EP2257617A1 - Verfahren zur herstellung von biogas - Google Patents

Verfahren zur herstellung von biogas

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EP2257617A1
EP2257617A1 EP09724872A EP09724872A EP2257617A1 EP 2257617 A1 EP2257617 A1 EP 2257617A1 EP 09724872 A EP09724872 A EP 09724872A EP 09724872 A EP09724872 A EP 09724872A EP 2257617 A1 EP2257617 A1 EP 2257617A1
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EP
European Patent Office
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container
fermentation
fermentation mixture
sprayed
biogas
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09724872A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Kromus
Wilhelmus Antonius Henricus Smeets
Markus Grasmug
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ENBASYS GmbH
Original Assignee
ENBASYS GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Publication of EP2257617A1 publication Critical patent/EP2257617A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M27/00—Means for mixing, agitating or circulating fluids in the vessel
    • C12M27/02—Stirrer or mobile mixing elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12P—FERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
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    • C12P5/023—Methane
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the present invention relates to a method and a fermenter for the production of biogas.
  • Biogas can be obtained by anaerobic digestion of organic substrates, which can come from agriculture, community and industry.
  • the organic fraction, which is converted into biogas (such as methane and carbon dioxide), is referred to in the anaerobic technique as degradable COD (Chemical Oxygen Demand).
  • anaerobic reactor a large range of organic material can be treated. Due to the composition of the material used, different chemical and physical properties occur during the fermentation process. On the one hand, heavy substances in the substrate used can lead to sinking film formation, on the other hand by suspended solids, as well as oil-containing substances, for enrichment of these substances on the surface. These properties often make it difficult for the bacteria strains responsible for anaerobic digestion to contact the organic material.
  • thermophilic In anaerobic digestion three temperature optima are defined for microorganisms: psychrophilic (4 - 15 ° C), mesophilic (20 - 40 ° C) and thermophilic (45 - 70 0 C). The temperature optima are significantly different from the relative growth rates of the microorganisms responsible for anaerobic digestion.
  • thermophilic mode of operation is much more prevalent compared to thermophilic anaerobic technology. The reasons are lower energy costs and greater stability of the process. In numerous studies on the thermophilic mode of operation higher biochemical reaction rate, a higher growth rate of microorganisms and a shorter hydraulic residence time were determined. In contrast, however, at higher temperatures greater sensitivity to inhibitors such as organic acids, ammonia and hydrogen sulfide, also a greater amount of energy to maintain the higher temperature is necessary.
  • reactor systems For substrates with a low COD concentration ( ⁇ 25 g O 2 / l fresh substance), reactor systems were developed, such as UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), EGSB (Expanded Granular Sludge Blanket), IC (Internal Circulation), which are available for COD - Highly concentrated substrate streams with a high particle content and a high oil and fat content are not suitable.
  • UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket
  • EGSB Expanded Granular Sludge Blanket
  • IC Internal Circulation
  • CSTR completely stirred tank reactor
  • PFTR dry fermentation systems plug-flow-tank reactor
  • EP 1 065 268 describes fermentation tanks with agitators.
  • fermentation liquid is sprayed onto a trickle bed or fermentation liquid above the trickle bed and then passed over the trickle bed.
  • either fermentation liquid is pumped from the outside directly into the fermentation liquid in the fermenter, or sprayed from the side to the surface and in CN 1,600,749 described to spray fermentation liquid circularly in the fermentation tank.
  • fermenters with a small surface area for example egg-shaped fermenters, are used, which are mainly used in the anaerobic treatment of sewage sludge from aerobic wastewater treatment.
  • numerous fermenter systems are used which are covered with a foil. Due to the large diameter agitator can be very difficult to optimally positioned.
  • the fermenter must be emptied and the process can not be continued, so that such systems can not be used in industrial applications in which residues are continuously produced.
  • the present invention provides - A process for the fermentative production of biogas from organic substrate
  • a process for the improved conversion of oils and fats in organic substrates in the fermentative production of biogas which is characterized in that in a container a fermentation mixture comprising water, organic substrate and microorganisms, with an agitator axially in the container is attached, for example, continuously or discontinuously, stirred, and that fermentation mixture, for. B. from the lower half, as passed from the lower third of the container, via an external line in a loop with several spray nozzles and is sprayed over the surface of the fermentation, for example continuously or discontinuously, in the container.
  • the fermentation mixture which is sprayed over the surface is preferably from that container in which the fermentation is carried out, but may also be supplied from another fermenter.
  • the fermentation mixture comes from the lower half of a fermenter, more preferably from the lower third, z. B. from that container in which the fermentation is carried out.
