DE102014101838A1 - Process for the production of biogas from biomass - Google Patents

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Uwe Deppenmeier
Kati Waßmann
Sarah Refai
Stefanie Berger
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Rheinische Friedrich Wilhelms Universitaet Bonn
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P5/00—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
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    • C12P5/023—Methane
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    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse, wobei Biomasse in einem Fermentierungsreaktor bereit gestellt wird, und wobei man der Biomasse Ethanol in einem Bereich von ≥ 0,01 Vol.-% bis ≤ 1,5 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Biomasse im Fermentierungsreaktor, zusetzt, sowie die Verwendung von Ethanol insbesondere Ethanol-haltiger Lösung oder Ethanol-haltigen Gärgutes zur Steigerung der Ausbeute der fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse.The invention relates to a method for the fermentative production of biogas from biomass, wherein biomass is provided in a fermentation reactor, and wherein the biomass ethanol in a range of ≥ 0.01 vol .-% to ≤ 1.5 vol .-%, based on the total volume of biomass in the fermentation reactor, added, as well as the use of ethanol in particular ethanol-containing solution or ethanol-containing digestate to increase the yield of fermentative production of biogas from biomass.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Erzeugung von Biogas aus Biomasse in Biogasanlagen.The invention relates to the field of biogas production from biomass in biogas plants.

Biogasanlagen erzeugen Methan zur Verwendung in der Strom- und Wärmeerzeugung aus erneuerbaren Rohstoffen. Das Methan wird hierbei durch einen mikrobiellen Abbauprozess von organischem Material erzeugt. Dabei entsteht in einem mehrstufigen Prozess der Vergärung der so genannten Biomasse durch die Aktivität von anaeroben Mikroorganismen ein Methan- und Kohlendioxidhaltiges Gasgemisch, das üblicherweise als Biogas bezeichnet wird. Als Biomasse werden hauptsächlich tierische Exkremente und gezielt angebaute Energiepflanzen wie Mais, Getreide und Gras eingesetzt. Von geringer Bedeutung sind Bioabfälle und Reststoffe aus Industrie und Landwirtschaft. Das organische Material wird durch die Stoffwechseltätigkeit der Mikroorganismen in vier ineinander greifenden biochemischen Einzelprozessen der Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und Methanogenese zu Methan und Kohlendioxid abgebaut.Biogas plants produce methane for use in power and heat generation from renewable resources. The methane is produced by a microbial decomposition process of organic material. In a multi-step process of fermentation of the so-called biomass by the activity of anaerobic microorganisms, a methane and carbon dioxide-containing gas mixture, which is commonly referred to as biogas. The main biomass used are animal excrements and targeted energy crops such as corn, cereals and grass. Of minor importance are biowaste and residues from industry and agriculture. The organic matter is degraded to methane and carbon dioxide by the metabolic activity of the microorganisms in four interlinked biochemical single processes of hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis.

Durch die Hydrolyse werden hochmolekulare organische Verbindungen wie Polysaccharide, Fette oder Proteine in lösliche Spaltprodukte wie Oligo- und Monosaccharide, Fettsäuren oder Oligopeptide beziehungsweise Aminosäuren überführt. Im Schritt der Acidogenese werden die Hydrolyseprodukte wie Zucker, Aminosäuren, Purine, Pyrimidine, Fettsäuren und Glycerol zu kurzkettigen Fett- oder Carbonsäuren wie Butter-, Propion- und Essigsäure und in geringem Ausmaß zu kurzkettigen Alkoholen wie Ethanol und Propanol abgebaut. Hierbei entstehen als gasförmige Nebenprodukte Wasserstoff und Kohlendioxid. In der Acetogenese UD 40563/SAM:AL werden die in der Acidogenese gebildeten kurzkettigen Fett- und Carbonsäuren sowie die kurzkettigen Alkohole von acetogenen Bakterien zu Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoffumgewandelt. Die Produkte der Acetogenese wie Essigsäure werden durch Methan-bildende Organismen (acetiklastische methanogene Archaea) in der obligat anaerob verlaufenden Methanogenese zu Methan und Kohlendioxid umgesetzt. Ebenso wird Methan aus Kohlendioxid und Wasserstoff durch hydrogenotrophe methanogene Archaea produziert. Diese Fermentationsprozesse laufen in üblichen Biogasanlagen gleichzeitig in einem Fermenter oder Fermentationsreaktor genannten Gärbehälter unter anaeroben Bedingungen bei Temperaturen im Bereich von 30–40°C (mesophil) oder 50–60°C (thermophil) ab.By hydrolysis, high molecular weight organic compounds such as polysaccharides, fats or proteins are converted into soluble cleavage products such as oligo- and monosaccharides, fatty acids or oligopeptides or amino acids. In the acidogenesis step, the hydrolysis products such as sugars, amino acids, purines, pyrimidines, fatty acids and glycerol are degraded to short chain fatty or carboxylic acids such as butyric, propionic and acetic acids and to a lesser extent short chain alcohols such as ethanol and propanol. This produces as gaseous by-products of hydrogen and carbon dioxide. In the acetogenesis UD 40563 / SAM: AL, the short-chain fatty acids and carboxylic acids formed in acidogenesis and the short-chain alcohols of acetogenic bacteria are converted to acetic acid, carbon dioxide and hydrogen. The products of acetogenesis, such as acetic acid, are converted to methane and carbon dioxide by methane-forming organisms (aceto-elastic methanogenic archaea) during obligate anaerobic methanogenesis. Likewise, methane is produced from carbon dioxide and hydrogen by hydrogenotrophic methanogenic archaea. These fermentation processes take place in conventional biogas plants simultaneously in a fermenter under a fermenter or fermentation reactor under anaerobic conditions at temperatures in the range of 30-40 ° C (mesophilic) or 50-60 ° C (thermophilic) from.

Die Methanproduktion ist insgesamt ein komplexer mikrobieller Prozess, dessen einzelne Geschwindigkeits-limitierende Schritte von der Tätigkeit der Mikroorganismen abhängen, so dass die Gasproduktion durch herkömmliche Verfahren nicht wesentlich gesteigert werden kann. Die Erzeugung von Biogas aus Biomasse bedarf daher einer steten Verbesserung der Reaktionsführung zur Erhöhung der Ausbeute. Die Schrift EP 0 152 730 beschreibt beispielsweise ein Biomethanisierungsverfahren, bei welchem eine Methanisierung in zwei hintereinander angeordneten Fermentern erfolgt, wobei ein flüssiger Abfluss, der einen Überschuss an nicht methanisierten Säuren und Alkoholen enthält, aus dem ersten in den zweiten Fermenter abgeleitet und dort methanisiert wird. Nach dessen Methanisierung wird ein neutraler oder alkalischer Abfluss, der praktisch keine methanisierbaren Verbindungen mehr enthält, zur Einstellung des pH-Wertes in den ersten Fermenter rückgeführt. Hierbei wird in zwei Fermentern parallel Biogas erzeugt, wobei jedoch ein sehr hoher prozessualer Aufwand erforderlich ist.Overall, methane production is a complex microbial process whose single rate-limiting steps depend on the activity of the microorganisms so that gas production can not be significantly increased by conventional methods. The production of biogas from biomass therefore requires a constant improvement of the reaction regime to increase the yield. The font EP 0 152 730 describes, for example, a biomethanization process in which methanation takes place in two successive fermenters, wherein a liquid effluent containing an excess of unmethanated acids and alcohols is derived from the first into the second fermenter and methanated there. After its methanation, a neutral or alkaline effluent, which contains virtually no more methanizable compounds, is recycled to adjust the pH in the first fermenter. In this case, biogas is generated in two fermenters in parallel, but a very high procedural effort is required.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas mit verbesserter Methanausbeute zur Verfügung zu stellen.The present invention was based on the object to provide a method for producing biogas with improved methane yield available.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse, wobei die Biomasse in einem Fermentierungsreaktor bereit gestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man der Biomasse Ethanol in einem Bereich von ≥ 0,01 Vol.-% bis ≤ 1,5 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Biomasse im Fermentierungsreaktor, zusetzt.This object is achieved by a method for the fermentative production of biogas from biomass, wherein the biomass is provided in a fermentation reactor, characterized in that the biomass ethanol in a range of ≥ 0.01 vol .-% to ≤ 1.5 Vol .-%, based on the total volume of biomass in the fermentation reactor, added.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch die Zugabe von Ethanol oder ethanolhaltigen Lösungen insbesondere auch in Form von ethanolhaltigem Gärgut die Menge an gebildetem Methan deutlich gesteigert wird. So konnte die Bildung von Methan durch den Zusatz von Ethanol im Vergleich zum Standardbetrieb im Labormaßstab von 2,3 μmol CH4 pro Gramm Biomasse pro Stunde (1,24 NL CH4/kg d) auf 3,7 μmol CH4 pro Gramm Biomasse pro Stunde (1,99 NL CH4/kg d) entsprechend einer Zunahme von bis zu 60% gesteigert werden. Untersuchungen konnten zeigen, dass die Methanproduktion, die unter üblichen Bedingungen in einer Biogasanlage in der Biomasse abläuft, durch die Zugabe von Ethanol nicht gestört wird. Dies bedeutet, dass die normale Methanproduktion mit 100% Auslastung weiterhin stattfindet, und die Zugabe von Ethanol in einer bestehenden Anlage zur Erzeugung von darüber hinaus gehendem Methan führt.Surprisingly, it has been shown that the amount of methane formed is markedly increased by the addition of ethanol or ethanol-containing solutions, especially in the form of ethanol-containing fermentation. Thus, the formation of methane by the addition of ethanol compared to the standard operation on a laboratory scale of 2.3 .mu.mol CH 4 per gram of biomass per hour (1.24 NL CH 4 / kg d) to 3.7 .mu.mol CH 4 per gram of biomass per hour (1.99 NL CH 4 / kg d) corresponding to an increase of up to 60%. Investigations have shown that the methane production, which takes place under normal conditions in a biogas plant in the biomass, is not disturbed by the addition of ethanol. This means that normal methane production continues at 100% utilization, and the addition of ethanol in an existing plant will result in the production of excess methane.

