DE102018002883A1 - Process for the batchwise use of fully mixable agitators for methane fermentation - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur batchweisen Nutzung von voll durchmischbaren Rührapparaten für die Methanfermentation.
Dazu wird die batchweise biotechnologische Behandlung in der jeweiligen Behandlungsstation in wenigstens zwei Prozessbehältern durchgeführt. Die Prozessbehälter der jeweiligen Behandlungsstation werden mit an die eingesetzten Substrate adaptierten Mikrokulturen ausgestattet.
Nach der erfolgten Füllung eines Prozessbehälters mit Substrat aus der vorgelagerten Bearbeitungsstation wird dieser Behälter bei Aufrechterhaltung des gewählten mesophilen oder thermophilen Milieus während eines Zeitraums zwischen 5 und 15 Tagen weder beschickt noch entleert.
Vor einer erneuten Beschickung des batchweise betriebenen Prozessbehälters wird dieser bis auf einen Mindestfüllstand von wenigstens 20 bis 40% in die nachfolgende Bearbeitungsstation entleert, wobei der verbleibende Substratrest als Impfkultur für die nachfolgende batchweise Substratbehandlung fungiert.

Figure DE102018002883A1_0000
The invention relates to a method for the batchwise use of fully mixable Rühparparaten for methane fermentation.
For this purpose, the batchwise biotechnological treatment is carried out in the respective treatment station in at least two process containers. The process containers of the respective treatment station are equipped with microcultures adapted to the substrates used.
After the filling of a process container with substrate from the upstream processing station this container is neither fed nor emptied while maintaining the selected mesophilic or thermophilic environment for a period of between 5 and 15 days.
Before re-feeding the batchwise operated process container this is emptied to a minimum level of at least 20 to 40% in the subsequent processing station, the remaining substrate residue acts as a seed culture for the subsequent batchwise substrate treatment.
Figure DE102018002883A1_0000

Description

Anwendungsgebiet:Field of use:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur batchweisen Nutzung von voll durchmischbaren Rührapparaten für die Methanfermentation. Ein solches Verfahren wird für die Bioenergiegewinnung mittels Methanfermentation unter Einsatz von lignocellulosereichen biogenen Roh- und Reststoffen benötigt.The invention relates to a method for the batchwise use of fully mixable Rühparparaten for methane fermentation. Such a process is needed for bioenergy production by means of methane fermentation using lignocellulose-rich biogenic raw materials and residues.

Stand der Technik:State of the art:

Mit der DE 4446661 C1 (1994) wird eine technische Lösung zur mehrstufigen anaeroben Behandlung von biogenen Einsatzstoffen bekannt gemacht, die durch die räumliche Trennung von Hydrolyse und Fermentation gekennzeichnet ist.With the DE 4446661 C1 (1994) discloses a technical solution for the multi-stage anaerobic treatment of biogenic feedstocks, which is characterized by the spatial separation of hydrolysis and fermentation.

Im Beitrag „Biogas aus Festmist“ anlässlich der 8. Wissenschaftstagung Ökologischer Landbau in Kassel (2005) wurde ein zweiphasiger Biogasreaktor zur kontinuierlichen Vergärung von Festmist und organischen Abfällen vorgestellt. Kennzeichen dieses Verfahrensvorschlages ist die Kopplung eines großvolumigen anaeroben Hydrolysefermenters mit einem nachgeschalteten Methanisierungsfermenter für die Dünnphase, die aus dem Hydrolysat neben einer kompostierfähigen Festphase mittels Phasentrennung gewonnen wird.In the article "Biogas from solid manure" on the occasion of the 8th Scientific Conference on Organic Farming in Kassel (2005), a two-phase biogas reactor for continuous fermentation of solid manure and organic waste was presented. Characteristics of this method proposal is the coupling of a large volume anaerobic Hydrolysefermenters with a downstream Methanisierungsfermenter for the thin phase, which is obtained from the hydrolyzate in addition to a compostable solid phase by means of phase separation.

Mit der Dissertation „Kinetik der Biogasproduktion aus nachwachsenden Rohstoffen und Gülle“ an der HUB Berlin (2007) wird von batchweise durchgeführten Gärtests auf zu bevorzugende Verfahrensgestaltungen geschlossen. Es wird abgeleitet, dass mittels vergleichender batchweiser Untersuchungen bei Gewährleistung einheitlicher Beurteilungsbedingungen solche Einflussgrößen für den Vergärungserfolg von biogenen Einsatzstoffen bedeutsam sind, wie Raumbelastung, Prozesstemperatur, Hemmstoffkonzentration, Ligningehalt, mittlerer pH-Wert des Gärsubstrates, mittlere anaerobe Behandlungszeit u. dgl..The dissertation "Kinetics of Biogas Production from Renewable Raw Materials and Manure" at the HUB Berlin (2007) concludes from batchwise fermentation tests to preferable process designs. It is inferred that by means of comparative batchwise investigations, while ensuring uniform assessment conditions, such influencing variables are important for the fermentation success of biogenic starting materials, such as room load, process temperature, inhibitor concentration, lignin content, average pH of the fermentation substrate, average anaerobic treatment time and the like. etc. ..

Die EP 2242848 B1 (2008) macht ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas bekannt, das durch die Zugabe einer extern erzeugten Zellkultur der Art Clostridium sartagoformum zur eingesetzten Biomasse im Umfang von zumindest 1 % der Gesamtzahl der in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen gekennzeichnet ist.The EP 2242848 B1 (2008) discloses a method of producing biogas characterized by the addition of an externally generated cell culture of the species Clostridium sartagoformum to the biomass used amounting to at least 1% of the total number of microorganisms present in the culture.

Anlässlich der Fachtagung Biogas 2008 wurden Untersuchungsergebnisse zur Hydrolyse bei Biogasanlagen bekannt gemacht, die bei der Monofermentation von nachwachsenden Rohstoffen gewonnen wurden. Es wird auf die Vorteilhaftigkeit einer batchweisen aeroben Vorhydrolyse hingewiesen.At the biogas symposium in 2008, research results on the hydrolysis of biogas plants were obtained, which were obtained from the monofermentation of renewable raw materials. Attention is drawn to the advantages of batchwise aerobic prehydrolysis.

In „Progress in Biogas Stuttgart-Hohenheim“ (2011) wird auf den höheren Wirkungsgrad und die verbeserte Prozessstabilitä und Steuerbarkeit der Biogasgewinnung im Falle der Trennung von Hydrolyse und Methanisierung verwiesen. Damit sollen höhere organische Anlagenbelastungen und kürzere Retentionszeiten realisierbar sein. Insbesondere die Hydrolyse soll dabei batchweise durchgeführt werden und mit einer kontinuierlichen Methanfermentation kombiniert werden.In "Progress in Biogas Stuttgart-Hohenheim" (2011) reference is made to the higher efficiency and the improved process stability and controllability of biogas production in the case of the separation of hydrolysis and methanation. This should enable higher organic plant loads and shorter retention times. In particular, the hydrolysis should be carried out batchwise and combined with a continuous methane fermentation.

Ein Verfahren zur Druckmethanisierung von Biomasse wird mit der DE 102011015415 A1 (2011) vorgeschlagen. Dazu soll ein zur Druck-Methanogenese geeigneter Hochlast-Reaktor genutzt werden, mit dessen Hilfe Biogas mit einem Methangehalt von wenigstens 80 Vol.-% zu erzeugen sein soll. Das Verfahren nutzt die Erkenntnis, dass die Trennung der Fermentationsphasen „Hydrolyse+Acidogenese“ in einem primären Fermenter und der „Acetatbildung+ Methanogenese“ in einem sekundären Fermenter vorteilhaft ist. Diese soll es ermöglichen, für die Methanbildung Hochleistung-Festbettreaktoren zu nutzen. Bevorzugt soll der oberhalb des Normaldrucks liegende Druck im Reaktor durch die methanogenen Mikroorganismen zumindest teilweise selbst erzeugt werden. Voraussetzung für die Nutzung von Festbettreaktoren ist die Gewinnung eines flüssigen Perkolates, dem weitgehend die verbliebenen Feststoffe zuvor entzogen wurden. Im Gegensatz dazu können für die Gewinnung eines Zwischenproduktes, aus dem das Perkolat entnommen wird, kontinuierlich oder diskontinuierlich beschickte Feststoff-, Trocken-oder Flüssigkeitsreaktoren eingesetzt werden.A method for the pressure methanization of biomass is with the DE 102011015415 A1 (2011). For this purpose, a high pressure reactor suitable for pressure methanogenesis should be used, with the aid of which biogas with a methane content of at least 80% by volume should be produced. The method exploits the insight that the separation of the fermentation phases "hydrolysis + acidogenesis" in a primary fermenter and the "acetate formation + methanogenesis" in a secondary fermenter is advantageous. This should make it possible to use high-performance fixed bed reactors for methane formation. Preferably, the pressure above the normal pressure in the reactor should be generated at least partially by the methanogenic microorganisms themselves. The prerequisite for the use of fixed bed reactors is the recovery of a liquid percolate, which was previously largely removed from the remaining solids. In contrast, continuous or discontinuous solid, dry or liquid reactors can be used to recover an intermediate product from which the percolate is withdrawn.