  • FIG. 1 shows schematically a fermenter 1 having an inlet device 2 with inlet opening 2a and inlet line 2b, outlet devices 3, 4 with outlet openings 3a, 4a and outlet lines 3b, 4b. , an externally guided pipe (5), a pump (6), a ring pipe (7) with outlet openings (8), an axial agitator (9), a device (10) for controlling the temperature of the fermentation mixture and a device (11) for removing gas.
  • the present invention provides a container (1) for the fermentative production of biogas from organic substrates, comprising an axial agitator (9), e.g. B. comprising a drive device (9 a), z.
  • an axial agitator (9) e.g. B. comprising a drive device (9 a), z.
  • one or more inlet devices (2) for infesting the container (1) preferably just above the bottom (12) of the container (1) is or are, one or more outlet devices (3, 4) for emptying the container (1) and for withdrawing a fermentation residue, such as an outlet device (3), the just over the bottom (12) of the container (1), and a further outlet device (4), which are mounted in the upper third of the container (1), an external line (5), wherein the inlet (5a) in the external line ( 5) is preferably located in the lower half of the container (1), for supplying fermentation mixture in a ring line (7) with a plurality Auslassöfmieux (8), for example, which are provided with spray nozzles and optionally baffle
  • the nature of the organic substrate is not important.
  • the organic substrate may optionally be pressed organic waste, e.g. from waste collection, residues from the food processing industry, and / or other commercial, organic residues.
  • the degradation of the organic substrate is carried out according to the present invention by fermentation, that is in the presence of microorganisms, such as bacteria that can degrade organic material to biogas, such as methane or CO 2 .
  • microorganisms such as bacteria that can degrade organic material to biogas, such as methane or CO 2 .
  • bacteria are preferably mesophilic or thermophilic bacteria, or mixtures thereof.
  • the process of the present invention is preferably an anaerobic process.
  • a container in a process according to the present invention is a fermenter (reactor), preferably a container (1).
  • a ring line (7) comprises a line which is arranged above the surface of the fermentation mixture which is located in the container in such a way that with the aid of the spray nozzles at the outlet openings (8) as far as possible the entire surface (14) of the fermentation mixture in the container (l ) can be sprayed with more Fermentiermischung.
  • the ring line (7) preferably runs essentially parallel to the surface (14). the fermentation mixture.
  • the shape of the ring line (7) is not crucial, but the ring line (7) should have a shape that does not hinder the throughput of the fermentation, for example, a rounded shape, eg. B. circular or oval, or an angular shape, for example, with 6 or more corners.
  • Several spray nozzles comprise at least 2 spray nozzles, preferably more than 2 spray nozzles, more preferably so many spray nozzles that the entire surface (14) of the fermentation mixture can be uniformly sprayed, if possible.It has been found, for example, that with a fermenter with a capacity of 3000 m 3 with 6 spray nozzles, mounted on a hexagonal loop, can achieve excellent results.
  • a baffle plate or a baffle plate such as a baffle plate or a baffle plate as it is used in agricultural slurry application, passed, from which the fermentation mixture on the surface (14) of the fermentation mixture is sprayed.
  • the baffle device (13) With the aid of the baffle device (13), a particularly good distribution of the sprayed-on fermentation mixture over the entire surface (14) of the fermentation mixture in the container (1) is achieved.
  • fermentation mixture is sprayed onto the surface (14) of the fermentation mixture in the direction of rotation of the stirring device (9).
  • the spray nozzles on the Auslassöffiiungen (8) can be adjusted, z. B. adjustable in all directions, or rigidly attached to the ring line (7).
  • the spray nozzles are rigidly attached to the outlet ports (8) and adjustably mounted in another embodiment.
  • the spraying of the fermentation mixture onto the surface (14) of the fermentation mixture in the container (1) takes place continuously or discontinuously, for example discontinuously, as soon as possible Foaming occurs, or continuously, for example, in cases where strong and continuous foaming occurs and / or in cases where the organic substrate contains oil or fatty substances that float on the surface (14) of the fermentation mixture in the container (1).
  • a better and faster conversion of the substrate can be achieved by spraying, since the sprayed fermentation mixture with the oil or fatty substances on the surface (14) continuously comes into contact and their degradation can be facilitated and accelerated.
  • a container (1) contains a device (10) with which the temperature of the fermentation mixture can be regulated.
  • the fermentation is preferably carried out in a temperature range lying between the mesophilic and the thermophilic fermentation region, e.g. B. in a temperature range of 30 ° C to 60 0 C, such as 40 ° C to 50 0 C.
  • a method for producing biogas is carried out in a particularly preferred embodiment according to the present invention as follows, reference being made to FIG. 1:
  • the supply of the aqueous, organic substrate takes place from below through a distribution system (2) lying just below the bottom, in order to introduce the substrate substantially uniformly over the container cross-section into the container (1).
