DE102014001476B4 - Electrobiogas plant with exoenzyme farm - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Herstellung von Biogas und zur Erzeugung von elektrischer Energie, enthaltend
einen Biogas-Fermenter,
eine Anode, wobei die Anode
an der Innenseite des Biogas-Fermenters angebracht ist,
während des Betriebs des Biogas-Fermenters zumindest teilweise in Kontakt mit der in dem Biogas-Fermenter befindlichen Biomasse steht, und
mit exoelektrogenen Bakterien besiedelbar ist, eine Kathode, wobei die Kathode
an der Außenseite des Biogas-Fermenters angebracht ist,
elektrisch mit der Anode verbunden ist, und
von der Anode durch einen ionendurchlässigen Separator getrennt ist, und
eine Exoenzymfarm, wobei die Exoenzymfarm
außerhalb des Biogas-Fermenters angeordnet ist,
mit Biomasse beschickbar ist, und
in der Exoenzymfarm befindliche Biomasse mit aerob lebenden Mikroorganismen besiedelt ist,
und wobei in der Exoenzymfarm von den aerob lebenden Mikroorganismen produzierte Enzyme von der Exoenzymfarm über eine Leitung in den Biogas-Fermenter einleitbar sind.

Figure DE102014001476B4_0000
Apparatus for producing biogas and for generating electrical energy, containing
a biogas digester,
an anode, the anode
attached to the inside of the biogas digester,
during operation of the biogas fermenter is at least partially in contact with the located in the biogas digester biomass, and
is colonizable with exoelektrogenen bacteria, a cathode, wherein the cathode
attached to the outside of the biogas digester,
is electrically connected to the anode, and
is separated from the anode by an ion permeable separator, and
an exoenzyme farm, the exoenzyme farm
is arranged outside the biogas digester,
can be fed with biomass, and
biomass in the exoenzyme farm is colonized with aerobically living microorganisms,
and wherein in the Exoenzymfarm produced by the aerobically living microorganisms enzymes from the Exoenzymfarm via a line in the biogas fermenter can be introduced.
Figure DE102014001476B4_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Biogas und zur Erzeugung von elektrischer Energie. Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält einen Biogas-Fermenter, in dem eine Anode vorhanden ist, welche mit exoelektrogenen Bakterien besiedelbar ist, eine vorzugsweise luftatmende Kathode in elektrischer Verbindung mit der Anode an der Außenseite des Biogas-Fermenters, sowie eine Exoenzymfarm, mit deren Hilfe Enzyme, insbesondere Cellulasen und Laccasen, hergestellt und in den Biogas-Fermenter, vorzugsweise über die Kathode, einleitbar sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit eine Kombination aus einem Biogas-Fermenter und einer mikrobiellen Brennstoffzelle (microbial fuel cell; MFC).The present invention relates to a device for producing biogas and for generating electrical energy. The device according to the invention comprises a biogas fermenter in which there is an anode which can be colonized with exoelectrogenic bacteria, a preferably air-breathing cathode in electrical connection with the anode on the outside of the biogas fermenter, and an exoenzyme farm with the aid of which enzymes, in particular cellulases and laccases, prepared and introduced into the biogas fermenter, preferably via the cathode. The device according to the invention is thus a combination of a biogas fermenter and a microbial fuel cell (MFC).

Mit deutschlandweit über 7000 installierten Biogasanlagen und einer jährlichen Stromproduktion von bis zu 17,5 Mrd. kWh stellt Biogas das wichtigste Standbein der Bioenergiegewinnung dar. Mit einem Anteil von etwa 30% bildet Energie aus Biomasse neben der Windenergie den größten Anteil innerhalb der sogenannten emeuerbaren Energien. Biogas bietet weiter die Vorteile, witterungsunabhängig produziert und gespeichert werden zu können. Durch eine Novellierung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes und im Rahmen der sogenannten „Strompreisbremse“ ist der Anlagenneubau jedoch stark zurückgegangen. Um Biogasanlagen in ihrer Effizienz zu steigern und somit wieder attraktiver für Anlagenbauer zu machen, ist es notwendig, limitierende Faktoren der Biogaserzeugung zu erkennen und zu umgehen.With more than 7,000 biogas plants installed in Germany and an annual electricity production of up to 17.5 billion kWh, biogas is the most important pillar of bioenergy production. With a share of around 30%, biomass energy is the largest share of so-called renewable energies besides wind energy , Biogas also offers the advantages of being able to be produced and stored irrespective of the weather. However, with the amendment of the Renewable Energy Sources Act and within the framework of the so-called "electricity price brake", new plant construction has declined sharply. In order to increase the efficiency of biogas plants and make them more attractive to plant manufacturers, it is necessary to recognize and circumvent limiting factors in biogas production.

In Biogas-Fermentem wird durch ein enges Zusammenspiel verschiedener Mikroorganismen aus Biomasse Methan produziert (1). Dabei handelt es sich zum Teil um empfindliche und störungsanfällige Prozesse, wobei etwaige Störungen leicht zu einer Verringerung der Methanausbeute führen können. Dadurch wird die Effektivität der Biogasproduktion zum Teil erheblich eingeschränkt.In biogas fermenters, methane is produced by a close interaction of different microorganisms from biomass ( 1 ). These are in part sensitive and fault-prone processes, with any disruption that can easily lead to a reduction in methane yield. This partly limits the effectiveness of biogas production considerably.