Mit der DE 102012005636 A1 (2012) wird ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas offenbart, das zur Erhöhung der Pufferkapazität des eingesetzten organischen Substrates den Einsatz von feinstteiligem Calciumcarbonat vorsieht. Damit soll der pH-Wert des Gärsubstrates zwischen 6,3 und 8,0 gesteuert werden. Das vorgeschlagene Verfahren soll dabei wahlweise in einem Batchprozess durchgeführt werden können, bei dem ein Reaktor zunächst komplett gefüllt und nach Ablauf einer Reaktionszeit wieder komplett entleert wird.With the DE 102012005636 A1 (2012) discloses a process for the production of biogas, which envisages the use of very finely divided calcium carbonate in order to increase the buffer capacity of the organic substrate used. This is intended to control the pH of the fermentation substrate between 6.3 and 8.0. The proposed method should optionally be able to be carried out in a batch process in which a reactor is initially completely filled and completely emptied again after a reaction time.

In der agrarheute wird (2016) über eine zweiteilige Biogasanlage berichtet, mit deren Hilfe die Gasausbeute um bis zu 18 % erhöht werden konnte. In diesem Fall wurde dem eigentlichen Biogasreaktor ein ebenfalls anaerob betriebener Hydrolysecontainer vorgeschaltet, wobei die anfallenden und wasserstoffreichen Hydrolysegase zur Verbesserung der Gasqualität des Methanfermenters in diesen eingeleitet werden. Die hydraulische Verweilzeit im Hydrolysefermenter soll bei einer Prozesstemperatur zwischen 20 und 30 °C zwischen 3 und 5 Tagen betragen.In the agrautee (2016) a two-part biogas plant is reported, with the help of which the gas yield could be increased by up to 18%. In this case, the actual biogas reactor was preceded by a likewise anaerobically operated hydrolysis container, the resulting hydrogen-rich hydrolysis gases being introduced into the latter to improve the gas quality of the methane fermenter. The hydraulic residence time in the hydrolysis fermenter should be between 3 and 5 days at a process temperature between 20 and 30 ° C.

Die VDI-Richtlinie 4630 sieht die Ermittlung des erschließbaren Biogaspotentials mittels eines Batchtests vor. Damit sollen u.a. für verschieden zusammengesetzte biogene Einsatzstoffe Methanbildungspotentiale ermittelt werden. Eine wesentliche Vorgabe besteht in der Beurteilung des für die Behandlungen einzusetzenden so genannten Perkolates. Es gilt als hinreichend gut geeignet, wenn aus einer definierten biogenen Modellsubstanz bei Einhaltung vorgegebener physikalischer Versuchsbedingungen innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne ein geforderter Mindestumsatz der organischen Modellsubstanz zu Methan erreicht wird. The VDI guideline 4630 provides for the determination of the developable biogas potential by means of a batch test. Thus, among other things, methane formation potentials are to be determined for biogenic feedstocks of different composition. An essential requirement is the assessment of the so-called percolate used for the treatments. It is considered to be sufficiently well-suited if a required minimum conversion of the organic model substance to methane is achieved within a predetermined period of time from a defined biogenic model substance while maintaining prescribed physical experimental conditions.

Den bisher bekannten technischen Lösungen für die batchweise Durchführung von Fermentationsprozessen, insbesondere denen zur Methanfermentation haftet der gemeinsame Mangel an, dass weder die Möglichkeiten für die Bereitstellung von an die Zusammensetzung des jeweiligen biogenen Einsatzstoffes adaptierten und selektierten Mikrokultur vorgesehen sind, noch dass technische Lösungen für den dauerhaften Erhalt dieser angepassten Kultur aufgezeigt werden. The hitherto known technical solutions for the batchwise implementation of fermentation processes, in particular those for methane fermentation adheres to the common deficiency that neither the possibilities for the provision of the composition of the respective biogenic feedstock adapted and selected microculture are provided, nor that technical solutions for the permanent preservation of this adapted culture.

Aufgabe der Erfindung:Object of the invention:

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb im Schaffen einer technischen Lösung, mit der die Mängel des bekannten Standes der Technik überwunden werden. Insbesondere geht es um die Entwicklung von Vorschlägen, mit deren Hilfe unter Einsatz von in großen Stückzahlen in bestehenden Methanfermentationsanlagen verfügbaren erprobten Rührapparaten die Voraussetzungen für die biotechnologische Fermentation von biogenen Einsatzstoffen unterschiedlicher Zusammensetzung über einen wählbare Mindestbehandlungszeit und zugleich mit Hilfe von an die jeweilige Fermentationsaufgabe adaptierten Mikrokulturen verfügbar gemacht werden können.The object of the invention is therefore to provide a technical solution with which the deficiencies of the prior art are overcome. In particular, it is about the development of proposals, by means of which proven agitators available in large quantities in existing methane fermentation plants the conditions for the biotechnological fermentation of biogenic feedstocks of different composition over a selectable minimum treatment time and at the same time with the help of adapted to the respective fermentation task microcultures can be made available.

Erfindungsbeschreibung:Description of the invention:

Die Aufgabe der Erfindung wird durch den im Patentanspruch 1 bezeichneten Verfahrensvorschlag gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen erläutert.The object of the invention is achieved by the method proposed in claim 1. Advantageous embodiments of the invention are explained in the subclaims.

Danach wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Nutzung von voll durchmischbaren Rührapparaten für die batchweise Methanfermentation in Anlagen zur Biogasgewinnung aus rohfaserreichen biogenen Einsatzstoffen dadurch realisiert, dass in räumlich getrennten Stationen zunächst aus feinteiligen Einsatzstoffen und Biofiltraten, die als Dünnphase bei der Phasentrennung der Fermentationsrückstände gewonnen werden, eine pumpfähige Biosuspension hergestellt wird. In einer anschließenden Station wird die Biosuspension hydrolytisch vorbehandelt. Die dabei aus der eingesetzten Biosuspension gewonnenen Hydrolysate werden zunächst einer Methanfermentation im bevorzugt mesophilen Milieu zugeführt, während die bei der Methanfermentation entstehenden Gärsubstrate einer weiteren Behandlung in einer Nachfermentationsstation, die bevorzugt im thermophilen Milieu betrieben wird, unterworfen werden.Thereafter, the inventive method for the use of fully mixable agitators for batchwise methane fermentation in plants for biogas production from raw fiber-rich biogenic feedstocks is realized that in spatially separate stations initially from finely divided feedstocks and biofilms, which are obtained as a thin phase in the phase separation of the fermentation residues, a pumpable biosuspension is produced. In a subsequent station, the biosuspension is pretreated hydrolytically. The hydrolysates obtained from the biosuspension used are first fed to a methane fermentation in the preferably mesophilic medium, while the fermentation substrates formed during the methane fermentation are subjected to further treatment in a secondary fermentation station, which is preferably operated in the thermophilic environment.

Dabei ist vorgesehen, dass die batchweise biotechnologische Behandlung in der jeweiligen Bearbeitungsstation in wenigstens zwei Prozessbehältern durchgeführt wird, wobei diese Prozessbehälter mit speziell an die eingesetzten biogenen Substrate adaptierten Mikrokulturen ausgestattet werden. Diese speziellen Mikrokulturen können dabei aus bereits mit ähnlichen Einsatzstoffen betriebenen Prozessen entnommen oder im laufenden Anlagenbetrieb durch selektive und adaptive Maßnahmen gewonnen werden.It is provided that the batchwise biotechnological treatment is carried out in the respective processing station in at least two process containers, these process containers are equipped with specially adapted to the biogenic substrates used microcultures. These special microcultures can be taken from already operated with similar feedstock processes or can be obtained during ongoing plant operation by selective and adaptive measures.