  • fermentation mixture from the lower third of the container (1) is introduced via an externally guided pipeline (5) into a ring line (7) mounted above the surface (14) of the fermentation mixture by means of a pump (6) and through the spray nozzles to the Outlet openings, which preferably represent simple lines without constrictions at the outlet, preferably via an impact device (13), sprayed over the surface (14) of the fermentation mixture in the container (1).
  • the spraying takes place in the direction of rotation of the axial agitator (9).
  • the spray nozzles at the outlet openings (8), and the baffles (13) are adjusted so that the sprayed fermentation mixture impinges obliquely on the surface (14) of the fermentation mixture in the container (1) in order to cover as far as possible the liquid surface in the reactor.
  • the fermentation mixture in the container (1) is additionally mixed with the help of the axial agitator (9), if necessary, for example, at high foaming tendency or high oil or Fetthalgehalt of the organic substrate.
  • sludge active sludge, fermentation mixture and microorganisms in which the fermentation is active
  • the substrate degradation in the upper part of the container (1) is particularly enhanced by the fact that concentrated sludge, which is introduced via the externally guided pipe (6) via the ring line (7) in the fermentation mixture in the container (1), during the sinking process to a increased active sludge concentration and thus to a faster substrate degradation in the upper part of the container (1) leads.
  • the sprayed sludge has a low pH, which is adjusted by hydrolytic degradation processes in the lower third of the container (1), and in that the low pH with the foam destruction and the degradation of the floating matter with active biomass.
  • Another parameter in this method is the process temperature, which is adjusted by means of the device for controlling the temperature of the fermentation mixture (10), more preferably at 40 ° C - 50 0 C.
  • a container (1) or in a method provided by the present invention optimal properties (growth rate, carbohydrate, protein and fat degradation) of mesophilic and thermophilic bacteria are utilized.
  • the reactor system can be operated with organic space loads up to 15 [kg COD / m 3 * d].
  • a container (1) is preferably a container according to FIG. 1.
  • An advantage of the process for producing biogas according to the present invention is that it can be used industrially. Another advantage is that the process can be used for small and large fermentation mix volumes, e.g. B. for volumes from 1 m to 7000 m. Another advantage is that the foaming can be reduced or prevented. Another advantage is that the process can be operated at high nitrogen concentration. It has been found, for example, that a process according to the present invention for the production of biogas at a total nitrogen concentration up to 9 g TKN (total Kjeldahl nitrogen / 1 fresh substance) in the organic substrate can be operated without problems.
  • TKN total Kjeldahl nitrogen / 1 fresh substance
  • a daily amount of 150 m 3 of an organic substrate consisting of a mixture of squeezed organic waste originating from the waste collection, residues from the food processing industry and industrial organic residues and water are introduced continuously.
  • the substrate has a dry matter content of 17% and a COD concentration of 260 g O 2 / kg, resulting in an organic space load of 14 [kg COD / m 3 * d].
  • the organic substrate is introduced by a ground-based distribution system about one meter above the fermenter bottom.
  • the biomass concentration in the lower part of the fermenter is higher (sludge bed), whereby the fresh, supplied substrate encounters a high concentration of active biomass.
  • a device (9) for removing gas At the highest point of the fermenter is a device (9) for removing gas.
  • the deduction of the fermentation residue is carried out in the upper third with the aid of the outlet and the outlet pipe (3) and in the lower third with the help of the outlet and the outlet pipe (2) of the fermenter.
  • the biogas productivity is 5.8 m 3 biogas / m 3 fermenter volume * d and the methane content in the biogas from 60% to 65%.
  • the process is operated at a temperature of 40 - 50 0 C.
  • the process is in continuous operation with fermenter systems of 3000 m 3 each and gives excellent results.

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Abstract

Behälter (1) zur fermentativen Herstellung von Biogas aus organischen Substraten, der ein axiales Rührwerk (9), eine oder mehrere Einlassvorrichtungen (2) zum Befüllen des Behälters (1), eine oder mehrere Auslassvorrichtungen (3, 4) zum Entleeren des Behälters (1) und zum Abziehen eines Fermentationsrückstandes, eine externe Leitung (5) zum Zufuhren von Fermentiermischung in eine Ringleitung (7) mit mehreren Auslassöffhungen (8) zum Besprühen der Oberfläche (14) der Fermentiermischung, wobei die aufgesprühte Fermentiermischung gegebenenfalls aus der unteren Hälfte des Behälters (1) stammt, eine Vorrichtung (11) zum Abziehen des erzeugten Biogases und eine Einrichtung (10) zur Temperaturregelung der Fermentiermischung, umfasst; ein Verfahren zur fermentativen Herstellung von Biogas aus organischem Substrat, ein Verfahren zur Unterdrückung der Schaumbildung bei der fermentativen Erzeugung von Biogas, und ein Verfahren zur verbesserten Umsetzung von Ölen und Fetten in organischen Substraten bei der fermentativen Erzeugung von Biogas da in in einem Behälter (1) durchgeführt werden kann.

