerzeugung können Energiespitzen im eigenen Betrieb mittels bedarfsgerechter Eigenenergieerzeugung kostengünstig gedeckt werden.
Dazu werden erfindungsgemäß vorteilhaft beim Herstellen der versäuerten Biomasse lebende Essigsäurebakterien zugegeben, insbesondere in Form einer Suspension, die ferner mindestens einen der folgenden Stoffe enthält: Essigsäure, Alkohol, Zucker und Wasser.
Lebende Essigsäurebakterien sind hochreaktiv in Bezug auf den Abbau von hochmolekularen Substanzen in Biomasse, insbesondere in Form einer Suspension. Dabei sind die lebenden Essigsäurebakterien bevorzugt in wässrigem Milieu suspendiert, das auch in der Biomasse selbst mit dem dort von Natur aus gespeicherten Wasser vorliegt. Damit verteilen sich die erfindungsgemäß zugegebenen, lebenden Essigsäurebakterien besonders umfassend in der Biomasse. Dort verstoffwechseln lebende Essigsäurebakterien insbesondere unter aeroben Bedingungen Zucker und Ethanol zu Essigsäure. Eine besonders hohe Reaktivität zeigen sie, wenn sie vorteilhaft 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 zu versäuernder Biomasse zugegeben werden. Bevorzugt werden dabei lebende Essigsäurebakterien aus der Familie Acetobacteraceae, besonders bevorzugt aus der Gattung Acetobacter und ganz besonders bevorzugt der Art Acetobacter aceti eingesetzt. Acetobacter aceti ist ein sehr weit verbreiteter Mikroorganismus, der technisch in der Produktion von Essigsäure aus Alkohol, insbesondere aus Ethanol, bereits seit langem und in großem Maßstab eingesetzt wird. Deswegen ist Acetobacter aceti gut bekannt und problemlos in größeren Mengen kostengünstig verfügbar. Ferner ist Acetobacter aceti nicht schädlich für den menschlichen Organismus.
Mit einer zusätzlichen, vorteilhaften Zugabe von Essigsäure in der Suspension wird die Konzentration an Essigsäure in der Biomasse erhöht, wodurch ein gewünschtes essigsaures Milieu gefördert wird. Die zugegebene Essigsäure wird ferner beim nachfolgenden Verbrauchen der versäuerten Biomasse zum Gewinnen von Methan selbst zu Methan umgesetzt.
Eine vorteilhafte Zugabe von lebenden Essigsäurebakterien mit Alkohol, insbesondere Ethanol, ist besonders reaktionsbeschleunigend, da Alkohol, insbesondere Ethanol, der Ausgangsstoff für eine Bildung von Essigsäure durch eine 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 damit entsprechend schnell.
Bei einer vorzugsweisen Zugabe von lebenden Essigsäurebakterien in einer Kombination mit Zucker wird die Energiedichte mit schnell verwertbaren Kohlenhydraten in Form von Zucker erhöht. Damit wird den Essigsäurebakterien leicht verwertbares „Futter“ gegeben, sodass sie besonders schnell aktiviert werden und sich entsprechend vermehren.
Werden die lebenden Essigsäurebakterien vorzugsweise in einer Kombination mit Wasser zugegeben, so 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 in der Biomasse 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. 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 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 vorzugsweise 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, wobei die Suspension vorzugsweise einen hochkonzentrierten und hochvitalen 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 aufweist. 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 einem besonders starken Versäuern der Biomasse.
Ferner wird beim Herstellen von versäuerter Biomasse vorteilhaft 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 Keimgutkorn des Keimguts enthalten sind. Diese Enzyme fördern einen Abbauprozess von langkettigen Nährstoffen in kurzkettige Nährstoffe sowohl im einzelnen Keimgutkorn als auch in der Biomasse. Darüber hinaus sind im gekeimten Keimgut bereits aufgeschlossene, kurzkettige Nährstoffe vorhanden, die ihrerseits sofort zur Bildung von Essigsäure zur Verfügung stehen. Das gekeimte Keimgut ist insbesondere ein wertvoller Lieferant von niedermolekularen Zuckern und Eiweißen sowie von aktivierten Enzymen, Vitaminen und Spurenelementen. Bevorzugt dient als gekeimtes Keimgut ein gekeimtes Getreide. Besonders bevorzugt wird als gekeimtes Getreide das sogenannte Malz, insbesondere Grünmalz aus Gerste verwendet. 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 zur Biomasse gegeben. Mit dem genannten Gewichtsanteil an gekeimtem Keimgut wird ein besonders schneller und gründlicher Abbau der Biomasse zur versäuerten Biomasse erreicht.