Für die erfindungsgemäße Lösung ist es kennzeichnend, dass der mit Substrat aus der vorgelagerten Bearbeitungsstation gefüllte Prozessbehälter während eines Zeitraumes zwischen 5 und 15 Tagen weder beschickt noch entleert wird und dass sich die Behandlung des Substrates im jeweiligen Prozessbehälter auf das Vermischen mit der im Prozessbehälter enthaltenen Impfmasse, auf das Temperieren und das die Gasentbindung befördernde Umwälzen beschränkt. Die Substratbehandlung erfolgt dabei wenigstens in der Nachfermentationsstation batchweise, wobei die in der Nachfermentationsstation gewonnenen Fermentationsrückstände in einem hinter der Nachfermentationsstation angeordneten Lagertank zwischengelagert werden. Das verfügbare Nutzvolumen dieses Lagertanks entspricht dabei zumindest dem Volumen der Fermentationsrückstände, die dem Prozessbehälter der Nachfermentationsstation vor einer erneuten Befüllung periodisch entnommen werden müssen.It is characteristic of the solution according to the invention that the process container filled with substrate from the upstream processing station is neither charged nor emptied during a period of between 5 and 15 days and that the treatment of the substrate in the respective process container involves mixing with the seed material contained in the process container , limited to the tempering and the gassing promoted circulating. The substrate treatment is carried out batchwise at least in the post-fermentation station, with the fermentation residues obtained in the secondary fermentation station being intermediately stored in a storage tank arranged behind the secondary fermentation station. The available useful volume of this storage tank corresponds to at least the volume of the fermentation residues, which must be taken periodically before the process container of Nachfermentationsstation before refilling.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante wird der jeweilige Prozessbehälter einer batchweise betriebenen Hauptfermentationsstation nach der vollständigen Auffüllung mit Hydrolysat während eines Zeitraumes von wenigstens 5 Tagen weder beschickt noch entleert. Damit wird der Beobachtung Rechnung getragen, dass die in den eingesetzten Hydrolysaten enthaltenen kurzkettigen Fettsäuren und wesentliche Teile der leicht abzubauenden Gehalte an Fetten, Rohproteinen und Kohlehydraten soweit im Gärsubstrat reduziert werden, um in der Nachfermentationsstation nicht die dort hauptsächlich tätige Mikrokultur für das Verstoffwechseln der rohfaserreichen Einsatzstoffe nachhaltig zu deformieren.In a preferred embodiment, the respective process container of a main fermentation station operated batchwise is neither charged nor emptied after complete filling with hydrolyzate for a period of at least 5 days. This takes into account the observation that the short-chain fatty acids contained in the hydrolysates used and essential parts of the easily degraded fats, crude proteins and carbohydrates are reduced as far as in the fermentation substrate in order not to use the microculture predominantly active there in the post-fermentation station for the metabolization of the crude fiber-rich Sustainable deformation of feedstocks.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante sieht vor, den jeweils vollständig aufgefüllten Prozessbehälter der im thermophilen Milieu betriebenen Nachfermentationsstation wenigstens über einen Zeitraum von regelmäßig wenigstens 10 Tagen weder zu beschicken noch zu entleeren. Damit wird insbesondere zwei Erkenntnissen entsprochen: Erstens werden die mit einer wenigstens 10-tägigen Substratbehandlung im thermophilen Milieu bewirkten Effekte für eine anerkannte Vollstromhygienisierung genutzt. Zweitens wird vermieden, dass die für das Verstoffwechseln der rohfaserhaltigen Inhaltsstoffe aktiven Keime mit Generationszeiten von mehr als 8 Tagen aktivitätsmindernd ausgeschwemmt werden.A further advantageous embodiment provides, in each case completely filled up process container in the thermophilic environment operated Nachfermentationsstation least for a period of at least 10 days regularly neither to load nor to empty. In particular, two findings are met: First, the effects of at least 10 days substrate treatment in the thermophilic environment are used for a recognized full-flow sanitation. Secondly, it is avoided that the germs active for the metabolisation of the raw-fiber-containing ingredients are flushed out with generation times of more than 8 days to reduce activity.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, in den batchweise betriebenen Prozessbehältern den Eintrag von mechanischer Rührenergie auf das Maß zu beschränken, mit dem infolge des regelmäßigen Umwälzens des Inhaltes des jeweiligen Prozessbehälters Behinderungen der Gasentbindung durch sich verfestigende Schwimmschichten vermieden werden und auch die übrigen Prozessbedingungen weitgehend konstant gehalten werdenIt has proven to be advantageous to limit the entry of mechanical stirring energy in the batchwise operated process containers to the extent to which, as a result of the regular circulation of the contents of the respective process container obstructions of the gas release by solidifying floating layers are avoided and the remaining process conditions largely constant being held

Im Interesse der Nutzung von an die sich verändernden Substratqualitäten in den aufeinanderfolgenden Prozessstufen adaptierten Mikrokulturen erfolgt die Entleerung der behandelten Substrate aus einem batchweise betriebenen Prozessbehälter in die nachfolgende Bearbeitungsstation derart, dass lediglich eine Teilentleerung erfolgt und der im Prozessbehälter verbleibende Substratrest für die nachfolgende Batchbehandlung als adaptierte und nachwachsende Impfmasse fungiert. Dazu soll im jeweils entleerten Prozessbehälter ein Substratrest von wenigstens 20 %, vorzugsweise jedoch von wenigstens 40 %, des Nutzvolumens des jeweiligen Prozessbehälters verbleiben.In the interest of using adapted to the changing substrate qualities in the successive stages microcultures emptying of the treated substrates from a batchwise operated process vessel is carried out in the subsequent processing station such that only a partial emptying takes place and remaining in the process container substrate for subsequent batch treatment as adapted and regrowing vaccine mass acts. For this purpose, a substrate residue of at least 20%, but preferably of at least 40%, of the useful volume of the respective process container should remain in the respective empty process container.

Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante soll der Überlastung der Mikrokulturen in den Fermentationsstationen dadurch vorgebeugt werden, dass die tägliche Beschickung eines teilweise entleerten Prozessbehälters der batchweise betriebenen Bearbeitungsstation mit Hydrolysat aus der Hydrolysestation oder mit Gärsubstrat aus der Hauptfermentationsstation mit einem Mengenstrom erfolgt, der 15 kg organische Trockensubstanz je m3 im zu beschickenden Prozessbehälter enthaltenen Biomassevolumen zu keinem Zeitpunkt überschreitet.According to a further embodiment, the overloading of the microcultures in the fermentation stations is to be prevented by carrying out the daily loading of a partially emptied process container of the batchwise operated processing station with hydrolyzate from the hydrolysis station or with fermentation substrate from the main fermentation station with a flow rate of 15 kg of organic dry matter per each m 3 in the process container to be charged biomass volume never exceeds.

Kennzeichnend für die erfindungsgemäße technische Lösung ist es auch, dass während der unterbrochenen Beschickung des batchweise betriebenen Prozessbehälters einer Bearbeitungsstation der oder die weiteren Prozessbehälter dieser Station mit den Substraten aus der jeweils vorgelagerten Bearbeitungsstation beschickt werden.It is also characteristic of the technical solution according to the invention that, during the interrupted charging of the batchwise operated process container of a processing station, the one or more further process containers of this station are charged with the substrates from the upstream processing station.

Es ist möglich, die Substrate in den Prozessbehältern der batchweise betriebenen Bearbeitungsstationen in der erfindungsgemäß betriebenen Methanfermentationsanlage durch den dauernden oder intermittierenden Betrieb von Rührmechanismen und/oder Pumpen umzuwälzen.It is possible to circulate the substrates in the process vessels of the batchwise operated processing stations in the methane fermentation plant operated according to the invention by the continuous or intermittent operation of stirring mechanisms and / or pumps.

Die vorteilhaften Wirkungen der erfindungsgemäßen technischen Lösung lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • - Es können die an sich für den simultanen Fermentationsprozess unzureichend effizienten Rührbehälter genutzt werden.
  • - In den einzelnen räumlich getrennten Bearbeitungsstationen stehen in zunehmendem Maße an die konkreten Anforderungen adaptierte Mikrokulturen zur Verfügung.
  • - Eine gegenseitige Beeinträchtigung der Spezies der aktiven Mikrokulturen wird weitgehend ausgeschlossen.
  • - Es können biogene Einsatzstoffe mit qualitativ unterschiedlichen Inhaltsstoffen mit hoher energetischer Wirksamkeit verwertet werden, weil die langsam wachsenden Keime für schwieriger abbaubare Inhaltsstoffe nicht durch schnell wachsende Keime für leicht abbaubaue Inhaltsstoffe verdrängt werden.
  • - Es werden vergleichsweise hohe Umsetzungsraten der eingesetzten organischen Substanz zu Biogas erreicht, ohne dafür spezielle kulturerhaltende Fermentersysteme einsetzen zu müssen.
  • - Die Fermentationsreste sind durch vergleichsweise hohe anorganische Anteile an der Trockensubstanz und damit durch hohe Konzentrationen an mineralischen Nährstoffen gekennzeichnet.
  • - Es werden einfach zu dimensionierende Mindestbehandlungszeiten für die biogenen Einsatzstoffe gewährleistet.
  • - Durch eine mögliche Mindesthandlungszeit von wenigstens 10 Tagen in der im thermophilen Milieu betriebenen Nachfermentationsstation wird bei Erfordernis ohne zusätzliche technische Einrichtungen die Vollstromhygienisierung der gewonnenen Fermentationsreste und damit der verfügbaren organischen NPKS-Düngemittel realisiert.
  • - Der Energieaufwand für das thermische Hygienisieren der Gärsubstrate kann auch ohne aufwendigen Wärmetausch durch das Aufheizen der die Gärsubstrate aus der im mesophilen Milieu betriebene Hauptfermentationsstation von maximal 42 °C auf wenigstens 55 °C begrenzt werden.
The advantageous effects of the technical solution according to the invention can be summarized as follows:
  • - It is possible to use the stirring vessels, which are in themselves insufficiently efficient for the simultaneous fermentation process.
  • - In the individual spatially separate processing stations are increasingly adapted to the specific requirements adapted microcultures available.
  • - Mutual impairment of the species of active microcultures is largely excluded.
  • It is possible to utilize biogenic starting materials with qualitatively different ingredients with high energetic effectiveness, because the slowly growing germs for difficultly degradable ingredients are not displaced by rapidly growing germs for readily degradable ingredients.
  • - It comparatively high conversion rates of the organic substance used to biogas can be achieved without having to use special culture-preserving fermenter systems.
  • - The fermentation residues are characterized by comparatively high inorganic content of the dry matter and thus by high concentrations of mineral nutrients.
  • - It is guaranteed easy to be dimensioned minimum treatment times for the biogenic materials.
  • - By a minimum possible action time of at least 10 days in the operating in the thermophilic environment Nachfermentationsstation the full flow of the recovered fermentation residues and thus the available organic NPKS fertilizer is realized if required without additional technical facilities.
  • - The energy required for the thermal sanitation of the fermentation substrates can be limited to at least 55 ° C even without extensive heat exchange by heating the fermentation substrates from the main fermentation station operated in the mesophilic milieu of maximum 42 ° C.