Description

Verfahren zur Herstellung von Biogas
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Fermenter zur Herstellung von Biogas.
Biogas kann durch anaerobe Vergärung von organischen Substraten, welche aus Landwirtschaft, Kommune und Industrie stammen können, gewonnen werden. Der organische Anteil, welcher in Biogas (wie Methan und Kohlendioxid) umgesetzt wird, wird in der Anaerobtechnik als abbaubarer CSB (Chemischer Sauerstoffbedarf) bezeichnet.
In einem Anaerobreaktor kann eine große Bandbereite an organischem Material behandelt werden. Aufgrund der Zusammensetzung des eingesetzten Materials treten dabei unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften während des Fermentationsprozesses auf. Einerseits kann es durch Schwerstoffe im eingesetzten Substrat zu Sinkschichtbildung, anderseits durch Schwebstoffe, sowie ölhaltige Substanzen, zur Anreicherung dieser Stoffe an der Oberfläche kommen. Durch diese Eigenschaften ist es für die, für den anaeroben Abbau verantwortlichen, Bakterienstämme oft schwierig, mit dem organischem Material in Kontakt zu treten.
Hohe organische Raumbelastungen fuhren dazu häufig zu Schaumbildungen im Fermenter, wodurch die organische Raumbelastung wesentlich limitiert werden kann.
In der anaeroben Vergärung sind drei Temperaturoptima für Mikroorganismen definiert: psychrophil (4 - 15°C), mesophil (20 - 40°C) und thermophil (45 - 700C). Die Temperaturoptima unterscheiden sich wesentlich von den relativen Wachstumsraten der für die anaerobe Vergärung verantwortlichen Mikroorganismen.
Im Allgemeinen ist die mesophile Betriebsweise im Vergleich zur thermophilen in der Anaerobtechnik weitaus häufiger vertreten. Die Gründe sind niedrigere Energiekosten und größere Stabilität des Prozesses. In zahlreichen Untersuchungen über die thermophile Betriebsweise wurden höhere biochemische Reaktionsgeschwindigkeit, eine höhere Wachtumsrate der Mikroorganismen und eine kürzere hydraulische Verweilzeit ermittelt. Demgegenüber besteht aber bei höheren Temperaturen eine größere Empfindlichkeit gegenüber Hemmstoffen wie organischen Säuren, Ammoniak und Schwefelwasserstoff, außerdem ist ein größerer Energiebetrag zur Aufrechterhaltung der höheren Temperatur notwendig.
Für Substrate mit einer geringen CSB-Konzentration (< 25 g O2/l Frischsubstanz) wurden Reaktorsysteme entwickelt, wie z.B. UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), EGSB (expanded Granulär Sludge Blanket), IC (Internal Circulation), welche aber für CSB- hochkonzentrierte Substratströme mit einem hohen Partikelanteil und einem hohen öl- und fetthaltigen Anteil nicht geeignet sind.
Für Materialien, die einen hohen Partikelanteil, hohe CSB-Konzentration und eine hohe Trockensubstanz aufweisen, können auch „completely stirred tank reactor" (CSTR") oder plug-flow-tank reactor (PFTR Trockenfermentationssysteme) angewendet werden, die im Vergleich zu den oben genannten Fermentersystemen mit niederen Raumbelastungen betrieben werden müssen, um für die komplexen zusammengesetzten Substrate einen optimalen anaeroben Abbau garantieren zu können. Durch die geringe mögliche organische Raumbelastung und hohe Konzentration der Substrate ist der Verfahrensprozess in biotechnologischer und mechanischer Hinsicht bei diesen Systemen aber hinsichtlich der Größe limitiert.
In EP 1 065 268 sind Fermentationstanks mit Rührwerk beschrieben.
Bei zahlreichen Anaerobreaktoren treten teilweise nicht durchmischte Bereiche, Strömungstoträume im Fermenter, Kurzschlussströmungen und Schwimmdecken auf. Dies hat zur Folge, dass vorhandene Fermentervolumina oftmals nur unzureichend genutzt werden bzw. unvergorenes Substrat den Fermenter nahezu ohne Abbau verlässt. Weiterhin lassen sich Schwimmdecken und Sedimentschichten oftmals nur mit einem sehr großen Arbeitsaufwand zerstören.