Zudem wird erfindungsgemäß vorzugsweise beim Herstellen von versäuerter Biomasse mindestens ein Enzym zur Biomasse gegeben. Das mindestens eine 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 niedermolekularen Stoffen, insbesondere kurzkettigen Carbonsäuren, wie Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure und Valeriansäure umgesetzt. Auf diese Weise versäuert also auch der Anteil der Biomasse, der als Stützsubstanz in pflanzlichen Zellwänden ansonsten schwer aufzuspalten ist. Verstärkt wird diese Wirkung vorteilhaft durch die Zugabe von Kombinationen der genannten Enzyme. Besonders bevorzugt 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 zugegeben. Damit ist eine weitgehend vollständige und damit rückstandsfreie Zersetzung der Biomasse erreicht.
Ferner wird vorteilhaft eine lebende Hefe beim Herstellen von versäuerter Biomasse zur Biomasse gegeben. Bevorzugt wird als lebende Hefe Saccharomyces cerevisiae gewählt. Die lebende Hefe wandelt den in der bereits teilweise aufgeschlossenen Biomasse vorhandenen Zucker sowie den bevorzugt durch die Zugabe von lebenden Essigsäurebakterien in einer Suspension mit Zucker und/oder gekeimtem Keimgut zusätzlich vorhandenen Zucker in Alkohol, insbesondere Ethanol um. Der Alkohol ist wiederum Ausgangsstoff für die Bildung von Essigsäure, sodass mittels des Zugebens der lebenden Hefe Essigsäure schnell und in großen Mengen gebildet wird. Dabei 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, wie die genannten lebenden Essigsäurebakterien wirken. Mit dem Absterben der Hefe werden die acetogenen Mikroorganismen optimal mit Mikronährstoffen, wie Vitaminen und Spurenelementen, insbesondere Selen und Zink versorgt, sodass die Bildung der Essigsäure gefördert und beschleunigt wird. 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. Vorteilhafterweise 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 zugegeben. Damit wird besonders viel Essigsäure gebildet, was die Biomasse besonders stark versäuert.
Darüber hinaus wird gemäß der Erfindung beim Herstellen von versäuerter Biomasse vorteilhaft ein pH-Wert von 2,5 bis 4,0, bevorzugt von 2,7 bis 3,5, besonders bevorzugt von 2,8 bis 3,2 eingestellt. Mit diesem erfindungsgemäßen pH-Wert von im Durchschnitt etwa 3,0 wird ein saures Milieu geschaffen. Dort werden schädliche Mikroorganismen abgetötet, die ansonsten insbesondere einen unerwünschten Totalabbau der Biomasse verursachen könnten, wie Colibakterien und Fäulnisbakterien. Damit wird mit der erfindungsgemäßen Lösung eine Hygienisierung der Biomasse erreicht, sodass die gebildete versäuerte Biomasse zumindest nahezu unbegrenzt haltbar und lagerfähig ist und erst bei Bedarf methanisiert werden kann. Ein stabiler und damit zeitlich flexibel abrufbarer Energiespeicher wird also mit der erfindungsgemäßen Lösung geschaffen.
Ferner werden beispielsweise beim Einsatz von Klärschlamm als Biomasse, die dort in der Regel vorhandenen Hormone im geschaffenen sauren Milieu zersetzt. Zudem werden in dem sauren Milieu auch die in bekannten Verfahren schwer aufzuspaltenden Substrate mit einem hohen Anteil an Faserstoffen leichter hydrolysiert. 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 wird die Biomasse weitergehend aufgespalten, insbesondere in kurzkettige Carbonsäuren, sodass in der versäuerten Biomasse ein besonders hoher Säureanteil erreicht wird.
Weiterhin wird erfindungsgemäß vorzugsweise beim Herstellen von versäuerter Biomasse eine Temperatur von 30 °C bis 60 °C, bevorzugt von 33 °C bis 50 °C und besonders bevorzugt von 35 °C bis 45 °C eingestellt. Die eingestellte Temperatur wird bevorzugt während des Herstellens von versäuerter Biomasse ständig beibehalten. Dadurch wird ein schneller Abbau bis hin zum Versäuern der Biomasse gewährleistet. 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 bevorzugt über eine geeignete Heizung bereitgestellt, gegebenenfalls über eine Rückkopplung von frei werdender Wärmeenergie in einem nachgelagerten Verfahrensschritt. Die Biomasse versäuert dabei besonders schnell innerhalb von 2 bis 8, bevorzugt von 3 bis 7, besonders bevorzugt von 4 bis 6 Tagen.