Ausführungsbeispiel:Embodiment:

Die Erfindung soll nachstehend mit Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with exemplary embodiments.

In der beigefügten Zeichnung zeigen:

  • 1 das Blockschaltbild einer Methanfermentationsanlage mit batchweise betriebener Nachfermentationsstation;
  • 2 das Blockschaltbild einer Methanfermentationsanlage mit batchweise betriebener Haupt- und Nachfermentationsstation;
  • 3 das Blockschaltbild einer Methanfermentationsanlage mit den batchweise betriebenen Bearbeitungsstationen Hydrolysestation, Hauptfermentationsstation und Nachfermentationsstation;
  • 4 das Blockschaltbild einer Methanfermentationsanlage mit den batchweise betriebenen Hydrolyse- und Nachfermentationsstationen.
In the attached drawing show:
  • 1 the block diagram of a methane fermentation plant with batchwise Nachfermentationsstation operated;
  • 2 the block diagram of a methane fermentation plant with batchwise main and Nachfermentationsstation;
  • 3 the block diagram of a methane fermentation plant with the batchwise operated processing stations Hydrolysestation, Hauptfermentationsstation and Nachfermentationsstation;
  • 4 the block diagram of a methane fermentation plant with the batchwise operated hydrolysis and Nachfermentationsstationen.

Beispiel 1:Example 1:

Gemäß der 1 besteht eine Methanfermentationsanlage aus insgesamt sieben Prozessbehältern 14, von denen bis auf den für die Herstellung der Biosuspension aus feinteiligen lignocellulosischen biogenen Einsatzstoffen 2 in Form von jährlich 6.000 t Rindermist, 1.000 t Mischgülle-Festphase und 13.000 m3 Biofiltrat 3 aus der der Phasentrennstation 10 der Gärreste genutzten Rührapparat 12 der Suspendierstation 4 mit einem Nutzvolumen von 100 m3 alle weiteren Behälter gasdicht ausgerüstet sind.According to the 1 a methane fermentation plant consists of a total of seven process vessels 14 of which, except for the preparation of the biosuspension from finely divided lignocellulosic biogenic feedstocks 2 in the form of 6,000 t of cattle manure per year, 1,000 t of mixed slurry solid phase and 13,000 m 3 of biofiltrate 3 from the phase separation station 10 the digestate used Rühparparat 12 the suspension station 4 With a useful volume of 100 m 3, all other containers are gas-tight.

Ein weiterer gerührter Durchfluss-Rührapparat 13 mit einem Nutzvolumen von 300 m3 wird im Durchlaufverfahren in der Hydrolysestation 6 für die Hydrolyse der erzeugten Biosuspension genutzt. Mit einem einmaligen Pumpvorgang wird der Durchfluss-Rührapparat 13 der Hydrolysestation 6 mit der täglich zu behandelnden Biosuspension von 55 m3 mit einem mittleren Trockensubstanzgehalt von 15 % beschickt. Zuvor wird der Hydrolysestation 6 jeweils eine entsprechende Hydrolysatmenge entnommen und in den für die Hauptfermentationsstation 7 genutzten Prozessbehälter 14 gepumpt. Das der Hydrolysestation 6 entnommene Hydrolysat war dabei im Mittel 5,4 Tage und während einer Mindestbehandlungszeit von 1 Tag den aeroben Hydrolysebedingungen bei im Mittel 50 °C Medientemperatur ausgesetzt.Another stirred flow stirring device 13 with a useful volume of 300 m 3 is in the continuous process in the Hydrolysestation 6 used for the hydrolysis of the biosuspension produced. With a one-time pumping process, the flow-through stirring apparatus becomes 13 the hydrolysis station 6 loaded with the daily to be treated Biosuspension of 55 m 3 with a mean dry matter content of 15%. Previously, the hydrolysis station 6 each removed a corresponding amount of hydrolyzate and in the for the main fermentation station 7 used process container 14 pumped. That of the hydrolysis station 6 taken hydrolyzate was exposed on average 5.4 days and during a minimum treatment time of 1 day the aerobic hydrolysis conditions at an average of 50 ° C media temperature.

Die Hauptfermentationsstation 7 dient der Fermentation im mesophilen Milieu bei einer mittleren Temperatur von 41 °C.The main fermentation station 7 is used for fermentation in the mesophilic environment at an average temperature of 41 ° C.

Dazu wird ein hydraulisch mischbarer zweiteiliger Behälter im Pfropfenstrombetrieb genutzt. Bei einem Nutzvolumen von 1.700 m3 wird in der Hauptfermentationsstation 7 eine Mindestbehandlungszeit von wenigstens 12 Tagen erreicht.For this purpose, a hydraulically miscible two-part container is used in plug flow operation. With a useful volume of 1,700 m 3 is in the main fermentation station 7 a minimum treatment time of at least 12 days.

Beim Beschicken der Hauptfermentationsstation 7 mit der Pumpstation 5 für das gewonnene Hydrolysat wird eine entsprechende Menge von Gärsubstrat aus dem Prozessbehälter 14 der Hauptfermentationsstation 7 in die Nachfermentationsstation 8 verdrängt.When loading the main fermentation station 7 with the pumping station 5 for the obtained hydrolyzate is a corresponding amount of fermentation substrate from the process vessel 14 the main fermentation station 7 in the secondary fermentation station 8th repressed.

In der Nachfermentationsstation 8 werden zwei volldurchmischbare Rührapparate 12 von jeweils 1.000 m3 Nutzvolumen batchweise und im thermophilen Milieu genutzt. Während ein vollständig gefüllter Rührapparat 12 wenigstens 10 Tage lang täglich in regelmäßigen zeitlichen Abständen viermal für maximal 15 Minuten umgewälzt wird, erfolgt der Eintrag des Gärsubstrates aus der Hauptfermentationsstation 7 in den zweiten Prozessbehälter 14 der Nachfermentationsstation 8. Jeweils nach dem Zulauf des Gärsubstrates in diesen Prozessbehälter 14 erfolgt dessen Einmischen in die enthaltene Biomasse dieses Behälters. Jeweils vor der bevorstehenden vollständigen Füllung des zweiten Prozessbehälters 14 wird dem ersten Prozessbehälter 14 der Nachfermentationsstation 8 eine Menge von etwa 550 m3 Gärrest entnommen und mittels der Gärrest-Pumpstation 5 in den als Lagertank für die Fermentationsrückstände 9 genutzten Prozessbehälter 14 umgelagert. Der im jeweils teilentleerten Behälter der Nachfermentationsstation 8 verbleibende Biomasserest dient bei der nachfolgenden Neubeschickung mit Gärsubstrat aus der Hautfermentationsstation 7 als die adaptierte Kultur enthaltende Impfmasse. Das Nutzvolumen des Lagertanks für die Fermentationsrückstände 9 beträgt ebenfalls 1.000 m3. Er dient in erster Linie der Entkopplung der Prozesse Fermentation und Phasentrennung. Dem Lagertank für die Fermentationsrückstände 9 wird der Fermentationsrückstand mit einem mittleren Trockensubstanzgehalt von 11 % entnommen und mit der Gärrestdosierpumpenstation 5 der Phasentrennstation 10 zugeführt. Dort erfolgt die Gewinnung eines trockensubstanzreichen Presskuchens mit hohen Gehalten von Pflanzennährstoffen, der im Düngemittellager 11 zwischengelagert wird, und des trockensubstanzarmen Biofiltrates 3, das im Biofiltrattank zwischengestapelt wird. Der Biofiltrattank dient der Entkopplung der Prozessstufen Phasentrennstation 10 und Suspendierstation 4 und besitzt ein Nutzvolumen von 300 m3.In the post fermentation station 8th become two fully mixable stirring devices 12 each of 1,000 m 3 useful volume used batchwise and in a thermophilic environment. While a completely filled stirrer 12 The entry of the fermentation substrate from the main fermentation station takes place daily for at least 10 days at regular time intervals for a maximum of 15 minutes 7 in the second process vessel 14 the post fermentation station 8th , In each case after the feed of the fermentation substrate in this process container 14 takes its mixing in the contained biomass of this container. Each before the upcoming complete filling of the second process container 14 becomes the first process container 14 the post fermentation station 8th taken from a quantity of about 550 m 3 digestate and by means of the fermentation residue pumping station 5 in the storage tank for the fermentation residues 9 used process container 14 rearranged. The in each case partially emptied container Nachfermentationsstation 8th Residual biomass residue is used in the subsequent re-feeding with fermentation substrate from the skin fermentation station 7 as the adapted culture containing vaccine. The useful volume of the storage tank for the fermentation residues 9 is also 1,000 m 3 . It primarily serves to decouple the fermentation and phase separation processes. The storage tank for the fermentation residues 9 The fermentation residue is taken with an average dry matter content of 11% and with the Gärrestdosierpumpenstation 5 the phase separation station 10 fed. There, the extraction of a dry matter-rich press cake with high levels of plant nutrients, which takes place in the fertilizer storage 11 is stored, and the low-dry biofiltrate 3 which is intermediately stacked in the biofilmattank. The Biofiltrattank serves to decouple the process stages phase separation station 10 and suspension station 4 and has a useful volume of 300 m 3 .

