DE102023103661A1 - Fermenter system and process for producing biogenic gases and, if necessary, useful products, in particular fatty acids and/or proteins - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Fermentersystem (100) zur Herstellung biogener Gase und ggf. Nutzprodukte, insbesondere Fettsäuren und/oder Proteine, aufweisend einen ersten Fermenter (1), einen zweiten Fermenter (2), und eine Rohrleitung (4, 6) welche den ersten Fermenter (1) und zweiten Fermenter (2) fluid verbindet, eine Heizeinheit, die dazu ausgebildet ist, eine Temperatur von ≥ 25°C in dem ersten und zweiten Fermenter (1, 2) und der Rohrleitung (4, 6) bereitzustellen, wobei das Fermentersystem (100) für eine anaerobe Prozessführung ausgebildet ist. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung des Fermentersystems (100) und ein Verfahren zur Herstellung biogener Gase und Nutzprodukte, insbesondere von Fettsäuren und/oder Proteinen, mit einem Fermentersystem (100).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Konversion biogener Produkte, insbesondere biogener Erzeugnisse, Reststoffe und Abfälle in Nutzprodukte. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Methan, Kohlenstoffdioxid und ggf. weiteren Nutzprodukten, bspw. Fettsäuren und/oder Proteine, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to the conversion of biogenic products, in particular biogenic products, residues and waste into useful products. In particular, the present invention relates to a process for producing methane, carbon dioxide and optionally other useful products, for example fatty acids and/or proteins, as well as a device for carrying out the process.
Biogas, ein Gemisch aus Biomethan und Biokohlenstoffdioxid, wird derzeit überwiegend im Wege von Verfahren der sogenannten Nassfermentation erzeugt. Bei diesen Verfahren werden einem Fermenter Fäkalien tierischer Herkunft (insbesondere Schweinegülle, Rindergülle, Geflügeltrockenkot) zugeführt. Die eingesetzten Fäkalien dienen dazu, dem Verfahren eine vermehrungsfähige mikrobielle Biozönose zuzuführen, um einen stofflichen Abbau der zu vergärenden Substrate sowie die Erzeugung von Biogas zu ermöglichen. Das Verfahren kann in einem Fermenter durchgeführt werden. Weiterhin sind auch sogenannte mehrstufige Verfahren üblich, bei denen mehrere Fermenter von einem zu vergärenden Substrat sequenziell durchströmt werden.Biogas, a mixture of biomethane and biocarbon dioxide, is currently mainly produced using so-called wet fermentation processes. In these processes, feces of animal origin (particularly pig manure, cattle manure, poultry dry manure) are fed into a fermenter. The feces used serve to feed the process with a microbial biocenosis capable of reproducing in order to enable the material degradation of the substrates to be fermented and the production of biogas. The process can be carried out in one fermenter. Furthermore, so-called multi-stage processes are also common, in which a substrate to be fermented flows through several fermenters sequentially.
Da der Anteil fermentierbarer biogener Trockensubstanz der zum Einsatz gelangenden Fäkalien in der Regel gering ist, werden zur quantitativen Steigerung der darstellbaren Biogasmenge weitere Gärsubstrate zugeführt. Als Gärsubstrate kommen hauptsächlich Bioabfälle, wie Speise- und Schlachtabfälle, sowie Abfälle aus der Nahrungsmittelproduktion zum Einsatz. Neben biogenen Abfällen gelangen außerdem im Rahmen der landwirtschaftlichen Produktion erzeugte Energiepflanzen, sogenannte „nachwachsende Rohstoffe“, insbesondere Ganzpflanzensilagen (beispielsweise von Mais, Getreide oder Gras), als Gärsubstrate zum Einsatz.Since the proportion of fermentable biogenic dry matter in the faeces used is generally low, additional fermentation substrates are added to increase the amount of biogas that can be produced. The fermentation substrates used are mainly organic waste, such as food and slaughterhouse waste, as well as waste from food production. In addition to biogenic waste, energy crops produced in the context of agricultural production, so-called "renewable raw materials", in particular whole-plant silage (for example from corn, grain or grass), are also used as fermentation substrates.
Der aus Fäkalien und Gärsubstrat bestehende Gärsubstratstrom durchströmt den bzw. die Fermenter. Dabei wird ein Teil der Biomasse des Gärsubstrats infolge der Fermentation zu Biogas konvertiert. Außerdem verbleibt ein aus festen und flüssigen Bestandteilen bestehender Gärrest, welcher in der Regel als Dünger, insbesondere auf landwirtschaftlich genutzten Flächen, ausgebracht wird.The fermentation substrate stream, consisting of faeces and fermentation substrate, flows through the fermenter(s). Part of the biomass of the fermentation substrate is converted to biogas as a result of the fermentation. In addition, a fermentation residue consisting of solid and liquid components remains, which is usually applied as fertilizer, especially on agricultural land.
Insbesondere in Regionen, welche nicht über einen für den Betrieb von Biogasanlagen ausreichenden Viehbestand als Fäkalienquelle verfügen, besteht eine verfahrenstechnische Alternative darin, den aus dem Fermenter austretenden Gärrest in einen festen und flüssigen Anteil zu separieren, um einen Teil der flüssigen Phase zusammen mit frischem Gärsubstrat erneut dem Fermentationsprozess zuzuführen.Particularly in regions that do not have sufficient livestock as a source of faeces for the operation of biogas plants, a process-technical alternative is to separate the digestate emerging from the fermenter into a solid and liquid portion in order to re-feed part of the liquid phase together with fresh fermentation substrate into the fermentation process.
Der maximal mögliche Feststoffanteil des Gärsubstrat-Fäkalien-Gemisches ist bei diesen Verfahrensarten grundsätzlich begrenzt, da das Gemisch noch pumpfähig und rührfähig bleiben muss. Diese Begrenzung des maximal möglichen Feststoffanteils bzw. Gärsubstrats des zu vergärenden Gärsubstratgemisches bedingt, dass dem Fermenter lediglich eine geringe Menge frisches Gärsubstrat pro Kubikmeter Fermenter-Volumen und Tag zugeführt werden kann. In der Regel beträgt der Trockensubstanz-Gehalt des zu vergärenden Gärsubstratgemisches weniger als 15 Gew.-%.The maximum possible solids content of the fermentation substrate-faecal matter mixture is fundamentally limited in these types of processes, as the mixture must still be pumpable and stirrable. This limitation of the maximum possible solids content or fermentation substrate of the fermentation substrate mixture to be fermented means that only a small amount of fresh fermentation substrate can be fed into the fermenter per cubic meter of fermenter volume per day. As a rule, the dry matter content of the fermentation substrate mixture to be fermented is less than 15% by weight.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die fermentative Leistungsfähigkeit, der durch die Fäkalien bereitgestellten mikrobiellen Biozönosen, eher gering ist. Dementsprechend benötigen die Fermentationsprozesse eine längere, in der Regel zwischen 30 und 120 Tagen liegende, mittlere hydraulische Verweilzeit. Dies wiederum bedingt eine erhebliche Größe der zum Einsatz gelangenden Fermenter, welche in der Regel zwischen einigen hundert und einigen tausend Kubikmeter beträgt.Another disadvantage is that the fermentative capacity of the microbial biocenoses provided by the faeces is rather low. Accordingly, the fermentation processes require a longer average hydraulic retention time, usually between 30 and 120 days. This in turn requires a considerable size of the fermenters used, which are usually between a few hundred and a few thousand cubic meters.
Der Fermentationsprozess erfolgt dabei für gewöhnlich kontinuierlich. Sofern nicht ein Teil der flüssigen Phase am Ende des Fermentationsprozesses abgesondert wird, um erneut zusammen mit frischem Gärsubstrat dem Fermentationsprozess zugeführt zu werden, durchlaufen feste und flüssige Phase den Fermenter mit einer identischen hydraulischen Verweilzeit. Eine individuelle Steuerung bzw. aktive Beeinflussung der jeweiligen hydraulischen Verweilzeit der festen und der flüssigen Phase ist dabei nicht möglich.The fermentation process is usually continuous. Unless part of the liquid phase is separated at the end of the fermentation process to be fed back into the fermentation process together with fresh fermentation substrate, the solid and liquid phases pass through the fermenter with an identical hydraulic residence time. Individual control or active influence of the respective hydraulic residence time of the solid and liquid phases is not possible.
In einzelnen Fällen kommen auch diskontinuierliche Verfahren (bspw. sog. Batch-Verfahren) zur Anwendung, bei denen der Fermentationsprozess nach einer bestimmten Zeit, in der Regel dann, wenn der Biogasertrag deutlich absinkt, aktiv beendet bzw. abgebrochen wird. Der Fermenter wird entleert und anschließend der Fermentationsprozess mit frischem Gärsubstrat erneut gestartet.In individual cases, discontinuous processes (e.g. so-called batch processes) are also used, in which the fermentation process is actively terminated or stopped after a certain time, usually when the biogas yield drops significantly. The fermenter is emptied and the fermentation process is then started again with fresh fermentation substrate.
Einen alternativen Verfahrensansatz zur Nassfermentation stellt die sogenannte Trockenfermentation dar. Dabei wird das zu vergärende Gärsubstrat als feste Phase in einem als Fermenter dienenden Behältnis aufgeschichtet. Das Gärsubstrat wird während der Fermentation von einer Perkolationslösung durchrieselt, welche die für die Fermentation des Gärsubstrats erforderliche mikrobielle Biozönose bereitstellt.An alternative process approach to wet fermentation is the so-called dry fermentation. In this process, the fermentation substrate to be fermented is layered as a solid phase in a container that serves as a fermenter. During fermentation, a percolation solution trickles through the fermentation substrate, which provides the microbial biocenosis required for the fermentation of the fermentation substrate.
Dabei ist zu unterscheiden zwischen einer Verfahrensweise, bei der sämtliche Schritte der Konversion von Biomasse zu Biogas (Hydrolyse, Versäuerung, Methanbildung) in nur einem einzigen Fermenter erfolgen und einer Verfahrensweise, bei welcher zumindest zwei Fermenter zum Einsatz gelangen.A distinction must be made between a procedure in which all steps of the conversion of biomass to biogas (hydrolysis, acidification, methane formation) take place in a single fermenter and a procedure in which in which at least two fermenters are used.
Bei diesen zweistufigen Verfahren der Trockenfermentation dient die Perkolation primär dazu, das Substrat (die feste Phase) zu hydrolysieren und die dabei freigesetzten, sich in der Perkolationslösung lösenden Stoffe bzw. Intermediär-Produkte aus dem ersten Fermenter zu entfernen. Die aus dem ersten Fermenter abgepumpte flüssige Phase (Perkolationslösung) wird anschließend einem zweiten Fermenter zugeführt, in welchem die in der Perkolationslösung gelösten Stoffe, die im ersten Fermenter durch Hydrolyse aus dem Substrat freigesetzt werden, den Schritten der Versäuerung und Methanbildung unterzogen werden. Während dieses Verfahrensschrittes entsteht der Großteil des Biogases. Zugleich regeneriert sich auf diesem Wege die Perkolationslösung und kann so erneut dem ersten Behältnis zugeführt werden, um sich dort erneut mit durch Hydrolyse des Substrats freigesetzten Intermediär-Produkten anzureichern.In these two-stage dry fermentation processes, percolation primarily serves to hydrolyze the substrate (the solid phase) and to remove the substances or intermediate products released in the percolation solution from the first fermenter. The liquid phase (percolation solution) pumped out of the first fermenter is then fed to a second fermenter, in which the substances dissolved in the percolation solution, which are released from the substrate in the first fermenter by hydrolysis, are subjected to the steps of acidification and methane formation. The majority of the biogas is produced during this process step. At the same time, the percolation solution is regenerated in this way and can be fed back into the first container to be enriched again with intermediate products released by hydrolysis of the substrate.
Eine übliche Bauform solcher Fermenter-Systeme stellen die sogenannten Garagen-Fermenter dar, bei denen im Hinblick auf das Gärsubstrat (feste Phase) ein diskontinuierlicher Prozess vorliegt, da der Fermenter zur Aufnahme des Gärsubstrats in regelmäßigen zeitlichen Abständen geöffnet wird, um unvergorenes Substrat zu entnehmen und um den Fermenter erneut mit frischem Gärsubstrat zu befüllen.A common design of such fermenter systems are the so-called garage fermenters, in which a discontinuous process exists with regard to the fermentation substrate (solid phase), since the fermenter is opened at regular intervals to receive the fermentation substrate, to remove unfermented substrate and to refill the fermenter with fresh fermentation substrate.
Die fermentative Leistung zur Konversion der eingesetzten Gärsubstrate in die gewünschten Zielprodukte, insbesondere Biogas, ist aufgrund der den dargestellten Verfahren zugrundeliegenden mikrobiologischen sowie apparativen Spezifika beschränkt.The fermentative performance for converting the fermentation substrates used into the desired target products, in particular biogas, is limited due to the microbiological and equipment-related specifics underlying the processes presented.
In limitierender Weise wirkt sich dabei insbesondere der Umstand aus, dass sämtliche Schritte des stofflichen Metabolismus (Hydrolyse, Versäuerung, Methanbildung) parallel erfolgen. Da die Mikroorganismen (Biozönose), welche die verschiedenen Teilprozesse des stofflichen Metabolismus bewirken, jeweils individuelle artspezifische Anforderungen an die für sie optimalen Milieubedingungen stellen (insbesondere im Hinblick auf den pH-Wert des Milieus), muss der Fermentationsvorgang unter Milieubedingungen durchgeführt werden, welche es ermöglichen, dass sämtliche der für den stofflichen Metabolismus notwendigen Mikroorganismenstämme ihre spezifische fermentative Aufgabe ausführen können, dies jedoch unter jeweils für die Mikroorganismenstämme suboptimalen Milieubedingungen.The fact that all steps of the material metabolism (hydrolysis, acidification, methane formation) take place in parallel has a limiting effect. Since the microorganisms (biocenosis) that cause the various sub-processes of the material metabolism each have individual, species-specific requirements for the optimal environmental conditions for them (particularly with regard to the pH value of the environment), the fermentation process must be carried out under environmental conditions that allow all of the microorganism strains necessary for the material metabolism to carry out their specific fermentative task, but under environmental conditions that are suboptimal for the microorganism strains.
Eine weitere relevante Limitierung der fermentativen Leistung der Konversion der eingesetzten Gärsubstrate wird bei den zuvor dargestellten Verfahren dadurch begründet, dass die in den Fermentern befindliche fäkalienbasierte Biozönose überwiegend aus solchen Mikroorganismen zusammengesetzt ist, deren stofflicher Metabolismus insbesondere auf den Abbau von löslichen Zuckern, Stärke, Fetten/Ölen und Proteinen ausgerichtet ist.A further relevant limitation of the fermentative performance of the conversion of the fermentation substrates used in the processes described above is due to the fact that the faecal-based biocenosis in the fermenters is predominantly composed of microorganisms whose material metabolism is particularly focused on the degradation of soluble sugars, starch, fats/oils and proteins.