Es sind auch Reaktorsysteme bekannt, bei denen Gas oder auch Flüssigkeit von unterschiedlichen Stellen des Fermenters abgezogen und in andere Teile des Reaktors, z.B. in den Kopfteil des Reaktors, zur besseren Durchmischung überführt wird. Jedoch können Inhaltstoffe (z. B. Proteine, Fette), besonders bei höheren Raumbelastung (> 6 kg CSB/m3*d) massive Schaumbildungen hervorrufen sodass auch diese Systeme keine Kontrolle der unerwünschten Schaumbildung garantieren können.
Gemäß der GB 521,036 oder EP 0057 152 ist vorgesehen, dass Fermentationsflüssigkeit auf ein Rieselbett, oder auf Fermentationsflüssigkeit über dem Rieselbett, aufgespritzt und anschließend über das Rieselbett geführt wird.
Gemäß der DE 103 18 298 wird beispielsweise entweder Fermentierflüssigkeit von außen direkt in die Fermentierflüssigkeit im Fermenter gepumpt, oder von der Seite her auf die Oberfläche gesprüht und in CN 1 600 749 ist beschrieben, Fermentierflüssigkeit zirkulär in den Fermentationstank zu sprühen.
Um Schaumbildungen an der Oberfläche zu vermeiden werden auch Fermenter mit kleiner Oberfläche, beispielsweise eiförmige Fermenter, verwendet, die vor allem in der anaeroben Behandlung von Klärschlamm aus der aeroben Abwasserbehandlung eingesetzt werden. In der landwirtschaftlichen Anaerobtechnologie werden zahlreich Fermentersysteme eingesetzt die mit einer Folie abgedeckt sind. Aufgrund der großen Durchmesser können Rühraggregate nur sehr schwierig optimal positioniert werden. Weiters ist bei einer möglichen Wartung oder Reperatur der mechanischen Mischeinrichtungen der Fermenter zu entleeren und der Prozess ist dadurch nicht weiter zu betreiben, sodass solche Systeme bei industriellen Applikationen, bei denen kontinuierlich Reststoffe anfallen, nicht verwendet werden können.
Es wurde nun überraschend ein Verfahren zur Herstellung von Biogas gefunden, bei dem feststofϊreiche, organische Substrate in hoher Konzentration und einer hohen organischen Raumbelastung kontinuierlich umgesetzt werden können, das bei kleinen und großen Arbeitsvolumen angewendet werden kann, bei dem die Schaumbildung unterdrückt werden kann und das bei öl- oder fettreichen organischen Substraten besonders erfolgreich angewendet werden kann.
In einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung - ein Verfahren zur fermentativen Herstellung von Biogas aus organischem Substrat
- ein Verfahren zur Unterdrückung der Schaumbildung bei der fermentativen Erzeugung von Biogas, oder
- ein Verfahren zur verbesserten Umsetzung von Ölen und Fetten in organischen Substraten bei der fermentativen Erzeugung von Biogas zur Verfügung, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in einem Behälter eine Fermentiermischung, umfassend Wasser, organisches Substrat und Mikroorganismen, mit einem Rührwerk, das axial im Behälter angebracht ist, beispielsweise kontinuierlich oder diskontinuierlich, gerührt wird, und dass Fermentiermischung, z. B. aus der unteren Hälfte, wie aus dem unteren Drittel des Behälters, über eine externe Leitung in eine Ringleitung mit mehreren Sprühdüsen geleitet und über die Oberfläche der Fermentiermischung, beispielsweise kontinuierlich oder diskontinuierlich, im Behälter versprüht wird.
Die Fermentiermischung, die über die Oberfläche versprüht wird, stammt vorzugsweise aus jenem Behälter, in dem die Fermentierung durchgeführt wird, kann aber auch aus einem anderen Fermenter zugeleitet werden. Bevorzugt stammt die Fermentiermischung aus der unteren Hälfte eines Fermenters, besonders bevorzugt aus dem unteren Drittel, z. B. aus jenem Behälter, in dem die Fermentierung durchgeführt wird.
Beschreibung der Zeichnung
In Fig. 1 ist schematisch ein Fermenter (1) gezeigt, der eine Einlassvorrichtung (2) mit Einlassöfmung (2a) und Einlassleitung (2b), Auslassvorrichtungen (3, 4) mit Auslassöffhungen (3a, 4a) und Auslassleitungen (3b, 4b), eine extern geführte Rohrleitung (5), eine Pumpe (6), eine Ringleitung (7) mit Auslassöffhungen (8), ein axiales Rührwerk (9), eine Vorrichtung (10) zur Regelung der Temperatur der Fermentiermischung und eine Vorrichtung (11) zum Abziehen von Gas umfasst.
In einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Behälter (1) zur fermentativen Herstellung von Biogas aus organischen Substraten zur Verfügung, der ein axiales Rührwerk (9), z. B. umfassend eine Antriebsvorrichtung (9a), z. B. einen Motor, eine oder mehrere Einlassvorrichtungen (2) zum Befallen des Behälters (1), die vorzugsweise knapp oberhalb des Bodens (12) des Behälters (1) angebracht ist bzw. sind, eine oder mehrere Auslassvorrichtungen (3, 4) zum Entleeren des Behälters (1) und zum Abziehen eines Fermentationsrückstandes, beispielsweise eine Auslassvorrichtung (3), die knapp über dem Boden (12) des Behälters (1), und eine weitere Auslassvorrichtung (4), die im oberen Drittel des Behälters (1) angebracht sind, eine externe Leitung (5), wobei sich der Einlass (5a) in die externe Leitung (5) bevorzugt in der unteren Hälfte des Behälters (1) befindet, zum Zufuhren von Fermentiermischung in eine Ringleitung (7) mit mehreren Auslassöfmungen (8), z.B. die mit Sprühdüsen und gegebenenfalls Prallvorrichtungen (13) versehen sind, zum Besprühen der Oberfläche (14) der Fermentiermischung, eine Vorrichtung (11) zum Abziehen des erzeugten Biogases und eine Einrichtung (10) zur Temperaturregelung der Fermentiermischung, umfasst.
In einem Verfahren gemäß vorliegender Erfindung ist die Natur des organische Substrats nicht von Belang. Beispielsweise kann das organische Substrat gegebenenfalls gepressten Biomüll, der z.B. aus der Abfallsammlung stammt, Reststoffe aus der lebensmittelverarbeitenden Industrie, und/oder andere gewerbliche, organische Reststoffe umfassen.
Der Abbau des organischen Substrates erfolgt gemäß vorliegender Erfindung fermentativ, das heisst in Gegenwart von Mikroorganismen, beispielsweise Bakterien, die organisches Material zu Biogas, wie Methan oder CO2 abbauen können. Solche Bakterien sind vorzugsweise mesophile oder thermophile Bakterien, oder Mischungen davon. Das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung ist bevorzugt ein anaerobes Verfahren.
Ein Behälter in einem Verfahren gemäß vorliegender Erfindung ist ein Fermenter (Reaktor), bevorzugt ein Behälter (1).
Eine Ringleitung (7) umfasst eine Leitung die oberhalb der Oberfläche der Fermentiermischung, die sich im Behälter befindet in einer Weise angebracht ist, dass mit Hilfe der Sprühdüsen an den Auslassöffhungen (8) möglichst die ganze Oberfläche (14) der Fermentiermischung im Behälter (l)mit weiterer Fermentiermischung besprüht werden kann. Die Ringleitung (7) verläuft bevorzugt im wesentlichen parallel zur Oberfläche (14) der Fermentiermischung. Die Form der Ringleitung (7) ist nicht ausschlaggebend, doch sollte die Ringleitung (7) eine Form aufweisen, die den Durchsatz der Fermentiermischung nicht behindert, beispielsweise eine gerundete Form, z. B. kreisförmig oder oval, oder eine eckige Form, beispielsweise mit 6 oder mehr Ecken. Auf der Ringleitung (7) sind die Auslassöffiiungen (8) in geeigneten Abständen, z. B. in regelmäßigen Abständen, angebracht. An die Auslassöffiiungen (8) angeschlossen sind Sprühdüsen. „"Sprühdüsen", wie hierin verwendet, beinhalten Leitungen mit Verengungen am Ausgang, also Düsen, aber auch einfache Leitungen ohne Verengungen am Ausgang, durch die die Fermentiermischung unter Druck, z.B. mit Hilfe der Pumpe (6) hindurchgepresst wird. „Mehrere Sprühdüsen" umfassen mindestens 2 Sprühdüsen, bevorzugt mehr als 2 Sprühdüsen, besonders bevorzugt so viele Sprühdüsen, dass möglichst die gesamte Oberfläche (14) der Fermentiermischung gleichmäßig besprüht werden kann. Es hat sich z.B. herausgestellt dass sich mit einem Fermenter mit einem Fassungsvermögen von ca. 3000 m3 mit 6 Sprühdüsen, angebracht auf einer sechseckigen Ringleitung, hervorragende Resultate erzielen lassen.