Mit täglich etwa 35 m3 Biofiltrat 3 werden adaptierte Anteile der darin enthaltenen Mikrokulturen für die hydrolytische Behandlung und der mesophilen und thermophilen Mikrokultur für die Methanfermentation in den biotechnologischen Prozess zurückgeführt. Indem die hydrolytischen, mesophilen und thermophilen Keime in den räumlich getrennten Prozessstufen unter den jeweils optimalen Bedingungen aktiv werden können, kommt es zu im Vergleich mit dem bekannten Stand der Technik deutlich erhöhten Umsetzungsraten der eingesetzten organischen Substanz. Im Beispiel wird aus jährlich insgesamt 2.650 t organischer Trockensubstanz Biogas mit einem Energiegehalt von 10,9 GWh/a und damit 4,1 kWh/kg organischer Trockensubstanz gewonnen. Dieser energetische Umsetzungsgrad wird erreicht, obwohl für die unmittelbare biotechnologische Behandlung in den Prozessstufen Hydrolysestation 6 mit 300 m3, der Hauptfermentationsstation 7 mit 1.700 m3 und der Nachfermenterstation 8 mit 2.000 m3 insgesamt nur ein Nutzvolumen von 4.000 m3 für eine tägliche Substratmenge aus der Suspendierstation 4 von 55 m3 und damit für lediglich etwa 73 Tage mittlerer Behandlungszeit zur Verfügung steht. Voraussetzung für den im Vergleich mit der biotechnologischen Behandlung mittels ausschließlich im Durchlaufverfahren betriebener Rührapparate 12 beachtlich erhöhten Umsetzungsgrad der eingesetzten biogenen Substanz ist neben der in den räumlich getrennten Behandlungsstufen mit jeweils an die Behandlungsaufgabe adaptieren Mikrokulturen erfolgenden biotechnologische Behandlung die erreichte Mindestbehandlungszeit von insgesamt 24 Tagen, beim Vielfachen der Mindestbehandlungszeit von Nassfermentationsanlagen nach dem Stand der Technik liegt.With daily about 35 m 3 biofiltrate 3 adapted portions of the microcultures for hydrolytic treatment contained therein and the mesophilic and thermophilic microculture for methane fermentation are attributed to the biotechnological process. By allowing the hydrolytic, mesophilic and thermophilic nuclei to become active in the spatially separate process stages under the respectively optimum conditions, the conversion rates of the organic substance used are significantly higher than in the prior art. In the example, biogas with an energy content of 10.9 GWh / a and a total of 2,650 t of organic dry matter annually becomes thus gained 4.1 kWh / kg of organic dry matter. This energetic degree of conversion is achieved, although for the immediate biotechnological treatment in the process stages hydrolysis 6 with 300 m 3 , the main fermentation station 7 with 1,700 m 3 and the secondary fermenter station 8th with a total of 2,000 m 3 only a useful volume of 4,000 m 3 for a daily amount of substrate from the suspending station 4 of 55 m 3 and is therefore available for only about 73 days of medium treatment time. Prerequisite for the compared with the biotechnological treatment by means of continuous flow stirred agitators 12 Considerably increased degree of conversion of the biogenic substance used is in addition to the biotechnological treatment taking place in the spatially separate treatment stages, each adapted to the treatment task micro-cultures treatment reached the minimum treatment time of 24 days, at multiples of the minimum treatment time of wet fermentation plants according to the prior art.

Beispiel 2:Example 2:

Im Beispiel 2 erfolgt die biotechnologische Behandlung gemäß des in 2 gekennzeichneten Ablaufs. Dieser unterscheidet sich gegenüber dem Beispiel 1 im wesentlichen dadurch, dass sowohl die Hauptfermentationsstufe 7 als auch die Nachfermentationsstufe 8 mit batchweise betriebenen Rührapparaten 12 betrieben werden.In Example 2, the biotechnological treatment according to the in 2 marked expiration. This differs from that of Example 1 essentially in that both the main fermentation stage 7 as well as the Nachfermentationsstufe 8th with batchwise stirred agitators 12 operate.

Im Beispiel 2 werden in der Suspendierstation 4 aus einem jährlichen Einsatz von 7.000 t Rapsstrohsilage, 2.000 t Mischgülle-Festphase als biogene Einsatzstoffe 2 und 18.350 m3 Biofiltrat 3 aus der Phasentrennstation 10 zur Behandlung der Fermentationsrückstände täglich 75 m3 Biosuspension erzeugt und der Hydrolysestation 6 zugeführt.In Example 2, in the suspending station 4 from an annual use of 7,000 t rapeseed straw silage, 2,000 t mixed slurry solid phase as biogenic feedstock 2 and 18,350 m 3 biofiltrate 3 from the phase separation station 10 to treat the fermentation residues generated daily 75 m 3 of biosuspension and the Hydrolysestation 6 fed.

Der für die hydrolytische Behandlung der Biosuspension genutzte Durchfluss-Rührapparat 13 hat ein Nutzvolumen von 500 m3, wodurch die semi-aerobe hydrolytische Behandlung bei einer mittleren Aufenthaltszeit von 6,6 Tagen erfolgen kann. Die entstehenden Hydrolysate erreichen bei dieser Behandlung einen pH-Wert von weniger als 5,5. Die beim Befüllen des Hydrolysebehälters 13 verdrängten Hydrolysate gelangen abwechselnd in die beiden batchweise betriebenen Rührbehälter 12 der Hauptfermentationsstation 7. Diese Prozessbehälter 14 für die Methanfermentation im mesophilen Milieu haben jeweils ein Nutzvolumen von 1.200 m3. Nach vollständiger Füllung eines der beiden Prozessbehälter der Hauptfermentationsstation 7 wird dieser ohne weitere Beschickung mit Hydrolysat und ohne Gärsubstratentnahme über einen Zeitraum von 8 Tagen mittels Rührwerkstechnik so umgewälzt, dass es zu keiner Beeinträchtigung der Gasentbindung infolge einer sich stabilisierenden Schwimmschicht kommt. Die zwischen der Hauptfermentationsstation 7 und der Nachfermentationsstation 8 angeordnete Pumpstation 5 dient nach der batchweisen Behandlung des Hydrolysats in der Hauptfermentationsstation 7 zur Überführung von etwa 560 m3 Gärsubstrat aus dem jeweiligen Prozessbehälter 14 der Hauptfermentationsstation 7 in den zuvor teilweise entleerten Prozessbehälter 14 der Nachfermentationsstation 8. Die beiden Rührapparate 12 der Nachfermentationsstation 8 besitzen jeweils ein Nutzvolumen von 1.500 m3. Vor einem vorgesehenen Umlagerungsvorgang von jeweils 560 m3 Gärsubstrat aus einem Prozessbehälter 14 der Hauptfermentationsstation 7 in den zu beschickenden Prozessbehälter 14 der Nachfermentationsstation 8 wird diesem Behälter mit Hilfe der zwischen der Nachfermentationsstation 8 und dem Lagertank für die Fermentationsrückstände 9 angeordneten Pumpstation 5 eine Menge von etwa 540 m3 Fermentationsrückstand entnommen und in den Lagertank 9 gepumpt. Nach der erneuten Befüllung dieses Behälters mit einem Grundbestand an adaptierter mesophilen Mikrokultur mit Gärsubstrat aus der ebenfalls im mesophilen Milieu betriebenen Hauptfermentationsstation 7 wird die biotechnologischen Behandlung im mesophilen Milieu fortgesetzt. Durch das inzwischen weitgehende Fehlen von vergleichsweise leicht abbaubaren Fettsäuren, Fetten, Proteinen und Kohlehydraten im der Nachfermentationsstation 8 zugeführten Gärsubstrat kommt es in der Nachfermentationsstation 8 zur Weiterführung der mikrobiellen Umsetzung von Anteilen der zugeführten biogenen Substanz zu Biogas im mesophilen Milieu. The flow-through stirring device used for the hydrolytic treatment of the biosuspension 13 has a useful volume of 500 m 3 , whereby the semi-aerobic hydrolytic treatment can be carried out with a mean residence time of 6.6 days. The resulting hydrolyzates reach a pH of less than 5.5 in this treatment. The filling of the hydrolysis tank 13 displaced hydrolyzates pass alternately into the two batchwise operated stirred tank 12 the main fermentation station 7 , These process vessels 14 for methane fermentation in the mesophilic environment each have a useful volume of 1,200 m 3 . After complete filling of one of the two process vessels of the main fermentation station 7 this is circulated without further loading with hydrolyzate and without fermentation substrate removal over a period of 8 days by means of agitator technology so that there is no impairment of gas release due to a stabilizing floating layer. The between the main fermentation station 7 and the post-fermentation station 8th arranged pumping station 5 serves after the batchwise treatment of the hydrolyzate in the main fermentation station 7 for the transfer of about 560 m 3 of fermentation substrate from the respective process vessel 14 the main fermentation station 7 in the previously partially emptied process container 14 the post fermentation station 8th , The two stirring devices 12 the post fermentation station 8th each have a useful volume of 1,500 m 3 . In front of an intended relocation process of 560 m 3 fermentation substrate from a process vessel 14 the main fermentation station 7 in the process container to be charged 14 the post fermentation station 8th This container is placed between the secondary fermentation station 8th and the storage tank for the fermentation residues 9 arranged pumping station 5 taken an amount of about 540 m 3 of fermentation residue and placed in the storage tank 9 pumped. After re-filling this container with a basic inventory of adapted mesophilic microculture with fermentation substrate from the main fermentation station also operated in the mesophilic environment 7 the biotechnological treatment continues in the mesophilic milieu. By now largely lack of relatively easily degradable fatty acids, fats, proteins and carbohydrates in Nachfermentationsstation 8th fed fermentation substrate occurs in Nachfermentationsstation 8th to continue the microbial conversion of proportions of the supplied biogenic substance to biogas in the mesophilic environment.