Pflanzliche Biomasse besteht jedoch zu einem hohen Anteil aus sogenannten Faser- und Gerüstsubstanzen, welche insbesondere aus Cellulose und Hemicellulosen bestehen. Die in den zuvor dargestellten Verfahren zur Anwendung gelangenden Biozönosen sind zu einem stofflichen Abbau dieser Substanzen jedoch nur eingeschränkt befähigt. Infolgedessen sind die zuvor dargestellten Verfahren nicht zu einem effektiven Abbau dieses quantitativ überaus relevanten Biomassepotenzials befähigt. Zugleich scheiden damit bedeutsame Biomassepotenziale für eine Nutzung als Gärsubstrat aus. Zum Einsatz gelangen deshalb überwiegend im Rahmen der landwirtschaftlichen Produktion angebaute Energiepflanzen, insbesondere Mais, wodurch jedoch eine ökologisch und sozio-ökonomisch relevante Flächennutzungskonkurrenz begründet wird. Rest- und Abfallstoffe bestimmter Produktionssektoren, bspw. der Getränke- und Lebensmittelindustrie, sowie Lebensmittelabfälle (bspw. Kantinen- und Küchenabfälle, Lebensmittelabfälle aus dem Lebensmittelhandel) sind für die zuvor dargestellten Verfahren als Gärsubstrate tauglich, soweit deren stoffliche Zusammensetzung im Wesentlichen durch lösliche Zucker, Stärke, Fette/Öle und Proteine gekennzeichnet ist.However, plant biomass consists to a large extent of so-called fiber and structural substances, which consist in particular of cellulose and hemicelluloses. However, the biocenoses used in the processes described above are only capable of breaking down these substances to a limited extent. As a result, the processes described above are not capable of effectively breaking down this quantitatively extremely relevant biomass potential. At the same time, this rules out significant biomass potential for use as a fermentation substrate. Energy crops grown in agricultural production, in particular corn, are therefore mainly used, which, however, creates ecologically and socio-economically relevant competition for land use. Residues and waste materials from certain production sectors, e.g. the beverage and food industry, as well as food waste (e.g. canteen and kitchen waste, food waste from the food trade) are suitable as fermentation substrates for the processes described above, provided that their material composition is essentially characterized by soluble sugars, starch, fats/oils and proteins.
Aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die die vorstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise oder gänzlich lösen. Eine weitere erfindungsgemäße Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens, mit denen cellulose- und hemicellulosehaltige Gärsubstrate zur Gewinnung von Biomethan und Biokohlenstoffdioxid und ggf. weiteren Koppelprodukten stofflich aufgeschlossen werden können. Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen überwiegend Gärsubstrate aus cellulosehaltigen und hemicellulosehaltigen Materialien zur Herstellung von Methan, insbesondere Biomethan, Kohlenstoffdioxid, insbesondere Biokohlenstoffdioxid, und weiteren Koppelprodukten eingesetzt werden. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens, die durch Beseitigung kapazitätslimitierender Stellen (Flaschenhals) eine hohe Raum-Zeit-Ausbeute bereitstellt.The invention is based on the object of providing a device and a method that at least partially or completely solve the disadvantages described above. A further object of the invention is to provide a device and a method with which fermentation substrates containing cellulose and hemicellulose can be broken down to produce biomethane and biocarbon dioxide and possibly other by-products. Yet another object of the present invention is to provide a device and a method with which fermentation substrates made predominantly of cellulose-containing and hemicellulose-containing materials are used to produce methane, in particular biomethane, carbon dioxide, in particular biocarbon dioxide, and other by-products. A further object is to provide a device and a method that provides a high space-time yield by eliminating capacity-limiting points (bottlenecks).
Die vorstehenden Aufgaben werden durch das Fermentersystem zur Herstellung biogener Gase und ggf. Nutzprodukte, insbesondere Fettsäuren und/oder Proteine, nach Anspruch 1, die Verwendung des Fermentersystems nach Anspruch 9 und das Verfahren zur Herstellung biogener Gase und ggf. Nutzprodukte, insbesondere Fettsäuren und/oder Proteine, nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung aufgeführt.The above objects are achieved by the fermenter system for producing biogenic gases and optionally useful products, in particular fatty acids and/or proteins, according to claim 1, the use of the fermenter system according to
Das erfindungsgemäße Fermentersystem wird vorzugsweise kontinuierlich betrieben. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorzugsweise das erfindungsgemäße Fermentersystem verwendet.The fermenter system according to the invention is preferably operated continuously. The fermenter system according to the invention is preferably used in the process according to the invention.
Der Ausdruck „biogenes Gas“ oder „Biogas“, wie hierin verwendet, betrifft Biomethan, ggf. weitere kurzkettige Bioalkane, bspw. Bioethan, Biopropan und Biobutan, Biowasserstoff und Biokohlenstoffdioxid. Biogenes Gas kann aufgrund seiner Herkunft von herkömmlichem Gas unterschieden werden. Bspw. kann ein Unterschied von Biomethan und Erdgas aufgrund von Verunreinigungen und/oder eines Gehalts an dem Isotop C14 bestimmt werden.The term "biogenic gas" or "biogas" as used herein refers to biomethane, possibly other short-chain bioalkanes, e.g. bioethane, biopropane and biobutane, biohydrogen and biocarbon dioxide. Biogenic gas can be distinguished from conventional gas based on its origin. For example, a difference between biomethane and natural gas can be determined based on impurities and/or a content of the isotope C 14 .
Der Ausdruck „Fettsäuren“, wie hierin verwendet, betrifft kurzkettige Fettsäuren und deren Salze. Kurzkettige Fettsäuren weisen im Allgemeinen ein Molekulargewicht von <_ 500 g/mol, vorzugsweise ≤ 400 g/mol, ≤ 300 g/mol, ≤ 200 g/mol, oder mehr bevorzugt ≤ 150 g/mol auf. Beispielhafte Fettsäuren umfassen Formiat, Acetat, Propionat, Butyrat, Lactat, und Succinat.The term "fatty acids" as used herein refers to short chain fatty acids and their salts. Short chain fatty acids generally have a molecular weight of <_ 500 g/mol, preferably ≤ 400 g/mol, ≤ 300 g/mol, ≤ 200 g/mol, or more preferably ≤ 150 g/mol. Exemplary fatty acids include formate, acetate, propionate, butyrate, lactate, and succinate.
Der Ausdruck „Fermenter“, wie hierin verwendet, betrifft einen Bioreaktor. Der Fermenter weist einen Behälter auf, in dem biologisches Material, insbesondere Mikroorganismen oder Gemische mehrerer Mikroorganismen, bzw. eine Biozönose, kultiviert werden. Der Fermenter stellt hierzu möglichst optimale Bedingungen bereit. Der Fermenter wird insbesondere zur Fermentierung bzw. Kultivierung „anaerober Mikroorganismen“ verwendet und stellt die hierfür notwendigen Umgebungsbedingungen, insbesondere einen im Wesentlichen vollständigen Sauerstoffausschluss, bereit.The term "fermenter" as used herein refers to a bioreactor. The fermenter has a container in which biological material, in particular microorganisms or mixtures of several microorganisms, or a biocenosis, are cultivated. The fermenter provides the best possible conditions for this. The fermenter is used in particular for the fermentation or cultivation of "anaerobic microorganisms" and provides the environmental conditions necessary for this, in particular an essentially complete exclusion of oxygen.
Die Fermenter sind vorzugsweise gasdicht, thermisch isoliert und beheizbar ausgeführt. Mehr bevorzugt sind die Fermenter als zylindrische Behälter ausgeführt, noch mehr bevorzug sind die zylindrischen Behälter liegend, mithin mit horizontal angeordneter Mantelfläche, ausgeführt. Die Zuführvorrichtung, die Rohrleitung und die Entnahmevorrichtung können dabei jeweils an den Kreisflächen angeordnet sein. So kann die Zuführvorrichtung an einer ersten Kreisfläche des ersten Fermenters, die Entnahmevorrichtung an einer zweiten Kreisfläche des zweiten Fermenters und die Rohrleitung zwischen der zweiten Kreisfläche des ersten Fermenters und der ersten Kreisfläche des zweiten Fermenters angeordnet sein.The fermenters are preferably designed to be gas-tight, thermally insulated and heatable. The fermenters are more preferably designed as cylindrical containers, and even more preferably the cylindrical containers are designed horizontally, thus with a horizontally arranged outer surface. The feed device, the pipeline and the removal device can each be arranged on the circular surfaces. The feed device can be arranged on a first circular surface of the first fermenter, the removal device on a second circular surface of the second fermenter and the pipeline between the second circular surface of the first fermenter and the first circular surface of the second fermenter.
Ein Fermenter kann aus einem Kunststoff, insbesondere Polyethylen und Polypropylen, sowie Edelstahl oder glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) hergestellt sein.A fermenter can be made of a plastic, especially polyethylene and polypropylene, as well as stainless steel or glass fiber reinforced plastic (GRP).
Vorzugsweise weisen die Fermenter äußere Abmessungen auf, welche die Aufnahme bzw. Installation in einen Rahmen eines 20- oder 40-Fuß-Standard-Container ermöglicht. Die Länge der Fermenter beträgt hierbei bevorzugt 6 bis 12 Meter, besonders bevorzugt 4 bis 6 Meter bei einem Rahmen eines 20-Fuß-Standard-Containers, und 10 bis 12 Meter bei einem Rahmen eines 40-Fuß-Standard-Containers. Der Außendurchmesser der Fermenter kann 2,2 bis 2,4 Meter betragenPreferably, the fermenters have external dimensions that allow them to be accommodated or installed in a frame of a 20- or 40-foot standard container. The length of the fermenters is preferably 6 to 12 meters, particularly preferably 4 to 6 meters for a frame of a 20-foot standard container, and 10 to 12 meters for a frame of a 40-foot standard container. The external diameter of the fermenters can be 2.2 to 2.4 meters.
Vorzugsweise liegt zwischen der Fermenter-Außenwand bzw. Außenseite und Fermenter-Innenwand bzw. Innenseite (mit Medienkontakt) eine Isolationsschicht mit einer Materialstärke von mindestens 5 cm, vorzugsweise mindestens 8 cm, oder mindestens 10 cm, vor. Dadurch können Wärmeverluste minimiert werden. Als Isolationsmaterial können übliche Isolationsmaterialien, beispielsweise Mineralwolle, Styropor oder Kartonagen verwendet werden, wobei auch die Vorder- und Rückseite der zylinderförmigen Behältnisse (Deckel) entsprechend isoliert sein können. Auch eine thermische Isolation der Behälter durch Polyurethanschaum, dem Einsatz von Wolle, dem Einsatz von geschreddertem Stroh oder dem Einsatz von Kunststoff-Blasenfolien (Bubble-Wrap-Folie), ist möglich.Preferably, there is an insulation layer with a material thickness of at least 5 cm, preferably at least 8 cm, or at least 10 cm, between the fermenter outer wall or outside and the fermenter inner wall or inside (with media contact). This can minimize heat loss. Common insulation materials, such as mineral wool, polystyrene or cardboard, can be used as insulation material, whereby the front and back of the cylindrical containers (lids) can also be insulated accordingly. Thermal insulation of the containers using polyurethane foam, the use of wool, the use of shredded straw or the use of plastic bubble wrap (bubble wrap film) is also possible.
Der Ausdruck „Gärsubstrat“, wie hierin verwendet, betrifft biogene Materialien, insbesondere faserreiche pflanzliche Biomasse, beispielsweise landwirtschaftliche Reststoffe bzw. Abfälle, Reststoffe bzw. Abfälle der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, und Reststoffe bzw. Abfälle, welche beispielweise im Bereich der Landschafts- und Gewässerpflege anfallen. Ebenso als Gärsubstrat einsetzbar sind Wasserpflanzen und Algen, insbesondere auch Algen aus marinen Ökosystemen.The term "fermentation substrate" as used herein refers to biogenic materials, in particular fiber-rich plant biomass, for example agricultural residues or waste, residues or waste from the food and beverage industry, and residues or waste that arise, for example, in the area of landscape and water management. Aquatic plants and algae, in particular algae from marine ecosystems, can also be used as fermentation substrate.
Betrifft das Gärsubstrat landwirtschaftlich erzeugte Biomassen, ist eine Mitvergärung des Fruchtanteils dieser Pflanzen möglich, jedoch nicht erforderlich. Hierdurch kann ein Beitrag zur Beendigung der Konkurrenzsituation zwischen der Erzeugung von Pflanzen zu Nahrungszwecken und zu Energie- bzw. Rohstoffzwecken geleistet werden, indem bei landwirtschaftlich erzeugten Nutzpflanzen eine Doppelnutzung als Nahrungs- bzw. Futtermittel bzw. zur Energiegewinnung, insbesondere über biogenes Gas, ermöglicht wird.If the fermentation substrate concerns agriculturally produced biomass, co-fermentation of the fruit portion of these plants is possible, but not necessary. This can help to end the competition between the production of plants for food purposes and for energy or raw material purposes by enabling dual use of agriculturally produced crops as food or feed or for energy production, in particular via biogenic gas.
In Folge stehen daher große Mengen geeigneter Gärsubstrate zur Verfügung, welche im Rahmen einer extensivierten ökologisch vorteilhaften Landwirtschaft erzeugt werden können. Die Nutzung faserreicher Pflanzen und Pflanzenbestandteile erlaubt es zudem, auch solche Pflanzen als Gärsubstrate einzusetzen, welche zugleich wichtige ökologische Funktionen im Hinblick auf die Aspekte des Bodenschutzes, des Trinkwasser- und Gewässerschutzes und der Erhaltung der Biodiversität erfüllen.As a result, large quantities of suitable fermentation substrates are available, which can be produced as part of extensive, ecologically beneficial agriculture. The use of fiber-rich plants and plant components also makes it possible to use plants as fermentation substrates that also fulfill important ecological functions with regard to the aspects of soil protection, drinking water and water protection, and the preservation of biodiversity.
Als Gärsubstrat können außerdem andere cellulosehaltige und/oder hemicellulosehaltige Materialien eingesetzt werden, wie beispielsweise Altpapier, Pappe, Kartonagen, Blätter, Pflanzenstengel, Halmgut, Gras und Stroh, Produktionsrückstände aus der Papier- und Zellstoffindustrie, der pharmazeutischen oder chemischen Industrie, sowie aus Getreidemühlen und Brauereien.Other cellulosic and/or hemicellulose-containing materials can also be used as fermentation substrate, such as waste paper, cardboard, cartons, leaves, plant stems, stalks, grass and straw, production residues from the paper and pulp industry, the pharmaceutical or chemical industry, as well as from grain mills and breweries.
Als besonders vorteilhaft erweist sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine Zugriffsmöglichkeit auf den weltweit quantitativ bedeutsamsten nachwachsenden Rohstoff (Cellulose und Hemicellulosen) eröffnet, bei welchem allein die jährlich global nachwachsende Menge mit ca. 1011 Tonnen veranschlagt werden kann.It has proven to be particularly advantageous that the process according to the invention provides access to the world's quantitatively most important renewable raw material (cellulose and hemicelluloses), for which the annual global renewable quantity alone can be estimated at approximately 10 11 tons.
Die „Prozesslösung“, wie hierin verwendet, betrifft eine wässrige Lösung, in welcher vorzugsweise Elektrolyte enthalten sind. Die erste und zweite Prozesslösung weisen, vorzugsweise anfänglich, d.h. vor einem Kontakt mit einer der Biozönosen und Gärsubstrat, einander entsprechende Zusammensetzungen auf.The "process solution" as used herein refers to an aqueous solution which preferably contains electrolytes. The first and second process solutions preferably have corresponding compositions initially, i.e. before contact with one of the biocenoses and fermentation substrate.