Bevorzugt wird der Strahl aus einer Sprühdüse an der Auslassöffhung (8) auf eine Prallvorrichtung (13), z. B. ein Prallblech oder ein Prallteller, beispielsweise ein Prallblech oder ein Prallteller wie er bei der landwirtschaftlichen Gülleausbringung verwendet wird, geleitet, von der die Fermentiermischung über die Oberfläche (14) der Fermentiermischung versprüht wird. Mit Hilfe der Prallvorrichtung (13) wird eine besonders gute Verteilung der aufgesprühten Fermentiermischung über die gesamte Oberfläche (14) der Fermentiermischung im Behälter (1) erreicht . Bevorzugt wird Fermentiermischung auf die Oberfläche (14) der Fermentiermischung in Drehrichtung der Rührvorrichtung (9) gesprüht. Bevorzugt sind die Sprühdüsen an der Auslassöffiiungen (8), bzw die Prallvorrichtungen (13), so eingestellt, dass die versprühte Fermentiermischung schräg auf die Oberfläche (14) der Fermentiermischung auftrifϊt. Die Sprühdüsen an den Auslassöffiiungen (8) können verstellbar, z. B. in allen Richtungen verstellbar, oder starr an der Ringleitung (7) angebracht sein. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Sprühdüsen an den Auslassöffiiungen (8) starr, in einer anderen Ausführungsform verstellbar angebracht.
Das Aufsprühen der Fermentiermischung auf die Oberfläche (14) der Fermentiermischung im Behälter (1) erfolgt kontinuierlich oder diskontinuierlich, z.B. diskontinuierlich, sobald Schaumbildung auftritt, oder kontinuierlich, z.B. in Fällen, in denen starke und kontinuierliche Schaumbildung auftritt und/oder in Fällen in denen das organische Substrat öl- oder fetthaltige Substanzen beinhaltet, die auf der Oberfläche (14) der Fermentiermischung im Behälter (1) aufschwimmen. Im letzteren Fall kann durch das Aufsprühen eine bessere und schnellere Umsetzung des Substrates erreicht werden, da die aufgesprühte Fermentiermischung mit den öl- oder fetthaltige Substanzen auf der Oberfläche (14) kontinuierlich in Kontakt kommt und deren Abbau dadurch erleichtert und beschleunigt werden kann.
Ein Behälter (1) enthält eine Einrichtung (10), mit der die Temperatur der Fermentiermischung geregelt werden kann. Die Fermentation wird vorzugsweise in einem Temperaturbereich, der zwischen dem mesophilen und dem thermophilen Fermentationsbereich liegt, durchgeführt, z. B. in einem Temperaturbereich von 30°C bis 600C, wie 40°C bis 50 0C.
Ein Verfahren zur Herstellung von Biogas wird in einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform gemäß vorliegender Erfindung folgendermaßen durchgeführt, wobei auf Fig. 1 Bezug genommen wird:
Die Zufuhr des wässrigen, organischen Substrates erfolgt von unten durch ein knapp am Boden liegendes Verteilungssystem (2), um das Substrat weitgehend gleichmäßig über den Behälterquerschnitt in den Behälter (1) einzubringen. Bei Bedarf wird über eine extern geführte Rohrleitung (5) Fermentiermischung aus dem unteren Drittel des Behälters (1) mittels einer Pumpe (6) in eine, über der Oberfläche (14) der Fermentiermischung angebrachte Ringleitung (7) eingebracht und durch die Sprühdüsen an den Auslassöffhungen, die bevorzugt einfache Leitungen ohne Verengungen am Ausgang darstellen, bevorzugt über eine Prallvorrichtung (13), über die Oberfläche (14) der Fermentiermischung im Behälter (1) versprüht. Das Versprühen erfolgt in Drehrichtung des axialen Rührwerkes (9). Die Sprühdüsen an den Auslassöffhungen (8), bzw, die Prallvorrichtungen (13) sind so eingestellt, dass die aufgesprühte Fermentiermischung schräg auf die Oberfläche (14) der Fermentiermischung im Behälter (1) auftrifft, um möglichst die gsamte Flüssigkeitsoberfläche im Reaktor abzudecken. Die Fermentiermischung im Behälter (1) wird mit Hilfe des axialen Rührwerks (9) bei Bedarf zusätzlich durchmischt, z.B. bei hoher Schaumbildungstendenz oder bei hohem Öl- oder Fetthalgehalt des organischen Substrates. Durch das Rühren mit dem axialen Rührwerk (9) können Gasblasen, welche an der Biomasse (teilweise abgebautes organisches Substrat) anhaften können, leichter von den Bakterien getrennt werden und dadurch leichter zur Flüssigkeitsoberfläche transportiert werden.
