DE19844315A1 - Verfahren und Anordnung zur Ermittlung der anaeroben Abbaubarkeit von organischen Stoffen - Google Patents
Verfahren und Anordnung zur Ermittlung der anaeroben Abbaubarkeit von organischen StoffenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Anordnungen zur Ermittlung der anaeroben Abbaubarkeit von organischen Stoffen. DOLLAR A Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung dienen der Untersuchung von organischen Stoffen auf eine anaerobe Abbaubarkeit und Feststellung der dabei einzustellenden und/oder einzuhaltenden Parameter und Bedingungen für den günstigsten Abbau dieser organischen Stoffe insbesondere in Form von Abwässern, Schlämmen, Gülle oder festem biologischen Müll. Damit ist ein Verfahren und eine Anordnung gegeben, die neben der Verringerung der Müllmengen an organischen Stoffen in Form der Biomasse gleichzeitig ein Optimum an daraus zu gewinnenden Biogasen gewährleisten. Biogas stellt eine erneuerbare Energie dar und wird zunehmend als Energieträger verwendet.
Description
Die Erfindung betrifft Verfahren und Anordnungen zur Ermittlung
der anaeroben Abbaubarkeit von organischen Stoffen.
Anaerober Abbau ist die Bezeichnung für den biologischen Abbau
organischer Stoffe in einfachere Verbindungen unter Ausschluss
von Sauerstoff (anaerobe Bedingungen). Dabei handelt es sich um
Gärprozesse, bei denen die beim Substratabbau auftretenden
Elektronen auf organische Elektronenakzeptoren übertragen wer
den. Der vollständige anaerobe Abbau unter Bildung von Kohlen
dioxid, Methan, Wasserstoff und Wasser erfolgt über mehrere
Abbauschritte und erfordert Mischpopulationen von unterschied
lich spezialisierten Mikroorganismen, die jeweils in komplexer
Abhängigkeit stehen.
Der anaerobe Prozess ist gekennzeichnet durch vier Phasen der
Umwandlung hochmolekularer organischer Verbindungen bis hin zur
Biogasbildung.
- 1. In der Phase der Hydrolyse werden die Makromoleküle (Ei weiss, Fette, Kohlenhydrate u. a.) durch Exoenzyme in gelöste Bruchstücke (Monomere) überführt.
- 2. In der Phase der Versäuerung werden die Endprodukte der 1. Phase zu organischen Säuren (Buttersäure, Propionsäure, Essig säure u. a.) und Alkoholen vergärt. Es entstehen dabei auch Am moniak, Wasserstoff, Kohlendioxid und Biomasse. Von den ausge bildeten Stoffen können methanogene Bakterien nur Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid direkt zu Methan umsetzen.
- 3. In der Phase der Acetogenese werden deshalb die gebildeten organischen Säuren und Alkohole zu Essigsäure umgewandelt. Die dafür verantwortlichen acetogenen Bakterien sind reaktionski netisch eng mit den methanogenen Bakterien verbunden.
- 4. In der Phase der Methanogenese werden insbesondere Acetat, Kohlendioxid und Wasserstoff zu Methan reduziert. Untersuchungsverfahren zur Ermittlung des anaeroben biolo gischen Abbaus stehen noch am Anfang. Folgende Untersuchungs konzepte sind bekannt.
In der Bundesrepublik Deutschland existiert für Untersuchungen
organischer Stoffe eine Vorschrift, die in der DIN 48414 ver
öffentlicht ist. In dieser sind die Vorbereitung des biolo
gischen Materials, die Messdurchführung sowie die Messauswer
tung geregelt.
Bei Stoffen mit bekannter Summenformel kann über die Gleichung
von Buswell die beim anaeroben Abbau maximal mögliche Biogas
menge berechnet werden.
Bei einem Abbauexperiment wird manometrisch oder volumetrisch
die Biogasmenge ermittelt. Ausgehend von Erfahrungswerten
bezüglich der Verteilung des Kohlendioxides und des Methans
zwischen der flüssigen und gasförmigen Phase wird die ermit
telte Biogasmenge korrigiert und mit der nach Buswell be
rechneten verglichen.