Im Reaktor kann eine Oxidation von Ethanol zu Acetat im Gegensatz zur Propionat/Butyrat-Oxidation ungeachtet des Wasserstoff-Partialdrucks in allen Bereichen und Mikrokompartimenten der Biomasse ohne weiteres stattfinden, insbesondere auch in einer Umgebung, die zeitweise in Bezug auf eine Oxidation von Butyrat und Propionat in der Acetogenese inaktiv ist. Ohne auf eine bestimmte Theorie festgelegt zu sein, wird angenommen, dass die erfindungsgemäße Zugabe von Ethanol dazu führt, dass Engpässe des Geschwindigkeits-bestimmenden Schritts der Methanproduktion umgangen werden, so dass der Gesamtdurchsatz und die Ausbeute pro Zeiteinheit erhöht wird. Weiterhin konnte festgestellt werden, dass die Zugabe von Ethanol oder ethanolhaltigem Gärgut nicht zu einer Versäuerung der Biomasse im Fermentierungsreaktor führte.In contrast to the propionate / butyrate oxidation, regardless of the hydrogen partial pressure, oxidation of ethanol to acetate in all areas and microcompartments of the biomass can readily take place in the reactor, in particular in an environment that is temporarily inactive for oxidation of butyrate and propionate in acetogenesis. Without being bound to any particular theory, it is believed that the addition of ethanol according to the invention results in bypassing bottlenecks in the rate-determining step of methane production, thereby increasing the overall throughput and yield per unit time. Furthermore, it was found that the addition of ethanol or ethanol-containing digestate did not lead to acidification of the biomass in the fermentation reactor.

Zudem konnte festgestellt werden, dass ein signifikanter Anstieg der Methanproduktion bereits innerhalb von zwei Stunden nach der Zugabe von Ethanol erfolgte. Dies erlaubt eine rasche Anpassung der Methanproduktion einer Biogasanlage an einen im Tagesverlauf und saisonal schwankenden Energiebedarf.In addition, it was found that a significant increase in methane production already occurred within two hours after the addition of ethanol. This allows a rapid adaptation of the methane production of a biogas plant to a fluctuating energy demand during the day and seasonally.

Die Zugabe von Ethanol führt weiter zu einer Erhöhung des Methananteils im Biogas, wodurch sich der Energiegehalt des Biogases erhöht. So wird ein Molekül Ethanol zu 1,5 Molekülen Methan umgewandelt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da ein höherer Methananteil zu einer höheren Qualität des Biogases führt und die Aufarbeitung des Biogases vor der Einspeisung in das Gasnetz erleichtert.The addition of ethanol further leads to an increase in the methane content in the biogas, which increases the energy content of the biogas. So a molecule of ethanol is converted to 1.5 molecules of methane. This is particularly advantageous because a higher methane content leads to a higher quality of the biogas and facilitates the workup of the biogas before being fed into the gas network.

Unter dem Begriff „Biogas” ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein methanhaltiges Gasgemisch, das als Produkt eines anaeroben mikrobiellen Abbaus organischen Materials entsteht, zu verstehen. Biogas kann bezogen auf sein Gesamtvolumen im Bereich von ≥ 45 Vol.-% bis ≤ 70 Vol.-% Methan, im Bereich von ≥ 30 Vol.-% bis ≤ 55 Vol.-% Kohlendioxid und geringe Anteile an Wasserdampf und Spurengasen wie N2, NH3, H2S und H2 enthalten. Es versteht sich, dass ein Gesamtvolumen von 100 Vol.-% hierbei nicht überschritten wird.For the purposes of the present invention, the term "biogas" is to be understood as meaning a methane-containing gas mixture which is produced as the product of an anaerobic microbial degradation of organic material. Based on its total volume, biogas can range from ≥ 45% by volume to ≤ 70% by volume of methane, from ≥ 30% by volume to ≤ 55% by volume of carbon dioxide and small amounts of water vapor and trace gases such as N 2 , NH 3 , H 2 S and H 2 . It is understood that a total volume of 100 vol .-% is not exceeded here.

Unter dem Begriff „Biomasse” ist im Sinne der vorliegenden Erfindung der Inhalt eines Fermentationsreaktors zu verstehen, der zur fermentativen Erzeugung von Biogas genutzt wird. Die Biomasse umfasst Gärsubstrat, Gärrest und anorganische Stoffe wie Salze und Sand in einem wäßrigen Milieu, das mit Mikroorganismen durchsetzt ist. Die Biomasse kann im Sinne dieser Erfindung auch Ethanol, Ethanol-haltige Lösung oder Ethanol-haltiges Gärgut beinhalten.For the purposes of the present invention, the term "biomass" is to be understood as meaning the content of a fermentation reactor which is used for the fermentative production of biogas. The biomass comprises fermentation substrate, digestate and inorganic substances such as salts and sand in an aqueous environment interspersed with microorganisms. For the purposes of this invention, the biomass may also include ethanol, ethanol-containing solution or ethanol-containing fermentation product.

Um die mikrobiologischen Abläufe in der Biomasse aufrecht zu erhalten, wird frisches Gärsubstrat zugeführt und der Gärrest abgeführt. Geeignet als Gärsubstrat sind nachwachsende pflanzliche Rohstoffe, vergärbare tierische Abfälle sowie andere organische Rückstände aus Landwirtschaft und Viehzucht. Beispiele für geeignetes Gärsubstrat sind insbesondere pflanzliche Rohstoffe, Pflanzenbestandteile wie Grünschnitt, Pflanzensilagen wie Maissilage, Grassilage und Getreidesilagen und tierische Fäkalien.In order to maintain the microbiological processes in the biomass, fresh fermentation substrate is supplied and the digestate is removed. Suitable fermentation substrates are renewable vegetable raw materials, fermentable animal waste and other organic residues from agriculture and livestock. Examples of suitable fermentation substrate are in particular vegetable raw materials, plant components such as green waste, plant silage such as corn silage, grass silage and grain silage and animal feces.

Der Begriff „Schlempe” bezeichnet die Rückstände einer Destillation von ehanol-haltigem Fermentationsgut, wobei Ethanol im Zuge der Destillation entfernt wird und ein Rückstand aus Eiweißen, Fetten und Mineralstoffen zurückbleibt.The term "vinasse" refers to the residues of a distillation of ethanol-containing fermentation product, whereby ethanol is removed in the course of the distillation and a residue of proteins, fats and minerals remains.

Unter dem Begriff „ethanolhaltiges Gärgut” ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Material zu verstehen, das durch eine ethanolische Fermentation geeigneter Substrate insbesondere in einem Vorfermentierungsreaktor gewonnen wird. Geeignete Substrate zur Erzeugung von ethanolhaltigem Gärgut sind nachwachsende pflanzliche Rohstoffe und vergärbare organische Abfälle sowie andere Rückstände aus der Landwirtschaft. Beispiele für geeignete Rohstoffe zur Erzeugung von ethanolhaltigem Gärgut sind Pflanzen mit hohen Gehalten an Zucker oder Stärke wie Mais oder andere Pflanzen und pflanzliche Reststoffe wie Stroh, Holzreste und Landschaftspflegegut.For the purposes of the present invention, the term "ethanol-containing fermentation product" is to be understood as meaning a material which is obtained by an ethanolic fermentation of suitable substrates, in particular in a pre-fermentation reactor. Suitable substrates for the production of ethanol-containing fermentation material are renewable vegetable raw materials and fermentable organic waste as well as other residues from agriculture. Examples of suitable raw materials for the production of ethanol-containing digestate are plants with high levels of sugar or starch such as corn or other plants and plant residues such as straw, wood residues and landscape care.

Der Begriff „Fermentierungsreaktor” bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung einen Bereich einer Biogasanlage insbesondere ein Gefäß, in dem ein mikrobieller Abbau der Biomasse unter Erzeugung von Biogas stattfindet. Die Begriffe „Fermentierungsreaktor”, „Reaktor” und „Fermenter” werden vorliegend synonym verwendet, wobei dieser im Unterschied zu einem Vorfermenter auch als Hauptfermenter bezeichnet werden kann.The term "fermentation reactor" in the context of the present invention refers to a region of a biogas plant, in particular a vessel, in which a microbial degradation of the biomass takes place with generation of biogas. The terms "fermentation reactor", "reactor" and "fermenter" are used interchangeably herein, and this may be referred to as a main fermenter in contrast to a pre-fermenter.

Der Begriff „Vorfermentierungsreaktor” bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung einen Bereich einer Biogasanlage insbesondere ein Gefäß, in dem Ethanol-haltiges Gärgut und/oder eine Ethanol-haltige Lösung insbesondere aus nachwachsenden Rohstoffen oder organischen Abfällen durch alkoholische Gärung erzeugt wird. Die Begriffe Vorfermentierungsreaktor und Vorfermenter werden vorliegend synonym verwendet.The term "pre-fermentation reactor" in the context of the present invention refers to a region of a biogas plant, in particular a vessel in which ethanol-containing fermentation product and / or an ethanol-containing solution is produced, in particular from renewable resources or organic waste by alcoholic fermentation. The terms pre-fermentation reactor and pre-fermenter are used interchangeably herein.

Unter dem Begriff „Fermentierung” wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine anaerobe wie auch eine aerobe Stoffumwandlung durch Mikroorganismen verstanden, die zur Erzeugung eines Produktes wie Biogas oder Ethanol aus dem eingesetzten Substrat führt. Synonym wird der Begriff Gärung verwendet.For the purposes of the present invention, the term "fermentation" means an anaerobic as well as an aerobic substance conversion by microorganisms, which leads to the production of a product such as biogas or ethanol from the substrate used. The term fermentation is used synonymously.

Unter dem Begriff „Gärrest” ist im Sinne der vorliegenden Erfindung der Rückstand nach einer Fermentation zu verstehen, insbesondere Rückstände der Fermentation zur Biogaserzeugung im Hauptfermenter. Der Rückstand umfasst nicht-fermentierbares organisches Material wie Holzbestandteile bzw. Lignin.For the purposes of the present invention, the term "fermentation residue" is to be understood as meaning the residue after a fermentation, in particular residues of the fermentation for producing biogas in the main fermenter. The residue comprises non-fermentable organic material such as wood components or lignin.

Der Begriff „Trockensubstanz” (TS) bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung den Anteil von Verbindungen eines Substrats oder eines Substratgemisches nach Trocknung bei 105°C für zwei Stunden. Die organische Trockensubstanz (oTS) ergibt sich aus der Differenz der Trockensubstanz und der anorganischen Restsubstanz nach Behandlung bei 550°C für 75 Minuten. In diesem Zusammenhang hat der Begriff „Verweildauer” die Bedeutung der mittleren Dauer, die ein Substrat in einem Fermenter verbringt. For the purposes of the present invention, the term "dry substance" (TS) denotes the proportion of compounds of a substrate or of a substrate mixture after drying at 105 ° C. for two hours. The dry organic matter (oTS) results from the difference between the dry substance and the inorganic residual substance after treatment at 550 ° C. for 75 minutes. In this context, the term "residence time" has the meaning of the mean duration that a substrate spends in a fermenter.