Eine vorteilhafte Ausführung der Prozesslösung, insbesondere der ersten und/oder zweiten Prozesslösung, kann bspw. die nachstehend aufgeführten Elektrolyte (Anionen und Kationen) in, ggf. demineralisiertem, Wasser enthalten: 120-210 mmol/l, vorzugsweise 140-180 mmol/l, Natrium und Kalium, wobei der Gehalt an Natrium über 100 mmol/l, vorzugsweise 120-160 mmol/I betragen kann; 20-60 mmol/l, vorzugsweise 30-50 mmol/l, Chlorid; 70-130 mmol/l, vorzugsweise 80-110 mmol/I Hydrogencarbonat; 5-15 mmol/I Hydrogenphosphat; 5-15 mmol/I Dihydrogenphosphat; 0,3-0,9 mmol/I Magnesium; und 0,1-0,4 mmol/I Calcium.An advantageous embodiment of the process solution, in particular the first and/or second process solution, can contain, for example, the electrolytes (anions and cations) listed below in, optionally demineralized, water: 120-210 mmol/l, preferably 140-180 mmol/l, sodium and potassium, whereby the sodium content can be over 100 mmol/l, preferably 120-160 mmol/l; 20-60 mmol/l, preferably 30-50 mmol/l, chloride; 70-130 mmol/l, preferably 80-110 mmol/l hydrogen carbonate; 5-15 mmol/l hydrogen phosphate; 5-15 mmol/l dihydrogen phosphate; 0.3-0.9 mmol/l magnesium; and 0.1-0.4 mmol/l calcium.
Milieubedingungen im Inneren des ersten und zweiten Fermenters, erfordern zugunsten der darin etablierten mikrobiellen Biozönosen anaerobe Milieubedingungen, wobei insbesondere im ersten Fermenter ein geringer Eintrag an Luftsauerstoff vertretbar sein kann. Da einige der die mikrobielle Biozönose im ersten Fermenter bildenden Mikroorganismenstämme fakultative Anaerobier sind, können gewisse Mengen Sauerstoff von diesen verstoffwechselt und dadurch dem Milieu entzogen werden. Vorzugsweise sollte in dem ersten und zweiten Fermenter ein Redoxpotential in einem Bereich von -400 bis -200 mV aufrechterhalten werden.Environmental conditions inside the first and second fermenters require anaerobic environmental conditions for the benefit of the microbial biocenoses established therein, whereby a small amount of atmospheric oxygen can be acceptable, particularly in the first fermenter. Since some of the microorganism strains forming the microbial biocenosis in the first fermenter are facultative anaerobes, certain amounts of oxygen can be metabolized by them and thus removed from the environment. Preferably, a redox potential in the range of -400 to -200 mV should be maintained in the first and second fermenters.
Die in dem ersten Fermenter bereitgestellte Innentrommel ermöglicht die Durchmischung eines Inhalts des ersten Fermenters. Vorzugsweise weist die Trommel in Richtung der Zuführvorrichtung, insbesondere angrenzend an die erste Seite des ersten Fermenters, eine zumindest teilweise geschlossene Bauform auf.The inner drum provided in the first fermenter enables the mixing of a content of the first fermenter. Preferably, the drum has an at least partially closed design in the direction of the feed device, in particular adjacent to the first side of the first fermenter.
Die Innentrommel kann durch ein geeignetes Antriebssystem, bspw. einen Motor, in eine rotierende Bewegung versetzt werden. Die Rotationsgeschwindigkeit der Innentrommel kann unter Berücksichtigung bestimmter Parameter, beispielsweise der Beschaffenheit des zugeführten Gärsubstrats, der Geschwindigkeit der Gärsubstrat-Hydrolyse und/oder der Höhe der organischen Raumbelastung, eingestellt werden. Die Rotationsgeschwindigkeit der Innentrommel beträgt vorzugsweise 2 bis 30 Umdrehungen pro Stunde, mehr bevorzugt 3 bis 15 Umdrehungen pro Stunde, und besonders bevorzugt 4 bis 6 Umdrehungen pro Stunde. Die Rotation der Innentrommel kann wahlweise kontinuierlich oder in definierten zeitlichen Intervallen erfolgen. Die Rotation kann rechtsläufig, linksläufig oder alternierend erfolgen.The inner drum can be set in a rotating motion by a suitable drive system, e.g. a motor. The rotation speed of the inner drum can be adjusted taking into account certain parameters, for example the nature of the fermentation substrate supplied, the speed of the fermentation substrate hydrolysis and/or the level of organic volume loading. The rotation speed of the inner drum is preferably 2 to 30 revolutions per hour, more preferably 3 to 15 revolutions per hour, and particularly preferably 4 to 6 revolutions per hour. The rotation of the inner drum can either take place continuously or at defined time intervals. The rotation can take place clockwise, counterclockwise or alternately.
Im Rahmen der Durchmischung durch die Innentrommel können Gärsubstratpartikel, deren Hydrolyse bereits weiter fortgeschritten ist, mit Gärsubstratpartikeln in Kontakt treten, deren Hydrolyse weniger weit fortgeschritten ist. Dabei kann eine intensive Übertragung der im ersten Fermenter befindlichen mikrobiellen Biozönose auf das zu hydrolysierende Gärsubstrat unter für die Biozönose schonenden Bedingungen erfolgen. Weiterhin kann durch die Verwendung der Innentrommel eine intensive Durchmischung der festen und flüssigen Phase erreicht werden. Aufgrund des hohen organischen Trockensubstanzanteils zahlreicher Gärsubstrate, ist eine Durchmischung und Fortbewegung des Gärsubstrats im Inneren des ersten Fermenters mit Hilfe eines herkömmlichen Rührwerks, wie es in Anlagen zur sog. Nassfermentation zur Anwendung gelangt, im Allgemeinen nicht möglich. Vorzugsweise umfasst der erste Fermenter kein Rührwerk.During mixing in the inner drum, fermentation substrate particles whose hydrolysis is already more advanced can come into contact with fermentation substrate particles whose hydrolysis is less advanced. This allows an intensive transfer of the microbial biocenosis in the first fermenter to the fermentation substrate to be hydrolyzed under conditions that are gentle on the biocenosis. Furthermore, the use of the inner drum can achieve intensive mixing of the solid and liquid phases. Due to the high organic dry matter content of many fermentation substrates, mixing and moving the fermentation substrate inside the first fermenter with the help of a conventional agitator, as used in systems for so-called wet fermentation, is generally not possible. The first fermenter preferably does not have an agitator.
Darüber hinaus kann durch die Innentrommel die Ausbildung von Schwimmdecken und Sinkschichten effektiv unterbunden werden, welche im Fall einer nicht oder nur unzureichend erfolgenden Durchmischung des Gärsubstrats auftreten können. So tendiert das Gärsubstrat in der Regel dazu, sich selbsttätig in verschiedene Phasen (Sinkschicht, durchmischte Schicht, Schwimmdecke) zu separieren. Frisches und erst zu einem geringen Teil hydrolysiertes Gärsubstrat zeigt die Tendenz, sich im Bereich der Grenze zwischen der flüssigen und der darüber befindlichen gasförmigen Phase als sog. Schwimmdecke abzuscheiden. Aufgrund des fortlaufenden Gärprozesses im Inneren des Fermenters entstehendes Gas steigt durch diese Schwimmdecke auf und verdrängt dabei zunehmend die flüssige Phase aus der Schwimmdecke, wodurch die Fortsetzung der Fermentation (Hydrolyse) weitgehend zum Erliegen kommt und für den Fermenter zunehmend die Gefahr einer Verstopfung durch das Gärsubstrat besteht. Mit zunehmend fortschreitender Hydrolyse des Gärsubstrats nimmt dessen Partikelgröße ab und dessen Dichte zu, weshalb die Substratpartikel dazu tendieren, mit fortschreitender Hydrolyse im Fermenter abzusinken und sich am Behälterboden anzusammeln. Durch die Rotationsbewegung der Innentrommel kann dagegen die Bildung von Schwimmdecken und von Sinkschichten effektiv verhindert werden.In addition, the inner drum can effectively prevent the formation of floating layers and sinking layers, which can occur if the fermentation substrate is not mixed or is only mixed insufficiently. The fermentation substrate usually tends to separate itself into different phases (sinking layer, mixed layer, floating layer). Fresh and only to a small extent hydro Lysed fermentation substrate shows a tendency to separate in the area of the boundary between the liquid and the gaseous phase above it as a so-called floating layer. Gas produced inside the fermenter due to the ongoing fermentation process rises through this floating layer and increasingly displaces the liquid phase from the floating layer, which largely stops the fermentation (hydrolysis) and increases the risk of the fermenter becoming blocked by the fermentation substrate. As the hydrolysis of the fermentation substrate progresses, its particle size decreases and its density increases, which is why the substrate particles tend to sink in the fermenter as the hydrolysis progresses and accumulate on the bottom of the container. The rotational movement of the inner drum, on the other hand, can effectively prevent the formation of floating layers and sinking layers.
Im ersten Fermenter kann somit ein homogenes Gärsubstratgemisch aufrechterhalten werden. Die im ersten Fermenter vorliegende erste Biozönose aus den ersten Mikroorganismen kann schonend mit dem Gärsubstrat und der Prozesslösung durchmischt werden.A homogeneous fermentation substrate mixture can thus be maintained in the first fermenter. The first biocenosis consisting of the first microorganisms present in the first fermenter can be gently mixed with the fermentation substrate and the process solution.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste Fermenter eine Zuführvorrichtung auf, die dazu angepasst ist, ein Gärsubstrat und/oder eine Prozesslösung auf die Temperatur von ≥25°C zu erwärmen und eine definierte Abgabemenge an dem Gärsubstrat und/oder der Prozesslösung in den ersten Fermenter bereitzustellen. Die Zuführvorrichtung kann dabei eine Handhabung und Zugabe des Gärsubstrats und/oder der Prozesslösung unter anaeroben Bedingungen, d.h. im Wesentlichen unter Luftausschluss, ermöglichen.According to a preferred embodiment, the first fermenter has a feed device that is adapted to heat a fermentation substrate and/or a process solution to a temperature of ≥25°C and to provide a defined delivery amount of the fermentation substrate and/or the process solution into the first fermenter. The feed device can enable handling and addition of the fermentation substrate and/or the process solution under anaerobic conditions, i.e. essentially with the exclusion of air.
Vor dem Eintrag des Gärsubstrats in den ersten Fermenter kann das Gärsubstrat in der Zuführvorrichtung auf die im ersten Fermenter vorliegende Temperatur von ≥25°C, bspw. 25°C bis 60°C, vorzugsweise 35°C bis 45°C, mehr bevorzugt 38°C bis 42°C, wie 39°C bis 41°C und 39,5°C bis 40°C, erwärmt werden. Hierdurch können die im Fermenter bestehenden Milieubedingungen, insbesondere auch im Hinblick auf die Temperatur als relevanten Prozessparameter, konstant gehalten werden.Before the fermentation substrate is introduced into the first fermenter, the fermentation substrate can be heated in the feed device to the temperature present in the first fermenter of ≥25°C, for example 25°C to 60°C, preferably 35°C to 45°C, more preferably 38°C to 42°C, such as 39°C to 41°C and 39.5°C to 40°C. In this way, the environmental conditions existing in the fermenter can be kept constant, in particular with regard to the temperature as a relevant process parameter.
Die Zufuhr des Gärsubstrats in den ersten Fermenter kann mittels einer Fördervorrichtung, insbesondere einer Förderschnecke oder Förderspirale, erfolgen. Die mit einer Fördervorrichtung, insbesondere die Förderschnecke oder Förderspirale, bereitgestellte Zuführvorrichtung kann bspw. aus Edelstahl oder Kunststoff bestehen. Alternativ kann die Substratzufuhr auch durch den Einsatz einer Feststoffpumpe, insbesondere einer Drehkolbenpumpe oder Exzenterschneckenpumpe, erfolgen.The fermentation substrate can be fed into the first fermenter by means of a conveying device, in particular a conveyor screw or conveyor spiral. The feed device provided with a conveying device, in particular the conveyor screw or conveyor spiral, can be made of stainless steel or plastic, for example. Alternatively, the substrate can also be fed using a solids pump, in particular a rotary piston pump or eccentric screw pump.
Außerdem kann das dem ersten Fermenter zuzuführende Gärsubstrat in Abhängigkeit von dem im Gärsubstrat enthaltenen Feuchtigkeitsanteil/Wasseranteil mit einer auf diesen Anteil individuell abgestimmten Menge einer Prozesslösung durchmischt werden, wobei die Prozesslösung vorzugsweise auf die im ersten Fermenter bestehende Temperatur erwärmt, bzw. auf dieser Temperatur gehalten wird. Dies ermöglicht die Zufuhr verschiedener Gärsubstrate, unabhängig von deren Feuchtigkeitsanteil, und dabei die im ersten Fermenter vorliegende Raumbelastung (Trockensubstanz pro Kubikmeter) auf einem konstanten Niveau zu halten.In addition, the fermentation substrate to be fed to the first fermenter can be mixed with an amount of process solution that is individually tailored to this proportion, depending on the moisture content/water content contained in the fermentation substrate, with the process solution preferably being heated to the temperature in the first fermenter or kept at this temperature. This enables the supply of various fermentation substrates, regardless of their moisture content, while keeping the volume load (dry matter per cubic meter) in the first fermenter at a constant level.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Innentrommel um eine Längsachse des ersten Fermenters rotierbar bereitgestellt und/oder dazu angepasst, eine Bewegung des Inhalts des ersten Fermenters zu dem zweiten Fermenter zu ermöglichen, vorzugsweise wobei der erste Fermenter ein durch die Innentrommel verlaufendes Innenrohr mit einer Fördereinheit, bspw. einer Förderschnecke oder -spirale, aufweist.According to a further preferred embodiment, the inner drum is provided rotatable about a longitudinal axis of the first fermenter and/or adapted to enable movement of the contents of the first fermenter to the second fermenter, preferably wherein the first fermenter has an inner tube running through the inner drum with a conveyor unit, for example a conveyor screw or spiral.
Die Innentrommel kann derart ausgestaltet sein, dass eine räumliche Durchmischung des Inhalts des ersten Fermenters weiter verbessert wird. Bspw. können an der Innenwand der Innentrommel Vorrichtungen angebracht sein, die einen kontinuierlichen, vorzugsweise horizontalen, Vortrieb des im Inneren der Trommel befindlichen Gärsubstrates in Richtung der Rohrleitung bzw. in Richtung des zweiten Fermenters ermöglichen. Darüber hinaus können an der Innenwand der Innentrommel weitere Vorrichtungen sein, die eine Durchmischung in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Vortriebsrichtung ermöglichen. Durch den gleichzeitigen kontinuierlichen, vorzugsweise horizontalen, Vortrieb und die Durchmischung in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zu der Vortriebsrichtung kann die optimale und kontinuierliche Durchmischung des im Inneren des ersten Fermenters befindlichen Gärsubstrats und optimale Bedingungen für die Kultivierung der ersten anaeroben Mikroorganismen gewährleistet werden.The inner drum can be designed in such a way that spatial mixing of the contents of the first fermenter is further improved. For example, devices can be attached to the inner wall of the inner drum that enable continuous, preferably horizontal, propulsion of the fermentation substrate located inside the drum in the direction of the pipeline or in the direction of the second fermenter. In addition, there can be further devices on the inner wall of the inner drum that enable mixing in a direction substantially perpendicular to the propulsion direction. The simultaneous continuous, preferably horizontal, propulsion and mixing in a direction substantially perpendicular to the propulsion direction can ensure optimal and continuous mixing of the fermentation substrate located inside the first fermenter and optimal conditions for the cultivation of the first anaerobic microorganisms.
Im ersten Fermenter erzeugtes Biogas kann den Fermenter über einen ersten Auslass verlassen.Biogas produced in the first fermenter can leave the fermenter via a first outlet.