Ausgehend vom totalen organischen Kohlenstoffgehalt (TOC) einer
Substanz oder eines Produktes wird für den vollständigen anae
roben biologischen Abbau eine maximal mögliche Molzahl C-1-Gase
(Kohlendioxid, Methan) vorausberechnet. Experimentell wird die
Summe der C-1-Gase in der Gas- und Flüssigkeitsphase ermittelt,
mit der aus dem TOC berechneten verglichen und dadurch die
anaerobe biologische Abbaubarkeit gewonnen.
Einschränkungen für die praktische Nutzbarkeit obiger Verfahren
ergeben sich durch die meist fehlende Summenformel des zu tes
tenden Materials und die Kompliziertheit der Tests.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass es einige Vorschläge
gibt, den anaeroben Abbau organischer Verbindungen zu unter
suchen. Bei diesen Verfahren wird die Entwicklung der Biogas
produktion zur Kennzeichnung des Abbauverlaufes herangezogen.
Das ist aber eine willkürliche Festlegung, da bei eintretender
Biogasbildung die vorgeschalteten Abbauprozesse (Hydrolyse,
Säurebildung und Acetatbildung) schon abgelaufen sind oder
stattfinden.
Der in den Patentansprüchen 1 und 3 angegebenen Erfindung liegt
das Problem zugrunde, sowohl organische Stoffe auf ihre
anaerobe Abbaubarkeit zu prüfen als auch organische Stoffe
ökonomisch vorteilhaft zu entsorgen.
Dieses Problem wird mit den in den Patentansprüchen 1 und 3
aufgeführten Merkmalen gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße An
ordnung dienen der Untersuchung von organischen Stoffen auf
eine anaerobe Abbaubarkeit und Feststellung der dabei einzu
stellenden und/oder einzuhaltenen Parameter und Bedingungen für
den günstigsten Abbau dieser organischen Stoffe insbesondere in
Form von Abwässern, Schlämmen, Gülle oder festem biologischen
Müll. Damit ist ein Verfahren und eine Anordnung gegeben, die
neben der Verringerung der Müllmengen an organischen Stoffen in
Form der Biomasse gleichzeitig ein Optimum an daraus zu gewin
nenden Biogase gewährleisten. Biogas stellt eine erneuerbare
Energie dar und wird zunehmend als Energieträger verwendet.
Das Verfahren berücksichtigt besonders den pH-Wert, das Redox
potential und die Temperatur. Diese liefern Hinweise über die
Elektronenaktivität während der Stoffwechselprozesse, welche
innerhalb bestimmter Ökosysteme stattfinden. Die Messung dieser
Parameter hat insbesondere bei der Untersuchung anaerober Ab
bauprozesse eine grosse Bedeutung, weil bestimmte Abbaustufen
in direktem Zusammenhang mit der Elektronenübertragung in ver
schiedenen Oxidations- und Reduktionsstufen stehen. Optimale
Bedingungen führen zu einer hohen Methangasbildung. Weiterhin
liefern die Werte Aussagen darüber, ob Anhäufungen bestimmter
Stoffe verschiedener Reaktionsstufen vorhanden sind, so dass
gezielte Gegenmassnahmen ergreifbar sind.
Die Ermittlung von Parametern für den anaeroben Abbau von orga
nischen Stoffen führt zu einer einfachen Möglichkeit, Bioreak
toren optimal auf bestimmte organische Abfallstoffe insbeson
dere von Abwässern, Schlämmen, Gülle oder festem, biologischem
Müll auszulegen. Dabei werden die der Biogasbildung vorgeschal
teten Schritte mit einbezogen, so dass genauere Aussagen über
die Vergärbarkeit organischer Stoffe getroffen werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patent
ansprüchen 2 und 4 bis 8 angegeben.
Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach der
Weiterbildung des Patentanspruchs 2 führt vorteilhafterweise
dazu, dass mit der Bestimmung eines Schwellwertes ein Optimum
an Biogas aus der vorliegenden und zu wandelnden Biomasse mit
einem Minimum an Zeit gewonnen wird. Damit sind Anordnungen für
einen anaeroben Abbau von organischen Stoffen im Hinblick auf
die Erzielung zum einen einer geringen Menge an endzulagernde
Biomasse und zum anderen einer grossen Menge an Biogas optimal
auslegbar.
Über Steuer- und/oder Auswertevorrichtungen nach der Weiterbil
dung des Patentanspruchs 4 ist der Ablauf der anaeroben Abbau
barkeit von organischen Stoffen leicht zu verfolgen. Auf Stö
rungen während des Abbaus kann schnell reagiert werden, so dass
optimale Abbaubedingungen eingehalten werden können.
Das geschlossene und thermostabile Gefäss ist nach der Weiter
bildung des Patentanspruchs 5 so ausgelegt, dass mindestens
einer der Verfahrensschritte der Hydrolyse, der Versäuerung,
der Acetogenese und der Methanogenese durchgeführt werden kann.
Die Weiterbildung nach Patentanspruch 6 ermöglicht eine sichere
Messwertbildung, so dass weitestgehend ein gegenseitiger Ein
fluss benachbarter Einrichtungen ausgeschlossen wird.
Die verschliessbare Öffnung im geschlossenen und thermostabilen
Gefäss nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 ist für
eine Beschickung und Entleerung der organischen Stoffe in Form
der Biomasse unabdingbar.
Mehrere geschlossene Gefässe nach der Weiterbildung des Patent
anspruchs 8, die jeweils über eine die organischen Stoffe
transportierende Vorrichtung und über Gasleitungen miteinander
verbunden sind, eignen sich insbesondere für die Durchführung
von mehrstufigen Verfahren des anaeroben Abbaus von organischen
Stoffen. Das ist unter anderem beim Abbau von kohlenhydrat
haltigen Stoffen besonders vorteilhaft, wobei im ersten Gefäss
die erste Stufe in Form der Hydrolyse und der Versäuerung und
im zweiten die zweite Stufe in Form der Acetogenese und der
Methanogenese erfolgt. Beide Stufen verlaufen vorteilhaft bei
unterschiedlichen pH-Werten, so dass der Abbauprozess auf diese
Bedingungen optimal eingestellt werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden näher
beschrieben.
Im ersten Ausführungsbeispiel wird ein Verfahren zur Ermittlung
der anaeroben Abbaubarkeit von organischen Stoffen dargelegt.
Die organischen Stoffe als Biomasse werden in einem geschlos
senen und thermostabilen Gefäss eingefüllt und der anaerobe
Abbau gestartet. Dazu wird den organischen Stoffen mindestens
eine bekannte Mineralsalzlösung zugegeben. Danach läuft im
abgeschlossenen und thermostabilen Gefäss mindestens einer der
Verfahrensschritte der Hydrolyse, der Versäuerung, der Acetoge
nese, der Methanogenese oder eine aufeinanderfolgende Kombi
nation mindestens zweier der Verfahrensschritte ab.
Dabei werden die organischen Stoffe unter den anaeroben Bedin
gungen über mehrere Stufen zunächst zu kurzkettigen, organischen
Säuren, Kohlendioxid und Wasserstoff und danach zu Methan und
Kohlendioxid reduziert.
Der Abbau der organischen Stoffe bis zum Methan erfolgt in vier
Schritten:
- - Hydrolyse - Überführung der Makromoleküle in gelöste Bruch stücke als Monomere,
- - Versäuerung - Vergärung zu organischen Säuren (z. B. Butter säure, Propionsäure, Essigsäure) und Alkoholen, wobei auch Ammoniak, Wasserstoff, Kohlendioxid und Biomasse entstehen,
- - Acetogenese - Umbildung der organischen Säuren und Alkohole zu Essigsäure und
- - Methanogenese - Reduzierung vornehmlich von Acetat, Kohlen dioxid und Wasserstoff zu Methan.