Beim ersten Schritt der Biogasproduktion, der Hydrolyse, werden polymere Substrate aus Biomasse wie Gülle, Maissilage oder Biomüll zu Monomeren verdaut. Dies stellt einen der limitierenden Faktoren der Biogaserzeugung dar, da diese Substrate meist komplexe Biopolymere sind, die erst außerhalb der Zellen zerlegt werden müssen, bevor sie weiter verstoffwechselt werden können. Dies geschieht mit Hilfe von Exoenzymen, welche die Polymere hydrolysieren. Dieser Angriff wird weiter durch die Tatsache erschwert, dass es sich bei den komplexen Substraten meist um wasserunlösliche und/oder inerte Stoffe handelt. Die gebildeten Monomere werden dann im Rahmen des nächsten Schritts, der Acidogenese, von primären Gärern zu niederen Fettsäuren, CO2 und H2 abgebaut. Sogenannte sekundäre Gärer (Acetogene) nutzen die Produkte aus der Acidogenese und produzieren während der Acetogenese Acetat, CO2 und H2. Aus diesen Produkten können dann im letzten Schritt, der Methanogenese, methanogene Organismen (Methanogene) CH4 und CO2 produzieren.In the first step of biogas production, hydrolysis, polymeric substrates from biomass such as manure, corn silage or organic waste are digested to form monomers. This is one of the limiting factors of biogas production, since these substrates are usually complex biopolymers that need to be dissected outside the cells before they can be further metabolized. This is done with the help of exoenzymes, which hydrolyze the polymers. This attack is further compounded by the fact that the complex substrates are mostly water-insoluble and / or inert. The formed monomers are then degraded in the next step, acidogenesis, from primary fermenters to lower fatty acids, CO 2 and H 2 . So-called secondary fermenters (acetogens) use the products from acidogenesis and produce acetate, CO 2 and H 2 during acetogenesis. From these products, in the last step, methanogenesis, methanogenic organisms (methanogens) can produce CH 4 and CO 2 .

Wasserstoff spielt in den genannten Prozessen eine wichtige Rolle. Acetogene und Methanogene müssen in einer engen, syntrophen Gemeinschaft leben, da die Gärer nur dann in der Lage sind, H2 zu produzieren, wenn der Wasserstoffpartialdruck niedrig genug ist. Ist dies nicht möglich, weil die Methanogenese nicht schnell genug abläuft, werden vermehrt niedere Fettsäuren im Reaktor akkumuliert, was zu einem Abfall des pH-Werts führt. Dies hemmt wiederum die Methanogenen und verringert so den Biogasertrag. Daher ist es für einen einwandfreien Gärprozess entscheidend, dass der gesamte Ablauf der Biogaserzeugung in einem stabilen Gleichgewicht bleibt.Hydrogen plays an important role in these processes. Acetogens and methanogens must live in a close, syntrophic community, as the fermenters are only able to produce H 2 when the hydrogen partial pressure is low enough. If this is not possible because methanogenesis does not proceed fast enough, lower fatty acids are increasingly accumulated in the reactor, resulting in a drop in pH. This in turn inhibits the methanogens and thus reduces the biogas yield. Therefore, it is crucial for a proper fermentation process that the entire biogas production process remains in a stable equilibrium.

Im Stand der Technik sind Arbeiten bekannt, in denen in bioelektrischen Reaktoren (BERs) Kathoden zur Verbesserung der Methanausbeute eingesetzt wurden. Methan wurde dabei entweder durch H2, das an der Kathode erzeugt wurde, oder durch eine direkte Übertragung von Elektronen von der Kathode zu den Methanogenen an der Kathode produziert. Dabei wurde zum Teil der Methanertrag gesteigert und eine geringere Akkumulation von Fettsäuren beobachtet. Diese Aufbauten verlangten allerdings ein sehr niedriges Potential an der Kathode, welches nur durch das Anlegen eines Stroms von außen erreicht werden konnte. Somit musste Energie aufgewendet werden, um die Methanogenese zu beschleunigen.In the prior art, work is known in which in bioelectric reactors (BERs) cathodes were used to improve the methane yield. Methane was produced either by H 2 produced at the cathode or by a direct transfer of electrons from the cathode to the methanogens at the cathode. Partly the methane yield was increased and a lower accumulation of fatty acids was observed. However, these structures required a very low potential at the cathode, which could only be achieved by applying a current from the outside. Thus, energy had to be spent to accelerate methanogenesis.

Weiter wurden im Stand der Technik mikrobielle Brennstoffzellen extern an thermophile Biogas-Fermenter angeschlossen, um deren Stabilität zu erhöhen. Allerdings konnte eine Stabilisierung des pH-Werts und/oder der Vorgänge im Fermenter so nicht erreicht werden. Darüber hinaus wurden tauchbare mikrobielle Brennstoffzellen für die Energiegewinnung in Klärwerken beschrieben, was allerdings durch ein zu niedriges Potential an der Kathode erschwert wurde. Schließlich wurden im Stand der Technik Versuche beschrieben, die CO2-Konzentration in Biogas mit Hilfe einer Brennstoffzelle und einer bipolaren Membran zu verringern, und so den Methangehalt in Biogas zu erhöhen.Further, in the prior art, microbial fuel cells have been externally connected to thermophilic biogas fermentors to increase their stability. However, a stabilization of the pH and / or the processes in the fermenter could not be achieved. In addition, submersible microbial fuel cells have been described for energy production in sewage treatment plants, which was hampered by a too low potential at the cathode. Finally, attempts have been made in the prior art to reduce the CO 2 concentration in biogas by means of a fuel cell and a bipolar membrane, and thus to increase the methane content in biogas.