Der Begriff „Raumbelastung” bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung die Masse, angegeben in Kilogramm, der organischen Trockensubstanz, mit der der Hauptfermenter pro Kubikmeter Arbeitsvolumen (Biomasse) pro Tag beschickt wird.For the purposes of the present invention, the term "space load" denotes the mass, expressed in kilograms, of the organic dry matter with which the main fermenter is charged per cubic meter of working volume (biomass) per day.

Der Begriff „substrat-spezifische Methanausbeute” bezeichnet im Sinne der vorliegenden Erfindung die Menge an Methan angegeben in Normalkubikmeter Nm3 pro zugegebener Tonne an organischer Trockensubstanz.For the purposes of the present invention, the term "substrate-specific methane yield" denotes the amount of methane stated in normal cubic meters of Nm 3 per tonne of organic dry substance added.

Ethanol wird in einem Bereich von ≥ 0,01 Vol.-% bis ≤ 1,5 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Biomasse im Fermentierungsreaktor, zugesetzt. Geringere Ethanolanteile zeigen keine merkbare Steigerung der Ausbeute an Methan, während bei höheren Ethanolanteilen die Gefahr besteht, dass Ethanol toxisch auf die Mikroorganismen wirkt und dadurch ebenfalls die Ausbeute sinkt. In bevorzugten Ausführungsformen setzt man der Biomasse in dem Fermentierungsreaktor Ethanol in einem Bereich von ≥ 0,05 Vol.-% bis ≤ 0,5 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Biomasse im Fermentierungsreaktor, zu. In anderen Ausführungsformen kann man der Biomasse in dem Fermentierungsreaktor Ethanol in einem Bereich von ≥ 0,3 Vol.-% bis ≤ 0,6 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Biomasse im Fermentierungsreaktor, zusetzen. Verglichen mit einer Biogaserzeugung ohne Ethanolzusatz gesetzt zu 100% kann bei einer gepulsten Zugabe hierdurch eine kurzfristige Steigerung der Biomethanerzeugung um bis zu 300% erzielt werden, bei einer kontinuierlichen Zugabe eine dauerhafte Steigerung um ca. 27%.Ethanol is added in a range of ≥ 0.01 vol .-% to ≤ 1.5 vol .-%, based on the total volume of biomass in the fermentation reactor. Lower proportions of ethanol show no appreciable increase in the yield of methane, while with higher proportions of ethanol there is a risk that ethanol acts toxic to the microorganisms and thereby also the yield decreases. In preferred embodiments, ethanol is added to the biomass in the fermentation reactor in a range from ≥ 0.05% by volume to ≦ 0.5% by volume, based on the total volume of the biomass in the fermentation reactor. In other embodiments, ethanol may be added to the biomass in the fermentation reactor in a range of ≥ 0.3% by volume to ≤ 0.6% by volume, based on the total volume of biomass in the fermentation reactor. Compared with biogas production without ethanol addition set to 100%, a short-term increase in biomethane production by up to 300% can be achieved with a pulsed addition, with a continuous addition a permanent increase of about 27%.

Die Art der Ethanolzugabe ist variabel. Ethanol kann verdünnt oder unverdünnt zugesetzt werden, oder als Ethanol-haltige Lösung. Hierbei sind konzentrierte wie auch verdünnte Lösungen verwendbar. Ebenso wie reiner Ethanol ist vergällter Ethanol verwendbar, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden können. Entsprechend kann man in Ausführungsformen das Ethanol in Form von reinem oder vergälltem Ethanol oder einer Lösung von reinem oder vergälltem Ethanol mit einem Ethanolanteil im Bereich von ≥ 0,5 Vol.-% bis ≤ 100 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Ethanollösung, zusetzen.The type of ethanol addition is variable. Ethanol can be added diluted or undiluted, or as an ethanol-containing solution. In this case, concentrated as well as dilute solutions can be used. As well as pure ethanol, denatured ethanol is usable, whereby the manufacturing costs can be reduced. Accordingly, in embodiments, the ethanol may be in the form of pure or denatured ethanol or a solution of pure or denatured ethanol with an ethanol content in the range of ≥ 0.5 vol% to ≤ 100 vol%, based on the total volume of the ethanol solution , add.

Generell sind Lösungen von Ethanol mit Lösungsmitteln, die keine oder nahezu keine Toxizität für an der Methanbildung beteiligte Organismen zeigen, geeignet. Ein bevorzugtes Lösungsmittel ist Wasser. Insbesondere sind Ethanol-haltige Lösungen wässrige Lösungen.In general, solutions of ethanol with solvents that show no or almost no toxicity to organisms involved in methane formation are suitable. A preferred solvent is water. In particular, ethanol-containing solutions are aqueous solutions.

Reiner Ethanol wie auch vergällter Ethanol sind in unverdünnter Form oder in Form konzentrierter Lösungen mit einem Ethanolanteil im Bereich von ≥ 0,5 Vol.-% bis ≤ 100 Vol.-% bezogen auf das Gesamtvolumen kommerziell erhältlich. Vergällter Ethanol ist wesentlich kostengünstiger und ohne Nachteile in Bezug auf Fermentationsabläufe für die Biogaserzeugung verwendbar. Ebenso sind verdünnte Ethanollösungen verwendbar. Die Auswahl einer konzentrierten oder verdünnten Lösung kann sich nach deren Verfügbarkeit oder der Viskosität bzw. Fluidität der Biomasse im Fermenter richten.Pure ethanol as well as denatured ethanol are commercially available in undiluted form or in the form of concentrated solutions with an ethanol content in the range from ≥ 0.5% by volume to ≤ 100% by volume, based on the total volume. Denatured ethanol is much less expensive and usable without disadvantages with respect to fermentation processes for biogas production. Likewise, dilute ethanol solutions are usable. The choice of a concentrated or diluted solution may depend on its availability or the viscosity or fluidity of the biomass in the fermenter.

Ein Beispiel verdünnter Lösungen sind insbesondere Alkohol-haltige Getränke, die einen Ethanolanteil im Bereich von ≥ 0,5 Vol.-% bis ≤ 80 Vol.-% bezogen auf das Gesamtvolumen aufweisen können. So sind Bier und andere alkoholische Getränke ohne Nachteile für die Biogaserzeugung auch nach Ablauf des Verfallsdatums verwendbar.An example of dilute solutions are, in particular, alcohol-containing beverages which may have an ethanol content in the range from ≥ 0.5% by volume to ≦ 80% by volume, based on the total volume. Thus, beer and other alcoholic beverages without drawbacks for biogas production can be used even after the expiration date.

Beispielsweise kann einer in Normalbetrieb arbeitenden Biogasanlage eine ethanolische Lösung mit einem Ethanolgehalt im Bereich von ≥ 15 Vol.-% bis ≤ 100 Vol.-% bezogen auf das Gesamtvolumen, täglich zu einer finalen Ethanolkonzentration von 10 mM im Fermenter zugegeben werden. In einer üblichen Anlage entspricht dies etwa einer Zugabe von 0,58 m3 Ethanol pro Tag zu einem Fermenter mit einem Biomasse-Volumen von 1000 m3. Bei einer vollständigen Umsetzung des Ethanols zu Methan entstehen 336 Nm3 zusätzlich gewonnenes Methan, was einer Erhöhung der Methanerzeugung in einer normal-betriebenen Biogasanlage um 27% entspricht. Somit kann eine Gesamtausbeute an Methan von 127% verglichen mit einer konventionell betriebenen Biogasanlage erzielt werden.For example, an ethanolic solution with an ethanol content in the range of ≥ 15% by volume to ≤ 100% by volume, based on the total volume, of a final ethanol concentration of 10 mM in the fermenter can be added daily to a biogas plant operating in normal operation. In a conventional plant, this corresponds to an addition of 0.58 m 3 of ethanol per day to a fermenter with a biomass volume of 1000 m 3 . Complete conversion of the ethanol to methane produces 336 Nm 3 of additional methane recovered, which corresponds to a 27% increase in methane production in a normally operated biogas plant. Thus, a total yield of methane of 127% compared to a conventionally operated biogas plant can be achieved.

Vorteilhaft ist insbesondere, dass die Methanerzeugung einem wechselnden Energiebedarf angepasst werden kann. So kann Ethanol in einer Konzentration zugegeben werden, die dem aktuellen Energiebedarf angepasst ist, beispielsweise in einer finalen Konzentration in einem Bereich ≥ 1,5 mM bis ≤ 260 mM, insbesondere ≥ 10 mM bis ≤ 200 mM. Weiterhin führt eine Ethanolzugabe bereits innerhalb von zwei Stunden nach der Zugabe, zu einem Anstieg der Methanproduktion. Dies erlaubt eine flexible Anpassung der Biogas- bzw. Methanerzeugung an einen abhängig von Tages- und jahreszeitlich schwankenden Strombedarf.It is particularly advantageous that the production of methane can be adapted to a changing energy requirement. Thus, ethanol can be added in a concentration which is adapted to the current energy requirement, for example in a final concentration in a range ≥ 1.5 mM to ≦ 260 mM, in particular ≥ 10 mM to ≦ 200 mM. Furthermore, an addition of ethanol already within two hours after the addition leads to an increase in methane production. This allows flexible adaptation of biogas or methane production to one depending on daily and seasonal fluctuating power requirements.

Eine kostengünstige Ausführungsform der Steigerung der Methanausbeute der fermentativen Erzeugung von Biogas ist die Herstellung Ethanol-haltiger Lösungen und/oder Ethanol-haltigen Gärguts in der Biogasanlage selber, beispielsweise in weiteren Fermentern, insbesondere Vorfermentern, in denen pflanzliche Rohstoffe einer alkoholischen Gärung unterworfen werden. Das Ethanol-haltige Gärgut insgesamt und/oder Ethanol-haltige Lösungen, beispielsweise ein Überstand oder ein Destillat, können aus einem Vorfermenter, in dem die alkoholische Gärung stattfindet, in den Haupt- oder Fermentierungsreaktor eingeleitet werden.A cost-effective embodiment of increasing the methane yield of the fermentative production of biogas is the production of ethanol-containing solutions and / or ethanol-containing fermented in the biogas plant itself, for example in other fermenters, especially pre-fermenters, in which vegetable raw materials are subjected to alcoholic fermentation. The ethanol-containing digestate overall and / or ethanol-containing solutions, for example a supernatant or a distillate, can be introduced from a pre-fermenter in which the alcoholic fermentation takes place in the main or fermentation reactor.

