DE3529461A1 - Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von biogas - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung
von Biogas durch anaerobe Vergärung der bei der Herstellung
von Tapioka aus Cassave-Wurzelknollen anfallenden Abfall
masse.
Die Wurzelknollen des Cassave-Strauches stellen in den
Tropenländern die wichtigste Stärkequelle dar. Die Wurzel
knollen werden dazu geschält, anschließend zerschnitten
oder zerstampft, um dann die Stärkekörner herauszulösen,
die als Tapioka in den Handel kommen. Die industrielle
Aufbereitung der Cassave-Wurzelknollen erfordert deshalb
einen hohen Energieaufwand. Auch sind die bei der Aufberei
tung anfallenden Abfallmengen erheblich. Sie betragen bei
einer durchschnittlichen Anlage z. B. 30 m³ am Tag. Diese
Abfälle werden derzeit ungenutzt z. B. in Flüsse oder in
das Meer geleitet. Sie führen damit zu einer erheblichen
Umweltbelastung.
Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen angegeben ist,
liegt die Aufgabe zugrunde, für diese Abfälle eine
umweltfreundliche Nutzungsmöglichkeit anzugeben.
Nach der Erfindung werden die Cassave-Abfälle also zur
Energieerzeugung herangezogen, und zwar durch ihre anaerobe
Vergärung zu Biogas, also einem hauptsächlich aus Methan
bestehenden und daher als Energieträger geeigneten Gas.
Es hat sich nämlich herausgestellt, daß die Casave-Abfälle
noch erhebliche Mengen an Stärke enthalten. So haben
Analysen ergeben, daß diese Abfälle zu ca. 90 Gew.-% aus
Stärke und anderen Kohlehydraten bestehen, während sich der
Rest hauptsächlich aus Faserstoffen und Mineralstoffen
zusammensetzt. Dieser hohe Stärkegehalt läßt diese Abfälle
an sich als zur Herstellung von Biogas äußerst geeignete
Biomasse erscheinen. Eine anaerobe Vergärung dieser Abfälle
zu Biogas ist jedoch mit den herkömmlichen Methoden nicht
durchführbar.
Es hat sich aber gezeigt, daß sich die anaerobe Vergärung
dann durchführen läßt, wenn die Cassave-Abfallmasse zuvor
angesäuert worden ist. Wie festgestellt wurde, enthalten
die Cassave-Abfälle nämlich cyanidhaltige Verbindungen,
beispielsweise pro kg Abfallmasse 100 mg derartiger
cyanidhaltiger Verbindungen, bezogen auf das Gewicht der
Cyanidgruppe. Diese Verbindungen dürften die Ursache dafür
sein, daß bei den herkömmlichen Biogasanlagen der Gärpro
zess bei den Cassave-Abfällen zum Erliegen kommt, und zwar
durch Vergiftung der durch das Biogas bildenden Mikroorga
nismen durch die cyanidhaltigen Verbindungen.
Durch das Ansäuern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird aus diesen cyanidgruppenhaltigen Verbindungen das
Cyanid jedoch offenbar freigesetzt, das dann aus der sauren
Abfallmasse als Cyanwasserstoffgas entweicht. Auf diese
Weise kommen die Biogas bildenden Mikroorganismen mit den
cyanidgruppenhaltigen Verbindungen nicht mehr in Berührung,
so daß ein Inhibierung dieser Mikroorganismen vermieden
wird.
Die Cassave-Abfallmasse wird dabei bevorzugt auf einen
pH-Wert von 1 bis 4 angesäuert. Das heißt, obgleich Cyanwasser
stoff sich theoretisch schon bei einem pH-Wert von 6
austreiben läßt, wird in der Praxis eine höhere Wasser
stoffionenkonzentration, also ein pH-Wert von mindestens 4
gewählt, um den Vorgang zu beschleunigen. Ein pH-Wert von
weniger als 1 ist demgegenüber wegen der großen zuzusetzen
den Säuremenge und der anschließenden zur Neutralisation
der Säure zuzugebenden großen Basemenge nachteilig.