In diesem Zusammenhang beschreibt die Druckschrift DE 43 08 921 A1 ein Verfahren zur Behandlung von Stoffen oder Stoffgemischen, welche biologisch abbaubare Substanzen oder deren Vorläufer enthalten, enthaltend eine enzymatische Hydrolysestufe, gefolgt von einer chemisch-physikalischen Hydrolysestufe. Weiter beschreibt die Druckschrift WO 2012/054629 A2 bio-elektrochemische Systeme für die Behandlung von Wasser, Abwasser, Gasen und anderen biologisch abbaubaren Stoffen, enthaltend ein wässriges Kompartiment, enthaltend mindestens eine Anode und mindestens eine Kathode, ein gasförmiges Kompartiment, enthaltend mindestens eine Kathode, und elektrogene Mikroorganismen in dem wäßrigen Kompartiment. Darüber hinaus beschreibt die Druckschrift US 2013/0299400 A1 bio-elektrochemische Systeme zur Behandlung von Abwasser und von durch anaerobe Mikroorganismen erzeugtem Sauergas, enthaltend eine anaerobe Reaktionskammer mit einer Anode und einer Kathode, methanogene Mikroorganismen in der Nähe dieser Kathode und eine Stromquelle. Weiter beschreibt die Druckschrift WO 01/56715 A1 ein Verfahren zur Aufbereitung von organischen Abfällen, sowie eine entsprechende Abfallaufbereitungsanlage, enthaltend mechanische und biologische Aufbereitungsschritte, wobei die biologische Aufbereitung aerobe Hydrolyse beinhaltet. Schließlich beschreibt die Druckschrift US 2009/0142627 A1 einen biologischen Stromgenerator, enthaltend einen anaeroben Bereich, enthaltend anaerobe Mikroorganismen, eine Anode mit einem Elektronenmediator, einen aeroben Bereich, enthaltend molekularen Sauerstoff und eine Kathode, sowie eine Membran, welche diese Bereiche definiert. In this context, the document describes DE 43 08 921 A1 a method for treating substances or mixtures containing biodegradable substances or their precursors containing an enzymatic hydrolysis step, followed by a chemical-physical hydrolysis step. Next describes the document WO 2012/054629 A2 bio-electrochemical systems for the treatment of water, waste water, gases and other biodegradable substances, comprising an aqueous compartment containing at least one anode and at least one cathode, a gaseous compartment containing at least one cathode, and electrogenic microorganisms in the aqueous compartment. In addition, the document describes US 2013/0299400 A1 bio-electrochemical systems for treating wastewater and acid gas generated by anaerobic microorganisms, comprising an anaerobic reaction chamber having an anode and a cathode, methanogenic microorganisms in the vicinity of said cathode, and a power source. Next describes the document WO 01/56715 A1 a process for the treatment of organic waste, as well as a corresponding waste treatment plant, comprising mechanical and biological treatment steps, wherein the biological treatment includes aerobic hydrolysis. Finally, the document describes US 2009/0142627 A1 a biological current generator containing an anaerobic region containing anaerobic microorganisms, an anode with an electron mediator, an aerobic region containing molecular oxygen and a cathode, and a membrane defining these regions.

Im Gegensatz dazu liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Prozesse während der Biogasproduktion aus organischem Material zu stabilisieren und sinnvoll zu regeln, um so eine Effizienzsteigerung bei der Biogasproduktion zu ermöglichen. Insbesondere soll der Polymer-Abbau beschleunigt und Prozessstörungen, wie die Erhöhung des Wasserstoffpartialdrucks, die Akkumulation von Fettsäuren und die Erniedrigung des pH-Werts, verhindert bzw. abgemildert werden. Dies soll möglichst ohne Zuführung von elektrischer Energie von außen, idealerweise sogar bei einer zusätzliche Gewinnung von elektrischer Energie, ermöglicht werden.In contrast, the present invention has the object to stabilize the processes during biogas production from organic material and to regulate meaningful, so as to allow an increase in efficiency in biogas production. In particular, the polymer degradation is accelerated and process disturbances, such as the increase of the hydrogen partial pressure, the accumulation of fatty acids and the lowering of the pH, are prevented or mitigated. This should be possible without external supply of electrical energy, ideally even with additional generation of electrical energy.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst. Insbesondere wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Herstellung von Biogas und zur Erzeugung von elektrischer Energie bereitgestellt.This object is achieved by the embodiments characterized in the claims. In particular, an apparatus for producing biogas and for generating electrical energy is provided according to the invention.