Bevorzugt ist die Beimischung von Ethanol in Form Ethanol-haltigen Gärguts, da hierdurch der Inhalt des Vorfermenters ohne weitere Aufarbeitung oder Zwischenschritte verwendet werden kann. Eine energieverbrauchende Destillation kann hierbei entfallen, da das Gärgut insgesamt in die Biogaserzeugung eingeht und zu Methan umgesetzt werden kann. In bevorzugten Ausführungsformen mischt man der Biomasse im Fermentierungsreaktor bzw. Hauptfermentierungsreaktor Ethanol-haltiges Gärgut enthaltend Ethanol in einem Bereich von ≥ 0,5 Vol.-% bis ≤ 20 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des ethanolhaltigen Gärgutes, bei. Ein Ethanolanteil von ca. 20 Vol.-% ist durch eine alkoholische Gärung erreichbar. Das Ethanol-haltige Gärgut kann Ethanol in einem Bereich von ≥ 0,5 Vol.-% bis ≤ 15 Vol.-%, vorzugsweise in einem Bereich von ≥ 5 Vol.-% bis ≤ 10 Vol.-% oder in einem Bereich von ≥ 10 Vol.-% bis ≤ 15 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Ethanol-haltigen Gärgutes, enthalten. Insbesondere ein Ethanolgehalt von ≥ 5 Vol.-% bis ≤ 10 Vol.-% oder ≥ 10 Vol.-% bis ≤ 15 Vol.-% ist in einem Vorfermenter in einer geeigneten Zeitspanne und mit guter Kontinuität erzielbar.Preference is given to the admixture of ethanol in the form of ethanol-containing fermentation product, since in this way the content of the pre-fermenter can be used without further work-up or intermediate steps. An energy-consuming distillation can be omitted here, since the digestate is included in the total biogas production and can be converted to methane. In preferred embodiments, the biomass in the fermentation reactor or main fermentation reactor is mixed with ethanol-containing digestate containing ethanol in a range of ≥ 0.5% by volume to ≦ 20% by volume, based on the total volume of the ethanol-containing fermentation product. An ethanol content of about 20% by volume can be achieved by alcoholic fermentation. The ethanol-containing fermentation product can ethanol in a range of ≥ 0.5 vol .-% to ≤ 15 vol .-%, preferably in a range of ≥ 5 vol .-% to ≤ 10 vol .-% or in a range of ≥ 10% by volume to ≤ 15% by volume, based on the total volume of the ethanol-containing fermentation product. In particular, an ethanol content of ≥ 5 vol.% To ≤ 10 vol.% Or ≥ 10 vol.% To ≤ 15 vol.% Is achievable in a pre-fermenter in a suitable period of time and with good continuity.

Beispielsweise kann man der Biomasse im Bereich von ≥ 0,5 Vol.-% bis ≤ 5 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Biomasse im Fermentierungsreaktor, Ethanol-haltiges Gärgut pro Tag beimischen. Eine Beimischung von Ethanol-haltigem Gärgut in diesen Mengen kann die Methanproduktion bereits in erheblichem Maß steigern. Wenn nicht abweichend angegeben, werden die Begriffe „zusetzen”, „zugeben” und „beimischen” synonym verwendet.For example, the biomass in the range of ≥ 0.5 vol .-% to ≤ 5 vol .-%, based on the total volume of biomass in the fermentation reactor, ethanol-containing fermentation per day add. An admixture of ethanol-containing digestate in these quantities can increase the methane production already to a considerable extent. Unless otherwise specified, the terms "add," "add," and "add" are used interchangeably.

Beispielsweise kann in einer vorgelagerten alkoholischen Fermentation von Maissilage in einem getrennten Fermenter ein Ethanolgehalt des Gärgutes im Bereich von ≥ 5 Vol.-% bis ≤ 15 Vol.-% bezogen auf das Gesamtvolumen erzielt werden. Insbesondere kann das gesamte Gärgut kontinuierlich dem Hauptreaktor zugeführt werden, wobei Ethanol und Gärrest als Hauptbestandteile der alkoholischen Fermentation nicht durch eine Destillation getrennt werden müssen. In vorteilhafter Weise kann sowohl das Ethanol die Biomethanisierung erhöhen, wie auch der Gärrest als Biomasse für die Fermentation dienen. Zur Durchführung dieses Prozesses braucht das Gesamtvolumen des Vorfermenters nur 10% des Hauptfermenters betragen. Mit diesem Verfahren kann die Methanproduktion erhöht werden, ohne dass Kosten für zusätzliches Gärsubstrat oder energieverbrauchende Destillationen anfallen.For example, in an upstream alcoholic fermentation of maize silage in a separate fermenter, an ethanol content of the fermentation product in the range of ≥ 5% by volume to ≦ 15% by volume based on the total volume can be achieved. In particular, the entire digestate can be fed continuously to the main reactor, with ethanol and digestate as main constituents of the alcoholic fermentation not having to be separated by distillation. Advantageously, both the ethanol increase the biomethanation, as well as the digestate serve as a biomass for the fermentation. To carry out this process, the total volume of the pre-fermenter only needs to be 10% of the main fermenter. With this process, methane production can be increased without incurring the cost of additional fermentation substrate or energy-consuming distillations.

Bevorzugte Substrate zur Erzeugung ethanolhaltigen Gärguts sind Pflanzen mit hohen Gehalten an Zucker oder Stärke wie Mais, die bis zu einem Ethanolgehalt das Gärgut von ca. 10 Vol.-% fermentieren können. Das alkoholische Gärgut kann täglich in den Hauptfermenter gegeben werden, um eine finale Ethanolkonzentration von 10 mM zu erreichen. In einer üblichen Anlage entspricht dies etwa einer Zugabe von 0,58 m3 Ethanol/d oder 5,8 m3 ethanolhaltigem Gärgut mit 10% Ethanolanteil zu einem Haupt-Fermenter mit einem Biomasse-Volumen von 1000 m3. Bei einer vollständigen Umsetzung des Ethanols zu Methan entstehen hierdurch 336 Nm3 zusätzlich gewonnenes Methan, was einer Erhöhung der Methanerzeugung um 27% entspricht. Somit kann eine Gesamtausbeute an Methan von 127% verglichen mit einer konventionell betriebenen Biogasanlage erzielt werden.Preferred substrates for the production of ethanol-containing fermented are plants with high levels of sugar or starch such as corn, which can ferment up to an ethanol content, the fermentation of about 10 vol .-%. The alcoholic digestate can be added daily to the main fermenter to reach a final ethanol concentration of 10 mM. In a conventional plant this corresponds approximately to the addition of 0.58 m 3 of ethanol / d or 5.8 m 3 of ethanol-containing fermentation product with 10% ethanol content to a main fermenter with a biomass volume of 1000 m 3 . In the case of complete conversion of the ethanol to methane, this results in 336 Nm 3 of additionally recovered methane, which corresponds to an increase in methane production by 27%. Thus, a total yield of methane of 127% compared to a conventionally operated biogas plant can be achieved.

In Ausführungsformen des Verfahrens kann man der Biomasse im Fermentierungsreaktor Ethanol, Ethanol-haltige Lösung und/oder Ethanol-haltiges Gärgut kontinuierlich oder diskontinuierlich zusetzen. Unter einer „kontinuierlichen” Zugabe ist eine tägliche oder mehrmals tägliche Zugabe zu verstehen. Mehrmals täglich kann insbesondere eine über den Tag verteilte ein-, zwei- oder dreimalige Zugabe bedeuten. Bei einer kontinuierlichen Zugabe wird vorzugsweise eine gleichbleibende Menge an Ethanol, Ethanol-haltiger Lösung oder Ethanol-haltigem Gärgut zugegeben, so dass sich die gewünschte Konzentration von Ethanol in der Biomasse einstellt. Die zugesetzte Menge an Ethanol einer kontinuierlichen Zugabe kann zu einer finalen Konzentration in der Biomasse im Bereich von ≥ 1,5 mM bis ≤ 20 mM Ethanol führen. Vorzugsweise kann eine kontinuierliche Zugabe mehrmals tägliche derart erfolgen, dass eine nahezu gleichbleibende Konzentration von beispielsweise 10 mM Ethanol im Hauptfermenter eingestellt wird.In embodiments of the process, the biomass in the fermentation reactor can be added continuously or discontinuously to ethanol, ethanol-containing solution and / or ethanol-containing fermentation product. A "continuous" addition means a daily or several times daily addition. Several times a day may mean, in particular, a one, two or three times added over the day. In a continuous addition, a constant amount of ethanol, ethanol-containing solution or ethanol-containing fermentation product is preferably added so that the desired concentration of ethanol in the biomass is established. The added amount of continuous addition ethanol can result in a final concentration in the biomass in the range of ≥ 1.5 mM to ≤ 20 mM ethanol. Preferably, a continuous addition may be made several times daily such that a nearly constant concentration of, for example, 10 mM ethanol in the main fermenter is set.

Unter einer „diskontinuierlichen” Zugabe ist eine zeitlich unterbrochene Zugabe zu verstehen. Insbesondere kann eine diskontinuierliche Zugabe eine gepulste Zugabe sein, beispielsweise mehrere Zugaben an Ethanol, Ethanol-haltiger Lösung oder Ethanol-haltigem Gärgut in einem Abstand von jeweils wenigstens einem oder mehreren Tagen. Eine diskontinuierliche Zugabe im Pulsverfahren kann beispielsweise an jedem 2., 3., 4., oder 5. Tag erfolgen. Die zugesetzte Menge an Ethanol kann hierbei gleichbleibend oder unterschiedlich sein. Die zugesetzte Menge einer diskontinuierlichen Zugabe kann zu einer finalen Konzentration im Bereich von ≥ 1,5 mM bis ≤ 260 mM, insbesondere ≥ 10 mM bis ≤ 200 mM Ethanol führen.By a "discontinuous" addition is meant a time-discontinuous addition. In particular, a discontinuous addition may be a pulsed addition, for example several additions of ethanol, ethanol-containing solution or ethanol-containing fermentation product at intervals of at least one or more days in each case. A discontinuous addition in the pulse method can for example, every 2nd, 3rd, 4th, or 5th day. The added amount of ethanol may be constant or different. The amount of discontinuous addition added may result in a final concentration in the range of ≥ 1.5 mM to ≤ 260 mM, in particular ≥ 10 mM to ≤ 200 mM ethanol.