Das Endprodukt dieses Prozesses ist Biogas, welches sich haupt
sächlich aus Methan und Kohlendioxid zusammensetzt.
Während des anaeroben Abbaus der organischen Stoffe in dem ge
schlossenen und thermostabilen Gefäss werden sowohl die Zeit,
der pH-Wert, das Redoxpotential und die Temperatur der orga
nischen Stoffe als auch der Gasdruck im geschlossenen und
thermostabilen Gefäss ständig gemessen und ausgewertet. Dabei
werden sich während der Durchführung des Verfahrens ergebende
Änderungen vor allem des pH-Wertes, des Redoxpotentials und bei
sinkendem Gasdruck so gezielt beeinflusst, dass der pH-Wert und
das Redoxpotential annährend konstant bleiben.
Dadurch ist es möglich, die optimalen Parameter während des
anaeroben Abbaus von organischen Stoffen zu ermitteln und diese
für die Realisierung von Anlagen anzuwenden.
Die Anordnung zur Messung der anaeroben Abbaubarkeit von orga
nischen insbesondere von eiweisshaltigen und fetthaltigen
Stoffen mit den aufeinanderfolgenden Schritten:
- - Hydrolyse,
- - Versäuerung,
- - Acetogenese und
- - Methanogenese besteht in einem zweiten Ausführungsbeispiel aus einem geschlossenen und thermostabilen Gefäss, in dessen Innenraum eine Einrichtung zur Druckmessung angeordnet ist und in dem sich mit den organischen Stoffen in Verbindung stehende Einrichtungen zur Messung des pH-Wertes, des Redoxpotentials und der Temperatur befinden. Die Einrichtungen zur Druckmes sung, zur Messung des pH-Wertes, des Redoxpotentials und der Temperatur sind mit einer Steuer- und/oder Auswertevorrichtung in Form eines Computers verbunden.
Die Einrichtung zur Druckmessung ist ein Gasdrucksensor, der im
Innenraum des geschlossenen und thermostabilen Gefässes so
angeordnet ist, dass dieser mit den organischen Stoffen nicht
in Berührung kommt. Damit wird der entstehende Biogasdruck im
Innern des Gefässes gemessen.
Die Einrichtungen zur Messung des pH-Wertes in Form einer
pH-Wert-Messelektrode, des Redoxpotentials und der Temperatur in
Form eines Thermometers sind dabei mit einem Abstand derart
zueinander angeordnet, so dass diese sich gegenseitig nicht
beeinflussen. Sie sind vorteilhafterweise an einem Deckel eines
Stutzens des geschlossenen und thermostabilen Gefässes so
befestigt, dass die elektrischen Anschlüsse luftdicht durch
diesen Deckel geführt werden.
Weiterhin besitzt das geschlossene und thermostabile Gefäss
mindestens eine verschliessbare Öffnung, die zum Einfüllen oder
der Entnahme der organischen Stoffe dient.
Im Computer werden die ermittelten Messwerte gespeichert und
verarbeitet. Dabei wird der pH-Wert und das Redoxpotential
während des Abbaus der organischen Stoffe so beeinflusst, dass
über einen maximalen Zeitraum ein maximaler Gasdruck vorhanden
ist.
Die Anordnung zur Messung der anaeroben Abbaubarkeit von orga
nischen insbesondere von kohlenstoffhaltigen Stoffen mit den
aufeinanderfolgenden Schritten:
- - Hydrolyse,
- - Versäuerung,
- - Acetogenese und
- - Methanogenese besteht in einem dritten Ausführungsbeispiel aus zwei geschlossenen und thermostabilen Gefässen. Der Aufbau jeden geschlossenen und thermostabilen Gefässes entspricht dem des zweiten Ausführungsbeispiels.