Dementsprechend betrifft ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Herstellung von Biogas und zur Erzeugung von elektrischer Energie, enthaltend

  • einen Biogas-Fermenter,
  • eine Anode, wobei die Anode an der Innenseite des Biogas-Fermenters angebracht ist, während des Betriebs des Biogas-Fermenters zumindest teilweise in Kontakt mit der in dem Biogas-Fermenter befindlichen Biomasse steht, und mit exoelektrogenen Bakterien besiedelbar ist,
  • eine Kathode, wobei die Kathode an der Außenseite des Biogas-Fermenters angebracht ist, elektrisch mit der Anode verbunden ist, und von der Anode durch einen ionendurchlässigen Separator getrennt ist, und
  • eine Exoenzymfarm, wobei die Exoenzymfarm außerhalb des Biogas-Fermenters angeordnet ist, mit Biomasse beschickbar ist, und in der Exoenzymfarm befindliche Biomasse mit aerob lebenden Mikroorganismen besiedelt ist, und wobei in der Exoenzymfarm von den aerob lebenden Mikroorganismen produzierte Enzyme von der Exoenzymfarm über eine Leitung in den Biogas-Fermenter einleitbar sind.
Accordingly, an object of the present invention relates to an apparatus for producing biogas and for generating electrical energy containing
  • a biogas digester,
  • an anode, wherein the anode is attached to the inside of the biogas fermenter, during the operation of the biogas fermenter is at least partially in contact with the biomass located in the biogas fermenter, and is populated with exoelektrogenen bacteria,
  • a cathode, wherein the cathode is attached to the outside of the biogas fermenter, is electrically connected to the anode, and is separated from the anode by an ion-permeable separator, and
  • an exoenzyme farm where the exoenzyme farm is located outside the biogas digester, biomass feedable, and biomass located in the exozyme farm is populated with aerobic microorganisms, and enzymes produced by the aerobic microorganisms in the exoenzyme farm are supplied via a conduit to the exoenzyme farm can be introduced into the biogas fermenter.

Der Begriff „Biogas-Fermenter“ unterliegt keinerlei besonderen Beschränkungen im Zusammenhang mit der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung. Er beinhaltet jegliche im Stand der Technik bekannten Biogas-Fermenter, insbesondere jegliche Vorrichtungen in denen Biomasse mit Hilfe von Mikroorganismen zu CH4 und CO2 umgewandelt werden kann. Die Begriffe „Biogas-Fermenter“, „Fermenter“, und „Biogasanlage“ werden in der vorliegenden Anmeldung synonym verwendet.The term "biogas digester" is not particularly limited in the context of the apparatus of the present invention. It includes any known in the art biogas fermenter, in particular any devices in which biomass can be converted by means of microorganisms to CH 4 and CO 2 . The terms "biogas fermenter", "fermenter", and "biogas plant" are used synonymously in the present application.

Die an der Innenseite des Biogas-Fermenters angebrachte Anode unterliegt in Material und Gestalt keinen besonderen Einschränkungen, vorausgesetzt sie ist von exoelektrogenen Bakterien besiedelbar und ist stabil genug, um durch die festen Bestandteile des Substrats nicht beschädigt zu werden. Bevorzugt besteht die Anode aus Kohlenstoffmaterialien, wie beispielsweise Graphitgewebe, Aktivkohlegewebe, oder Kohlenstoff-Nanoröhren (nanotubes), oder aus Stahl oder Titan. Die Besiedelung der Anode mit exoelektrogenen Bakterien erfolgt entweder spontan während des Betriebs der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch in der in dem Biogas-Fermenter befindlichen Biomasse vorhandene natürliche Populationen solcher Bakterien, oder durch eine Vorinkubation der Anode mit solchen Bakterien.The anode attached to the inside of the biogas fermenter is not particularly limited in material and shape, provided that it is colonizable by exoelectrogenic bacteria and is stable enough not to be damaged by the solid components of the substrate. Prefers For example, the anode is made of carbon materials such as graphite cloth, carbon fiber woven fabric, or carbon nanotubes, or steel or titanium. The colonization of the anode with exoelektrogenen bacteria takes place either spontaneously during operation of the device according to the invention by existing in the biogas fermenter biomass existing natural populations of such bacteria, or by a pre-incubation of the anode with such bacteria.

Exoelektrogene Bakterien sind im Stand der Technik bekannt. Bevorzugt sind die exoelektrogenen Bakterien, welche die Anode der erfindungsgemäßen Vorrichtung besiedeln, Mitglieder der Gattung Geobacter, beispielsweise Geobacter sulfurreducens, oder Mitglieder der Gattung Shewanella, beispielsweise Shewanella oneidensis.Exoelectrogenic bacteria are known in the art. Preferred are the exoelektrogenen bacteria which colonize the anode of the device according to the invention, members of the genus Geobacter, for example Geobacter sulfurreducens, or members of the genus Shewanella, for example Shewanella oneidensis.

Auch die an der Außenseite des Biogas-Fermenters angebrachte Kathode unterliegt in Material und Gestalt keinen besonderen Einschränkungen. Auch sie besteht bevorzugt aus Kohlenstoffmaterialien, wie beispielsweise Graphitgewebe, Aktivkohlegewebe, oder Kohlenstoff-Nanoröhren (nanotubes), oder aus Stahl oder Titan. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kathode eine luftatmende Kathode.The attached to the outside of the biogas fermenter cathode is subject in material and shape no particular restrictions. It also preferably consists of carbon materials, such as graphite fabric, activated carbon fabric, or carbon nanotubes, or of steel or titanium. In a preferred embodiment, the cathode is an air breathing cathode.