Durch eine diskontinuierliche Zugabe kann die Methanbildungsrate kurzzeitig nach Bedarf gesteigert werden. Hierbei kann kurzfristig eine höhere Steigerung als mit einer kontinuierlichen Zugabe erreicht werden. Durch eine kontinuierliche Zugabe kann eine dauerhaft erhöhte Ausbeute erzielt werden.By a discontinuous addition, the methane formation rate can be increased briefly as needed. This can be achieved in the short term, a higher increase than with a continuous addition. Through a continuous addition, a permanently increased yield can be achieved.

In bevorzugten Ausführungsformen stellt man eine Ethanol-haltige Lösung oder Ethanol-haltiges Gärgut in einem Vorfermentierungsreaktor oder Vorfermenter her. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung. Zudem kann eine alkoholische Gärung in einem Vorfermenter in der Biogasanlage erfolgen und zeitlich und vom Umfang auf die Biogasherstellung in einem Hauptfermenter abgestimmt werden. Der Vorfermenter kann ein Volumen von ca. 10% des Hauptfermenters aufweisen. Wird die Ethanol-haltige Lösung oder das Ethanol-haltige Gärgut in einem Vorfermenter produziert, kann dieses insbesondere kontinuierlich zur Biogasanlage zugeführt werden.In preferred embodiments, an ethanol-containing solution or ethanol-containing fermentation product is prepared in a pre-fermentation reactor or pre-fermenter. This allows a cost-effective production. In addition, an alcoholic fermentation can take place in a fermenter in the biogas plant and can be adjusted in time and scope to the biogas production in a main fermenter. The pre-fermenter can have a volume of about 10% of the main fermenter. If the ethanol-containing solution or the ethanol-containing fermentation product is produced in a pre-fermenter, this can in particular be fed continuously to the biogas plant.

In bevorzugten Ausführungsformen stellt man die Ethanol-haltige Lösung oder das Ethanol-haltige Gärgut aus nachwachsenden Rohstoffen insbesondere Mais oder Getreide, oder organischen Abfällen her. Dies ist bei der Herstellung Ethanol-haltigen Gärguts vorteilhaft, da diese Rohstoffe mit dem Ethanol in die Biogaserzeugung eingehen und zu Methan umgesetzt werden können. Bei der Zugabe Ethanol-haltigen Gärguts mit einem Ethanolgehalt von 10 bis 15 Vol.-% ist eine Ethanolkonzentration von ca. 10 mM Ethanol im Hauptfermenter zuverlässig einstellbar. Demgegenüber erlaubt eine Zugabe von Ethanol oder ethanolischer Lösung ein Einstellen einer höheren Ethanolkonzentration im Hauptfermenter, beispielsweise von bis zu 260 mM.In preferred embodiments, the ethanol-containing solution or the ethanol-containing fermentation product is produced from renewable raw materials, in particular corn or cereals, or organic waste. This is advantageous in the production of ethanol-containing fermentation product, since these raw materials can enter into the biogas production with the ethanol and can be converted to methane. When adding ethanol-containing fermentation product with an ethanol content of 10 to 15% by volume, an ethanol concentration of about 10 mM ethanol in the main fermenter can be reliably set. In contrast, addition of ethanol or ethanolic solution allows adjustment of a higher ethanol concentration in the main fermenter, for example up to 260 mM.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft die Verwendung von Ethanol insbesondere Ethanol-haltiger Lösung oder Ethanol-haltigen Gärguts zur Steigerung der Ausbeute der fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse. Vorzugsweise wird Ethanol in einem Bereich von ≥ 0,01 Vol.-% bis ≤ 1,5 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Biomasse in einem Fermentierungsreaktor, verwendet. Bevorzugt verwendet man Ethanol in einem Bereich von ≥ 0,05 Vol.-% bis ≤ 0,5 Vol.-%, oder in einem Bereich von ≥ 0,3 Vol.-% bis ≤ 0,6 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Biomasse in einem Fermentierungsreaktor. Ethanol ist verdünnt oder unverdünnt verwendbar, oder als konzentrierte oder verdünnte Ethanol-haltige Lösung. Ebenso wie reiner Ethanol ist vergällter Ethanol verwendbar.Another object of the invention relates to the use of ethanol, in particular ethanol-containing solution or ethanol-containing fermentation product to increase the yield of fermentative production of biogas from biomass. Ethanol is preferably used in a range from ≥ 0.01% by volume to ≦ 1.5% by volume, based on the total volume of the biomass in a fermentation reactor. Ethanol is preferably used in a range of ≥ 0.05% by volume to ≤ 0.5% by volume, or in a range of ≥ 0.3% by volume to ≤ 0.6% by volume on the total volume of biomass in a fermentation reactor. Ethanol can be used diluted or undiluted, or as a concentrated or diluted ethanol-containing solution. Like pure ethanol, denatured ethanol is usable.

Verwendbar ist Ethanol in Form von reinem oder vergälltem Ethanol oder einer Lösung von reinem oder vergälltem Ethanol mit einem Ethanolanteil im Bereich von ≥ 0,5 Vol.-% bis ≤ 100 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Ethanollösung. Insbesondere verwendbar sind wässrige Ethanol-haltige Lösungen. Verwendbar sind beispielsweise Alkohol-haltige Getränke, die einen Ethanolanteil im Bereich von ≥ 0,5 Vol.-% bis ≤ 80 Vol.-% bezogen auf das Gesamtvolumen aufweisen können, wie Bier.It is possible to use ethanol in the form of pure or denatured ethanol or a solution of pure or denatured ethanol with an ethanol content in the range from ≥ 0.5% by volume to ≦ 100% by volume, based on the total volume of the ethanol solution. Particularly suitable are aqueous ethanol-containing solutions. It is possible, for example, to use alcohol-containing beverages which may have an ethanol content in the range from ≥ 0.5% by volume to ≦ 80% by volume, based on the total volume, such as beer.

Verwendbar sind insbesondere Ethanol-haltige Lösungen und Ethanol-haltiges Gärgut, insbesondere herstellbar durch alkoholische Gärung pflanzlicher Rohstoffe. Das Ethanol-haltige Gärgut ist insgesamt verwendbar. Verwendbar ist auch ein Überstand oder ein Destillat der alkoholischen Gärung als Ethanol-haltige Lösung. Bevorzugt verwendbar ist Ethanol in Form von Ethanol-haltigem Gärgut enthaltend Ethanol in einem Bereich von ≥ 0,5 Vol.-% bis ≤ 20 Vol.-%, insbesondere in einem Bereich von ≥ 0,5 Vol.-% bis ≤ 15 Vol.-%, vorzugsweise in einem Bereich von ≥ 5 Vol.-% bis ≤ 10 Vol.-% oder von ≥ 10 Vol.-% bis ≤ 15 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Ethanol-haltigen Gärgutes. Beispielsweise verwendbar ist eine Beimischung von Ethanol-haltigem Gärgut in einem Bereich von ≥ 0,5 Vol.-% bis ≤ 5 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Biomasse pro Tag.Usable are in particular ethanol-containing solutions and ethanol-containing fermentation, in particular produced by alcoholic fermentation of vegetable raw materials. The ethanol-containing digestate is usable overall. It is also possible to use a supernatant or a distillate of alcoholic fermentation as an ethanol-containing solution. Ethanol is preferably usable in the form of ethanol-containing fermentation product containing ethanol in a range of ≥ 0.5 vol .-% to ≤ 20 vol .-%, in particular in a range of ≥ 0.5 vol .-% to ≤ 15 vol .-%, preferably in a range of ≥ 5 vol .-% to ≤ 10 vol .-% or of ≥ 10 vol .-% to ≤ 15 vol .-%, based on the total volume of the ethanol-containing fermentation product. For example, an admixture of ethanol-containing fermentation product in a range of ≥ 0.5 vol .-% to ≤ 5 vol .-%, based on the total volume of the biomass per day.

Verwendbares Ethanol-haltiges Gärgut, ist insbesondere in der Biogasanlage selber beispielsweise in Vorfermentern herstellbar, wobei der Vorfermenter ein Volumen von ca. 10% des Hauptfermenters aufweisen kann. Ethanol, Ethanol-haltige Lösung und/oder Ethanol-haltiges Gärgut können der Biomasse im Fermentierungsreaktor kontinuierlich oder diskontinuierlich zugesetzt werden. Wird die Ethanol-haltige Lösung oder das Ethanol-haltige Gärgut in einem Vorfermenter produziert, kann dieses insbesondere kontinuierlich zur Biogasanlage zugeführt werden. Bevorzugt verwendbar ist Ethanol-haltige Lösung oder Ethanol-haltiges Gärgut hergestellt aus nachwachsenden Rohstoffen insbesondere Mais oder Getreide, oder organischen Abfällen.Usable ethanol-containing digestate, in particular in the biogas plant itself, for example, in Vorfermentern produced, the pre-fermenter may have a volume of about 10% of the main fermenter. Ethanol, ethanol-containing solution and / or ethanol-containing fermentation product can be added to the biomass in the fermentation reactor continuously or discontinuously. If the ethanol-containing solution or the ethanol-containing fermentation product is produced in a pre-fermenter, this can in particular be fed continuously to the biogas plant. Preference is given to using ethanol-containing solution or ethanol-containing fermentation product produced from renewable raw materials, in particular corn or cereals, or organic waste.

Beispiele und Figuren, die der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung dienen, sind nachstehend angegeben.Examples and figures which serve to illustrate the present invention are given below.

Hierbei zeigen die Figuren:Here are the figures:

1 zeigt die Methanbildung aufgetragen gegen die Inkubationszeit unter Zugabe von 0,15 und 0,3 Vol.-% Ethanol sowie einen Kontrollansatz ohne Ethanolzugabe. 1 shows the methane formation plotted against the incubation time with the addition of 0.15 and 0.3 vol .-% ethanol and a control batch without ethanol addition.

2 zeigt die Methanbildung aufgetragen gegen die Inkubationszeit für eine Fermentation im Kleinfermenter mit diskontinuierlicher Zugabe von 100 mM Ethanol gegen einen auf 100% gesetzten Kontrollansatz ohne Ethanolzugabe. Die Ethanolzugaben von jeweils 100 mM sind durch Pfeile gekennzeichnet. 2 shows the methane formation plotted against the incubation time for a fermentation in the small fermenter with discontinuous addition of 100 mM ethanol against a set to 100% control batch without ethanol addition. The ethanol additions of 100 mM each are indicated by arrows.