Entsprechend ist die Erfindung auch auf eine versäuerte Biomasse gerichtet, die wie beschrieben hergestellt worden ist und die niedermolekulare Stoffe aus mindestens einer der folgenden Gruppen umfasst: Fettsäuren, Alkohole, Aminosäuren sowie Carbonsäuren, insbesondere Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure und Valeriansäure. Zudem weist die versäuerte Biomasse erfindungsgemäß bevorzugt einen pH-Wert von 2,5 bis 4,0, bevorzugt von 2,7 bis 3,5, besonders bevorzugt von 2,8 bis 3,2 auf und ist besonders bevorzugt fließfähig.
Darüber hinaus wird gemäß der Erfindung beim Verbrauchen von versäuerter Biomasse zum Gewinnen von Methan vorteilhaft mindestens ein methanbildender Mikroorganismus aus der Ordnung Methanosarcinales, insbesondere aus mindestens einer der Familien Methanosaetaceae und Methanosarcinaceae zur versäuerten Biomasse gegeben.
Mit dem erfindungsgemäßen Einsatz von mindestens einem methanbildenden bzw. methanogenen Mikroorganismus aus der Ordnung Methanosarcinales wird ein methanogener Mikroorganismus eingesetzt, der besonders gut dazu geeignet ist, aus fermentativen Abbauprodukten der versäuerten Biomasse Methan herzustellen. Methanogene Mikroorganismen der Ordnung Methanosarcinales sind in der Lage, eine Reihe unterschiedlicher Substrate abzubauen und zu deren Energiegewinnung zu nutzen. Derartige Substrate sind erstens Kohlendioxid (CO₂), das in Anwesenheit von Wasserstoff (H₂) zu Methan (CH₄) reduziert wird, zweitens Methylverbindungen (Methanol (CH₃OH), Methylamine, wie Trimethylamin ((CH₃)₃NH⁺), Methylsulfide), die zu Methan und Kohlendioxid disproportioniert werden und drittens Acetat (CH₃COO^-), das in Methan und Kohlendioxid aufgespalten wird. Die Methanbildung bzw. Methanogenese liefert dabei Energie. Mit einem derartig breiten Substratspektrum wird die versäuerte Biomasse besonders umfassend verwertet und zu Methan reduziert.
Eine Besonderheit der methanogenen Mikroorganismen der Ordnung Methanosarcinales ist, dass Acetat als Abbauprodukt direkt zu Methan verstoffwechselt wird. Die Verstoffwechselung führt über verschiedene Stoffwechselschritte unter Beteiligung von dazu angepassten Coenzymen und Enzymen letztendlich zur genannten Spaltung von Acetat in Methan und Kohlendioxid.
Acetat (CH₃COO^-) bezeichnet die deprotonierte Form der Essigsäure (CH₃COOH). Die Essigsäure ist eine Carbonsäure, bestehend aus einem Kohlenstoffgrundgerüst mit zwei Kohlenstoffatomen (C-2-Verbindung) mit der chemischen Summenformel C₂H₄O₂, die nach IUPAC-Regelung als Ethansäure benannt wird (IUPAC bedeutet „International Union of Pure and Applied Chemistry“). Die Essigsäure CH₃COOH steht, insbesondere in wässriger Lösung, im Dissoziationsgleichgewicht mit ihrer deprotonierten Form CH₃COO^-, dem Acetat. In biochemischen Prozessen wird das Acetat in der Regel in Form einer Acetylgruppe an Enzyme gebunden. Als Acetyl-Coenzym A ist die Acetylgruppe sozusagen „aktiviert“ und wird über weitere Stoffwechselschritte letztendlich in Methan und Kohlendioxid umgesetzt. Diese Stoffwechselschritte können nur methanogene Mikroorganismen der Ordnung Methanosarcinales ausüben, da nur diese Mikroorganismen mit den dazu benötigten Coenzymen ausgestattet sind. Dies bedeutet, dass nur diese methanogenen Mikroorganismen dazu in der Lage sind, direkt aus Acetat Methan zu gewinnen. Man bezeichnet sie als acetogenotrophe oder acetoklastische Methanogene.