Nun steht allerdings eine Mikrokultur zur Verfügung, die sich zunehmend an die Anforderungen adaptiert hat, die sich aus der überwiegenden Rohfaserbeschaffenheit der im Gärsubstrat enthaltenen organischen Trockensubstanz ergeben. Bis zur erneuten Umlagerung von Gärsubstrat aus der Hauptfermentationsstation 7 vergehen erneut 8 Tage. Vor Ablauf dieser Behandlungszeit wird dem zweiten batchweise betriebenen Prozessbehälter 14 der Nachfermentationsstation 8 ebenfalls eine Menge von 540 m3 Fermentationsrückstand entnommen und in den Lagertank 9 gefördert. Anschließend erfolgt das Wiederauffüllen des aufnahmebereiten Prozessbehälters 14 der Nachfermentationsstation mit Gärsubstrat aus der Hauptfermentationsstation 7. Wie im Beispiel 1 wird dem erzeugten Fermentationsrückstand in der Phasentrennstation 10 eine trockensubstanz- und nährstoffreiche Düngemittelfraktion mit einem Mengenstrom von im Mittel 17 t/d entnommen, während der anfallende Mengenstrom an Biofiltrat 3 in Höhe von 50 t/d dem Behälter für die Zwischenlagerung des Biofiltrates zugeführt wird.However, a microculture is now available that has increasingly adapted to the requirements resulting from the predominant raw fiber nature of the organic dry matter contained in the fermentation substrate. Until the renewed rearrangement of fermentation substrate from the main fermentation station 7 pass again 8 days. Before the end of this treatment time, the second batch process vessel is operated 14 the post fermentation station 8th also removed a quantity of 540 m 3 fermentation residue and into the storage tank 9 promoted. Subsequently, the refilling of the receptive process container takes place 14 the Nachfermentationsstation with fermentation substrate from the main fermentation station 7 , As in Example 1, the fermentation residue produced is in the phase separation station 10 taken a dry matter and nutrient-rich fertilizer fraction with a flow rate of 17 t / d on average, while the resulting flow of biofiltrate 3 is fed to the container for the intermediate storage of Biofiltrates 50 t / d.

Im Beispiel wird aus jährlich insgesamt 3.620 t organischer Trockensubstanz Biogas mit einem Energiegehalt von 16,4 GWh/a und damit 4,5 kWh/kg organischer Trockensubstanz gewonnen. Dieser energetische Umsetzungsgrad wird erreicht, obwohl für die unmittelbare biotechnologische Behandlung in den Prozessstufen Hydrolysestation 6 mit 500 m3, der Hauptfermentationsstation 7 mit 2.400 m3 und der Nachfermenterstation 8 mit 3.000 m3 insgesamt nur ein Nutzvolumen von 5.900 m3 für eine tägliche Substratmenge aus der Suspendierstation von 75 m3 und damit für lediglich etwa 79 Tage mittlerer Behandlungszeit zur Verfügung steht. Voraussetzung für den im Vergleich mit der biotechnologischen Behandlung mittels ausschließlich im Durchlaufverfahren betriebener Rührapparate 12 beachtlich erhöhten Umsetzungsgrad der eingesetzten biogenen Substanz ist neben der in den räumlich getrennten Behandlungsstufen mit jeweils an die Behandlungsaufgabe adaptieren Mikrokulturen erfolgenden biotechnologische Behandlung die erreichte Mindestbehandlungszeit von insgesamt 25 Tagen, die beim Vielfachen der Mindestbehandlungszeit von Nassfermentationsanlagen nach dem Stand der Technik liegt.In the example, from a total of 3,620 tons of organic dry matter a year biogas with a Energy content of 16.4 GWh / a and thus 4.5 kWh / kg of organic dry matter won. This energetic degree of conversion is achieved, although for the immediate biotechnological treatment in the process stages hydrolysis 6 with 500 m 3 , the main fermentation station 7 with 2,400 m 3 and the secondary fermenter station 8th with 3,000 m 3, only a useful volume of 5,900 m 3 for a daily amount of substrate from the suspending station of 75 m 3 and thus for only about 79 days of average treatment time is available. Prerequisite for the compared with the biotechnological treatment by means of continuous flow stirred agitators 12 Considerably increased degree of conversion of the biogenic substance used is in addition to the biotechnological treatment in the spatially separate treatment stages, each adapted to the treatment task micro-cultures treatment reached the minimum treatment time of 25 days, which is several times the minimum treatment time of wet fermentation plants according to the prior art.

Beispiel 3:Example 3:

Die im vorliegenden Beispiel erläuterte Verfahrensvariante unterscheidet sich vom Beispiel 2 gemäß der 3 in erster Linie dadurch, dass auch die Hydrolysestation 6 durch den batchweisen Betrieb von zwei Rührapparate 12 gekennzeichnet ist.The process variant explained in the present example differs from Example 2 according to FIG 3 primarily by the fact that the hydrolysis station 6 by the batchwise operation of two agitators 12 is marked.