Die Wendung „elektrisch mit der Anode verbunden“ beinhaltet das Vorhandensein eines elektrischen Verbrauchers zwischen der Anode und der Kathode, d.h. die Anode und Kathode sind nicht kurzgeschlossen. Über den Widerstand des elektrischen Verbrauchers kann das Anoden- und Kathodenpotential eingestellt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Anode mit der Kathode über einen externen Stromkreislauf verbunden. Über den entstehenden Strom werden bevorzugt Rührkomponenten der Exoenzymfarm und/oder des Biogasreaktors, zumindest teilweise, betrieben.The phrase "electrically connected to the anode" includes the presence of an electrical load between the anode and the cathode, i. the anode and cathode are not shorted. About the resistance of the electrical load, the anode and cathode potential can be adjusted. In a preferred embodiment, the anode is connected to the cathode via an external power circuit. About the resulting stream stirring components of the Exoenzymfarm and / or the biogas reactor are operated, at least partially.

Ionendurchlässige Separatoren zur Trennung der Kathode von der Anode unterliegen keinen besonderen Beschränkungen und sind im Stand der Technik bekannt. Bevorzugt kommen hier ionendurchlässige, insbesondere H+-durchlässige Membranen, wie beispielsweise Protonen-Austausch-Membranen (proton exchange membrane; PEM), Anionentauschermembranen oder elektrolytgefülltes Filterpapier zum Einsatz. Solche Membranen sind im Stand der Technik bekannt.Ion permeable separators for separating the cathode from the anode are not particularly limited and are known in the art. Preference is given here to ion permeable, in particular H + permeable, membranes, such as, for example, proton exchange membranes (PEM), anion exchange membranes or electrolyte-filled filter paper. Such membranes are known in the art.

Bevorzugt laufen an der Kathode und der Anode der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter anderem die folgenden Reaktionen ab. Anode: organ. Fettsäuren n(Acetat) + n(CO2) + n(e-) organ. Fettsäuren n(CO2) + n(e-) H2 2 H+ + 2e- Kathode: O2 + 4 H+ + 4 e- 2 H2O The following reactions preferably take place at the cathode and the anode of the device according to the invention. Anode: organ. fatty acids n (acetate) + n (CO 2 ) + n (e - ) organ. fatty acids n (CO 2 ) + n (e - ) H 2 2 H + + 2e Cathode: O 2 + 4 H + + 4 e - 2H 2 O

Dabei werden die genannten Anodenreaktionen von den exoelektrogenen Bakterien durchgeführt. Insbesondere werden entweder sich akkumulierende Fettsäuren verbraucht und zu Substanzen umgewandelt, die von den Methanogenen als Substrate verwendet werden können, oder Wasserstoff wird direkt umgewandelt. Die dabei entstehenden H+-Ionen wandern durch den ionendurchlässigen Separator zur Kathode, wo sie für die Kathodenreaktion zur Verfügung stehen. Die entstehenden Elektronen (e-) werden elektrisch zur Kathode geleitet, wo auch sie für die Kathodenreaktion zur Verfügung stehen. Der in der Kathodenreaktion benötigte Sauerstoff stammt bevorzugt aus der Luft. Die Kathodenreaktion kann durch in der Exoenzymfarm gebildete Laccasen während deren Transport durch die Kathode katalysiert werden. Bei diesen Vorgängen stellt sich, in Abhängigkeit vom Widerstand des zwischen Anode und Kathode geschalteten Verbrauchers, ein bestimmtes Anoden- und Kathodenpotential ein.The said anodic reactions are carried out by the exoelektrogenen bacteria. In particular, either accumulating fatty acids are consumed and converted to substances that can be used as substrates by the methanogens, or hydrogen is directly converted. The resulting H + ions migrate through the ion-permeable separator to the cathode, where they are available for the cathode reaction. The resulting electrons (e - ) are electrically conducted to the cathode, where they are available for the cathode reaction. The oxygen required in the cathode reaction is preferably from the air. The cathodic reaction can be catalyzed by laccases formed in the exoenzyme farm during their transport through the cathode. In these processes, depending on the resistance of the consumer connected between anode and cathode, a certain anode and cathode potential is established.

Die Exoenzymfarm der erfindungsgemäßen Vorrichtung stellt eine Vorrichtung dar, die mit Biomasse beschickbar ist, wobei auf der Biomasse aerob lebende Mikroorganismen gezüchtet werden können. Diese Mikroorganismen sind bevorzugt Pilze oder Bakterien, die bevorzugt Cellulasen und Laccasen produzieren. Diese Enzyme werden bevorzugt in das umgebende Medium abgegeben. Solche Mikroorganismen sind im Stand der Technik bekannt, und sind beispielsweise Mitglieder der Gattungen Trametes und Streptomyces. Die in diesem Zusammenhang verwendete Biomasse besteht bevorzugt überwiegend aus Lignocellulose-haltiger Biomasse, beispielsweise Holzschnitzel oder Stroh, um die Exoenzymproduktion zu induzieren. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Exoenzymfarm eine Sprinkleranlage zur Bewässerung der aerob lebenden Mikroorganismen. Weiter enthält die Exoenzymfarm Mittel, welche die von den Mikroorganismen produzierten Enzyme aus der Exoenzymfarm heraus in den Biogas-Fermenter leiten. Dabei werden die Enzyme bevorzugt durch den Kathodenraum geleitet, wo sie an der Kathode adsorbieren und dort elektrokatalytisch aktiv sind.The exoenzyme farm of the device according to the invention represents a device which can be charged with biomass, it being possible to cultivate aerobically living microorganisms on the biomass. These microorganisms are preferably fungi or bacteria that preferentially produce cellulases and laccases. These enzymes are preferably delivered to the surrounding medium. Such microorganisms are known in the art, and are for example members of the genera Trametes and Streptomyces. The biomass used in this context preferably consists predominantly of lignocellulosic biomass, for example wood chips or straw, in order to induce exoenzyme production. In a preferred embodiment, the exoenzyme farm contains a sprinkler system for irrigating the aerobically living microorganisms. Furthermore, the exoenzyme farm contains agents which direct the enzymes produced by the microorganisms out of the exoenzyme farm into the biogas fermenter. The enzymes are preferably passed through the cathode space, where they adsorb to the cathode and are there electrocatalytically active.