Durch die erfindungsgemäße Zugabe von methanogenen Mikroorganismen der Ordnung Methanosarcinales wird vorteilhaft ein besonders hoher Anteil des Methans im Biogas von 70 bis 90 Volumenprozent erzielt. Demgegenüber werden in herkömmlichen methanbildenden Prozessen Anteile an Methan im Biogas von im Durchschnitt 52 bis 54 Volumenprozent erreicht. Zudem werden in herkömmlichen Biogasverfahren, insbesondere in der dortigen Prozessflüssigkeit, größtenteils methanogene Mikroorganismen der Ordnung Methanomicrobiales festgestellt. Diese methanogenen Mikroorganismen sind streng hydrogenotrophe Methanogene bzw. Methanbildner, das heißt, dass sie Methan nur durch die Reduktion von Kohlendioxid mit Wasserstoff und/oder Formiat bilden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der mindestens eine methanogene Mikroorganismus aus der Familie Methanosaetaceae gewählt, die zur Ordnung Methanosarcinales gehört. Methanogene Mikroorganismen aus der Familie Methanosaetaceae, insbesondere aus der Gattung Methanosaeta, verstoffwechseln nur Acetat und weisen eine besonders hohe Affinität zu Acetat auf, was die Umsetzung von Acetat zu Methan fördert. Ferner ist der mindestens eine methanogene Mikroorganismus vorteilhaft von der Art Methanosaeta concilii. Methanosaeta concilii ist besonders affin gegenüber Acetat. Ferner arbeitet Methanosaeta concilii bereits bei einer Temperatur ab 10 °C, was gerade bei winterlichen Witterungsverhältnissen zum Gewinnen von Methan aus Biomasse von großem Vorteil ist.
Des Weiteren umfassen die methanogenen Mikroorganismen der Familie Methanosaetaceae vorzugsweise mindestens 60 Prozent, bevorzugt mindestens 70 Prozent und besonders bevorzugt mindestens 80 Prozent der insgesamt zugegebenen methanogenen Mikroorganismen. Mit diesem Anteil an methanogenen Mikroorganismen der Familie Methanosaetaceae wird ein für diese Organismen vorteilhaftes Mikromilieu geschaffen, so dass sich eine lokal ausbreitende, hohe Vermehrungsrate ergibt.
Ferner wird der mindestens eine methanogene Mikroorganismus erfindungsgemäß vorteilhaft aus der Familie Methanosarcinaceae gewählt. Vertreter der Familie Methanosarcinaceae verwerten sowohl Kohlendioxid mit Wasserstoff, als auch Methylverbindungen, wie Methanol und Methylamine sowie Acetat. Die Familie Methanosarcinaceae ist also für das genannte breite Substratspektrum der Methanosarcinales verantwortlich. Die Abbauprodukte der Biomasse werden besonders umfassend zu Methan umgesetzt. Ferner bilden Vertreter der Methanosarcinaceae besonders gerne Aggregate bzw. Granulate.
Vorzugsweise wird der mindestens eine methanogene Mikroorganismus aus der Gattung Methanosarcina gewählt, da innerhalb der Methanosarcinaceae Insbesondere Vertreter der Gattung Methanosarcina Acetat zu Methan verwerten. Im Vergleich zu Methanosaeta spp. weisen Methanosarcina spp. eine geringere Affinität zu Acetat auf, haben dafür aber eine höhere maximale Wachstumsrate, sodass sie sich besonders schnell vermehren. „Spp.“ steht für „species pluralis“ und bedeutet eine nicht im Einzelnen zu nennende Art einer Gattung als Zusatz hinter dem Namen der Art.
Ferner ist der mindestens eine methanogene Mikroorganismus vorteilhaft die Art Methanosarcina mazeii. Methanosarcina mazeii vermehrt sich besonders schnell, und setzt damit Kohlendioxid und Wasserstoff, Methylverbindungen und Acetat, besonders schnell zu Methan um.
Erfindungsgemäß umfassen die methanogenen Mikroorganismen aus der Familie Methanosarcinaceae vorzugsweise maximal 40 Prozent, bevorzugt maximal 30 Prozent und besonders bevorzugt maximal 20 Prozent der zugegebenen methanogenen Mikroorganismen. Der maximale Anteil an methanogenen Mikroorganismen der Familie Methanosarcinaceae ist von Vorteil, da sich diese Mikroorganismen aufgrund ihrer höheren Wachstumsraten schneller vermehren als Vertreter der Methanosaetaceae.
Besonders vorteilhaft wird eine Kombination aus mindestens einem methanogenen Mikroorganismus der Familie Methanosaetaceae mit mindestens einem methanogenen Mikroorganismus der Familie Methanosarcinaceae zur versäuerten Biomasse gegeben. Derart kombiniert ergänzen sich die Eigenschaften der Vertreter der beiden Familien in synergistischer Weise. Die höhere Affinität zu Acetat von methanogenen Mikroorganismen der Familie Methanosaetaceae wird mit der höheren Wachstumsrate von methanogenen Mikroorganismen der Familie Methanosarcinaceae ausgeglichen.