Als Säure zum Aufschließen der cyanidgruppenhaltigen
Verbindungen und zum Austreiben der Cyanwasserstoffsäure
kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren praktisch jede
Säure verwendet werden. Jedoch werden Mineralsäuren bevor
zugt, da der gewünschte pH-Wert mit einer relativ geringen
Säuremenge erhalten werden kann. Aus Kostengründen wird
dabei Chlorwasserstoffsäure bevorzugt, während Schwefelsäu
re weniger geeignet ist, weil die damit in die Abfallmasse
eingeführten Sulfationen im Bioreaktor zu Schwefelwasser
stoff reduziert werden können, der giftig ist und zur
Korrosion der Stahlteile der Biogasanlage führt.
Der Säureaufschluß der Abfallmasse und das Austreiben des
Cyanwasserstoffs aus derselben erfolgt vorzugsweise unter
Umwälzen der Masse und bei erhöhter Temperatur von
beispielsweise 30 bis 60°C.
Die Reaktionszeit zum Aufschließen der Masse und zum
Austreiben des Cyanwasserstoffs hängt von mehreren Faktoren
ab, insbesondere von dem zum Ansäuern verwendeten pH-Wert,
der Umwälzgeschwindigkeit und der Temperatur der angesäuer
ten Masse sowie von der Menge der cyanidgruppenhaltigen
Verbindungen in der Masse, wobei diese Menge von der
jeweiligen Cassave-Sorte, vom Klima, von der Bodenbeschaf
fenheit und dergleichen abhängig ist. Der giftige Cyanwas
serstoff, der aus der Abfallmasse als Gas entweicht, wird
vorzugsweise gebunden, und zwar zweckmäßig mit einer Base,
z. B. nach einem Naßverfahren durch Waschen der Abgase mit
einer Lauge, beispielsweise Calciumhydroxid.
Da bei dem in der Praxis angewendeten pH-Wert von 4 oder
weniger die Biogas bildenden Mikroorganismen inhibiert
werden, ist es erforderlich, die Säure vor der Vergärung
der Masse wieder so weitgehend zu neutralisieren, daß ein
für die Biogas bildenden Mikroorganismen
zulässiger pH-Wert vorliegt, d. h. ein pH-Wert, bei dem ein
ausreichendes Wachstum der Mikroorganismen und damit eine
hohe Vergärungsrate gewährleistet ist.
Als Base zur Neutralisation der angesäuerten Masse kann
praktisch jede Base verwendet werden. Aus Kostengründen
werden jedoch Calciumhydroxid, Natronlauge oder Soda
bevorzugt. Anstelle oder zusätzlich zu diesen Basen ist es
von Vorteil, eine stickstoffhaltige Base zu verwenden. Da,
wie erwähnt, die Cassave-Abfallmasse nämlich fast aus
schließlich aus Kohlehydraten, also praktisch keinen
Proteinen besteht, andererseits für das Wachstum der
Mikroorganismen ein bestimmtes C/N-Verhältnis unerläßlich
ist, wird auf diese Weise der zu vergärenden Masse der
erforderliche Stickstoff zugeführt. Als stickstoffhaltige
Basen kommen dabei insbesondere Ammoniak, Ammoniumsalze,
wie Ammoniumcarbonat, oder Amine in Frage. Um eine schnelle
und vollständige Neutralisation zu erreichen, wird dabei
die Masse vorzugsweise umgewälzt.
Die Vergärung der so neutralisierten Abfallmasse kann dann
nach herkömmlicher Prozessführung in einem herkömmlichen
Bioreaktor erfolgen, z. B. nach einem Verfahren bzw. in
einem Bioreaktor, wie er in der DE-PS 31 02 739 beschrieben
ist.
Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnene Biogas
kann zur Energieerzeugung herangezogen werden, und zwar
bevorzugt zum Betrieb der Anlagen, die zur Aufbereitung der
Cassave-Wurzelknollen zu Tapioka erforderlich sind.
Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand
der ein Fließschema wiedergebenden Zeichnung beschrieben.
Danach ist einem Vergärungsraum 1 in Form eines Bioreaktors
eine Einrichtung 2 zur Zufuhr einer Säure vorgeschaltet,
und zwischen der Säurezufuhreinrichtung 2 und dem Vergä
rungsraum 1 eine Einrichtung 3 zur Zufuhr einer Base
angeordnet.
Die bei der Herstellung von Tapioka aus Cassave-Wurzel
knollen anfallende Abfallmasse wird dabei über eine Leitung
4 in die als Reaktor ausgebildete Einrichtung 2 eingetra
gen. Der Reaktor 2 ist mit einer Umwälzeinrichtung 5 und
einer Heizung versehen. Über eine Leitung 6 wird ihm eine
Mineralsäure, z. B. Salzsäure, zugeführt, wobei die
Säurezufuhr durch ein pH-Wert-Meßgerät 7 im Reaktor 2
gesteuert wird.