Weitere Gegenstände der vorliegenden Erfindung betreffen die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Biogas und Erzeugung von elektrischer Energie, sowie Verfahren zur Herstellung von Biogas und Erzeugung von elektrischer Energie, enthaltend das Bereitstellen und Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Further objects of the present invention relate to the use of the device according to the invention for the production of biogas and production of electrical energy, as well as methods for the production of biogas and production of electrical energy, comprising the provision and operation of a device according to the invention.

Die erfindungsgemäßen Neuerungen einer Biogasanlage enthalten die Insertion einer Anode in den Fermenter und die Stabilisierung der im Fermenter ablaufenden Prozesse über das Anlegen eines bestimmten Potentials. Bei Prozesslimitierungen wird das Potential der Anode ins Positive verschoben, um die Abgabe von Elektronen an die Anode zu erleichtern. Somit wird die Senkung der Konzentration organischer Säuren und des Wasserstoffpartialdrucks begünstigt. Sollte der Fermenter unter Normbedingungen laufen, wird das Potential nicht von außen beeinflusst und damit auf Werte von ca. -200 mV gegen eine Normalwasserstoffelektrode fallen. Weiter hilft eine Exoenzymfarm beim Abbau komplexer Biopolymere und macht diese für die Gärer zugänglicher. Darüber hinaus können die gebildeten Laccasen die Reaktionen an der Kathode katalysieren. Durch das Einbringen einer Anode in den Fermenterraum, die mit exoelektrogenen Bakterien besiedelt wird, kann der Akkumulation organischer Säuren entgegengewirkt werden, und so der Anstieg der Wasserstoffkonzentration und ein daraus folgender Abfall des pH-Werts verhindert werden. Durch das Einbringen von Exoenzymen aus der Exoenzymfarm können Polymere schneller abgebaut werden und zusätzlich die Vorgänge an der Elektrode katalysiert werden.The innovations of a biogas plant according to the invention include the insertion of an anode into the fermenter and the stabilization of the processes taking place in the fermenter via the application of a specific potential. In process limitations, the potential of the anode is shifted to the positive to facilitate the delivery of electrons to the anode. Thus, the reduction of the concentration of organic acids and the hydrogen partial pressure is promoted. If the fermenter should run under standard conditions, the potential is not influenced from the outside and thus fall to values of about -200 mV against a normal hydrogen electrode. An exoenzyme farm also helps in the breakdown of complex biopolymers and makes them more accessible to the gezer. In addition, the formed laccases can catalyze the reactions at the cathode. By introducing an anode into the fermenter chamber, which is colonized with exoelektrogenen bacteria, the accumulation of organic acids can be counteracted, and thus the increase in hydrogen concentration and a consequent decrease in the pH can be prevented. By introducing exoenzymes from the Exoenzyme farm, polymers can be broken down more quickly and, in addition, the processes at the electrode can be catalyzed.

All dies ermöglicht eine Kontrolle der Vorgänge in dem Biogas-Fermenter, die Stabilisation der Abläufe im Fermenter, und eine zusätzliche Stromproduktion über eine mikrobielle Brennstoffzelle. Insbesondere können exoelektrogene Organismen an der in den Fermenter eingesetzten Anode im Fermenterraum Wasserstoff und/oder niedere Fettsäuren veratmen. Somit kann der Wasserstoffpartialdruck erniedrigt werden (Elektrosyntrophie) und niedere Fettsäuren, welche zu einer Erniedrigung des pH-Werts beitragen können, entfernt werden (Elektrogenese). Eine Kathode an der Außenseite des Fermenters bildet die Gegenelektrode für die Anode und ermöglicht die Produktion von elektrischer Energie. In einer Exoenzymfarm werden Enzyme für die Kathode und den Fermenter produziert. Dies ermöglicht eine Vorbehandlung der Substrate zum besseren Aufschluss, eine schnellere Verwertung der Substrate und höhere Biogaserträge. Laccasen wirken an der Kathode als Katalysator und ermöglichen so eine höhere Energiegewinnung.All this makes it possible to control the processes in the biogas fermenter, to stabilize the processes in the fermenter, and to generate additional electricity via a microbial fuel cell. In particular, exoelectrogenic organisms can breathe hydrogen and / or lower fatty acids in the fermenter space in the fermenter used in the fermenter. Thus, the hydrogen partial pressure can be lowered (electrosyntrophy) and lower fatty acids, which can contribute to a lowering of the pH, are removed (electrogenesis). A cathode on the outside of the fermenter forms the counter electrode for the anode and allows the production of electrical energy. Enzymes for the cathode and fermenter are produced in an exoenzyme farm. This allows a pre-treatment of the substrates for better digestion, a faster utilization of the substrates and higher biogas yields. Laccases act as a catalyst at the cathode and thus enable higher energy production.