Eine substratspezifische und kalkulierbare verfahrenstechnische Steuerung der hydraulischen Verweilzeit des Gärsubstrats kann durch die kontinuierlich oder in Intervallen erfolgende Gärsubstratzufuhr in den Fermenter, in Kombination mit der Rotation der Innentrommel und einer kontinuierlich oder in Intervallen erfolgende Entnahme von nicht vollständig hydrolysiertem Gärsubstrat sowie Prozesslösung des ersten Fermenters erfolgen.A substrate-specific and calculable process control of the hydraulic retention time of the fermentation substrate can be achieved by continuously or at intervals feeding the fermentation substrate into the fermenter, in combination with the rotation of the inner drum and a continuous or at intervals removal of non- completely hydrolyzed fermentation substrate and process solution from the first fermenter.
Eine weitere Einflussnahme auf die hydraulische Verweilzeit der festen Gärsubstratphase kann dadurch bereitgestellt werden, dass entlang der Längsachse der Innentrommel ein Innenrohr angeordnet ist, durch welches ein Teil des Gärsubstrats mit Hilfe einer Fördervorrichtung, vorzugsweise einer Förderschnecke oder Förderspirale, in den Bereich der Gärsubstratzufuhr der gegenüberliegenden Seite des zylinderförmigen Fermenter-Behältnisses gefördert werden kann. Mithin ermöglicht das Innenrohr die Förderung des Gärsubstrats von der zweiten Seite zu der ersten Seite des ersten Fermenters. Dies ermöglicht nicht nur einen intensiven Kontakt von frisch zugeführtem und bereits hydrolysiertem Gärsubstrat, sondern auch eine intensive Übertragung (Kontamination) des frischen Gärsubstrats, mit der die Hydrolyse des Gärsubstrats bewirkenden mikrobiellen Biozönose. Dadurch kann die Hydrolyse des Gärsubstrats schnell initiiert werden.A further influence on the hydraulic residence time of the solid fermentation substrate phase can be provided by arranging an inner tube along the longitudinal axis of the inner drum, through which part of the fermentation substrate can be conveyed with the aid of a conveying device, preferably a screw conveyor or spiral conveyor, into the area of the fermentation substrate supply on the opposite side of the cylindrical fermenter container. The inner tube thus enables the fermentation substrate to be conveyed from the second side to the first side of the first fermenter. This not only enables intensive contact between freshly fed and already hydrolyzed fermentation substrate, but also intensive transfer (contamination) of the fresh fermentation substrate with the microbial biocenosis causing the hydrolysis of the fermentation substrate. This allows the hydrolysis of the fermentation substrate to be initiated quickly.
Die mittlere hydraulische Verweilzeit des Gärsubstrats (feste Phase) in dem ersten Fermenter kann zwischen 24 und 120 Stunden, vorzugsweise 48 bis 96 Stunden, betragen. Die mittlere hydraulische Verweilzeit kann dabei von der stofflichen Zusammensetzung und der Qualität des Gärsubstrats abhängen. Während dieser Zeitspanne kann ein erheblicher Anteil der Cellulose, der Hemicellulosen und weiterer Inhaltstoffe des Gärsubstrats, beispielsweise Zucker, Stärke, Protein, unter den im ersten Fermenter vorliegenden anaeroben Bedingungen hydrolysiert und in kurzkettige Fettsäuren umgewandelt werden.The average hydraulic residence time of the fermentation substrate (solid phase) in the first fermenter can be between 24 and 120 hours, preferably 48 to 96 hours. The average hydraulic residence time can depend on the material composition and quality of the fermentation substrate. During this period, a significant proportion of the cellulose, hemicelluloses and other ingredients of the fermentation substrate, such as sugar, starch and protein, can be hydrolyzed under the anaerobic conditions in the first fermenter and converted into short-chain fatty acids.
Die Ausgestaltung des vorliegenden Fermentsystems ermöglicht die mittlere hydraulische Verweilzeit der festen und der flüssigen Phase im Fermenter aktiv und individuell zu beeinflussen und damit an die Erfordernisse, bspw. an die Zusammensetzung des Gärsubstrats, anzupassen. Durch die individuell mit Hilfe einer Steuerungstechnik regelbaren Verweilzeiten von fester und flüssiger Phase ist es weiter möglich, den Vorgang der Hydrolyse gezielt zu beeinflussen.The design of the present fermentation system makes it possible to actively and individually influence the average hydraulic residence time of the solid and liquid phases in the fermenter and thus adapt it to the requirements, e.g. to the composition of the fermentation substrate. The residence times of the solid and liquid phases can be individually regulated using control technology, making it possible to specifically influence the hydrolysis process.
Eine solche gezielte Beeinflussung der Verweilzeiten von fester und flüssiger Phase kann in den Verfahren zur Nassfermentation nicht erzielt werden. Bei der Nassfermentation durchströmen die feste und die flüssige Phase den Fermenter mit einer identischen mittleren hydraulischen Verweilzeit.Such a targeted influence on the residence times of the solid and liquid phases cannot be achieved in wet fermentation processes. In wet fermentation, the solid and liquid phases flow through the fermenter with an identical average hydraulic residence time.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Fermentersystem eine erste Trenneinheit zwischen dem ersten und zweiten Fermenter auf, die dazu angepasst ist, Feststoffe aus dem Fermentersystem zumindest teilweise, vorzugsweise im Wesentlichen vollständig, zu entfernen.According to yet another preferred embodiment, the fermenter system comprises a first separation unit between the first and second fermenters, which is adapted to at least partially, preferably substantially completely, remove solids from the fermenter system.
Stromabwärts an dem ersten Fermenter kann dabei aus dem ersten Fermenter austretendes Gärsubstrat einer Separation/Trennung in eine feste und eine flüssige Phase zugeführt werden. Die erste Trenneinheit ist dabei zwischen dem ersten und zweiten Fermenter angeordnet und kann einen Materialstrom an den zweiten Fermenter bereitstellen, wobei der Materialstrom an Gärsubstrat abgereichert ist oder dieses im Wesentlichen nicht aufweist.Downstream of the first fermenter, fermentation substrate emerging from the first fermenter can be separated into a solid and a liquid phase. The first separation unit is arranged between the first and second fermenters and can provide a material flow to the second fermenter, wherein the material flow is depleted of fermentation substrate or essentially does not contain it.
Alternativ und vorzugsweise wird der an Gärsubstrat abgereicherte Materialstrom oder der im Wesentlichen Gärsubstrat freie Materialstrom an eine zweite Trenneinheit bereitgestellt, die nachstehend beschrieben wird. Das Fermentersystem kann vorzugsweise stromabwärts des ersten Fermenters die erste Trenneinheit, stromabwärts der ersten Trenneinheit die zweite Trenneinheit und stromabwärts der zweiten Trenneinheit den zweiten Fermenter aufweisen. Mehr bevorzugt sind die erste und zweite Trenneinheit an der Rohrleitung angeordnet bzw. werden durch diese miteinander und mit dem ersten und zweiten Fermenter fluid verbunden.Alternatively and preferably, the material stream depleted in fermentation substrate or the material stream substantially free of fermentation substrate is provided to a second separation unit, which is described below. The fermenter system may preferably have the first separation unit downstream of the first fermenter, the second separation unit downstream of the first separation unit and the second fermenter downstream of the second separation unit. More preferably, the first and second separation units are arranged on the pipeline or are fluidly connected to one another and to the first and second fermenters by the pipeline.
Die feste Phase (das nicht bzw. nicht vollständig hydrolysierte Gärsubstrat, sowie an diesem anhaftende mikrobielle Zellmasse) kann mit der ersten Trenneinheit abgeschieden werden. Hierzu können im Stand der Technik bekannte Vorrichtungen zur Fest-Flüssig-Separation verwendet werden. Bevorzugt ist eine auf einem Sieb-basierende erste Trenneinheit. Das Sieb kann aus einem Edelstahl oder einem Kunststoff bestehen. Bevorzugt ist der Einsatz eines Kunststoffsiebs aus einem Kunststoffmaterial, welches lediglich geringfügig oder nicht von Mikroorganismen besiedelt (Biofilmbildung) wird. Hierzu kann bspw. ein Polyamid verwendet werden.The solid phase (the fermentation substrate that is not or not completely hydrolyzed, as well as the microbial cell mass adhering to it) can be separated with the first separation unit. Devices known in the prior art for solid-liquid separation can be used for this purpose. A first separation unit based on a sieve is preferred. The sieve can be made of stainless steel or plastic. The use of a plastic sieve made of a plastic material that is only slightly or not at all colonized by microorganisms (biofilm formation) is preferred. A polyamide, for example, can be used for this purpose.
Die Porenweite des Siebes kann 10 µm bis zu 2 mm, vorzugsweise 50 µm bis 1 mm, besonders, mehr bevorzugt 100 µm bis 500 µm, betragen.The pore size of the sieve can be 10 µm up to 2 mm, preferably 50 µm to 1 mm, particularly, more preferably 100 µm to 500 µm.
Anhand der durch die erste Trenneinheit bereitgestellte Fest-Flüssig-Separation kann weiterhin ermöglicht werden, dass mit der flüssigen Phase (Prozesslösung) keine festen Gärsubstratpartikelteilchen in den Prozesslösungskreislauf geraten, welche eine Verringerung von Durchflussgeschwindigkeit oder Durchflussmengen infolge von Materialabscheidungen oder Verstopfungen verursachen könnten.The solid-liquid separation provided by the first separation unit also makes it possible to prevent solid fermentation substrate particles from entering the process solution circuit with the liquid phase (process solution), which could cause a reduction in flow velocity or flow rates as a result of material separation or blockages.
Mehrere erste Trenneinheiten können vorliegen. Vorzugsweise kann eine erste der ersten Trenneinheiten angepasst sein, größere Gärsubstratpartikel, bspw. mit einem Sieb einer Porenweite von 5 mm bis 2 mm, bspw. 2,5 mm bis 2 mm, zu entfernen. Eine zweite der ersten Trenneinheiten, die stromabwärts der ersten der ersten Trenneinheiten angeordnet ist, kann angepasst sein, kleinere Gärsubstratpartikel, bspw. mit einem Sieb einer Porenweite von 500 µm bis 10 µm, bspw. 200 µm bis 100 µm, zu entfernen. Hierdurch kann der Durchsatz an Prozesslösung durch die erste Trenneinheit und damit der Durchsatz des Fermentersystems erhöht werden.Several first separation units can be present. Preferably, a first of the first separation units can be adapted to remove larger fermentation substrate particles, for example with a sieve with a pore size of 5 mm to 2 mm, for example 2.5 mm to 2 mm. The second of the first separation units, which is arranged downstream of the first of the first separation units, can be adapted to remove smaller fermentation substrate particles, for example with a sieve with a pore size of 500 µm to 10 µm, for example 200 µm to 100 µm. This can increase the throughput of process solution through the first separation unit and thus the throughput of the fermenter system.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Fermentersystem eine zweite Trenneinheit zwischen dem ersten und zweiten Fermenter auf, welche angepasst ist, eine erste Prozesslösung von einer zweiten Prozesslösung derart zu trennen, dass lediglich kleine Moleküle von der ersten Prozesslösung in die zweite Prozesslösung übertreten können, vorzugsweise wobei die zweite Trenneinheit eine Membran mit einer Ausschlussgrenze (sog. Cut-off) von 1000 g/mol oder weniger aufweist. Die zweite Trenneinheit ist vorzugsweise stromabwärts der ersten Trenneinheit und stromaufwärts des zweiten Fermenters angeordnet. Die zweite Trenneinheit kann eine Osmoseeinheit mit einer Membran mit der Ausschlussgrenze von 1000 g/mol oder weniger sein. Der Stofftransfer durch die Membran kann hierbei auf einem alternierenden hydraulischen Druckwechsel basieren. Der Säuretransfer kann zudem aufgrund eines pH-Wert-Gradienten zwischen der ersten und zweiten Prozesslösung erfolgen. Optional kann die zweite Trenneinheit eine Umkehrosmoseeinheit oder eine Ultrafiltrationseinheit sein.According to a preferred embodiment, the fermenter system has a second separation unit between the first and second fermenter, which is adapted to separate a first process solution from a second process solution in such a way that only small molecules can pass from the first process solution into the second process solution, preferably wherein the second separation unit has a membrane with an exclusion limit (so-called cut-off) of 1000 g/mol or less. The second separation unit is preferably arranged downstream of the first separation unit and upstream of the second fermenter. The second separation unit can be an osmosis unit with a membrane with an exclusion limit of 1000 g/mol or less. The mass transfer through the membrane can be based on an alternating hydraulic pressure change. The acid transfer can also take place due to a pH gradient between the first and second process solution. Optionally, the second separation unit can be a reverse osmosis unit or an ultrafiltration unit.
Die zweite Trenneinheit oder SCFA-Exchange-Einheit (Short chain fatty acid-Exchange-Einheit) bewirkt den Übergang kleiner Moleküle, bspw. Moleküle mit einem Molekulargewicht von 1000 g/mol oder weniger, von der ersten Prozesslösung in die zweite Prozesslösung. Hierzu wird vorzugsweise eine Membran mit einer Ausschlussgrenze von 750 g/mol oder weniger, 500 g/mol oder weniger, mehr bevorzugt 400 g/mol oder weniger, 300 g/mol oder weniger, 300 g/mol oder weniger, noch mehr bevorzugt 150 g/mol oder weniger, aufweist.The second separation unit or SCFA exchange unit (short chain fatty acid exchange unit) causes the transfer of small molecules, for example molecules with a molecular weight of 1000 g/mol or less, from the first process solution into the second process solution. For this purpose, a membrane with an exclusion limit of 750 g/mol or less, 500 g/mol or less, more preferably 400 g/mol or less, 300 g/mol or less, 300 g/mol or less, even more preferably 150 g/mol or less is preferably used.
Die zweite Trenneinheit kann die im ersten Fermenter infolge der dort erfolgenden Hydrolyse und Versäuerung mit kurzkettigen Fettsäuren angereicherte Prozesslösung mit einer bzgl. deren Fettsäurefracht abgereicherten Prozesslösung aus dem zweiten Fermenter in Kontakt bringen und dadurch einen Übergang von Fettsäuren auf den Prozesslösungskreislauf des zweiten Fermenters ermöglichen.The second separation unit can bring the process solution enriched with short-chain fatty acids in the first fermenter as a result of the hydrolysis and acidification taking place there into contact with a process solution from the second fermenter which is depleted in terms of its fatty acid load and thus enable a transfer of fatty acids to the process solution circuit of the second fermenter.
Die Prozesslösungen des Prozesslösungskreislaufs des ersten Fermenters und des zweiten Fermenters stehen miteinander über die zweite Trenneinheit in einem stofflichen Austausch. Durch die in dem ersten Fermenter erfolgende Gärsubstratzufuhr gelangen in den Prozesslösungskreislauf des ersten Fermenters neben organischen auch anorganische Gärsubstratbestandteile. Mittels der vorstehend beschriebenen ersten Trenneinheit, kann eine Trennung der festen von der flüssigen Phase erfolgen. Während die feste Phase hauptsächlich aus nicht vollständig abgebauter pflanzlicher Biomasse besteht, enthält die flüssige Phase, neben den im Rahmen der Fermentation gebildeten kurzkettigen Fettsäuren, auch die in Wasser löslichen mineralischen Bestandteile der pflanzlichen Biomasse bzw. des Gärsubstrats, den sogenannten Ascheanteil. Der Ascheanteil wird vorzugsweise regelmäßig der ersten Trenneinheit entnommen, um dessen Anreicherung im Prozesslösungskreislauf des ersten Fermenters im zeitlichen Verlauf und eine damit einhergehende Verschlechterung der Milieubedingungen zu verhindern.The process solutions of the process solution circuit of the first fermenter and the second fermenter are in material exchange with each other via the second separation unit. The fermentation substrate supply in the first fermenter means that both organic and inorganic fermentation substrate components enter the process solution circuit of the first fermenter. The solid phase can be separated from the liquid phase using the first separation unit described above. While the solid phase mainly consists of incompletely degraded plant biomass, the liquid phase contains, in addition to the short-chain fatty acids formed during fermentation, the water-soluble mineral components of the plant biomass or fermentation substrate, the so-called ash component. The ash component is preferably regularly removed from the first separation unit in order to prevent its accumulation in the process solution circuit of the first fermenter over time and the associated deterioration of the environmental conditions.