Im Beispiel werden jährlich aus 12.000 t Geflügelmist, 1.500 t Mischgülle-Festphase und 25.500 m3 Biofiltrat zunächst in der Suspendierstation 4 39.000 m3 Biosuspension mit insgesamt 5.050 t organischer Trockensubstanz hergestellt. Für die aerobe hydrolytische Behandlung der täglich einzusetzenden 107 m3 Biosuspension stehen in der Hydrolysestation 6 zwei Rührapparate 12 mit jeweils 300 m3 Nutzvolumen zur Verfügung. Während einem Prozessbehälter 14 der Hydrolysestation 6 an zwei aufeinanderfolgenden Tagen jeweils 107 m3 Hydrolysat entnommen und der Hauptfermentationsstation zugeführt werden, wird der zweite Prozessbehälter 14 der Hydrolysestation 6 mit der darin verbliebenen Startkultur von etwa 85 m3 zunächst mit 214 m3 erzeugter Biosuspension aufgefüllt und danach etwa über die Dauer von zwei Tagen hydrolytisch behandelt. Die täglich der Hydrolysestation entnommene Hydrolysatmenge wird dem jeweils aufnahmebereiten Prozessbehälter 14 der Hauptfermentationsstation 7 zugeführt. Die batchweise betriebenen Prozessbehälter 14 der Hauptfermentationsstation 7 besitzen jeweils ein Nutzvolumen von 2.000 m3. Das Hydrolysat im vollständig gefüllten Prozessbehälter 14 der Hauptfermentationsstation 7 wird im mesophilen Milieu ohne weitere Hydrolysatzufuhr behandelt und danach wie im Beispiel 2 mit einer Menge von jeweils etwa 800 m3 in die Nachfermentationsstation 8 umgelagert. Die im jeweiligen Prozessbehälter 14 weiterhin enthaltene Gärsubstratmenge von etwa 1.200 m3 dient im nachfolgenden Batchprozess als die die adaptierte mesophile Kultur enthaltende Impfmasse. Danach wird dieser teilentleerte Prozessbehälter 14 erneut mit täglich etwa 107 m3 Hydrolysat beschickt, während der zuvor beschickte Prozessbehälter 14 bis zur bevorstehenden Neubefüllung lediglich umgewälzt wird. Die Nachfermentationsstation 8 wird wie im Beispiel 2 betrieben, jedoch mit zwei Prozessbehältern, die jeweils ein Nutzvolumen von 1.800 m3 besitzen und jeweils periodisch nur bis auf eine Restmenge von 1.040 m3 in den Lagerbehälter für die Fermentationsrückstände 9 entleert werden. Im Beispiel wird aus jährlich insgesamt 5.050 t organischer Trockensubstanz Biogas mit einem Energiegehalt von 21,4 GWh/a und damit 4,2 kWh/kg organischer Trockensubstanz gewonnen. Dieser energetische Umsetzungsgrad wird erreicht, obwohl für die unmittelbare biotechnologische Behandlung in den Prozessstufen Hydrolysestation 6 mit 600 m3, der Hauptfermentationsstation 7 mit 4.000 m3 und der Nachfermentationsstation 8 mit 3.600 m3 insgesamt nur ein Nutzvolumen von 8.200 m3 für eine tägliche Substratmenge aus der Suspendierstation 4 von 107 m3 und damit für lediglich etwa 77 Tage mittlerer Behandlungszeit zur Verfügung steht.In the example, 12,000 t of poultry manure, 1,500 t of mixed slurry solid phase and 25,500 m 3 of biofiltrate are first used in the suspending station each year 4 39,000 m 3 Biosuspension produced with a total of 5,050 t of organic dry matter. For the aerobic hydrolytic treatment of the 107 m 3 of biosuspension to be used daily, stand in the hydrolysis station 6 two stirring devices 12 each with a usable volume of 300 m 3 . During a process container 14 the hydrolysis station 6 107 m 3 of hydrolyzate are removed on two consecutive days and fed to the main fermentation station, the second process container 14 the hydrolysis station 6 with the remaining starting culture of about 85 m 3 initially filled with 214 m 3 of biosuspension and then hydrolytically treated for about two days. The amount of hydrolyzate taken daily from the hydrolysis station becomes the respective receptacle for the process 14 the main fermentation station 7 fed. The batchwise operated process vessels 14 the main fermentation station 7 each have a useful volume of 2,000 m 3 . The hydrolyzate in the completely filled process container 14 the main fermentation station 7 is treated in the mesophilic environment without further Hydrolyseatzufuhr and then as in Example 2 with an amount of about 800 m 3 in the Nachfermentationsstation 8th rearranged. The in each process container 14 Furthermore, the amount of fermentation substrate of about 1,200 m 3 contained in the subsequent batch process serves as the seed mass containing the adapted mesophilic culture. Thereafter, this partially empty process container 14 Again with daily about 107 m 3 hydrolyzate charged while the previously charged process container 14 is only circulated until the upcoming refilling. The post fermentation station 8th is operated as in Example 2, but with two process vessels, each having a useful volume of 1,800 m 3 and each periodically only up to a residual amount of 1,040 m 3 in the storage container for the fermentation residues 9 be emptied. In the example, biogas with an energy content of 21.4 GWh / a and thus 4.2 kWh / kg of organic dry matter is obtained from a total of 5,050 t of organic dry matter per year. This energetic degree of conversion is achieved, although for the immediate biotechnological treatment in the process stages hydrolysis 6 with 600 m 3 , the main fermentation station 7 with 4,000 m 3 and the Nachfermentationsstation 8th with 3,600 m 3 in total only a useful volume of 8,200 m 3 for a daily amount of substrate from the suspending station 4 of 107 m 3 and is thus available for only about 77 days mean treatment time.

Voraussetzung für den im Vergleich mit der biotechnologischen Behandlung mittels ausschließlich im Durchlaufverfahren betriebener Rührapparate 12 beachtlich erhöhten Umsetzungsgrad der eingesetzten biogenen Substanz ist neben der in den räumlich getrennten Behandlungsstufen mit jeweils an die Behandlungsaufgabe adaptieren Mikrokulturen erfolgenden biotechnologische Behandlung die erreichte Mindestbehandlungszeit von insgesamt 26 Tagen, die beim Vielfachen der Mindestbehandlungszeit von Nassfermentationsanlagen nach dem Stand der Technik liegt.Prerequisite for the compared with the biotechnological treatment by means of continuous flow stirred agitators 12 Considerably increased degree of conversion of the biogenic substance used is in addition to the biotechnological treatment taking place in the spatially separate treatment stages, each adapted to the treatment task micro-cultures treatment reached a minimum treatment time of 26 days, which is several times the minimum treatment time of wet fermentation plants according to the prior art.

Beispiel 4:Example 4:

Im Unterschied zum Beispiel 3 sind im erläuterten Beispiel gemäß der 4 nur die Hydrolysestufe 6 und die Nachfermentationsstation 8 mit batchweise betriebenen Rührapparaten 12 ausgestattet. Dagegen erfolgt die biotechnologische Behandlung in der Hauptfermentationsstufe 7 mittels eines einzigen kulturerhaltenden und hydraulisch teildurchmischten Fermenters.In contrast to Example 3 are in the illustrated example according to the 4 only the hydrolysis step 6 and the post-fermentation station 8th with batchwise stirred agitators 12 fitted. In contrast, the biotechnological treatment takes place in the main fermentation stage 7 by means of a single culture-preserving and hydraulically partially mixed fermenter.

Im Beispiel werden aus jährlich 16.000 Bagassesilage, Zuckerrohrstroh, 3.000 t Pressmud, 2.000 m3 Vinasse und 49.500 m3 Biofiltrat 75.500 m3 Biosuspension mit einem Potential von 9.900 t organischer Trockensubstanz gewonnen. Die Hydrolysestation 6 ist mit zwei batchweise betriebenen Rührapparaten mit einem Nutzvolumen von jeweils 800 m3 ausgestattet. Im dreitägigen Rhythmus werden diese Prozessbehälter wechselseitig mit jeweils 620 m3 Biosuspension aus der Suspendierstation 4 beschickt und anschließend aerob hydrolytisch behandelt. Nach einer Behandlungszeit von wenigstens zwei Tagen werden dem jeweils am längsten behandelten Prozessbehälter 14 täglich etwa 205 m3 Hydrolysat entnommen und in den Prozessbehälter 14 der Hauptfermentationsstation 7 mit einem Nutzvolumen von 8.000 m3 gepumpt. Während der Zuführung von Hydrolysat aus der Hydrolysestation 6 zum Prozessbehälter 14 der Hauptfermentationsstation 7 werden täglich etwa 195 m3 Gärsubstrat in den aufnahmebereiten batchweise und im thermophilen Milieu betriebenen Prozessbehälter 14 der Nachfermentationsstation 8 ausgetragen. Die beiden Prozessbehälter 14 der Nachfermentationsstation 8 verfügen über ein Nutzvolumen von jeweils 4.000 m3. Nach vollständiger Befüllung wird das Gärsubstrat im jeweiligen Prozessbehälter 14 periodisch umgewälzt und frühestens nach 10 Tagen bis auf einen Restbestand an enthaltener Biomasse mit der adaptierten Mikrokultur von wenigstes 2.000 m3 in den Lagertank für die Fermentationsrückstände ausgetragen.In the example, from annually 16,000 bagasse silage, sugar cane straw, 3,000 t Pressmud, 2,000 m 3 Vinasse and 49,500 m 3 biofiltrate 75,500 m 3 Biosuspension obtained with a potential of 9,900 t of organic dry matter. The hydrolysis station 6 is equipped with two batch-operated agitators with a useful volume of 800 m 3 each. In three-day rhythm, these process containers are reciprocal with each other 620 m 3 Biosuspension from the suspending station 4 charged and then treated aerobically hydrolytically. After a treatment period of at least two days, the process container which has been treated for the longest time becomes 14 taken daily about 205 m 3 of hydrolyzate and into the process vessel 14 the main fermentation station 7 pumped with a useful volume of 8,000 m 3 . During the supply of hydrolyzate from the hydrolysis station 6 to the process container 14 the main fermentation station 7 Every day about 195 m 3 of fermentation substrate in the receptive batchwise and in thermophilic milieu operated process vessel 14 the post fermentation station 8th discharged. The two process containers 14 the post fermentation station 8th have a usable volume of 4,000 m 3 each. After complete filling, the fermentation substrate in the respective process container 14 circulated periodically and at the earliest after 10 days to a residual inventory of contained biomass with the adapted microculture of least 2,000 m 3 discharged into the storage tank for the fermentation residues.

In den jeweils teilentleerten Prozessbehälter 14 der Nachfermentationsstation wird danach das Gärsubstrat aus der Hauptfermentationsstation 7 eingetragen.In each partially emptied process container 14 the post-fermentation station then becomes the fermentation substrate from the main fermentation station 7 entered.