Die Figuren zeigen:

  • 1: Schematische Darstellung der Prozesse in einem Biogas-Fermenter, insbesondere der Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und Methanogenese.
  • 2: Schematischer Aufbau der erfindungsgemäßen Elektrobiogasanlage. Die Anode befindet sich im Inneren des Fermenters. An der Oberfläche der Anode befinden sich exoelektrogene Bakterien. Diese unterstützen die Acetogenese durch Elektrogenese und erniedrigen den Wasserstoffpartialdruck mittels Elektrosyntrophie. Die Kathode befindet sich außen am Fermenter und überträgt die Elektronen auf Sauerstoff.
  • 3: Modell der aeroben Exoenzymfarm außerhalb des Biogas-Fermenters. Die Produktion von Polymer-abbauenden Enzymen, die durch die Kathode in den Fermenter geleitet werden, erleichtert den Substratzugang für die gärenden Bakterien. Die in der Exoenzymfarm entstehenden Laccasen erhöhen das Potential an der Kathode durch Katalyse der Sauerstoffreduktion.
The figures show:
  • 1 : Schematic representation of the processes in a biogas fermenter, in particular the hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis.
  • 2 : Schematic structure of the electrobiogas plant according to the invention. The anode is located inside the fermenter. On the surface of the anode are exoelektrogene bacteria. These support acetogenesis by electrogenesis and lower the partial pressure of hydrogen by means of electrosyntrophy. The cathode is located on the outside of the fermenter and transfers the electrons to oxygen.
  • 3 : Model of the aerobic Exoenzyme farm outside the biogas digester. The production of polymer-degrading enzymes, which are passed through the cathode into the fermenter, facilitates the substrate access for the fermenting bacteria. The laccases produced in the exoenzyme farm increase the potential at the cathode by catalyzing the oxygen reduction.

Die vorliegende Erfindung wird anhand des folgenden, nicht-einschränkenden Beispiels näher erläutert.The present invention will be further illustrated by the following non-limiting example.

Beispiel 1:Example 1:

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird eine mikrobielle Brennstoffzelle mit einem Biogas-Fermenter kombiniert (2). Dadurch wird eine Effizienzsteigerung der Biogasbildung erreicht. Dafür werden an einer Anode exoelektrogene Organismen angesiedelt, die den Biogas-Prozess stabilisieren. Diese Organismen können Produkte der Acidogenese wie Formiat, Lactat oder Propionat verstoffwechseln und damit die Acetogenese entlasten. Außerdem sind sie in der Lage, H2 als Elektronendonor zu verwenden und tragen somit dazu bei, den Wasserstoffpartialdruck zu senken. Dieser Prozess ist durch das Einstellen eines bestimmten Anodenpotentials regulierbar. Für diese Prozesse wird die Bezeichnung Elektrogenese bzw. Elektrosyntrophie vorgeschlagen (2).In the context of the present invention, a microbial fuel cell is combined with a biogas fermenter ( 2 ). This will increase the efficiency of biogas production. For this purpose, anoelektrogene organisms are settled at an anode, which stabilize the biogas process. These organisms can metabolize products of acidogenesis such as formate, lactate or propionate and thus relieve the acetogenesis. In addition, they are able to use H 2 as an electron donor and thus contribute to lower the hydrogen partial pressure. This process is adjustable by setting a certain anode potential. For these processes, the term electrogenesis or electrosyntrophy is proposed ( 2 ).

Weiter wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Exoenzymfarm der Abbau der Biomasse beschleunigt. Dazu werden aerob lebende Mikroorganismen in einem extra Kompartiment außerhalb des Biogas-Fermenters gezüchtet (3). Diese Mikroorganismen produzieren vor allem Cellulasen und Laccasen, wobei erstere vornehmlich beim Abbau der Biopolymere helfen, und letztere die Reaktion an der Kathode beschleunigen. Die produzierten Enzyme werden über die Kathode in den Fermenter geleitet und beschleunigen dort den Substratabbau (3).Further, according to the present invention, the degradation of the biomass is accelerated by an exoenzyme farm. For this purpose, aerobically living microorganisms are grown in an extra compartment outside the biogas fermenter ( 3 ). These microorganisms mainly produce cellulases and laccases, the former primarily helping to break down the biopolymers and the latter accelerating the reaction at the cathode. The produced enzymes are passed through the cathode into the fermenter and there accelerate the degradation of the substrate ( 3 ).

Die Effizienzsteigerung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von Biogas und Erzeugung von elektrischer Energie wird somit durch folgende Faktoren erreicht:

  1. (i) Die polymere Biomasse wird schneller abgebaut.
  2. (ii) Die Biomasse hat eine kürzere Verweilzeit im Fermenter.
  3. (iii) Ein Teil der Biomasse wird direkt in elektrische Energie umgewandelt, ohne Konversion aus Methan.
  4. (iv) Die Abläufe im Fermenter werden durch die Anode stabilisiert und möglichen Störungen dieser Abläufe entgegengewirkt.
  5. (v) Die Reaktionen an der Kathode werden katalysiert.
The increase in efficiency of the device according to the invention for the production of biogas and production of electrical energy is thus achieved by the following factors:
  1. (i) The polymeric biomass is degraded faster.
  2. (ii) The biomass has a shorter residence time in the fermenter.
  3. (iii) Part of the biomass is converted directly into electrical energy without conversion from methane.
  4. (iv) The processes in the fermenter are stabilized by the anode and possible disturbances of these processes counteracted.
  5. (v) The reactions at the cathode are catalyzed.