Durch die Substratzufuhr gelangen außerdem in Abhängigkeit vom Wasser- bzw. Feuchtigkeitsanteil des Gärsubstrats relevante Mengen Wasser in den ersten Fermenter. Der Wasser- bzw. Feuchtigkeitsanteil üblicher, insbesondere landwirtschaftlicher Gärsubstrate, beträgt in der Regel zwischen 60 bis 80 Prozent. Bei Biomassen aus aquatischen Umgebungen liegt der Wassergehalt in der Regel deutlich über diesem Anteil, bei manchen Rest- und Abfallstoffen, z.B. Papier und Kartonagen, Stroh, etc., teilweise deutlich darunter. Auch im Hinblick auf eine Ableitung solch überschüssiger Wassermengen, ist eine Ausschleusung aus den Prozesslösungskreisläufen des Fermenter-Systems notwendig.The substrate supply also allows relevant amounts of water to enter the first fermenter, depending on the water or moisture content of the fermentation substrate. The water or moisture content of common, particularly agricultural, fermentation substrates is usually between 60 and 80 percent. In the case of biomass from aquatic environments, the water content is usually significantly higher than this proportion, and in some residual and waste materials, e.g. paper and cardboard, straw, etc., it is sometimes significantly lower. In order to drain such excess water, it is also necessary to remove it from the process solution circuits of the fermentation system.
Die SCFA-Exchange-Einheit kann dabei eine teilweise Trennung der Prozesslösungskreisläufe des ersten Fermenters und des zweiten Fermenters, bewirken. So kann aus dem ersten Fermenter austretende Prozesslösung, einschließlich der darin gelösten kurzkettigen Fettsäuren und Elektrolyte, in den Prozesslösungskreislauf des zweiten Fermenters gelangen.The SCFA exchange unit can cause a partial separation of the process solution circuits of the first fermenter and the second fermenter. This allows process solution emerging from the first fermenter, including the short-chain fatty acids and electrolytes dissolved in it, to enter the process solution circuit of the second fermenter.
Ein Transfer von kurzkettigen Fettsäuren, Elektrolyten und Überschusswasser aus dem Prozesslösungskreislauf des ersten Fermenters auf den Prozesslösungskreislauf des zweiten Fermenters kann durch eine in ihrer Durchlässigkeit beschränkte Membran, ggf. unter Anwendung eines Druckwechsels, erfolgen. Nach erfolgtem Stofftransfer (Fettsäuren, Elektrolyte, Überschusswasser) auf den Prozesslösungskreislauf des zweiten Fermenters, wird vorzugsweise die Prozesslösung des ersten Fermenters durch den Einsatz einer Pumpe der SCFA-Exchange-Einheit entnommen und erneut, ggf. nach Erwärmung auf die im ersten Fermenter vorliegende Temperatur, der Zuführvorrichtung des ersten Fermenters zugeführt.A transfer of short-chain fatty acids, electrolytes and excess water from the process solution circuit of the first fermenter to the process solution circuit of the second fermenter can take place through a membrane with limited permeability, if necessary using a pressure change. After the material transfer (fatty acids, electrolytes, excess water) to the process solution circuit of the second fermenter has taken place, the process solution of the first fermenter is preferably removed using a pump from the SCFA exchange unit and fed again, if necessary after heating to the temperature in the first fermenter, to the feed device of the first fermenter.
Mehrere zweite Trenneinheiten können vorliegen. Bspw. kann eine erste der zweiten Trenneinheiten eine erste Membran mit einer Ausschlussgrenze von 2000 bis 1000 g/mol aufweisen und eine zweite der zweiten Trenneinheiten, die stromabwärts der ersten der zweiten Trenneinheiten angeordnet ist, eine zweite Membran mit einer Ausschlussgrenze von 500 g/mol oder weniger aufweisen. Die mehreren zweiten Trenneinheiten können Osmoseeinheiten sein. Alternativ oder zusätzlich sind die mehreren der zweiten Trenneinheiten als Ultrafiltrationseinheiten und/oder Umkehrosmoseeinheiten ausgeführt. Die Osmoseeinheit, Ultrafiltrationseinheitund/oder Umkehrosmoseeinheit können dabei beliebig kombiniert werden. Bspw. kann eine erste der mehreren zweiten Trenneinheiten eine Osmoseeinheit und eine zweite der der mehreren zweiten Trenneinheiten eine Umkehrosmoseeinheit sein. Alternativ oder zusätzlich zu der vorstehend aufgeführten Reihenschaltung mehrerer zweiter Trenneinheiten können mehrere zweite Trenneinheiten ebenfalls parallel geschaltet sein, wobei vorzugsweise die zweiten Trenneinheiten jeweils eine Membran mit derselben Ausschlussgrenze aufweisen.Several second separation units can be present. For example, a first of the second separation units can have a first membrane with an exclusion limit of 2000 to 1000 g/mol and a second of the second separation units, which is arranged downstream of the first of the second separation units, can have a second membrane with an exclusion limit of 500 g/mol or less. The several second separation units can be osmosis units. Alternatively or additionally, the several second separation units are designed as ultrafiltration units and/or reverse osmosis units. The osmosis unit, ultrafiltration unit and/or reverse osmosis unit can be combined as desired. For example, a first of the several second separation units can be an osmosis unit and a second of the several second separation units can be a reverse osmosis unit. Alternatively or in addition to the series connection of several second separation units listed above, several second separation units can also be connected in parallel, wherein the second separation units preferably each have a membrane with the same exclusion limit.
Hierdurch kann der Durchsatz an Prozesslösung durch die zweite Trenneinheit und damit der Durchsatz des Fermentersystems erhöht werden.This allows the throughput of process solution through the second separation unit and thus the throughput of the fermenter system to be increased.
Größere Gärsubstratpartikel können vor einem Eintreten in die zweite Trenneinheit mit der ersten Trenneinheit entfernt werden. Die erste Trenneinheit kann hierzu bspw. ein Sieb, insbesondere ein Sieb mit einer Porenweite von 2 mm bis 0,25 mm, bspw. 1,5 mm bis 0,5 mm, 1,25 mm bis 0,75 mm, oder 1,0 mm bis 0,9 mm, aufweisen. Mehrere erste Trenneinheiten können vorliegen. Eine zweite der ersten Trenneinheiten, die stromabwärts nach der ersten Trenneinheit angeordnet ist, kann angepasst sein, kleinere Gärsubstratpartikel als die erste der ersten Trenneinheiten zu entfernen. Hierdurch kann der Durchsatz an Prozesslösung gesteigert werden. Bspw. kann eine erste der ersten Trenneinheiten ein Sieb mit einer Porenweite von 2 mm bis 1,5 mm und einer zweite der ersten Trenneinheiten ein Sieb mit einer Porenweite von 1,0 mm bis 0,9 mm aufweisen.Larger fermentation substrate particles can be removed with the first separation unit before entering the second separation unit. For this purpose, the first separation unit can, for example, have a sieve, in particular a sieve with a pore width of 2 mm to 0.25 mm, for example 1.5 mm to 0.5 mm, 1.25 mm to 0.75 mm, or 1.0 mm to 0.9 mm. Several first separation units can be present. A second of the first separation units, which is arranged downstream of the first separation unit, can be adapted to remove smaller fermentation substrate particles than the first of the first separation units. This can increase the throughput of process solution. For example, a first of the first separation units can have a sieve with a pore width of 2 mm to 1.5 mm and a second of the first separation units can have a sieve with a pore width of 1.0 mm to 0.9 mm.
Die in der SCFA-Exchange-Einheit mit kurzkettigen Fettsäuren angereicherte Prozesslösung des Prozesslösungskreislaufs des zweiten Fermenters, kann über eine Pumpe erneut dem zweiten Fermenter zugeführt werden.The process solution of the process solution circuit of the second fermenter, which is enriched with short-chain fatty acids in the SCFA exchange unit, can be fed back into the second fermenter via a pump.
In dem zweiten Fermenter kann der quantitativ wesentliche stoffliche Abbau der im ersten Fermenter durch Hydrolyse und Versäuerung gebildeten kurzkettigen Fettsäuren zu Methan und Kohlendioxid erfolgen.In the second fermenter, the quantitatively significant material degradation of the short-chain fatty acids formed in the first fermenter by hydrolysis and acidification into methane and carbon dioxide can take place.
Dies kann anhand der zweiten anaeroben Mikroorganismen, bspw. mit den nachstehend aufgeführten Mikroorganismen durchgeführt werden: Methanotrix, Methanosarcina, Methanobrevibacter ruminantium, Methanomicrobium mobile, Syntrophobacter wolnii, Syntrophomonas, Propionibacterium, Chlostridium propionicum und/oder Propionigenium modestum.This can be done using the second anaerobic microorganisms, for example with the microorganisms listed below: Methanotrix, Methanosarcina, Methanobrevibacter ruminantium, Methanomicrobium mobile, Syntrophobacter wolnii, Syntrophomonas, Propionibacterium, Chlostridium propionicum and/or Propionigenium modestum.
Die Umsetzung von zugleich gebildetem Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zu Methan und Wasser kann dabei bspw. anhand der hierin beschriebenen Methanogene ausgeführt werden.The conversion of simultaneously formed hydrogen and carbon dioxide into methane and water can be carried out, for example, using the methanogens described here.
Die zweite Prozesslösung kann die vorstehend beschriebene Zusammensetzung aufweisen. Die zweite Prozesslösung weist vorzugsweise einen nahezu neutralen bis leicht alkalischen pH-Wert, vorzugsweise in einem Bereich von 6,8 bis 8,0, mehr bevorzugt in einem Bereich von 7,0 bis 7,5, auf. Die Temperatur der zweiten Prozesslösung beträgt vorzugsweise 35°C bis 41°C, vorzugsweise 37°C bis 40,5°C, wie 38°C bis 40°C.The second processing solution may have the composition described above. The second processing solution preferably has a nearly neutral to slightly alkaline pH, preferably in a range of 6.8 to 8.0, more preferably in a range of 7.0 to 7.5. The temperature of the second processing solution is preferably 35°C to 41°C, preferably 37°C to 40.5°C, such as 38°C to 40°C.
Das im zweiten Fermenter erzeugte Biogas kann den Fermenter über einen zweiten Auslass verlassen.The biogas produced in the second fermenter can leave the fermenter via a second outlet.
Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform weist der zweite Fermenter eine Einspeisevorrichtung auf, die angepasst ist, eine Prozesslösung in dem zweiten Fermenter gleichmäßig zu verteilen. Hierzu kann die von dem ersten Fermenter bereitgestellte Prozesslösung, vorzugsweise nach Durchlauf durch die erste und/oder zweite Trenneinheit, über eine mit einer Vielzahl von Bohrungen versehenden Rohrleitung oder Rohrleitungen in den zweiten Fermenter eingeführt werden.According to another preferred embodiment, the second fermenter has a feed device which is adapted to evenly distribute a process solution in the second fermenter. For this purpose, the process solution provided by the first fermenter can be introduced into the second fermenter via a pipe or pipes provided with a plurality of bores, preferably after passing through the first and/or second separation unit.
So kann die mit kurzkettigen Fettsäuren in der zweiten Trenneinheit bzw. SCFA-Exchange-Einheit angereicherte Prozesslösung mittels einer Pumpe in den Bodenbereich des Fermenters gepumpt und dort mittels eines installierten Rohrleitungssystems gleichmäßig über eine Eintrags-Fläche verteilt werden. Hierzu kann im Bodenbereich des zweiten Fermenters eine Struktur aus mehreren entlang der Längsachse des waagrecht angeordneten zweiten Fermenters parallel verlaufende Rohrleitungen angeordnet sein. Die Rohrleitungen weisen bspw. einen Durchmesser von ungefähr 1,75 cm bis ungefähr 5 cm, vorzugsweise 1,875 cm bis 4,25 cm, mehr bevorzugt 2,4 cm bis 2,6 cm, wie 2,5 cm, auf. Die Rohrleitungen können angrenzend aneinander oder in einem bestimmten Abstand an einer Innenwand des zweiten Fermenters befestigt sein. Die Anzahl, der Durchmesser und der Abstand der zueinander parallel angeordneten Rohrleitungen kann mit der Menge der täglich dem Fermenter zugeführten Prozesslösung korrelieren. Diese Prozesslösungsmenge kann bspw. bis zum zweifachen des Fermenter-Volumens betragen.The process solution enriched with short-chain fatty acids in the second separation unit or SCFA exchange unit can be pumped into the bottom area of the fermenter by means of a pump and distributed there evenly over an input area by means of an installed piping system. For this purpose, a structure made up of several pipes running parallel along the longitudinal axis of the horizontally arranged second fermenter can be arranged in the bottom area of the second fermenter. The pipes have, for example, a diameter of approximately 1.75 cm to approximately 5 cm, preferably 1.875 cm to 4.25 cm, more preferably 2.4 cm to 2.6 cm, such as 2.5 cm. The pipes can be attached adjacent to one another or at a certain distance to an inner wall of the second fermenter. The number, diameter and distance of the pipes arranged parallel to one another can correlate with the amount of process solution fed to the fermenter daily. This process solution The amount of solution can, for example, be up to twice the fermenter volume.
Die Rohrleitungen können Bohrungen aufweisen, durch welche die Prozesslösung in das Innere des zweiten Fermenters gelangt. Abstand und Durchmesser der Bohrungen können mit der Menge der täglich dem Fermenter zuzuführenden Prozesslösungsmenge korrelieren.The pipes can have holes through which the process solution enters the interior of the second fermenter. The distance and diameter of the holes can correlate with the amount of process solution to be fed into the fermenter daily.
Die mit Bohrungen versehenen Rohrleitungen stellen eine schonende Bereitstellung der zweiten Prozesslösung an die im zweiten Fermenter enthaltene mikrobielle Biozönose bereit. Ein unbeabsichtigtes Lösen der ggf. in dem zweiten Fermenter immobilisierten zweiten Mikroorganismen kann dadurch zumindest teilweise und ggf. vollständig vermieden werden. Durch das Einströmen der Prozesslösung an einer Vielzahl von Stellen in den zweiten Fermenter kann außerdem eine Verringerung des pH-Werts unterbunden werden. So wird der pH-Wert der im Bodenbereich des Fermenters befindlichen Prozesslösung, trotz der in diesem Bereich einströmenden Fettsäurefracht, nur unwesentlich beeinflusst. Die dadurch aufrechterhaltenen Milieubedingungen begünstigen die Umwandlungsgeschwindigkeit, mit welcher die in dem zweiten Fermenter etablierte Biozönose die Umwandlung der in der zugeführten Prozesslösung enthaltenen kurzkettigen Fettsäuren zu Biogas durchführen kann. Vorteilhaft kann sich dabei auch die Pufferwirkung der in der Prozesslösung enthaltenen Hydrogencarbonat-, Hydrogenphosphat- und Dihydrogenphosphationen auswirken.The pipes with holes provide a gentle supply of the second process solution to the microbial biocenosis contained in the second fermenter. Inadvertent dissolution of the second microorganisms, which may be immobilized in the second fermenter, can thus be at least partially and possibly completely avoided. By flowing the process solution into the second fermenter at a large number of points, a reduction in the pH value can also be prevented. The pH value of the process solution in the bottom area of the fermenter is thus only insignificantly affected, despite the fatty acid load flowing into this area. The environmental conditions thus maintained promote the conversion rate with which the biocenosis established in the second fermenter can convert the short-chain fatty acids contained in the supplied process solution into biogas. The buffering effect of the hydrogen carbonate, hydrogen phosphate and dihydrogen phosphate ions contained in the process solution can also have an advantageous effect.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der zweite Fermenter eine Netzstruktur auf, die angepasst ist, eine Ansiedelungsfläche für anaerobe Mikroorganismen bereitzustellen, vorzugsweise wobei die Netzstruktur Füllkörper aufweist, die in der Netzstruktur fixiert sind. Die Füllkörper können dabei derart in die Netzstruktur aufgenommen sein, dass ein Aufschwimmen oder Absinken der Füllkörper im zweiten Fermenter verhindert wird. Alternativ können die Füllkörper, ggf. beweglich, an der Netzstruktur befestigt sein.According to yet another preferred embodiment, the second fermenter has a net structure that is adapted to provide a settlement area for anaerobic microorganisms, preferably wherein the net structure has packing elements that are fixed in the net structure. The packing elements can be incorporated into the net structure in such a way that the packing elements are prevented from floating or sinking in the second fermenter. Alternatively, the packing elements can be attached to the net structure, possibly movably.