Weiterhin wird der mindestens eine methanogene Mikroorganismus erfindungsgemäß vorteilhaft in Form eines Granulats zugegeben. Ein Granulat ist gut handhabbar, das heißt, problemlos zu transportieren und zu lagern sowie einfach der Biomasse zuzugeben. Ferner sind die methanogenen Mikroorganismen aufgrund der Granulatform zumindest nur wenig empfindlich gegenüber Sauerstoff, das heißt sauerstofftolerant. Diese Sauerstofftoleranz erleichtert den praktischen Umgang mit den methanogenen Mikroorganismen. Sie können damit auch an Luft gehandhabt und ferner als Granulat mittels eines Absetzvorgangs besser rückgehalten werden. Besonders bevorzugt ist das Granulat porös gestaltet. Derart gestaltet, besteht im Inneren des einzelnen Granulates eine große Oberfläche, an der die in der versäuerten Biomasse vorhandenen Abbauprodukte der Biomasse, insbesondere das Acetat, mit den methanogenen Mikroorganismen in Kontakt treten. Je größer die Oberfläche, desto mehr Abbauprodukte können umgesetzt werden und desto mehr Methan, insbesondere pro Zeiteinheit, wird gebildet.
Weiterhin wird erfindungsgemäß vorteilhaft beim Verbrauchen von versäuerter Biomasse zum Gewinnen von Methan ein pH-Wert von 6,8 bis 8,2, bevorzugt von 7,2 bis 8,1 und besonders bevorzugt von 7,6 bis 8,0 eingestellt. Dieser pH-Wert-Bereich ermöglicht überraschenderweise eine besonders schnelle Methanbildung mittels der erfindungsgemäß zugegebenen methanogenen Mikroorganismen. Methanosaeta concilii hat beispielsweise ein pH-Optimum bei 7,1 bis 7,4 und Methanosarcina mazeii ein pH-Optimum bei 6,8 bis 7,2.
Zudem wird vorzugsweise beim Verbrauchen von versäuerter Biomasse zum Gewinnen von Methan erfindungsgemäß eine Temperatur von 28 °C bis 50 °C, bevorzugt von 35 °C bis 48 °C und besonders bevorzugt von 42 °C bis 44 °C eingestellt. Derart eingestellt, arbeiten die eingesetzten methanogenen Mikroorganismen in optimaler Geschwindigkeit und mit optimalen Wachstumsraten, sodass ein Leistungsmaximum der methanogenen Mikroorganismen erreicht wird. Damit wird eine sehr schnelle Reaktionszeit von 10 bis 15 Minuten zum Gewinnen von Methan ermöglicht.
Besonders vorteilhaft wird ferner vor dem Herstellen von versäuerter Biomasse die Biomasse mittels Zugeben mindestens eines Essigsäurebildungsaktivators biochemisch aufbereitet. Dabei erfüllt der Essigsäurebildungsaktivator mindestens eine der folgenden Funktionen: Die Bildung von Essigsäure in Gang zu setzen, die Bildung von Essigsäure zu fördern, die Bildung von Essigsäure aufrecht zu erhalten sowie Essigsäure zu bilden. Mittels des zugegebenen mindestens einen Essigsäurebildungsaktivators wird Essigsäure in der Biomasse im Verlauf einer essigsauren Fermentation gebildet. Bei der essigsauren Fermentation wird die Biomasse von den Essigsäurebildungsaktivatoren teilweise biochemisch abgebaut, wobei Essigsäure entsteht. Zusätzlich laufen in der Biomasse natürliche biochemische Abbauprozesse ab, die entsprechend von dem mindestens einen Essigsäurebildungsaktivator beeinflusst werden. Damit kann ein 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 unter Bildung eines essigsauren Milieus gesteigert werden. Mittels eines derart niedrigen pH-Wertes wird die aufbereitete Biomasse konserviert. Ferner ist das essigsaure Milieu beim Herstellen von versäuerter Biomasse und dem nachfolgenden Gewinnen von Methan aus der versäuerten Biomasse von großem Nutzen, da dort weitgehend nur Essigsäure zu Methan umgesetzt wird.
Im Gegensatz dazu ist in aufbereiteter Biomasse, die in bekannten Verfahren zum Aufbereiten der Biomasse insbesondere in einem Silageprozess gewonnen wird, ein hoher Anteil an Milchsäure vorhanden. Die Milchsäure bildet sich im Silageprozess durch eine natürlich ablaufende Milchsäuregärung mittels Milchsäurebakterien unter einem teilweisen biochemischen Abbau der Biomasse. Die dabei gebildete Milchsäure wirkt konservierend auf die teilweise abgebaute Biomasse. Dieser Prozess ist für eine Futterkonservierung bei einem Verwenden von Biomasse als Futter gewünscht, aber bei dem Verwenden von Biomasse zum Erzeugen von Methan unerwünscht, da Milchsäure den Methanbildungsprozess stört. Mittels der erfindungsgemäßen Lösung zum Aufbereiten von Biomasse wird aufgrund der essigsauren Fermentation vorteilhaft die Bildung von störender Milchsäure weitgehend unterdrückt.