Claims (15)

Vorrichtung zur Herstellung von Biogas und zur Erzeugung von elektrischer Energie, enthaltend einen Biogas-Fermenter, eine Anode, wobei die Anode an der Innenseite des Biogas-Fermenters angebracht ist, während des Betriebs des Biogas-Fermenters zumindest teilweise in Kontakt mit der in dem Biogas-Fermenter befindlichen Biomasse steht, und mit exoelektrogenen Bakterien besiedelbar ist, eine Kathode, wobei die Kathode an der Außenseite des Biogas-Fermenters angebracht ist, elektrisch mit der Anode verbunden ist, und von der Anode durch einen ionendurchlässigen Separator getrennt ist, und eine Exoenzymfarm, wobei die Exoenzymfarm außerhalb des Biogas-Fermenters angeordnet ist, mit Biomasse beschickbar ist, und in der Exoenzymfarm befindliche Biomasse mit aerob lebenden Mikroorganismen besiedelt ist, und wobei in der Exoenzymfarm von den aerob lebenden Mikroorganismen produzierte Enzyme von der Exoenzymfarm über eine Leitung in den Biogas-Fermenter einleitbar sind.Apparatus for producing biogas and for generating electrical energy, containing a biogas digester, an anode, the anode attached to the inside of the biogas digester, during operation of the biogas fermenter is at least partially in contact with the located in the biogas digester biomass, and is colonizable with exoelektrogenen bacteria, a cathode, wherein the cathode attached to the outside of the biogas digester, is electrically connected to the anode, and is separated from the anode by an ion permeable separator, and an exoenzyme farm, the exoenzyme farm is arranged outside the biogas digester, can be fed with biomass, and biomass in the exoenzyme farm is colonized with aerobically living microorganisms, and wherein in the Exoenzymfarm produced by the aerobically living microorganisms enzymes from the Exoenzymfarm via a line in the biogas fermenter can be introduced. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Anode und/oder die Kathode aus Kohlenstoffmaterialien, Stahl oder Titan besteht.Device after Claim 1 wherein the anode and / or the cathode consists of carbon materials, steel or titanium. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Kohlenstoffmaterialien Graphitgewebe, Aktivkohlegewebe oder Kohlenstoff-Nanoröhren sind.Device after Claim 2 wherein the carbon materials are graphite, carbonized or carbon nanotubes. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anode durch in der Biomasse vorhandene exoelektrogene Bakterien besiedelt ist.Device according to one of Claims 1 to 3 wherein the anode is populated by exoelectrogenic bacteria present in the biomass. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anode durch Vorinkubation mit exoelektrogenen Bakterien mit diesen besiedelt ist.Device according to one of Claims 1 to 3 in which the anode is colonized by preincubation with exoelectrogenic bacteria. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die exoelektrogenen Mikroorganismen Mitglieder der Gattung Geobacter oder Mitglieder der Gattung Shewanella sind.Device according to one of Claims 1 to 5 wherein the exoelektrogenen microorganisms are members of the genus Geobacter or members of the genus Shewanella. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kathode eine luftatmende Kathode ist.Device according to one of Claims 1 to 6 wherein the cathode is an air breathing cathode. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kathode über einen externen Stromkreislauf mit der Anode verbunden ist.Device according to one of Claims 1 to 7 wherein the cathode is connected to the anode via an external circuit. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der ionendurchlässige Separator eine für H+-Ionen durchlässige Membran ist.Device according to one of Claims 1 to 8th wherein the ion permeable separator is an H + ion permeable membrane. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die aerob lebenden Mikroorganismen Cellulasen und Laccasen produzierende Bakterien oder Pilze sind.Device according to one of Claims 1 to 9 wherein the aerobic microorganisms are cellulases and laccases producing bacteria or fungi. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die aerob lebenden Mikroorganismen Mitglieder der Gattung Trametes oder Mitglieder der Gattung Streptomyces sind. Device after Claim 10 , wherein the aerobic microorganisms are members of the genus Trametes or members of the genus Streptomyces. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die in der Exoenzymfarm von den aerob lebenden Mikroorganismen produzierten Enzyme Cellulasen und Laccasen sind.Device according to one of Claims 1 to 11 in which the enzymes produced in the exoenzyme farm by the aerobic microorganisms are cellulases and laccases. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die von den aerob lebenden Mikroorganismen produzierten Enzyme von der Exoenzymfarm über eine Leitung durch den Kathodenraum in den Biogas-Fermenter einleitbar sind.Device according to one of Claims 1 to 12 in which the enzymes produced by the aerobically living microorganisms can be introduced from the exoenzyme farm via a line through the cathode space into the biogas fermenter. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Exoenzymfarm weiter eine Sprinkleranlage zur Bewässerung der aerob lebenden Mikroorganismen enthält.Device according to one of Claims 1 to 13 wherein the exoenzyme farm further contains a sprinkler system for irrigating the aerobic microorganisms. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Herstellung von Biogas und Erzeugung von elektrischer Energie.Use of a device according to one of Claims 1 to 14 for the production of biogas and production of electrical energy.
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