Die Netzstruktur kann ein zwei- oder drei-dimensionales Netz sein, welche in dem zweiten Fermenter befestigt ist. Die Prozesslösung kann den zweiten, vorzugsweise waagerecht angeordneten, Fermenter vertikal, entgegen der Richtung des Schwerkraftvektors, durchströmen. Die Netzstruktur ist dabei oberhalb der Einspeisevorrichtung angeordnet. Vorzugsweise nimmt die Netzstruktur ungefähr die gleiche Fläche wie die Einspeisevorrichtung ein. Mehr bevorzugt liegt die Netzstruktur über im Wesentlichen den gesamten waagerechten Querschnitt des waagerecht vorliegenden zweiten Fermenters vor.The net structure can be a two- or three-dimensional net which is fixed in the second fermenter. The process solution can flow through the second, preferably horizontally arranged, fermenter vertically, against the direction of the gravity vector. The net structure is arranged above the feed device. Preferably, the net structure takes up approximately the same area as the feed device. More preferably, the net structure is present over essentially the entire horizontal cross section of the horizontally arranged second fermenter.
Die Netzstruktur kann eine Vielzahl von Füllkörpern aufweisen, welche der im zweiten Fermenter etablierten Biozönose eine Ansiedelungsfläche zum Aufbau eines Biofilms bereitstellen. Diese Füllkörper können Pall-Ringe sowie andere strukturell vergleichbare Füllkörper, z.B. zylindrische Ringe, Sattelkörper oder gitterartige Strukturen, aufweisen und sind vorzugsweise aus Polypropylen oder Polyethylen hergestellt. Um ein Auftreiben oder Absinken der Füllkörper innerhalb des zweiten Fermenters zu verhindern, sind diese bspw. in die Netzstruktur integriert. Die Maschen der Netzstruktur können dabei geringere Abmessungen als die Füllkörper aufweisen, so dass die Füllkörper in der Netzstruktur gehalten werden.The net structure can have a large number of packing elements that provide the biocenosis established in the second fermenter with a settlement area for the formation of a biofilm. These packing elements can have Pall rings and other structurally comparable packing elements, e.g. cylindrical rings, saddle elements or grid-like structures, and are preferably made of polypropylene or polyethylene. In order to prevent the packing elements from floating up or sinking within the second fermenter, they are integrated into the net structure, for example. The meshes of the net structure can have smaller dimensions than the packing elements, so that the packing elements are held in the net structure.
Vorzugsweise werden Pall-Ringe aus Polypropylen in der Nenngröße 25 (Länge 25 mm; Durchmesser 25 mm) als Füllkörper verwendet. Die Netzstruktur kann hierbei rechteckige Maschen mit einer Kantenlänge von < 25 mm, bspw. 20 mm, aufweisen.Preferably, polypropylene Pall rings in nominal size 25 (
Die durch die Netzstruktur hindurchtretende und oberhalb dieser austretende Prozesslösung, deren Fettsäurefracht infolge des mikrobiellen Abbaus innerhalb der Netzstruktur von der Biozönose reduziert worden ist, kann anschließend über eine Entnahmevorrichtung aus dem zweiten Fermenter abgeführt werden. Die Entnahmevorrichtung kann als eine mit Bohrungen versehene Rohrleitung ausgebildet sein, welche im oberen Bereich, mithin oberhalb der Netzstruktur, des waagerecht angeordneten zweiten Fermenters angeordnet ist.The process solution that passes through the network structure and emerges above it, the fatty acid load of which has been reduced by the biocenosis as a result of microbial degradation within the network structure, can then be removed from the second fermenter via a removal device. The removal device can be designed as a pipe with holes, which is arranged in the upper area, i.e. above the network structure, of the horizontally arranged second fermenter.
Die mit Bohrungen versehene Rohrleitung ist vorzugsweise entsprechend der Einspeisevorrichtung aufgebaut.The pipe provided with bores is preferably constructed according to the feed device.
Beispielsweise und vorzugsweise erfolgt die Zufuhr der Prozesslösung in den zweiten Fermenter über ein erstes Rohrleitungssystem, das unterhalb der Netzstruktur angeordnet ist. Das erste Rohrleitungssystem kann hierbei 10 bis 20 erste Rohrleitungen mit einem Rohrleitungsabstand von 10 bis 20 cm aufweisen. Die Länge jeder der ersten Rohrleitungen kann 5 bis 10 m betragen. Jeder der ersten Rohrleitungen kann einen Innendurchmesser von 1,5 bis 3,5 cm aufweisen. Jede der ersten Rohrleitungen kann erste Bohrungen in einem Abstand von 10 bis 50 cm aufweisen. Eine Anzahl an ersten Bohrungen kann 10 bis 100 betragen. Die ersten Bohrungen können unabhängig voneinander einen Durchmesser von 0,3 bis 0,5 cm aufweisen.For example and preferably, the process solution is fed into the second fermenter via a first piping system that is arranged below the network structure. The first piping system can have 10 to 20 first pipes with a pipe spacing of 10 to 20 cm. The length of each of the first pipes can be 5 to 10 m. Each of the first pipes can have an inner diameter of 1.5 to 3.5 cm. Each of the first pipes can have first holes at a distance of 10 to 50 cm. The number of first holes can be 10 to 100. The first holes can independently have a diameter of 0.3 to 0.5 cm.
Beispielsweise und vorzugsweise erfolgt die Sammlung bzw. Entnahme der Prozesslösung aus dem zweiten Fermenter über ein zweites Rohrleitungssystem, das oberhalb der Netzstruktur angeordnet ist. Das zweite Rohrleitungssystem kann hierbei 1 bis 10 zweite Rohrleitungen mit einem Rohrleitungsabstand von 2 bis 10 cm aufweisen. Die Länge jeder der zweiten Rohrleitungen kann 5 bis 10 m betragen. Jede der zweiten Rohrleitungen kann einen Innendurchmesser von 2 bis 10 cm aufweisen. Jede der zweiten Rohrleitungen kann zweite Bohrungen in einem Abstand von 10 bis 100 cm aufweisen. Eine Anzahl an zweiten Bohrungen kann 10 bis 30 betragen. Die zweiten Bohrungen können unabhängig voneinander einen Durchmesser von 1 bis 2 cm aufweisen.For example and preferably, the collection or removal of the process solution from the second fermenter takes place via a second pipe system that is arranged above the network structure. The second pipe system can comprise 1 to 10 second pipes with a Pipe spacing of 2 to 10 cm. The length of each of the second pipes can be 5 to 10 m. Each of the second pipes can have an inner diameter of 2 to 10 cm. Each of the second pipes can have second holes at a spacing of 10 to 100 cm. A number of second holes can be 10 to 30. The second holes can independently have a diameter of 1 to 2 cm.
Die Entnahme der Prozesslösung aus dem zweiten Fermenter kann mittels einer Pumpe erfolgen, die als magnetgekuppelte Kreiselpumpe ausgeführt sein kann.The process solution can be removed from the second fermenter by means of a pump, which can be designed as a magnetically coupled centrifugal pump.
Der austretende Prozesslösungsstrom kann zwei Rohrleitungen zugeführt werden, die selektiv über ein oder mehrere Ventile angesteuert und oder geschlossen werden können. Als Ventil kann ein elektrisch ansteuerbares Magnetventil, vorzugsweise ein über ein Pilotventil ansteuerbares Pneumatik-Ventil, verwendet werden.The exiting process solution stream can be fed into two pipelines that can be selectively controlled and/or closed via one or more valves. An electrically controlled solenoid valve, preferably a pneumatic valve controlled via a pilot valve, can be used as the valve.
Eine der zwei Rohrleitungen kann mit der SCFA-Exchange-Einheit verbunden sein. Diese Rohrleitung kann mit einer Pumpe bereitgestellt sein. Wird diese Rohrleitung über ein Ventil angesteuert, so kann die hinsichtlich ihrer Fettsäurefracht innerhalb des zweiten Fermenters abgereicherte Prozesslösung der SCFA-Exchange-Einheit zugeführt werden, um sich in dieser erneut mit im Fermenter gebildeten Fettsäuren anzureichern.One of the two pipelines can be connected to the SCFA exchange unit. This pipeline can be provided with a pump. If this pipeline is controlled by a valve, the process solution depleted in terms of its fatty acid load within the second fermenter can be fed to the SCFA exchange unit in order to be enriched again with fatty acids formed in the fermenter.
Über die andere Rohrleitung kann bei entsprechender Ansteuerung eines Ventils Prozesslösung aus dem Prozesslösungskreislauf des Fermentersystems entnommen werden. Dadurch kann mit dem Gärsubstrat dem Fermentersystem zugeführtes Wasser aus dem Fermentationsprozess entfernt werden und die in dem Fermentersystem zirkulierende Wassermenge auf einen geeigneten Wert eingestellt werden.Process solution can be removed from the process solution circuit of the fermenter system via the other pipe when a valve is activated accordingly. This allows water supplied to the fermenter system with the fermentation substrate to be removed from the fermentation process and the amount of water circulating in the fermenter system to be adjusted to a suitable value.
Diese dem Fermentationsprozess entnommene überschüssige Prozesslösung enthält u.a. Elektrolyte und mikrobielle Zellmasse. Diese Flüssigkeit kann beispielsweise zu einem Pflanzendünger aufbereitet werden. In Abhängigkeit von den Inhaltsstoffen können hierzu vorteilhaft Sterilisationsverfahren zur Gewährleistung der mikrobiologischen Unbedenklichkeit sowie Verfahren zur Steigerung der Konzentration von Lösungen, bspw. Verfahren der Umkehrosmose, angewandt werden.This excess process solution removed from the fermentation process contains electrolytes and microbial cell mass, among other things. This liquid can be processed into a plant fertilizer, for example. Depending on the ingredients, sterilization processes to ensure microbiological safety and processes to increase the concentration of solutions, e.g. reverse osmosis processes, can be used.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der zweite Fermenter eine Entnahmevorrichtung und ggf. eine Rücklaufleitung auf, welche den zweiten Fermenter und den ersten Fermenter fluid verbindet, vorzugsweise wobei die Entnahmevorrichtung an der Rücklaufleitung angeordnet ist.According to a preferred embodiment, the second fermenter has a removal device and optionally a return line which fluidly connects the second fermenter and the first fermenter, preferably wherein the removal device is arranged on the return line.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren nach (iii) einen Schritt (iiia) auf: im Wesentlichen Entfernen von Feststoffen aus dem Fermentersystem. Dies kann mit der ersten Trenneinheit durchgeführt werden.According to a further preferred embodiment, the method according to (iii) comprises a step (iiia): substantially removing solids from the fermenter system. This can be carried out with the first separation unit.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Verfahren nach (iii) einen Schritt (iiib) auf: Kontaktieren der ersten Prozesslösung und der zweiten Prozesslösung derart, dass im Wesentlichen in der ersten Prozesslösung gelöste Substanzen, insbesondere kurzkettige Fettsäuren, zumindest teilweise in die zweite Prozesslösung übergehen. Dies kann mit der zweiten Trenneinheit durchgeführt werden.According to a further preferred embodiment, the method according to (iii) comprises a step (iiib): contacting the first process solution and the second process solution such that substances essentially dissolved in the first process solution, in particular short-chain fatty acids, are at least partially transferred into the second process solution. This can be carried out using the second separation unit.
Vorzugsweise werden die Schritte (iii), (iiia) und (iiib) in der dieser Reihenfolge durchgeführt.Preferably, steps (iii), (iiia) and (iiib) are carried out in that order.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden das Gärsubstrat und die Prozesslösung vor Schritt (i) auf die im Wesentlichen konstante Temperatur erwärmt; und/oder ist bzw. sind die erste und/oder zweite Prozesslösung auf einen im Wesentlichen konstanten pH-Wert eingestellt.According to yet another preferred embodiment, the fermentation substrate and the process solution are heated to the substantially constant temperature before step (i); and/or the first and/or second process solution is/are adjusted to a substantially constant pH value.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform werden in den biogenen Gasen enthaltenen Störstoffe, vorzugsweise Sauerstoff, Schwefelwasserstoff und/oder Ammoniak, entfernt. Vorzugsweise Zuführen der biogenen Gase zu einer Verwertungseinrichtung, bspw. einem Blockheizkraftwerk, und/oder einer Trenneinrichtung zum Trennen der biogenen Gase in eine kohlenwasserstoffhaltige Fraktion und eine kohlenstoffdioxidhaltige Fraktion. Die Entfernung derartiger Störstoffe ist dem Fachmann geläufig.According to yet another embodiment, impurities contained in the biogenic gases, preferably oxygen, hydrogen sulphide and/or ammonia, are removed. Preferably, the biogenic gases are fed to a utilization facility, for example a combined heat and power plant, and/or a separation facility for separating the biogenic gases into a hydrocarbon-containing fraction and a carbon dioxide-containing fraction. The removal of such impurities is familiar to the person skilled in the art.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die ersten anaeroben Mikroorganismen Spezies der Gattungen Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus albus, Butyrivibro fibrisolvens, Clostridium lockheadii, Ruminococcus flavefaciens oder Bacteroides succinogenes, Protozoen, beispielsweise der Gattungen Isotricha, Dasytricha, Eutodinium oder Diplodinium, und/oder Pilze, beispielsweise der Arten Neocallimastix, Piromonas oder Sphaermonas, auf; und/oder wobei ein Mageninhalt eines Vormagensystems, insbesondere Pansen, eines Wiederkäuers, bspw. eines Rinds, eines Schafs und/oder einer Ziege, als die ersten anaeroben Mikroorganismen verwendet werden. Die ersten anaeroben Mikroorganismen bilden eine erste Biozönose.According to a preferred embodiment, the first anaerobic microorganisms comprise species of the genera Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus albus, Butyrivibro fibrisolvens, Clostridium lockheadii, Ruminococcus flavefaciens or Bacteroides succinogenes, protozoa, for example of the genera Isotricha, Dasytricha, Eutodinium or Diplodinium, and/or fungi, for example of the species Neocallimastix, Piromonas or Sphaermonas; and/or wherein a stomach content of a forestomach system, in particular rumen, of a ruminant, for example of a cow, a sheep and/or a goat, is used as the first anaerobic microorganisms. The first anaerobic microorganisms form a first biocenosis.