Als der mindestens eine Essigsäurebildungsaktivator werden vorzugsweise lebende Essigsäurebakterien zugegeben. Besonders bevorzugt werden die lebenden Essigsäurebakterien als Suspension aus einer Produktion von Essig gewonnen. Diese Suspension wurde vorliegend bereits näher beschrieben und wird vorteilhaft 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. 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.
Ferner wird besonders vorteilhaft als der mindestens ein Essigsäurebildungsaktivator eine lebende Hefe zugegeben. Bevorzugt wird als lebende Hefe Saccharomyces cerevisiae gewählt. Besonders bevorzugt wird die lebende Hefe in Form von 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 aufzubereitender Biomasse zugegeben. Die lebende Hefe setzt die in der Biomasse vorhandenen Zucker zu Alkoholen, insbesondere zu Ethanol um. 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 als wertvolle Nährstoffe, wie bereits beschrieben, die lebenden Essigsäurebakterien unterstützen. Mittels dieser optimalen Nährstoffversorgung der lebenden Essigsäurebakterien wird der Abbauvorgang in der aufzubereitenden Biomasse zu Essigsäure stark beschleunigt.
Die Biomasse wird bevorzugt in einer Speichereinrichtung, wie beispielsweise in einem Silo für Silage oder einem Pufferspeicher für Klärschlamm aufbereitet.
Aus der aufbereiteten Biomasse wird je nach Bedarf die versäuerte Biomasse, auch in vergleichsweise kleinen Mengen, hergestellt. Die versäuerte Biomasse wird wiederum bedarfsgerecht zum Gewinnen von Methan verbraucht, was sehr schnell erfolgt, insbesondere innerhalb von 10 bis 15 Minuten. Damit ist mit der versäuerten Biomasse ein schnell verwertbarer Energiespeicher für Energie aus Biomasse geschaffen. Insgesamt wird also eine sehr flexible und schnelle Energiegewinnung aus dem erfindungsgemäß gewonnenen Methan über einen kurzen Stoffkreislauf ermöglicht. Zudem werden Methangehalte von bis zu 95 % im Biogas erzielt. Das gewonnene Methan wird bevorzugt verbrannt, sodass die dabei freiwerdende Energie in Form von thermischer und/oder elektrischer Energie mittels eines Blockheizkraftwerks (BHKW), einer Gasturbine und/oder eines Gasbrenners genutzt werden kann.
Die erfindungsgemäß versäuerte Biomasse kann bedarfsgerecht auch einer kleinen Biogasanlage bzw. einem kleinen Methanisierungsreaktor zugeführt werden. Beispielsweise könnten Hotels, insbesondere in Meeresnähe und/oder auch insbesondere Kreuzfahrtschiffe alle ihre Essensreste, Fäkalien und sonstigen Biomassen versäuern und die versäuerte Biomasse Zwischenspeichern. Bei Bedarf könnte aus der zwischengespeicherten, versäuerten Biomasse über einen kleinen Methanisierungsreaktor und ein kleines Blockheizkraftwerk thermische oder elektrische Energie gewonnen werden. Ferner könnten zum Beispiel Kommunen und Entsorgerfirmen alle anfallenden organischen Restwertstoffe, wie Rasenschnitt und Laub sowie Klärschlamm versäuern, zwischenspeichern und bei Bedarf daraus Energie gewinnen. Zudem hat das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber einer Kompostierung von insbesondere pflanzlicher, organischer Masse den Vorteil, dass Methan nicht in die Umwelt freigesetzt wird, das bezüglich des Treibhauseffekts 24mal schädlicher als Kohlendioxid ist. Zudem wird kein Lachgas emittiert, das diesbezüglich 296mal schädlicher als Kohlendioxid ist.
Figurenliste
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung von Verfahrensschritten eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen von Methan.

Detaillierte Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der Fig. ist ein Verfahren 10 zum Erzeugen von Methan 12 aus Biomasse 14 schematisch mit den wichtigsten Schritten des Verfahrens 10 dargestellt. Als Biomasse 14 dient vorliegend Maissilage in einer Mischung mit Grassilage und Wasser. Alternativ kann auch jegliche andere Biomasse in Form von Rasenschnitt, Laub, Essensresten, Fäkalien, Klärschlamm und/oder Mist verwendet werden.