3 zeigt die Methanbildung aufgetragen gegen die Inkubationszeit für eine Fermentation in einem 8 L-Pilotfermenter mit diskontinuierlicher Zugabe von 150 mM Ethanol gegen einen auf 100% gesetzten Kontrollansatz ohne Ethanolzugabe. Die Ethanolzugaben sind durch Pfeile gekennzeichnet. 3 Figure 4 shows the methanogenesis plotted against the incubation time for a fermentation in an 8 L pilot fermenter with discontinuous addition of 150 mM ethanol against a 100% control batch without ethanol addition. The ethanol additions are indicated by arrows.

4 zeigt die relative Methanbildung gegen die Inkubationszeit in Tagen für eine Fermentation unter täglicher kontinuierlicher Ethanolzugabe mit einer Endkonzentration von 10 mM in der Biomasse im Vergleich zu einer auf 100% gesetzten Kontrollkultur ohne Ethanol. 4 Figure 4 shows the relative methane formation versus incubation time in days for a fermentation with daily continuous addition of ethanol at a final concentration of 10 mM in the biomass compared to a 100% control culture without ethanol.

Beispiel 1example 1

Fermentationen unter Zugabe von EthanolFermentations with the addition of ethanol

In anaerober Atmosphäre mit 98 Vol.-% Stickstoff und 2 Vol.-% Wasserstoff wurden 20 g Biomasse aus einer mesophil betriebenen Biogasanlage in einer 120 ml-Glasflasche geben und diese mit einem Gummistopfen luftdicht verschlossen. Die Biomasse entstammte einer kommerziell genutzten Biogasanlage mit einem Biomassevolumen von ca. 2500 m3 und einer Leistung von 500 kW/h. Die Anlage wurde bei einer Temperatur von 40°C betrieben und das Gärsubstrat bestand aus Maissilage (68%), Rindermist (21%) und Hühnertrockenkot (11%).In an anaerobic atmosphere with 98% by volume of nitrogen and 2% by volume of hydrogen, 20 g of biomass from a biophilic biogas plant were placed in a 120 ml glass bottle and sealed airtight with a rubber stopper. The biomass came from a commercial biogas plant with a biomass volume of approx. 2500 m 3 and an output of 500 kW / h. The plant was operated at a temperature of 40 ° C and the fermentation substrate consisted of corn silage (68%), bovine manure (21%) and dry chicken manure (11%).

Unter Verwendung einer Spritze wurde anschließend 97%ige wässrige Ethanollösung in einer finalen Ethanolkonzentration von 0,15 Vol.-% und 0,3 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Biomasse in der Glasflasche, zugegeben. Zu einem Kontrollansatz wurde eine entsprechende Menge Wasser gegeben. Biomasse und Ethanol wurden durch Schütteln vermischt und die Kulturen anschließend für 10 Minuten mit einem Gemisch von Stickstoff und Kohlendioxid (50 Vol.-%/50 Vol.-%) begast. Die Inkubation der Biomasse erfolgte in einem Schüttelinkubator bei einer Temperatur von 40°C.Subsequently, using a syringe, 97% aqueous ethanol solution in a final ethanol concentration of 0.15% by volume and 0.3% by volume based on the total volume of the biomass in the glass bottle was added. To a control batch, an appropriate amount of water was added. Biomass and ethanol were mixed by shaking and the cultures were then gassed for 10 minutes with a mixture of nitrogen and carbon dioxide (50% by volume / 50% by volume). The incubation of the biomass was carried out in a shaking incubator at a temperature of 40 ° C.

Die Methanproduktion wurde durch Korrelieren des Überdrucks und der Konzentration von Methan im Gasraum der Flaschen bestimmt. Der Überdruck wurde mittels einer gasdichten Glasspritze bestimmt und die Methankonzentration mittels gaschromatographischer Analyse mit Flammenionisationsdetektor von 20 μl-Proben aus dem Gasraum der Flaschen.Methane production was determined by correlating the overpressure and concentration of methane in the headspace of the bottles. The overpressure was determined by means of a gas-tight glass syringe and the methane concentration was determined by means of gas chromatographic analysis with a flame ionization detector of 20 μl samples from the gas space of the bottles.

Die 1 zeigt die Ergebnisse der Fermentationen. Aufgetragen ist die Methanbildung in Abhängigkeit von der Inkubationszeit. Wie man der 1 entnehmen kann, stieg die Methanproduktion mit steigender Ethanolkonzentration an. Bereits zwei Stunden nach Beginn der Inkubation mit 0,3 Vol.-% Ethanol war die Methanproduktion bezogen auf die Kultur ohne Ethanol um mehr als 50% erhöht. Nach 24 Stunden war die Methanproduktion auch bei einer Zugabe von 0,15 Vol.-% um nahezu 60% erhöht und sogar um 190% bei Zugabe von 0,3 Vol.-% Ethanol.The 1 shows the results of the fermentations. The methane formation is plotted as a function of the incubation time. How to get the 1 Methane production increased with increasing ethanol concentration. Already two hours after the start of the incubation with 0.3% by volume of ethanol, the methane production based on the culture without ethanol was increased by more than 50%. After 24 hours, the methane production was increased by almost 60% even with an addition of 0.15% by volume and even by 190% with the addition of 0.3% by volume of ethanol.

Beispiel 2Example 2

Fermentation unter diskontinuierlicher Zugabe von 100 mM EthanolFermentation with discontinuous addition of 100 mM ethanol

Kontinuierliche Kulturen wurden in 1000 ml-Glasflaschen angelegt, indem diese mit 200 g Biomasse aus einer mesophil betriebenen Biogasanlage wie in Beispiel 1 beschrieben in einer anaeroben Atmosphäre von 98 Vol.-% Stickstoff und 2 Vol.-% Wasserstoff befüllt, gasdicht verschlossen und anschließend für 10 Minuten mit einem Gemisch von Stickstoff und Kohlendioxid (50 Vol.-%/50 Vol.-%) begast wurden. Die Inkubation erfolgte in einem Schüttelinkubator bei einer Temperatur von 40°C. Nach 24 Stunden Inkubation wurde 97%ige wässrige Ethanollösung zu einer finalen Ethanolkonzentration von 100 mM, bezogen auf das Gesamtvolumen der Biomasse im Glasflaschenreaktor, zugegeben. Zu einem Kontrollansatz wurde eine entsprechende Menge Wasser gegeben. Biomasse und Ethanol wurden durch kräftiges Rühren vermischt.Continuous cultures were placed in 1000 ml glass bottles by filling them with 200 g of biomass from a biophilic biogas plant as described in Example 1 in an anaerobic atmosphere of 98 vol .-% nitrogen and 2 vol .-% hydrogen, sealed gas-tight and then for 10 minutes with a mixture of nitrogen and carbon dioxide (50 vol .-% / 50 vol .-%) were gassed. The incubation was carried out in a shaking incubator at a temperature of 40 ° C. After 24 hours of incubation, 97% aqueous ethanol solution was added to a final ethanol concentration of 100 mM based on the total volume of biomass in the glass bottle reactor. To a control batch, an appropriate amount of water was added. Biomass and ethanol were mixed by vigorous stirring.

Die Biogas- bzw. Methanproduktion wurde täglich durch Korrelieren des Überdrucks und der Methan-Konzentration ermittelt. Der Überdruck wurde an Hand der Menge des verdrängten Wassers in einem über Kopf stehenden Messzylinder und die Methankonzentration mittels gaschromatographischer Analyse mit Flammenionisationsdetektor von 20 μl-Proben aus dem Gasraum der Flaschen bestimmt. Anschließend wurden 2 g Probe der Biomasse unter Stickstoffbelüftung entnommen und die organische Trockensubstanz und der pH-Wert bestimmt. Nach der Probenentnahme wurden die Reaktoren mit 2,5 g vorgemischtem und geschreddertem Gärgut (8,57 g/L Maissilage, 2,68 g/L Rindermist und 1,43 g/L Hühnertrockenkot) und 0,4 mL Überstand von abzentrifugierter Biomasse beschickt. Danach wurde der Fermenter für 10 Minuten mit einem Gemisch von Stickstoff und Kohlendioxid (50 Vol.-%/50 Vol.-%) begast und in einem Schüttelinkubator erneut bei einer Temperatur von 40°C inkubiert. Nach 24 Stunden und am siebten Tag der Inkubation wurde 97%ige wässrige Ethanollösung zu einer finalen Ethanolkonzentration von 100 mM zugegeben.The biogas or methane production was determined daily by correlating the overpressure and the methane concentration. The overpressure was determined on the basis of the amount of displaced water in an upside-down measuring cylinder and the methane concentration by means of gas chromatographic analysis with flame ionization detector of 20 .mu.l samples from the gas space of the bottles. Subsequently, 2 g sample of the biomass were removed under nitrogen aeration and the organic dry matter and the pH determined. After sampling, the reactors were charged with 2.5 g of pre-mixed and shredded digestate (8.57 g / L corn silage, 2.68 g / L bovine manure and 1.43 g / L dry chicken droppings) and 0.4 mL supernatant of centrifuged biomass , Thereafter, the fermenter was gassed for 10 minutes with a mixture of nitrogen and carbon dioxide (50 vol .-% / 50 vol .-%) and incubated again in a shaking incubator at a temperature of 40 ° C. After 24 hours and on the seventh day of incubation, 97% aqueous ethanolic solution was added to a final ethanol concentration of 100 mM.

Die 2 zeigt die Ergebnisse der Fermentationen unter diskontinuierlicher Ethanolzugabe im Vergleich zu Kontrollfermentern ohne Ethanol. Aufgetragen ist die relative Methanbildung gegen die Inkubationszeit in Tagen. Die Methanbildung der Kontrollfermenter wurde zu 100% gesetzt. Wie man der 2 entnehmen kann, führte die Zugabe von Ethanol mit einer Endkonzentration von 100 mM nach 24 Stunden Inkubation zu einer Erhöhung der Methanbildung um 150% im Vergleich zur Kontrolle. Innerhalb der folgenden Tage verminderte sich die Methanbildung, bis diese am sechsten Tag nach der Ethanolzugabe auf das Niveau der Kontrolle abgesunken war. Eine erneute Zugabe am siebten Tag der Inkubation zeigte, dass der Effekt wiederholbar war. Die Ethanolzugabe führte wieder zu einer Erhöhung der Methanbildung gefolgt von einem Absinken innerhalb der folgenden Tage. The 2 shows the results of the fermentations with discontinuous ethanol addition compared to control fermenters without ethanol. Plotted is the relative methane production against the incubation time in days. The methane formation of the control fermenters was set to 100%. How to get the 2 The addition of ethanol at a final concentration of 100 mM after 24 hours incubation resulted in an increase in methane formation by 150% compared to the control. Within the following days, methane production decreased until it dropped to the level of control on the sixth day after ethanol addition. Re-addition on the seventh day of incubation showed that the effect was repeatable. The addition of ethanol again led to an increase in methane formation followed by a decrease within the following days.