Die Hydrolyse des Cellulose- und Hemicellulose-Anteils des Gärsubstrats kann durch die vorstehend aufgeführten cellulolytisch aktiven ersten anaeroben Mikroorganismen (Cellulasen bildende Mikroorganismen) ausgeführt werden. Als Endprodukte des mikrobiellen Stoffwechsels der beispielhaft aufgezählten ersten anaeroben Mikroorganismen entstehen kurzkettige Fettsäuren, u.a. Acetat, Formiat, Propionat, Butyrat, Lactat, Succinat sowie Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid. Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid können wiederum von bestimmten Mikroorganismen (Archaea) zu Methan und Wasser umgesetzt.The hydrolysis of the cellulose and hemicellulose portion of the fermentation substrate can be achieved by the The cellulolytically active first anaerobic microorganisms (microorganisms that produce cellulases) listed below are used to carry out the process. The end products of the microbial metabolism of the first anaerobic microorganisms listed as examples are short-chain fatty acids, including acetate, formate, propionate, butyrate, lactate, succinate, as well as hydrogen and carbon dioxide. Hydrogen and carbon dioxide can in turn be converted into methane and water by certain microorganisms (archaea).
Alternativ oder zusätzlich kann eine Nutzung des Mageninhalts des Vormagensystems von Wiederkäuern (Ruminantia), insbesondere jenem von für die menschliche Ernährung relevanten Wiederkäuern (Rinder (Bovini), Schafe (Ovis), Ziegen (Capra)) erfolgen. Als Startinokulum kann hierzu vorteilhaft der beispielsweise in den Schlachthöfen anfallende Inhalt des Pansens (Rumen) der Wiederkäuer verwendet werden. Wird im Fermenter einem solchen Startinokulum weiteres Gärsubstrat zugeführt und das Startinokulum mit frischem Gärsubstrat durchmischt, so baut sich im gesamten Fermenter eine kontinuierlich fermentierende Biozönose auf, welche insbesondere Cellulose und Hemicellulosen in ihre Monomere hydrolysiert und diese Monomere (Intermediärprodukte) zu kurzkettigen Fettsäuren konvertiert.Alternatively or additionally, the stomach contents of the forestomach system of ruminants (Ruminantia) can be used, particularly those of ruminants relevant for human nutrition (cattle (Bovini), sheep (Ovis), goats (Capra)). The contents of the rumen (rumen) of ruminants, which accrue in slaughterhouses, for example, can be used as a starting inoculum. If additional fermentation substrate is added to such a starting inoculum in the fermenter and the starting inoculum is mixed with fresh fermentation substrate, a continuously fermenting biocenosis is built up throughout the fermenter, which in particular hydrolyses cellulose and hemicelluloses into their monomers and converts these monomers (intermediate products) into short-chain fatty acids.
Durch Hydrolyse der Zellwandbestandteile und Gerüstsubstanzen des pflanzlichen Gärsubstrats gebildete Monomere können durch anaerobe Glykolyse (Embden-Meyerhof-Weg) und im Pentose-Phosphat-Zyklus zu Pyruvat umgesetzt werden. Pyruvat stellt dabei das zentrale Intermediär-Produkt des mikrobiellen Kohlenhydratstoffwechsels dar, welches mit hoher Geschwindigkeit in kurzkettige Fettsäuren, insbesondere Essigsäure, Propionsäure und Buttersäure, umgesetzt wird.Monomers formed by hydrolysis of the cell wall components and structural substances of the plant fermentation substrate can be converted to pyruvate by anaerobic glycolysis (Embden-Meyerhof pathway) and in the pentose phosphate cycle. Pyruvate is the central intermediate product of microbial carbohydrate metabolism, which is converted at high speed into short-chain fatty acids, especially acetic acid, propionic acid and butyric acid.
Milieubedingungen im ersten Fermenter erfordern zugunsten der darin etablierten mikrobiellen Biozönose für gewöhnlich einen pH-Wert in einem leicht sauren Bereich bis in einen leicht alkalischen Bereich, bspw. von 5,5 bis 7,5, vorzugsweise 6,0 bis 7,0, mehr bevorzugt 6,5 bis 6,8.Environmental conditions in the first fermenter usually require a pH value in a slightly acidic to slightly alkaline range, for example from 5.5 to 7.5, preferably 6.0 to 7.0, more preferably 6.5 to 6.8, for the benefit of the microbial biocenosis established therein.
Dabei kann die im ersten Fermenter etablierte mikrobielle Biozönose aufgrund ihrer spezifischen mikrobiellen Zusammensetzung eine besonders schnelle Hydrolyse der im Gärsubstrat enthaltenen Cellulose und Hemicellulosen sowie weiterer unter anaeroben Bedingungen abbaubarer Gärsubstratinhaltsstoffe unter Bildung eines Gemisches kurzkettiger Fettsäuren, insbesondere von Essigsäure, Propionsäure und Buttersäure sowie Valeriansäure und Iso-Valeriansäure ermöglichen.Due to its specific microbial composition, the microbial biocenosis established in the first fermenter can enable a particularly rapid hydrolysis of the cellulose and hemicelluloses contained in the fermentation substrate as well as other fermentation substrate ingredients that are degradable under anaerobic conditions to form a mixture of short-chain fatty acids, in particular acetic acid, propionic acid and butyric acid as well as valeric acid and iso-valeric acid.
Die Geschwindigkeit der Hydrolyse und Säurebildung (Versäuerung) ist dabei derart hoch, dass sich die Milieubedingungen innerhalb des ersten Fermenters aufgrund des schnell abfallenden pH-Wertes deutlich negativ verändern würden.The rate of hydrolysis and acid formation (acidification) is so high that the environmental conditions within the first fermenter would change significantly negatively due to the rapidly falling pH value.
Vorzugsweise wird die mit kurzkettigen Fettsäuren angereicherte Prozesslösung schnell, bspw. im Rahmen der vorstehend aufgeführten Verweilzeiten, aus dem ersten Fermenter entfernt, um eine ggf. auftretende Azidose zu vermeiden, und durch neue Prozesslösung ersetzt. Dies kann insbesondere durch einen kontinuierlichen Betrieb des Fermentersystems erfolgen, der die zweite Trenneinheit aufweist.Preferably, the process solution enriched with short-chain fatty acids is removed from the first fermenter quickly, for example within the retention times listed above, in order to avoid any acidosis that may occur, and replaced with new process solution. This can be done in particular by continuously operating the fermenter system, which has the second separation unit.
Durch eine geeignete Prozesssteuerungstechnik kann im Wege einer aufeinander synchronisierten Ansteuerung der Substratzufuhrmenge, der Prozesslösungszufuhr, der Rotation der Innentrommel, der internen Substratrückführung und der Substratentnahme gewährleistet werden, dass die Prozesslösung einerseits und die feste Gärsubstratphase andererseits eine der Gärsubstratart und -qualität angepasste individuelle Verweilzeit aufweisen.By means of a suitable process control technology, it can be ensured that the process solution on the one hand and the solid fermentation substrate phase on the other hand have an individual residence time adapted to the fermentation substrate type and quality by means of a synchronized control of the substrate feed quantity, the process solution feed, the rotation of the inner drum, the internal substrate return and the substrate removal.
Über die gezielte Steuerung der Verweilzeit der festen Phase (Gärsubstrat) kann zugleich der Umfang des Substratabbaus (Konversion der Biomasse in Biogas) optimiert werden. Während eine kurze Verweilzeit einen suboptimalen Substratabbau bedingen kann, weil ein erheblicher Teil der dem Fermentationsprozess zugeführten pflanzlichen Biomasse nicht abgebaut und dem ersten Fermenter als fester Gärrest entzogen wird, besteht bei einer längeren Verweilzeit die Möglichkeit, dass das zur Verfügung stehende Fermenter-Volumen suboptimal genutzt wird, da sich mit zunehmender Verweilzeit zunehmend nur schwer oder unter anaeroben Bedingungen nicht abbaubare Inhaltsstoffe des Gärsubstrats im Fermenter anreichern. Dies gilt in besonderer Weise für das in der pflanzlichen Biomasse von Landpflanzen regelmäßig enthaltene Lignin, welches unter den in den Fermentern herrschenden anaeroben Bedingungen nicht abbaubar ist.By specifically controlling the residence time of the solid phase (fermentation substrate), the extent of substrate degradation (conversion of biomass into biogas) can be optimized. While a short residence time can result in suboptimal substrate degradation because a significant portion of the plant biomass fed into the fermentation process is not broken down and is removed from the first fermenter as solid fermentation residue, a longer residence time can result in the available fermenter volume being used suboptimally because, as the residence time increases, ingredients of the fermentation substrate that are difficult to degrade or cannot be degraded under anaerobic conditions accumulate in the fermenter. This applies in particular to the lignin regularly contained in the plant biomass of land plants, which cannot be degraded under the anaerobic conditions prevailing in the fermenters.
Gemäß noch einer bevorzugten Ausführungsform weisen die zweiten anaeroben Mikroorganismen Methanogene, insbesondere Methanobacterium, Methanobrevibacter, insbesondere M. ruminantium, Methanococcus, Methanomicrobium, insbesondere M. mobile, Methanogenium, Methanospirillium, Methanoplanus, Methanocorpusculum, Methanoculleus und/oder Methanosarcina, Methanotrix, Syntrophobacter wolnii, Syntrophomonas, Propionibacterium, Chlostridium propionicum und/oder Propionigenium modestum auf; und/oder wobei aktiv abbauender Schlamm von Abwasserreinigungsanlagen oder Fermentern von Biogasanlagen als die zweiten anaeroben Mikroorganismen verwendet werden. Die zweiten anaeroben Mikroorganismen, üblicherweise Archaea, ermöglichen dabei die Umsetzung von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid zu Methan und Wasser. Die zweiten anaeroben Mikroorganismen bilden eine zweite Biozönose.According to another preferred embodiment, the second anaerobic microorganisms comprise methanogens, in particular Methanobacterium, Methanobrevibacter, in particular M. ruminantium, Methanococcus, Methanomicrobium, in particular M. mobile, Methanogenium, Methanospirillium, Methanoplanus, Methanocorpusculum, Methanoculleus and/or Methanosarcina, Methanotrix, Syntrophobacter wolnii, Syntrophomonas, Propionibacterium, Chlostridium propionicum and/or Propionigenium modestum; and/or wherein actively degrading sludge from wastewater treatment plants or fermenters from biogas plants are used as the second anaerobic microorganisms. The second anaerobic microorganisms, usually archaea, enable the conversion of hydrogen and carbon dioxide into methane and water. The second anaerobic microorganisms form a second biocenosis.
Die zweiten anaeroben Mikroorganismen können bei einem pH-Wert von 6,8 bis 8,0, vorzugsweise 7,0 bis 7,5 kultiviert werden.The second anaerobic microorganisms can be cultured at a pH of 6.8 to 8.0, preferably 7.0 to 7.5.
Als Startinokulum können mikrobielle Biozönosen, wie sie beispielsweise in den Sedimenten von Gewässern, dem aktiv abbauenden Schlamm von Anlagen zur Reinigung von Abwässern oder in den Fermentern von Biogasanlagen vorhanden sind, verwendet werden.Microbial biocenoses, such as those present in the sediments of water bodies, the actively degrading sludge of wastewater treatment plants or in the fermenters of biogas plants, can be used as starting inoculum.
Um eine Biozönose aufzubauen, welche in der Lage ist, auch eine größere Fracht kurzkettiger Fettsäuren mit einer Geschwindigkeit in Biomethan und Biokohlenstoffdioxid zu konvertieren, welche ausreichend hoch ist, um eine Anreicherung solcher Säuren in der Prozesslösung und insbesondere eine auf einer solchen Anreicherung beruhende Absenkung des pH-Wertes der Prozesslösung zu verhindern, hat es sich als vorteilhaft erwiesen eine Anreicherungskultur zu erzeugen, die eine hohe Populationsdichte fettsäurekonvertierender Mikroorganismen enthält. Eine solche Anreicherungskultur kann dadurch erzeugt werden, dass einem Fermenter, nach Zuführung eines Startinokulums aus zweiten anaeroben Mikroorganismen, im Rahmen eines geschlossenen Prozesslösungskreislaufs, unter permanenter Kontrolle des pH-Wertes, ein definiertes Gemisch kurzkettiger Fettsäuren zugeführt wird. Infolge dieser spezifischen Substratzufuhr reichern sich jene Mikroorganismen, welche zu einer stofflichen Verwertung der dem Fermenter zugeführten kurzkettigen Fettsäuren befähigt sind, in der Biozönose an, während zugleich diejenigen Mikroorganismen-Populationen, welche hierzu nicht befähigt sind, zunehmend verdrängt werden.In order to build up a biocenosis that is able to convert a larger load of short-chain fatty acids into biomethane and biocarbon dioxide at a rate that is sufficiently high to prevent an accumulation of such acids in the process solution and in particular a reduction in the pH value of the process solution due to such an accumulation, it has proven advantageous to create an enrichment culture that contains a high population density of fatty acid-converting microorganisms. Such an enrichment culture can be created by adding a defined mixture of short-chain fatty acids to a fermenter after adding a starting inoculum of second anaerobic microorganisms as part of a closed process solution circuit, with permanent control of the pH value. As a result of this specific substrate supply, those microorganisms that are capable of utilizing the short-chain fatty acids supplied to the fermenter accumulate in the biocenosis, while at the same time those microorganism populations that are not capable of doing so are increasingly displaced.
Zur Förderung der Prozesslösung kann das Fermentersystem eine oder mehrere Pumpen, vorzugsweise eine oder mehrere Kreiselpumpen, mehr bevorzugt magnetgekoppelten Kreiselpumpen, aufweisen. Die Magnetkopplung des Pumpenkreisels stellt sicher, dass keine Abdichtungen des Kreiselgehäuses oder der mit dem Antriebsmotor verbundenen Antriebsachse erforderlich ist. Mögliche Undichtigkeiten, welche aufgrund von Korrosionsvorgängen an den Antriebsachsen und Antriebsdichtungen entstehen können, können dadurch wirksam verhindert werden. Die eine oder mehreren Pumpen weisen vorzugsweise ein Pumpengehäuse aus Kunststoff, insbesondere aus Polyethylen oder Polypropylen, auf. Hierdurch kann die Korrosion oder andere Beeinträchtigung von Antriebsachsen und Dichtungen durch die Prozesslösung, insbesondere die darin enthaltenen Elektrolyte, ausgeschlossen werden. Als besonders vorteilhaft haben sich hierbei magnetgekoppelte Kreiselpumpen mit einem Gehäuse aus einem Kunststoff, insbesondere aus Polyethylen oder Polypropylen, erwiesen.To convey the process solution, the fermenter system can have one or more pumps, preferably one or more centrifugal pumps, more preferably magnetically coupled centrifugal pumps. The magnetic coupling of the pump impeller ensures that no seals are required on the impeller housing or the drive shaft connected to the drive motor. Possible leaks that can arise due to corrosion processes on the drive shafts and drive seals can thereby be effectively prevented. The one or more pumps preferably have a pump housing made of plastic, in particular polyethylene or polypropylene. This can prevent corrosion or other impairment of drive shafts and seals by the process solution, in particular the electrolytes contained therein. Magnetically coupled centrifugal pumps with a housing made of a plastic, in particular polyethylene or polypropylene, have proven to be particularly advantageous here.