Die Biomasse 14 wird in einem ersten Schritt 16 biochemisch essigsauer aufbereitet, wozu ein essigsaures Milieu mittels Zugabe von lebenden Essigsäurebakterien 18 und lebender Hefe 20 als Essigsäurebildungsaktivatoren hergestellt wird. Die lebende Hefe 20 wird dabei als Flüssighefe Saccharomyces cerevisiae mit einem Volumen von etwa 0,3 Litern pro Kubikmeter Biomasse zugegeben und die lebenden Essigsäurebakterien 18 in Form einer Suspension mit einem Volumen von etwa 0,2 Litern pro Kubikmeter Biomasse 14. Die Suspension wird aus der Produktion von Essig gewonnen und weist einen Anteil von 18 × 10⁶ bis 22 × 10⁶ Essigsäurebakterien 18 pro Milliliter flüssiger Suspension auf. Ferner enthält die Suspension Wasser, Essigsäure, Restzucker, Reststärke und Restalkohol. Damit werden Bedingungen geschaffen, die zu einem biochemischen Aufbereiten der Biomasse 14 im Verlauf einer essigsauren Fermentation führen, bis ein pH-Wert von etwa 3,0 bis 3,5 erreicht ist. Dabei entsteht eine essigsauer aufbereitete Biomasse 21.
Nach oder während des Schrittes 16 wird die aufbereitete Biomasse 21 in einem Schritt 22 in einem Silo als Speichereinrichtung gelagert, bis daraus in einem Schritt 24 eine versäuerte Biomasse 26 hergestellt wird.
Beim Schritt 24, das heißt beim Herstellen von versäuerter Biomasse 26, wird die aufbereitete Biomasse 21 in einen hohlzylindrischen, nicht weiter dargestellten Behälter mit Rührwerk gegeben. Unter ständigem Rühren werden dazu lebende Essigsäurebakterien 18 der Art Acetobacter aceti in Form der bereits in Schritt 16 verwendeten Suspension zugeführt. Die lebenden Essigsäurebakterien 18 werden dabei mit einem Anteil von 0,5 % bis 1,5 % bezogen auf die Menge der Biomasse im Behälter zugegeben. Ferner wird Saccharomyces cerevisiae als lebende Hefe 20 in Form von Flüssighefe in einer Menge von 1,8 bis 2,2 Litern pro Kubikmeter Biomasse in den Behälter gefüllt. Zusätzlich wird eine Enzymmischung 28 aus Hemicellulasen, Glucanasen, Xylanasen und Cellulasen mit einem Gewichtsanteil von 0,8 kg bis 1,2 kg pro Tonne Biomasse sowie Malz (gekeimte Gerste) als gekeimtes Keimgut 30 zugegeben. Mit dem gekeimten Keimgut 30 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 aufbereiteten Biomasse 21 gegeben, die deren Umsetzung und damit Versäuerung erheblich verbessern. Während der Versäuerung beim Schritt 24 wird ständig oder in Intervallen gerührt, sodass die aufbereitete Biomasse 21 gleichmäßig zur versäuerten Biomasse 26 umgesetzt wird. Dabei werden ein pH-Wert von etwa 3,0 und eine Temperatur von etwa 35 °C bis 45 °C eingestellt.
Nach einer Zeitspanne von 4 bis 6 Tagen wird die versäuerte Biomasse 26 erhalten, die niedermolekulare Stoffe aus den Gruppen: Fettsäuren, Alkohole, wie Ethanol, Aminosäuren sowie Carbonsäuren, wie Ameisensäure (Methansäure), Essigsäure (Ethansäure), Propionsäure (Propansäure), Buttersäure (n-Butansäure) und Valeriansäure (Pentansäure) enthält.
Die derart gewonnene versäuerte Biomasse 26 weist nach wie vor einen pH-Wert von etwa 3,0 auf. Ferner ist die versäuerte Biomasse 26 fließfähig und wird in einem erfindungsgemäß entscheidenden Schritt 32 des Zwischenspeicherns in einem nicht näher dargestellten, säurefesten Behälter, insbesondere einem IBC-Behälter gelagert bzw. gespeichert. Derart gespeichert, kann die versäuerte Biomasse 26 bedarfsgerecht besonders einfach transportiert und in einem Schritt 34 zum Gewinnen von Methan verbraucht werden.