Die Bestimmung der organischen Trockensubstanz und des pH-Wertes zeigte, dass beide Werte während der Fermentation konstant blieben. Dies zeigt, dass die kontinuierliche Biogaserzeugung in den Glasflaschenreaktoren stabil war. Weiterhin wurde unter den experimentellen Bedingungen eine Methanbildungsrate von 2,2 μmol/g Biomasse·h erreicht, was einer durchschnittlichen Rate von 2,3 μmol/g·h in industriellen Biogasanlagen entspricht. Somit erlaubt die Versuchsanordnung experimentelle Bedingungen, die den tatsächlichen Bedingungen einer Biogasanlage eines kontinuierlich arbeitenden Reaktors entsprechen.The determination of the organic dry matter and the pH showed that both values remained constant during the fermentation. This shows that the continuous biogas production in the glass bottle reactors was stable. Furthermore, under the experimental conditions, a methane formation rate of 2.2 .mu.mol / g biomass · h was achieved, which corresponds to an average rate of 2.3 .mu.mol / g.h in industrial biogas plants. Thus, the experimental setup allows experimental conditions that correspond to the actual conditions of a biogas plant of a continuous reactor.

Beispiel 3Example 3

Fermentation unter diskontinuierlicher Zugabe von 150 mM EthanolFermentation with discontinuous addition of 150 mM ethanol

Um eine Fermentation in einer Biogasanlage praxisnah zu simulieren, wurde die Fermentation in größerem Maßstab in Acrylglasreaktoren mit einem Fassungsvermögen von 9 L (ATB Potsdam) und Rührvorrichtung (Rührvorrichtung: IKA RW 20, Heidolph RZR 2051, Kontrollvorrichtung: Conrad Electronics) wiederholt. Die doppelwandigen Reaktoren wurden mit einem auf 39°C temperierten Wasserbad verbunden. Um einen Wärmeverlust zu verhindern und die Fermenter vor Licht zu schützen, wurden die Reaktoren mit Schaumstofffolie isoliert.In order to simulate a fermentation in a biogas plant in practice, the fermentation was repeated on a larger scale in acrylic glass reactors with a capacity of 9 L (ATB Potsdam) and stirring device (stirring device: IKA RW 20, Heidolph RZR 2051, control device: Conrad Electronics). The double-walled reactors were connected to a water bath heated to 39.degree. To prevent heat loss and to protect the fermenters from light, the reactors were insulated with foam sheet.

Die Reaktoren wurden mit 8 L eines zu 100% mikrobiell aktiven Fermenterrückstands aus einer laufenden kommerziell betriebenden mesophilen Biogsanlage beimpft und täglich mit 8,1 g (oTS = 2,77 g) Maissilage und 16,5 g (oTS = 0,96 g) Rindermist beschickt. Die Menge des zugegebenen Gärsubstrats wurde während vier Wochen erhöht, bis eine tägliche Zugabe von 60,9 g Maissilage (oTS = 20,8 g) und 123,9 g Rindermist (oTS = 7,2 g) mit einer Raumbelastung von 3,5 g oTS/d·l erreicht wurde, die im Anschluss während der Versuchsdauer gehalten wurde. Gärsubstrat wurde täglich (7 Tage/Woche) zugegeben, und 200 mL des Fermenterinhalts entnommen. Erzeugtes Biogas wurde in Gassammelbeuteln (Tecobag, Fa. Tesseraux, Bürstadt) gesammelt und die Konzentration von CH4 und CO2 bestimmt. Es wurden jeweils 2 Kontroll- und 2 Testfermenter analysiert. Die Methanbildungsraten in den Kontrollfermentern und den Testfermentern (vor Ethanozugabe) betrug im Schnitt 1,76 μmol/g h (0,95 Nm3 CH4/m3 Biomasse·d), was der theoretisch zu erwartenden Methanbildung entsprach.The reactors were inoculated with 8 L of a 100% microbially active fermenter residue from a running commercially operating mesophilic biogas plant and daily with 8.1 g (oTS = 2.77 g) corn silage and 16.5 g (oTS = 0.96 g). Fed cattle manure. The amount of fermentation substrate added was increased for four weeks until a daily addition of 60.9 g of corn silage (oTS = 20.8 g) and 123.9 g of cattle manure (oTS = 7.2 g) with a volume loading of 3.5 g oTS / d · l was achieved, which was subsequently maintained during the experimental period. Fermentation substrate was added daily (7 days / week) and 200 mL of the fermenter content was taken. Generated biogas was collected in gas collecting bags (Tecobag, Tesseraux, Burstadt) and the concentration of CH 4 and CO 2 was determined. In each case 2 control and 2 test fermenters were analyzed. The methane formation rates in the control fermenters and the test fermenters (before ethano addition) averaged 1.76 μmol / gh (0.95 Nm 3 CH 4 / m 3 biomass · d), which corresponded to the theoretically expected methane formation.

An den Inkubationstagen 41 bis 43, 53 bis 54 und 63 bis 65 wurde den Testfermentern 95%ige wässrige Ethanollösung zu einer finalen Ethanolkonzentration von 50 mM zugegeben.On incubation days 41-43, 53-54, and 63-65, 95% aqueous ethanolic solution was added to the test fermenters to a final ethanol concentration of 50 mM.

Die 3 zeigt die Ergebnisse der Methanproduktion unter Ethanolzugabe und der Kontrolle. Aufgetragen ist die relative Methanbildung gegen die Inkubationszeit in Tagen. Die Methanbildung der Kontrolle wurde zu 100% gesetzt und betrug durchschnittlich 1,76 μmol/g·h (0,95 Nm3 CH4/m3 Biomasse·d). Dies entspricht der theoretisch zu erwarteten Gasmenge. Wie man der 3 entnehmen kann, führte die Ethanolzugabe jeweils zu einem raschen Anstieg der Methanerzeugung auf bis zu 300% (z. B. Tag 66: 5,34 μmol CH4/g h oder 2,87 Nm3 CH4/m3 Biomasse·d) relativ zur Kontrolle. Das Maximum der Methanbildung wurde jeweils zwei bis drei Tage nach der Ethanolzugabe erreicht. Anschließend sank die Methanbildung jeweils wieder auf das Niveau der Kontrollen ab. Demgegenüber stiegen der Anteil an flüchtigen Säuren wie Essig-, Propion- oder Buttersäure sowie die Ethanolkonzentration und der pH-Wert im Vergleich zur Kontrolle nicht an. Dies zeigt, dass die normale Methanerzeugung durch die Ethanolzugabe nicht gestört wurde.The 3 shows the results of methane production with ethanol addition and control. Plotted is the relative methane production against the incubation time in days. The methane formation of the control was set at 100% and averaged 1.76 μmol / g.h (0.95 Nm 3 CH 4 / m 3 biomass. D). This corresponds to the theoretically expected amount of gas. How to get the 3 In each case, the addition of ethanol resulted in a rapid increase in methane production up to 300% (eg day 66: 5.34 μmol CH 4 / gh or 2.87 Nm 3 CH 4 / m 3 biomass · d) relative for control. The maximum of methane formation was achieved in each case two to three days after the ethanol addition. The methane formation then decreased again to the level of the controls. In contrast, the proportion of volatile acids such as acetic, propionic or butyric acid and the ethanol concentration and the pH did not increase compared to the control. This shows that the normal methane production was not disturbed by the ethanol addition.

Beispiel 4Example 4

Fermentation unter kontinuierlicher Zugabe von EthanolFermentation with continuous addition of ethanol

Das Versuchsmaterial (Biomasse) entstammte einer kommerziell genutzten Biogasanlage mit einem Biomassevolumen von ca. 2500 m3 und einer Leistung von 500 kW/h. Die Anlage wurde bei einer Temperatur von 40°C betrieben und das Gärsubstrat bestand aus Maissilage (68%), Rindermist (21%) und Hühnertrockenkot (11%).The experimental material (biomass) came from a commercial biogas plant with a biomass volume of approx. 2500 m 3 and an output of 500 kW / h. The plant was operated at a temperature of 40 ° C and the fermentation substrate consisted of corn silage (68%), bovine manure (21%) and dry chicken manure (11%).

Kontinuierliche Kulturen wurden in 1000 mL-Glasflaschenreaktoren angelegt, indem diese mit 200 g der Biomasse aus der oben beschriebenen Biogasanlage in einer anaeroben Atmosphäre von 98 Vol.-% Stickstoff und 2 Vol.-% Wasserstoff befüllt, mit einem Gummistopfen gasdicht verschlossen und anschließend für 10 Minuten mit einem Gemisch von Stickstoff und Kohlendioxid (50 Vol.-%/50 Vol.-%) begast wurden. Die Inkubation erfolgte in einem Schüttelinkubator bei einer Temperatur von 40°C. Nach 24 Stunden Inkubation wurde den Testfermentern 97%ige wässrige Ethanollösung zu einer finalen Ethanolkonzentration von 10 mM entsprechend 0,06 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Biomasse im Glasflaschenreaktor, zugegeben. Diese Ethanolzugabe wurde täglich wiederholt. Zu den Kontrollfermentern wurde eine entsprechende Menge Wasser gegeben. Biomasse und Ethanol wurden durch kräftiges Schütteln vermischt.Continuous cultures were placed in 1000 mL glass bottle reactors by filling them with 200 g of the biomass from the biogas plant described above in an anaerobic atmosphere of 98% by volume of nitrogen and 2% by volume of hydrogen, sealed gas-tight with a rubber stopper and then sealed for 10 minutes with a mixture of Nitrogen and carbon dioxide (50 vol .-% / 50 vol .-%) were gassed. The incubation was carried out in a shaking incubator at a temperature of 40 ° C. After 24 hours of incubation, 97% aqueous ethanolic solution was added to the test fermenters to a final ethanol concentration of 10 mM, corresponding to 0.06% by volume, based on the total volume of biomass in the glass bottle reactor. This ethanol addition was repeated daily. An appropriate amount of water was added to the control fermenters. Biomass and ethanol were mixed by vigorous shaking.