Im Beispiel wird aus jährlich insgesamt 9.900 t organischer Trockensubstanz Biogas mit einem Energiegehalt von 42,1 GWh/a und damit 4,25 kWh/kg organischer Trockensubstanz gewonnen. Dieser energetische Umsetzungsgrad wird erreicht, obwohl für die unmittelbare biotechnologische Behandlung in den Prozessstufen Hydrolysestation 6 mit 1.600 m3, der Hauptfermentationsstation 7 mit 8.000 m3 und der Nachfermentationsstation 8 mit 8000 m3 insgesamt nur ein Nutzvolumen von 17.600 m3 für eine tägliche Substratmenge aus der Suspendierstation 4 von 207 m3 und damit für lediglich etwa 85 Tage mittlerer Behandlungszeit zur Verfügung steht. Voraussetzung für den im Vergleich mit der biotechnologischen Behandlung mittels ausschließlich im Durchlaufverfahren betriebener Rührapparate 12 beachtlich erhöhten Umsetzungsgrad der eingesetzten biogenen Substanz ist neben der in den räumlich getrennten Behandlungsstufen mit jeweils an die Behandlungsaufgabe adaptieren Mikrokulturen erfolgenden biotechnologische Behandlung die erreichte Mindestbehandlungszeit von insgesamt 25 Tagen, die beim Vielfachen der Mindestbehandlungszeit von Nassfermentationsanlagen nach dem Stand der Technik liegt.In the example, biogas with an energy content of 42.1 GWh / a and thus 4.25 kWh / kg of organic dry matter is obtained from a total of 9,900 t of organic dry matter per year. This energetic degree of conversion is achieved, although for the immediate biotechnological treatment in the process stages hydrolysis 6 with 1,600 m 3 , the main fermentation station 7 with 8,000 m 3 and the Nachfermentationsstation 8th with 8000 m 3 in total only a useful volume of 17,600 m 3 for a daily amount of substrate from the suspending station 4 of 207 m 3 and is therefore available for only about 85 days mean treatment time. Prerequisite for the compared with the biotechnological treatment by means of continuous flow stirred agitators 12 Considerably increased degree of conversion of the biogenic substance used is in addition to the biotechnological treatment in the spatially separate treatment stages, each adapted to the treatment task micro-cultures treatment reached the minimum treatment time of 25 days, which is several times the minimum treatment time of wet fermentation plants according to the prior art.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 -1 -
Bearbeitungsstationprocessing station
2 -2 -
biogene Einsatzstoffebiogenic starting materials
3 -3 -
BiofiltratBiofiltrat
4 -4 -
SuspendierstationSuspendierstation
5 -5 -
Pumpstationpump station
6 -6 -
Hydrolysestationhydrolysis station
7 -7 -
HauptfermentationsstationMain fermentation station
8 -8th -
NachfermentationsstationNachfermentationsstation
9 -9 -
Lagertank für die FermentationsrückständeStorage tank for the fermentation residues
10 -10 -
PhasentrennstationPhase separation station
11 -11 -
Düngemittellagerfertilizer warehouse
12 -12 -
Rührapparatagitator
13 -13 -
Durchfluss-RührapparatFlow agitator
14 -14 -
Prozessbehälterprocess vessels

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 4446661 C1 [0002]DE 4446661 C1 [0002]
  • EP 2242848 B1 [0005]EP 2242848 B1 [0005]
  • DE 102011015415 A1 [0008]DE 102011015415 A1 [0008]
  • DE 102012005636 A1 [0009]DE 102012005636 A1 [0009]

Claims (9)

Verfahren zur batchweisen Nutzung von voll durchmischbaren Rührapparaten für die Methanfermentation in Anlagen zur Biogasgewinnung aus rohfaserreichen biogenen Einsatzstoffen, das in räumlich getrennten Stationen das Herstellen einer pumpfähigen Biosuspension aus den feinteiligen Einsatzstoffen und den aus der Phasentrennung der Fermentationsrückstände gewonnenen Biofiltraten, das hydrolytische Vorbehandeln der Biosuspension, das Fermentieren der Hydrolysate im vorzugsweise mesophilen Milieu und das Nachfermentieren der Gärsubstrate im vorzugsweise thermophilen Milieu vorsieht, dadurch gekennzeichnet, dass die batchweise biotechnologische Behandlung in der jeweiligen Bearbeitungsstation (1) in wenigstens zwei Prozessbehältern (14) durchgeführt wird, dass die Prozessbehälter (14) der batchweise betriebenen Bearbeitungsstation (1) mit speziellen an die eingesetzten Substrate adaptierten Mikrokulturen ausgestattet werden, dass der jeweils mit dem Substrat aus der vorgelagerten Bearbeitungsstation (1) gefüllte Prozessbehälter (14) der batchweise betriebenen Bearbeitungsstation (1) über einen Zeitraum zwischen 5 und 15 Tagen weder beschickt noch entleert wird, dass wenigstens die Substratbehandlung in der Nachfermentationsstation (8) batchweise durchgeführt wird und dass die Fermentationsrückstände aus der Nachfermentationsstation (8) in wenigstens einem Lagertank (9) für die Fermentationsrückstände zwischengelagert werden,Process for the batchwise use of fully mixable stirrers for methane fermentation in plants for biogas production from raw fiber-rich biogenic feedstocks, in separate stations producing a pumpable biosuspension from the finely divided feedstocks and the biofiltration obtained from the phase separation of the fermentation residues, the hydrolytic pretreatment of the biosuspension, the fermentation of the hydrolysates in the preferably mesophilic medium and the secondary fermentation of the fermentation substrates in a preferably thermophilic environment, characterized in that the batchwise biotechnological treatment in the respective processing station (1) is carried out in at least two process vessels (14) that the process vessels (14) the batchwise operated processing station (1) are equipped with special adapted to the substrates used microcultures that each with the substrate from the upstream Processing station (1) filled process container (14) of the batchwise operated processing station (1) is neither charged nor emptied for a period of between 5 and 15 days that at least the substrate treatment in the Nachfermentationsstation (8) is carried out batchwise and that the fermentation residues from Nachfermentationsstation (8) are stored in at least one storage tank (9) for the fermentation residues, Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils gefüllte Prozessbehälter (14) der im mesophilen Milieu batchweise betriebenen Hauptfermentationsstation (7) wenigstens 5 Tage weder beschickt noch entleert wird.Method according to the Claim 1 , characterized in that the respectively filled process container (14) of the main fermentation station (7) operated batchwise in the mesophilic milieu is neither charged nor emptied for at least 5 days. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils gefüllte Prozessbehälter (14) der im thermophilen Milieu batchweise betriebenen Nachfermentationsstation (8) wenigstens 10 Tage weder beschickt noch entleert wird.Method according to one of Claims 1 and 2 , characterized in that the respectively filled process container (14) of the post-fermentation station (8) operated batchwise in the thermophilic milieu is neither charged nor emptied for at least 10 days. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der batchweisen Substratbehandlung bei minimiertem Einsatz von mechanischer Rührenergie die Substratumwälzung sowie die übrigen Prozessbedingungen weitgehend konstant gehalten werden.Method according to one of Claims 1 to 3 , characterized in that during the batchwise substrate treatment with minimized use of mechanical stirring energy, the substrate re-circulation and the other process conditions are kept substantially constant. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer erneuten Befüllung des batchweise betriebenen Prozessbehälters (14) die Substratentleerung in die nachgeordnete Bearbeitungsstation (1) erfolgt.Method according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that prior to refilling the batchwise operated process container (14), the substrate is emptied into the downstream processing station (1). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Entleerung eines batchweise betriebenen Prozessbehälters (14) bis auf einen verbleibenden Substratrest von wenigstens 20 %, bevorzugt von wenigstens 40 %, des Nenninhaltes des jeweiligen Prozessbehälters (14) erfolgt.Method according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the emptying of a batch-operated process container (14) except for a remaining substrate residue of at least 20%, preferably of at least 40%, of the nominal content of the respective process container (14). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die tägliche Beschickung eines teilentleerten Prozessbehälters (14) der batchweise betriebenen Bearbeitungsstation (1) mit Hydrolysat aus der Hydrolysestation (6) oder Gärsubstrat aus der Hauptfermentationsstation (7) mit einem Mengenstrom erfolgt, der zu keinem Zeitpunkt 15 kg organische Trockensubstanz je m3 enthaltenen Biomassevolumens im zu beschickenden Prozessbehälter (14) überschreitet.Method according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that the daily loading of a partially emptied process container (14) of the batchwise operated processing station (1) with hydrolyzate from the Hydrolysestation (6) or fermentation substrate from the Hauptfermentationsstation (7) is carried out with a flow rate, which at any time 15 kg of organic dry matter each m 3 contained biomass volume in the process container to be charged (14) exceeds. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während der unterbrochenen Beschickung des batchweise betriebenen Prozessbehälters (14) der oder die anderen Prozessbehälter (14) der jeweiligen Bearbeitungsstation (1) mit den Medien der jeweils vorgelagerten Bearbeitungsstation (1) beschickt werden.Method according to one of Claims 1 to 7 , characterized in that during the interrupted loading of the batchwise operated process container (14) or the other process container (14) of the respective processing station (1) with the media of the respective upstream processing station (1) are charged. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrate in den Prozessbehältern (14) durch dauernden oder intermittierenden Betrieb von Rührmechanismen und/oder Pumpen umgewälzt werden.Method according to one of Claims 1 to 8th , characterized in that the substrates in the process containers (14) are circulated by continuous or intermittent operation of stirring mechanisms and / or pumps.
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DE102012005636A1 (en) 2012-03-22 2013-09-26 Rheinkalk Gmbh Producing biogas from a biodegradable substrate under anaerobic conditions, comprises introducing substrate into a reaction chamber, adding a lime-based material to the substrate, and biodegrading substrate with formation of biogas

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