Beim Schritt 34, das heißt beim Verbrauchen der versäuerten Biomasse 26 in einem Methanbildungsprozess, wird die versäuerte Biomasse 26 in einen weiter nicht dargestellten, zumindest nahezu luftdichten Behälter bzw. Methanreaktor gepumpt. Dort werden zur versäuerten Biomasse 26 methanbildende Mikroorganismen 36 als Granulat mit einer Teilchengröße von 50 bis 500 Mikrometern gegeben. Das Granulat umfasst methanogene Mikroorganismen der Ordnung Methanosarcinales mit einem Anteil der Art Methanosaeta concilii von etwa 75 % bis 95 % und einem Anteil der Art Methanosarcina mazeii von etwa 5 % bis 25 %. Ferner ist ein geringer Anteil der Art Methanospirillum hungatei, der Ordnung Methanomicrobiales, von bis zu 5 % vorhanden. Insgesamt wird das Granulat in einer Menge von 0,2 bis 2,0 Litern pro Kubikmeter Biomasse zur versäuerten Biomasse 26 gegeben.
Ferner werden beim Schritt 34 anaerobe Bedingungen im Methanreaktor geschaffen, indem der Methanreaktor mit seinen Ein- und Ausgängen weitgehend luftdicht verschlossen gestaltet ist. Des Weiteren werden die Temperatur auf etwa 42 °C bis 44 °C und der pH-Wert auf etwa 7,6 bis 8,0 eingestellt. Innerhalb kürzester Zeit von 10 bis 15 Minuten wird dabei aus der versäuerten Biomasse 26 Methan 12 gewonnen, das in einem Schritt 38 zum Erzeugen von Energie 40 verbrannt wird.
Alternativ kann der Schritt 16 je nach Art der Biomasse 14 entfallen und die Biomasse 14 ohne vorhergehende Aufbereitung dem Schritt 24 des Herstellens von versäuerter Biomasse 26 unterworfen werden.
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
12: Methan
14: Biomasse
16: Schritt: Aufbereiten von Biomasse
18: lebende Essigsäurebakterien
20: lebende Hefe
21: aufbereitete Biomasse
22: Schritt: Lagern von Biomasse
24: Schritt: Versäuern von Biomasse
26: versäuerte Biomasse
28: Enzymmischung
30: gekeimtes Keimgut
32: Schritt: Zwischenspeichern von versäuerter Biomasse
34: Schritt: Verbrauchen der versäuerten Biomasse zum Gewinnen von Methan
36: methanbildende Mikroorganismen
38: Schritt: Verbrennen von Methan
40: Energie

Claims

Verfahren (10) zum Erzeugen von Methan (12) aus Biomasse (14) mit den Schritten: - Herstellen von versäuerter Biomasse (26) und -Verbrauchen der versäuerten Biomasse (26) zum Gewinnen von Methan (12), bei dem nach dem Herstellen von versäuerter Biomasse (26) und vor dem Verbrauchen der versäuerten Biomasse (26) die versäuerte Biomasse (26) bedarfsgerecht je nach Energiebedarf zwischengespeichert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die versäuerte Biomasse (26) in fließfähigem Zustand zwischengespeichert wird und/oder beim Herstellen von versäuerter Biomasse (26) die versäuerte Biomasse (26) fließfähig gemacht wird, insbesondere aufkonzentriert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Herstellen von versäuerter Biomasse (26) kontinuierlich und das Verbrauchen der versäuerten Biomasse (26) zum Gewinnen von Methan (12) diskontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem beim Herstellen von versäuerter Biomasse (26) lebende Essigsäurebakterien (18) zugegeben werden, insbesondere in Form einer Suspension und die Suspension ferner mindestens einen der folgenden Stoffe enthält: Essigsäure, Alkohol, Zucker und Wasser.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem beim Herstellen von versäuerter Biomasse (26) ein pH-Wert von 2,5 bis 4,0, bevorzugt von 2,7 bis 3,5, besonders bevorzugt von 2,8 bis 3,2 eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem beim Herstellen von versäuerter Biomasse (26) eine Temperatur von 30 °C bis 60 °C, bevorzugt von 33 °C bis 50 °C und besonders bevorzugt von 35 °C bis 45 °C eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem beim Verbrauchen von versäuerter Biomasse (26) zum Gewinnen von Methan (12) mindestens ein methanbildender Mikroorganismus (36) aus der Ordnung Methanosarcinales, insbesondere aus mindestens einer der Familien Methanosaetaceae und Methanosarcinaceae zur versäuerten Biomasse (26) gegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem beim Verbrauchen von versäuerter Biomasse (26) zum Gewinnen von Methan (12) ein pH-Wert von 6,8 bis 8,2, bevorzugt von 7,2 bis 8,1 und besonders bevorzugt von 7,6 bis 8,0 eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem beim Verbrauchen von versäuerter Biomasse (26) zum Gewinnen von Methan (12) eine Temperatur von 28 °C bis 50 °C, bevorzugt von 35 °C bis 48 °C und besonders bevorzugt von 42 °C bis 44 °C eingestellt wird.