Der durch den Säureaufschluß aus der Cassave-Abfallmasse
vertriebene Cyan-Wasserstoff geht über eine Leitung 8 aus
dem Reaktor 2 ab, welche mit einer Wascheinrichtung 9
versehen ist, in der der Cyanwasserstoff aus dem Abgas
gewaschen wird, das dann ins Freie abgelassen wird.
Die angesäuerte, cyanidfreie Masse wird dann über eine
Leitung 10 der Einrichtung 3 zugeführt, die ebenfalls durch
einen Reaktor gebildet wird. Der Reaktor 3 ist mit einer
Umwälzeinrichtung 11 versehen. Über eine Leitung 12 wird
dem Reaktor 3 eine Base, z. B. eine Lösung aus Soda und
Ammoniumcarbonat zugeführt, wobei die Menge der zugeführten
Base durch ein pH-Wert-Meßgerät 13 im Reaktor 3 geregelt
wird. Der Istwert der Neutralisation entspricht dabei einem
pH-Wert, bei dem bei hoher Biogasbildungsrate ein zuverläs
siger Betrieb des Bioreaktors 1 gewährleistet ist. Eine
Leitung 14 dient zur Entlüftung des Reaktors 3, z. B. zur
Entfernung des bei der Neutralisation aus Soda und
Ammoniumcarbonat freigesetzten Kohlendioxids.
Von dem Reaktor 3 wird die Masse übereine Leitung 15 dem
Bioreaktor 1 zugeführt, der irgendein herkömmlicher Bio
reaktor sein kann, z. B. ein Bioreaktor, wie er in der
DE-PS 31 02 739 beschrieben ist. Aus dem Bioreaktor 1 wird
über eine Leitung 16 das Biogas und über eine Leitung 17
der nicht abbaubare Rest der Abfallmasse ausgetragen. Das
Biogas kann dann z. B. zum Betrieb eines Stromgenerators
herangezogen werden.
Das Ansäuern und Neutralisieren in den Reaktoren 2 und 3
kann absatzweise durchgeführt werden. Es ist jedoch auch
eine kontinuierliche Betriebsweise möglich. Auch kann nur
ein Reaktor anstelle der beiden Reaktoren 2 und 3
vorgesehen sein, indem nacheinander angesäuert und an
schließend neutralisiert wird. Ebenso ist es möglich, einen
Vorratsbehälter mit neutralisierter, zur Vergärung geeigne
ter Masse zwischen der Neutralisationseinrichtung 3 und dem
Bioreaktor 1 anzuordnen, um den Bioreaktor problemlos
kontinuierlich betreiben zu können.
Claims (8)
1. Verfahren zur Gewinnung von Biogas durch anaerobe
Vergärung der bei der Herstellung von Tapioka aus
Cassave-Wurzelknollen anfallenden Abfallmasse, dadurch
gekennzeichnet, daß die Abfallmasse vor der Vergä
rung angesäuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß die angesäuerte Abfallmasse vor ihrer Vergärung
durch Neutralisation auf einen für die Biogas bildenden
Mikroorganismen zulässigen pH-Wert eingestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Neutralisation eine stickstoffhaltige Base verwendet
wird.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die aus der angesäuerten Abfallmasse
entweichenden Gase einer Reinigung mit einer Base
unterworfen werden.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine
dem Vergärungsraum (1) vorgeschaltete Einrichtung (2)
zur Zufuhr einer Säure zu der zu vergärenden Abfall
masse.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine
dem Vergärungsraum (1) vorgeschaltete Einrichtung (3)
zur Zufuhr einer solchen Menge einer Base zu der
angesäuerten Abfallmasse, daß ein für die Biogas
bildenden Mikroorganismen zulässiger pH-Wert eingestellt
wird.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (9) zur Reinigung der aus der angesäu
erten Abfallmasse entweichenden Gase.
8. Verwendung des nach dem Verfahren gemäß einem der
Ansprüche 1 bis 4 gewonnenen Biogases zur Erzeugung der
für die Herstellung von Tapioka aus Cassave-Wurzel
knollen erforderlichen Energie.
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