Biogas, welches aus dem ersten Fermenter über den ersten Auslass und dem zweiten Fermenter über den zweiten Auslass austreten, können einer gemeinsamen zentralen Gasrohrleitung zugeführt. In dieser Sammelleitung können Messvorrichtungen zur kontinuierlichen Messung der Gasmenge und der Gaszusammensetzung integriert werden.Biogas that exits the first fermenter via the first outlet and the second fermenter via the second outlet can be fed into a common central gas pipeline. Measuring devices for continuously measuring the gas quantity and gas composition can be integrated into this collecting pipeline.
Das aus dem Fermentersystem austretende bzw. entnommene Biogas umfasst überwiegend Methan und Kohlenstoffdioxid und kann außerdem geringe Mengen an Sauerstoff, Schwefelwasserstoff oder Ammoniak sowie weiteren Spurengase enthalten. Außerdem kann das Biogas einen im Wesentlichen von der in den Fermentern herrschenden Temperatur abhängigen Feuchtigkeitsanteil, insbesondere Wasseranteil, aufweisen.The biogas that comes out of or is removed from the fermenter system mainly consists of methane and carbon dioxide and can also contain small amounts of oxygen, hydrogen sulphide or ammonia as well as other trace gases. In addition, the biogas can contain a moisture content, particularly water content, that depends essentially on the temperature prevailing in the fermenters.
Vor einer energetischen oder stofflichen Nutzung des Biogases, können diesem vorzugsweise die darin enthaltenen Anteile an Sauerstoff, Schwefelwasserstoff und/oder Ammoniak, vorzugsweise Schwefelwasserstoff und Ammoniak, entzogen werden. Dies kann auf eine beliebige im Stand der Technik bekannte Art erfolgen.Before the biogas is used for energy or material purposes, the oxygen, hydrogen sulphide and/or ammonia, preferably hydrogen sulphide and ammonia, contained therein can be removed. This can be done in any manner known in the art.
So kann Ammoniak unter Anwendung einer sauren Lösung, beispielsweise durch verdünnte, bspw. 1- bis 25-%ige, Schwefelsäure dem Gasgemisch unter Bildung von Ammoniumsulfat im Wesentlichen entzogen werden, welches seinerseits bspw. als Düngemittel verwendet werden kann.For example, ammonia can be essentially removed from the gas mixture using an acidic solution, for example diluted sulfuric acid (1 to 25%), to form ammonium sulfate, which in turn can be used as a fertilizer, for example.
Diesem Verfahrensschritt kann sich eine im Wesentlichen quantitative Entfernung des Schwefelwasserstoffs aus dem Gasgemisch anschießen. Beispielsweise kann eine saure Lösung eines wasserlöslichen Bleisalzes, bspw. Bleichlorid, Bleiacetat oder Bleinitrat, verwendet werden. Da Bleisulfid auch in einer sauren wässrigen Lösung ein geringes Löslichkeitsprodukt aufweist, kann der im Gasstrom enthaltene Schwefelwasserstoff wirksam aus diesem entzogen werden. Das dabei entstehende Bleisulfid kann der bleiverarbeitenden Industrie zur Verwertung zugeführt werden.This process step can be followed by an essentially quantitative removal of the hydrogen sulphide from the gas mixture. For example, an acidic solution of a water-soluble lead salt, e.g. lead chloride, lead acetate or lead nitrate, can be used. Since lead sulphide has a low solubility product even in an acidic aqueous solution, the hydrogen sulphide contained in the gas stream can be effectively removed from it. The lead sulphide produced can be fed to the lead processing industry for recycling.
Das verbleibende, im Wesentlichen Methan und Kohlenstoffdioxid aufweisende, Biogas kann, vorzugsweise nach vorhergehender Trocknung, zur Erzeugung von Strom und/oder Wärme einem Kraftwerk, bspw. einem Blockheizkraftwerk, zugeführt werden. Auch eine direkte Verwendung zur Wärmeerzeugung ist möglich.The remaining biogas, which mainly contains methane and carbon dioxide, can be fed to a power plant, such as a combined heat and power plant, to generate electricity and/or heat, preferably after prior drying. It can also be used directly to generate heat.
Weitere optionale Verwendungsformen des Biogases können zusätzliche Gasaufbereitungsverfahren erfordern. Diese können zur Abtrennung des Methans und/oder des Kohlenstoffdioxids dienen. Dies kann bspw. mittels im Stand der Technik bekannter Adsorptionsverfahren, z.B. Druckwechselwäsche, Absorptionsverfahren, z.B. Amin-Wäsche, Membranverfahren, wobei die Trennung der Gase durch Membranen mit geeigneter Ausschlussgrenze, bspw. aus Metall, Keramik, oder Kunststoff erfolgt, und kryogene Verfahren erfolgen, bei denen durch eine Verringerung der Temperatur die im Gemisch enthaltenen Gase sukzessive verflüssigt werden.Other optional uses of the biogas may require additional gas processing processes. These can be used to separate the methane and/or the carbon dioxide. This can be done, for example, using adsorption processes known in the art, e.g. pressure swing washing, absorption processes, e.g. amine washing, membrane processes, where the gases are separated using membranes with a suitable exclusion limit, e.g. made of metal, ceramic or plastic, and cryogenic processes, in which the gases contained in the mixture are successively liquefied by reducing the temperature.
Nach erfolgter Aufreinigung kann das erhaltene Methan oder Kohlenstoffdioxid ohne weiteres verwendet werden. Bspw. kann Methan in das Erdgasnetz eingespeist werden.After purification, the resulting methane or carbon dioxide can be used without further ado. For example, methane can be fed into the natural gas network.
Gärreste können sterilisiert werden. Sterilisierte oder unsterilisierte Gärreste können bspw. in Faserbestandteile und Proteine aufgetrennt werden. Faserbestandteile können industriell weiterverwendet werden. Proteine können bspw. Tierfutter zugegeben werden.Fermentation residues can be sterilized. Sterilized or unsterilized fermentation residues can be separated into fiber components and proteins, for example. Fiber components can be reused industrially. Proteins can be added to animal feed, for example.
Dem zweiten Fermenter entnommenen Flüssigkeit kann sterilisiert und bspw. als Dünger ausgebracht werden. Alternativ kann die entnommene Flüssigkeit sterilisiert und, bspw. anhand Umkehrosmose, aufgetrennt bzw. separiert werden, wobei konzentrierter Flüssigdünger und Wasser erhalten werden.The liquid taken from the second fermenter can be sterilized and used as fertilizer, for example. Alternatively, the liquid taken can be sterilized and separated, for example using reverse osmosis, to produce concentrated liquid fertilizer and water.
Mit dem Ausdruck „im Wesentlichen“ versehene Angaben können Abweichungen von + 10% und/oder -10% umfassen. Bspw. schließt der Ausdruck „im Wesentlichen senkrecht“ einen Winkel von 81° bis 99° ein. Bspw. schließt der Ausdruck „im Wesentlichen vollständig“ eine Entfernung von 90% bis 100% ein.Information accompanied by the term "substantially" may include deviations of + 10% and/or -10%. For example, the term "substantially perpendicular" includes an angle of 81° to 99°. For example, the term "substantially complete" includes a distance of 90% to 100%.
Vorzugsweise weisen der erste Fermenter und/oder der zweite Fermenter kein Rührwerk auf. Mehr bevorzugt, weist das Fermentersystem kein Rührwerk auf. Rührwerke oder Rührer weisen im Rahmen der vorliegenden Offenbarung eine oder mehrere Achsen bzw. Wellen auf, die in der Regel mit Blättern und/oder Flügeln versehen sind.Preferably, the first fermenter and/or the second fermenter do not have an agitator. More preferably, the fermenter system does not have an agitator. Agitators or stirrers in the context of the present disclosure have one or more axles or shafts, which are usually provided with blades and/or vanes.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combinations specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen näher erläutert. Die dort erwähnten Merkmale gelten nicht nur in Bezug auf das konkrete Beispiel, sondern auch in isolierter Form als zur Erfindung gehörend. Dabei wird Bezug genommen auf die beiliegenden Figuren.The invention will now be explained in more detail using examples. The features mentioned therein apply not only in relation to the specific example, but also in isolated form as part of the invention. Reference is made to the attached figures.
In den Figuren zeigt
-
1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Fermentersystems gemäß der vorliegenden Erfindung; und -
2a -c eine schematische Darstellung der Verwertung der durch das beispielhafte Fermentersystem erhaltenen Fermentationsprodukte.
-
1 a schematic representation of an exemplary fermenter system according to the present invention; and -
2a -c a schematic representation of the utilization of the fermentation products obtained by the exemplary fermenter system.
AusführungsbeispieleExamples of implementation
In der
Der erste Fermenter 1 weist an einer ersten kreisförmigen Seite davon eine Zuführvorrichtung 3 mit einem Motor 24 auf, über welche eine erste Prozesslösung und Gärsubstrat, bspw. Pflanzenreste, dem ersten Fermenter 1 hinzugegeben werden können, wobei in dem ersten Fermenter 1 eine erste Biozönose aus anaeroben ersten Mikroorganismen in der ersten Prozesslösung vorliegt.The first fermenter 1 has on a first circular side thereof a
Der erste Fermenter 1 ist mit einer darin angeordneten Innentrommel 8, Durchmischungsvorrichtungen 9, 10 und einem mit einer Förderschnecke bereitgestellten Innenrohr 11 bereitgestellt, um eine gleichmäßige, räumliche Durchmischung des Gärsubstrats, der ersten Prozesslösung und der Biozönose aus anaeroben ersten Mikroorganismen entlang der mit Pfeilen schematisch gezeigten Strömungsrichtungen 26, 27, und deren Transport zu einer zweiten kreisförmigen Seite des ersten Fermenters 1 zu ermöglichen.The first fermenter 1 is provided with an inner drum 8 arranged therein, mixing
Im Rahmen der gleichmäßigen, räumlichen Durchmischung des Gärsubstrats, der ersten Prozesslösung und der Biozönose aus anaeroben ersten Mikroorganismen, wird das Gärsubstrat unter Bildung kurzkettiger Fettsäuren abgebaut bzw. fermentiert. Ein Gemisch aus teilweise abgebautem Gärsubstrat bzw. Gärrest und erster Prozesslösung mit darin vorliegenden kurzkettigen Fettsäuren tritt aus dem ersten Fermenter 1 aus und gelangt in einer erste Trenneinheit 13, die eine Trennung des Gärrests von der ersten Prozesslösung mit den darin vorliegenden kurzkettigen Fettsäuren ermöglicht. Die erste Trenneinheit kann bspw. eine Schnecke oder Spirale aufweisen, die angepasst ist, festen Bestandteile aufwärts aus der flüssigen Phase herauszuheben, wobei die flüssige Phase im Wesentlichen zurückbleibt. Die erste Trenneinheineit kann weiterhin ein Sieb aufweisen. Nach Durchtritt der flüssigen Phase durch ein Sieb kann diese, bspw. mittels einer Pumpe, entnommen werden.As part of the uniform, spatial mixing of the fermentation substrate, the first process solution and the biocenosis of anaerobic first microorganisms, the fermentation substrate is broken down or fermented to form short-chain fatty acids. A mixture of partially broken down fermentation substrate or fermentation residue and the first process solution with the short-chain fatty acids present therein exits the first fermenter 1 and reaches a
Der Gärrest kann bspw. unter Verwendung eines Motors 25 dem Fermentersystem 100 entnommen werden und kann einer in
Die erste Prozesslösung mit den darin vorliegenden kurzkettigen Fettsäuren wird über die mit einer Pumpe bereitgestellte Rohrleitung 4 an eine zweite Trenneinheit 14 bereitgestellt. Die als Umkehrosmoseeinheit ausgebildete zweite Trenneinheit 14 weist eine Membran 15 mit einer Ausschlussgrenze von ≤ 150 g/mol auf. Anhand der Membran 15 kann die erste Prozesslösung mit den darin vorliegenden kurzkettigen Fettsäuren von einer zweiten Prozesslösung getrennt werden. Die Membran 15 ermöglicht dabei den Übertritt von kleinen Molekülen, insbesondere kurzkettige Fettsäuren und Elektrolyte, in die zweite Prozesslösung. Moleküle mit einem Molekulargewicht von >150 g/mol verbleiben in der ersten Prozesslösung.The first process solution with the short-chain fatty acids present therein is supplied to a
Die an kurzkettigen Molekülen abgereicherte erste Prozesslösung kann über eine mit einer Pumpe bereitgestellte Rohrleitung 5 der Zuführvorrichtung 3 erneut zugeführt werden.The first process solution depleted of short-chain molecules can be fed back to the
Die zweite Prozesslösung mit den darin vorliegenden kurzkettigen Fettsäuren wird über die mit einer Pumpe bereitgestellte Rohrleitung 6 einer Einspeisevorrichtung 17 in den zweiten Fermenter 2 eingeleitet. In dem zweiten Fermenter 2 liegen eine zweite Prozesslösung und eine zweite Biozönose aus anaeroben zweiten Mikroorganismen vor. Die Biozönose ist teilweise an den als Pall-Ringe ausgebildeten Füllkörpern an einer Netzstruktur 18 im Innern des zweiten Fermenters 2 immobilisiert. Die Netzstruktur 18 erstreckt sich über den gesamten (horizontalen) Querschnitt des horizontal angeordneten zweiten Fermenters 2.The second process solution with the short-chain fatty acids present therein is introduced into the
Aus der Einspeisevorrichtung 17 in den zweiten Fermenter 2 einströmende zweite Prozesslösung mit den darin vorliegenden kurzkettigen Fettsäuren strömt im Wesentlichen derart über den gesamten Querschnitt der Netzstruktur 18, dass die anaeroben zweiten Mikroorganismen die in der zweiten Prozesslösung vorliegenden kurzkettigen Fettsäuren im Wesentlichen zu Kohlenstoffdioxid und Biomethan abbauen. Eine in dem zweiten Fermenter 2 vorliegende Entnahmevorrichtung 19 ermöglicht den Austritt der zweiten Prozesslösung, des Biomethans und Kohlenstoffdioxids aus dem zweiten Fermenter 2.The second process solution flowing from the
Die Einspeisevorrichtung 17 und die Entnahmevorrichtung 19 sind dabei an entgegengesetzten Seiten der Netzstruktur 18 ausgebildet und weisen jeweils Rohrleitungen mit mehreren Bohrungen auf, um einen gleichmäßigen Prozesslösungsstrom entlang der durcheinen Pfeil schematisch gezeigten Strömungsrichtung 28 über den gesamten Querschnitt der Netzstruktur 18 zu ermöglichen.The
An der Entnahmevorrichtung 19 aus dem zweiten Fermenter 2 austretende Flüssigkeit kann über eine mit einer Pumpe bereitgestellte Rohrleitung 7 und einem Ventil 21 einer Flüssigkeitsentnahme 23 bereitgestellt und an dieser dem Fermentersystem 100 entnommen werden. Alternativ oder zusätzlich kann die austretende Flüssigkeit über eine mit einer Pumpe bereitgestellte Rohrleitung 22 und ein Ventil 20 in die zweite Trenneinheit 14 zurückgeführt werden. Die dem Fermentersystem 100 entnommene Flüssigkeit kann einer in
Der erste und zweite Fermenter 1, 2 sind außerdem mit einem ersten Auslass 12 und einem zweiten Auslass 16 bereitgestellt, um entstehendes (Bio-)Gas einer in
Die Prozessparameter, einschließlich einer gleichbleibenden Temperatur der Prozesslösungen, des pH-Werts in dem ersten und zweiten Fermenter 1, 2, etc. werden von einer nicht gezeigten Steuereinheit derart kontrolliert, dass die beiden Biozönosen und den jeweils optimalen Bedingungen kultiviert werden.The process parameters, including a constant temperature of the process solutions, the pH value in the first and
Die
So kann der
Die
Die
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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