Alle Einrichtungen zur Messung der pH-Werte, der Redoxpoten
tiale, der Temperaturen und der Gasdrücke sind mit einer
Steuer- und/oder Auswertevorrichtung in Form eines Computers
verbunden.
Die geschlossenen und thermostabilen Gefässe sind über eine die
organischen Stoffe von einem geschlossenen und thermostabilen
Gefäss zum anderen transportierenden Vorrichtung verbunden.
Dabei sind die geschlossenen Gefässe sowohl direkt nebeneinan
der als auch entfernt voneinander plazierbar.
Im ersten geschlossenen und thermostabilen Gefäss erfolgt die
Hydrolyse und die Versäuerung und im zweiten die Acetogenese
und die Methanogenese der organischen Stoffe.
Die Gasleitungen der beiden geschlossenen und thermostabilen
Gefässe sind zweckmässigerweise mit einem Gassammler verbunden.
Die Anordnungen des zweiten und dritten Ausführungsbeispiels
dienen insbesondere auch zur Durchführung des Verfahrens des
ersten Ausführungsbeispiels.
Claims (8)
1. Verfahren zur Ermittlung der anaeroben Abbaubarkeit von
organischen Stoffen, dadurch gekennzeichnet, dass in einer sich
in einem geschlossenen und thermostabilen Gefäss befindenden
Menge organischen Stoffes mindestens einer der Verfahrens
schritte der Hydrolyse, der Versäuerung, der Acetogenese, der
Methanogenese oder eine aufeinanderfolgende Kombination
mindestens zweier der Verfahrensschritte gestartet wird und
abläuft und dass während des anaeroben Abbaus sowohl die Zeit,
der pH-Wert, das Redoxpotential und die Temperatur der
organischen Stoffe als auch der Gasdruck im geschlossenen und
thermostabilen Gefäss gemessen werden.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass der pH-Wert, das Redoxpotential und die Temperatur während
der Hydrolyse, Versäuerung, Acetogenese oder Methanogenese
jeweils bis der Gasdruck einen Schwellwert unterschreitet
konstant oder annährend konstant gehalten werden.
3. Anordnung zur Messung der anaeroben Abbaubarkeit von orga
nischen Stoffen insbesondere nach Patentanspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass im Innenraum eines geschlossenen und
thermostabilen Gefässes eine Einrichtung zur Druckmessung
angeordnet ist und dass Einrichtungen zur Messung des pH-Wer
tes, des Redoxpotentials und der Temperatur mit den sich im
Innenraum des geschlossenen und thermostabilen Gefässes
befindenden organischen Stoffen in Verbindung stehen.
4. Anordnung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Einrichtungen mit einer Steuer- und/oder Auswerte
vorrichtung verbunden sind.
5. Anordnung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass das geschlossene und thermostabile Gefäss zur Durchführung
entsprechend der Bedingungen für mindestens eine der
Verfahrensschritte der Hydrolyse, der Versäuerung, der
Acetogenese und der Methanogenese ausgelegt ist.
6. Anordnung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass die Einrichtungen zur Messung des pH-Wertes, des
Redoxpotentials und der Temperatur mit einem sich gegenseitig
nicht beeinflussenden Abstand zueinander so angeordnet sind.
7. Anordnung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass das geschlossene und thermostabile Gefäss mindestens eine
verschliessbare Öffnung besitzt.
8. Anordnung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere geschlossene und thermostabile Gefässe jeweils
über eine die organischen Stoffe transportierende Vorrichtung
verbunden sind und dass die Gasleitungen separat zu einem
Gassammler geführt sind.
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|---|---|---|---|
| DE1998144315 DE19844315C2 (de) | 1998-09-28 | 1998-09-28 | Verfahren und Anordnung zur Ermittlung der anaeroben Abbaubarkeit von organischen Stoffen |
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| DE19844315A1 true DE19844315A1 (de) | 2000-04-06 |
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|---|---|
| DE (1) | DE19844315C2 (de) |
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- 1998-09-28 DE DE1998144315 patent/DE19844315C2/de not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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