Die Biogas- bzw. Methanproduktion wurde täglich durch Korrelieren des Überdrucks und der Methan-Konzentration im Gasraum des Glasflaschenreaktors bestimmt. Der Überdruck wurde an Hand der Menge des verdrängten Wassers in einem über Kopf stehenden Messzylinders bestimmt. Die Methankonzentration wurde in 20 μl-Proben aus dem Gasraum des Glasflaschenreaktors mittels gaschromatographischer Analyse mit Flammenionisationsdetektor bestimmt.The biogas or methane production was determined daily by correlating the overpressure and the methane concentration in the gas space of the glass bottle reactor. The overpressure was determined on the basis of the amount of displaced water in an upside-down measuring cylinder. The methane concentration was determined in 20 μl samples from the gas space of the glass bottle reactor by means of gas chromatographic analysis with flame ionization detector.

Täglich wurden 2 g Probe der Biomasse unter Stickstoffbelüftung entnommen und die organische Trockensubstanz und der pH-Wert bestimmt. Nach der Probenentnahme wurden die Kontroll- und Ethanolfermenter mit 2,5 g vorgemischtem und geschreddertem Gärsubstrat (8,57 g/L Maissilage, 2,68 g/L Rindermist und 1,43 g/L Hühnertrockenkot) und 0,4 mL Überstand von zentrifugiertem Biogasschlamm beschickt. Den Ethanolfermentern wurde außerdem 97%ige wässrige Ethanollösung zu einer finalen Ethanolkonzentration von 10 mM entsprechend 0.06 Vol.-% zugegeben. Danach wurden die Fermenter jeweils für 10 Minuten mit einem Gemisch von Stickstoff und Kohlendioxid (50 Vol.-%/50 Vol.-%) begast und in einem Schüttelinkubator erneut bei einer Temperatur von 40°C inkubiert.2 g sample of the biomass were taken daily under nitrogen aeration and the organic dry matter and the pH determined. After sampling, the control and ethanol fermenters were mixed with 2.5 g of premixed and shredded fermentation substrate (8.57 g / L corn silage, 2.68 g / L bovine manure and 1.43 g / L dried chicken droppings) and 0.4 mL supernatant of centrifuged biogas sludge. To the ethanol fermenters was also added 97% aqueous ethanol solution to a final ethanol concentration of 10 mM, corresponding to 0.06 vol%. Thereafter, the fermenters were each gassed for 10 minutes with a mixture of nitrogen and carbon dioxide (50 vol .-% / 50 vol .-%) and incubated again in a Schüttelinkubator at a temperature of 40 ° C.

Die 4 zeigt die Ergebnisse der Fermentation unter kontinuierlicher Ethanolzugabe von täglich 10 mM und der Kontrolle ohne Ethanolzugabe. Aufgetragen ist die relative Methanbildung gegen die Inkubationszeit in Tagen. Die Methanbildung der Kontrollfermenter wurde zu 100% gesetzt. Wie man der 4 entnehmen kann, stieg die Methanproduktion in den mit Ethanol beschickten Reaktoren um ca. 26% im Vergleich zur Kontrolle. Dies steht in guter Entsprechung zu einem theoretischen Anstieg von 27% nach Zugabe von 10 mM Ethanol täglich. Dies zeigt, dass in den Probenfermentern die zugeführten 10 mM Ethanol vollständig zu Methan und Kohlendioxid in einem Verhältnis von 1,5:0,5 umgewandelt wurden.The 4 shows the results of the fermentation with continuous ethanol addition of 10 mM daily and the control without ethanol addition. Plotted is the relative methane production against the incubation time in days. The methane formation of the control fermenters was set to 100%. How to get the 4 Methane production in the ethanol-fed reactors increased by about 26% compared to the control. This is in good correspondence with a theoretical increase of 27% after addition of 10 mM ethanol daily. This shows that in the sample fermenters, the supplied 10 mM ethanol was completely converted to methane and carbon dioxide in a ratio of 1.5: 0.5.

Die durchschnittliche Methanproduktion der Kontrollfermenter lag bei 1,13 Nm3 CH4/m3·Tag und erreichte somit die Maximalmenge erzeugten Methans von 1,2 Nm3 CH4/m3·Tag wie in „Ergebnisse des Biogas-Messprogramms” (2005, Hrsgb. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., Gülzow) beschrieben. Die durchschnittliche Methanproduktion der Ethanol-Fermenter lag bei 1,43 Nm3 CH4/m3·Tag und war damit höher als die maximale Rate der Methanproduktion wie sie mit konventioneller Beschickung erhalten werden kann.The average methane production of the control fermenters was 1.13 Nm 3 CH 4 / m 3 · day and thus reached the maximum amount of methane produced of 1.2 Nm 3 CH 4 / m 3 · day as described in "Results of the Biogas Measurement Program" (2005 , Hrsgb. Agency of Renewable Resources eV, Gülzow) described. The average methane production of the ethanol fermenters was 1.43 Nm 3 CH 4 / m 3 · day, which was higher than the maximum methane production rate that can be obtained with conventional feed.

Dies zeigt, dass eine anhaltende Steigerung der Methanausbeute durch eine kontinuierliche Zuführung von Ethanol erzielt werden kann.This shows that a sustained increase in methane yield can be achieved by a continuous supply of ethanol.

Insgesamt zeigen die Ergebnisse die Flexibilität der Ethanolzugabe, so kann man der Biomasse im Fermentierungsreaktor Ethanol diskontinuierlich oder kontinuierlich zusetzen. Wie in den Beispielen 1 bis 3 gezeigt wird, wurde eine Erhöhung der Methanausbeute durch eine gepulste, diskontinuierliche Ethanolzugabe erzielt. Das Beispiel 4 zeigt, dass auch eine kontinuierliche Beschickung mit Ethanol-supplementiertem Gärsubstrat wie Maissilage und tierischen Exkrementen zu einer Erhöhung der Methanausbeute der Fermentierung führt.Overall, the results show the flexibility of the ethanol addition, so you can set the biomass in the fermentation ethanol discontinuous or continuous. As shown in Examples 1 to 3, an increase in methane yield was achieved by pulsed, discontinuous ethanol addition. Example 4 shows that even a continuous feed with ethanol-supplemented fermentation substrate such as corn silage and animal excrements leads to an increase in the methane yield of the fermentation.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 0152730 [0004] EP 0152730 [0004]

Claims (9)

Verfahren zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse, wobei die Biomasse in einem Fermentierungsreaktor bereit gestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man der Biomasse Ethanol in einem Bereich von ≥ 0,01 Vol.-% bis ≤ 1,5 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Biomasse im Fermentierungsreaktor, zusetzt.Process for the fermentative production of biogas from biomass, wherein the biomass is provided in a fermentation reactor, characterized in that the biomass ethanol in a range of ≥ 0.01 vol .-% to ≤ 1.5 vol .-%, based on the total volume of biomass in the fermentation reactor, added. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man der Biomasse in dem Fermentierungsreaktor Ethanol im Bereich von ≥ 0,05 Vol.-% bis ≤ 0,5 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Biomasse im Fermentierungsreaktor, zusetzt.Process according to Claim 1, characterized in that ethanol is added to the biomass in the fermentation reactor in the range from ≥ 0.05% by volume to ≤ 0.5% by volume, based on the total volume of the biomass in the fermentation reactor. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man das Ethanol in Form von reinem oder vergälltem Ethanol oder einer Lösung von reinem oder vergälltem Ethanol mit einem Ethanolanteil im Bereich von ≥ 0,5 Vol.-% bis ≤ 100 Vol.-%, insbesondere Alkohol-haltigen Getränken mit einem Ethanolanteil im Bereich von ≥ 0,5 Vol.-% bis ≤ 80 Vol.-%, zusetzt, wobei die Angabe in Vol.-% jeweils bezogen ist auf das Gesamtvolumen der Ethanollösung.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the ethanol in the form of pure or denatured ethanol or a solution of pure or denatured ethanol with an ethanol content in the range of ≥ 0.5 vol .-% to ≤ 100 vol .-% , in particular alcohol-containing beverages having an ethanol content in the range of ≥ 0.5 vol .-% to ≤ 80 vol .-%, added, wherein the indication in% by volume in each case based on the total volume of the ethanol solution. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man der Biomasse im Fermentierungsreaktor Ethanol-haltiges Gärgut enthaltend Ethanol in einem Bereich von ≥ 0,5 Vol.-% bis ≤ 20 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des ethanolhaltigen Gärgutes, beimischt.A method according to claim 1 or 2, characterized in that one of the biomass in the fermentation ethanol-containing digestate containing ethanol in a range of ≥ 0.5 vol .-% to ≤ 20 vol .-%, based on the total volume of ethanol-containing digestate, is admixed. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man der Biomasse im Fermentierungsreaktor Ethanol, Ethanol-haltige Lösung und/oder Ethanol-haltiges Gärgut kontinuierlich oder diskontinuierlich zusetzt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the biomass in the fermentation ethanol, ethanol-containing solution and / or ethanol-containing fermentation material added continuously or discontinuously. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man Ethanol-haltige Lösung oder Ethanol-haltiges Gärgut in einem Vorfermentierungsreaktor herstellt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that ethanol-containing solution or ethanol-containing fermentation product is produced in a Vorfermentierungsreaktor. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Ethanol-haltige Lösung oder das Ethanol-haltige Gärgut aus nachwachsenden Rohstoffen insbesondere Mais oder Getreide, oder organischen Abfällen herstellt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that one produces the ethanol-containing solution or the ethanol-containing fermentation product from renewable raw materials, in particular corn or cereals, or organic waste. Verwendung von Ethanol insbesondere Ethanol-haltiger Lösung oder Ethanol-haltigem Gärgut zur Steigerung der Ausbeute der fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse.Use of ethanol, in particular ethanol-containing solution or ethanol-containing fermentation product to increase the yield of fermentative production of biogas from biomass. Verwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Ethanol in einem Bereich von ≥ 0,01 Vol.-% bis ≤ 1,5 Vol.-%, vorzugsweise in einem Bereich von ≥ 0,05 Vol.-% bis ≤ 0,5 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Biomasse in einem Fermentierungsreaktor, verwendet wird.Use according to claim 8, characterized in that ethanol in a range of ≥ 0.01 vol .-% to ≤ 1.5 vol .-%, preferably in a range of ≥ 0.05 vol .-% to ≤ 0.5 Vol .-%, based on the total volume of biomass in a fermentation reactor is used.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0152730A1 (en) 1983-12-15 1985-08-28 L'Etat belge, représenté par le Secrétaire Général des Services de la Programmation de la Politique Scientifique Process for the preparation of methane by anaerobic digestion of organic materials
DE102008032409A1 (en) * 2008-07-10 2010-01-14 Rietzler, Johann, Dr. Process for the production of methane from process waters and biogenic material

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