Abhängig vom Substrat (Sand, Trockensubstanz) wird der Großteil des Faulschlamms (Gärrückstand) durch, im oberen Drittel, sowie im unterem Bereich des Behälters (1) angebrachte Auslassvorrichtungen (3) und (4) abgezogen. Im unteren Drittel des Behälters (1) befindet sich normalerweise Schlamm (aktiver Schlamm, Fermentiermischung und Mikroorganismen, in dem die Fermentation aktiv abläuft) in hoher Konzentration. Verstärkt wird der Substratabbau im oberen Teil des Behälters (1) besonders dadurch, dass konzentrierter Schlamm, der über die extern geführte Rohrleitung (6) über die Ringleitung (7) in die Fermentiermischung im Behälter (1) eingebracht wird, während des Sinkvorganges zu einer erhöhten aktiven Schlammkonzentration und damit zu einem schnelleren Substratabbau im oberen Teil des Behälters (1) führt.
Durch das Versprühen des Schlammes auf die Oberfläche (14) der Fermentiermischung im Behälter (1) wird dazu noch eine mechanische Zerstörung eventuell auftretenden Schaums bewirkt, deren Effektivität durch die, bevorzugt schräg in Rührrichtung angebrachten Sprühdüsen an den Auslassöffnungen (8), gegebenenfalls in Verbindung mit den Prallvorrichtungen (13), durch die eine besonders gute Verteilung der aufgesprühten Fermentiermischung über die gesamte Oberfläche (14) der Fermentiermischung im Behälter (1) bewirkt wird, verstärkt wird. Ein weiterer Effektivitätsgewinn ergibt sich dadurch, dass der aufgesprühte Schlamm einen niedrigen pH- Wert besitzt, der durch hydrolytische Abbauprozesse im unteren Drittel des Behälters (1) eingestellt wird, und dadurch, dass der niedrige pH- Wert die Schaumzerstörung und den Abbau der Schwimmstoffe mit aktiver Biomasse begünstigt. Ein weiterer Parameter bei diesem Verfahren ist die Prozesstemperatur, die mit Hilfe der Vorrichtung zur Regelung der Temperatur der Fermentiermischung (10) eingestellt wird, besonders bevorzugt auf 40°C - 500C.
In einem Behälter (1) oder in einem Verfahren, das durch die vorliegende Erfindung zur Verfügung gestellt, werden optimale Eigenschaften (Wachstumsgeschwindigkeit, Kohlenhydrat-, Protein- und Fettabbau) mesophiler und thermophiler Bakterien genutzt. Dadurch, und durch die Kombination mit den mechanischen Einrichtungen kann das Reaktorsystem mit organischen Raumbelastungen bis zu 15 [kg CSB/m3*d] betrieben werden.
Ein Behälter (1) ist vorzugsweise ein Behälter gemäß Fig. 1.
In einem Verfahren zur Unterdrückung der Schaumbildung oder in einem Verfahren zur verbesserten Umsetzung von Ölen und Fetten in organischen Substraten bei der fermentativen Erzeugung von Biogas gemäß vorliegender Erfindung wird bevorzugt ein Verfahren, das gemäß vorliegender Erfindung zur fermentativen Herstellung von Biogas zur Verfügung gestellt wird, verwendet, wobei bevorzugt ein Behälter (1) verwendet wird.
Ein Vorteil des Verfahrens zur Herstellung von Biogas gemäß vorliegender Erfindung ist, dass es industriell eingesetzt werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass das Verfahren für kleine und große Fermentiermischungsvolumina eingesetzt werden kann, z. B. für Volumina von 1 m bis 7000 m . Ein weiterer Vorteil ist, dass die Schaumbildung herabgesetzt, bzw. verhindert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist dass das Verfahren bei hoher Stickstoffkonzentration betrieben werden kann. Es hat sich beispielsweise herausgestellt, dass ein Verfahren gemäß vorliegender Erfindung zur Herstellung von Biogas bei einer Gesamtstickstoffkonzentration bis zu 9 g TKN (Total Kjeldahl Nitrogen/1 Frischsubstanz) im organischen Substrat problemlos betrieben werden kann.
Beispiel
In einen 3000 m3 Fermenter mit einem Arbeitsvolumen von 2850 m3, der gemäß Fig. 1 ausgestaltet ist und der Bakterien zum anaeroben Abbau von organischem Substrat in wässriger Fermentierlösung enthält, werden kontinuierlich eine tägliche Menge von 150 m3 eines organischen Substrates, bestehend aus einer Mischung von ausgepresstem Biomüll, der aus der Abfallsammlung stammt, Reststoffen aus der lebensmittelverarbeitenden Industrie und gewerblichen organischen Reststoffen und Wasser eingebracht. Das Substrat hat eine Trockensubstanz von 17% und eine CSB Konzentration von 260 g O2/kg, woraus eine organische Raumbelastung von 14 [kg CSB/m3*d] resultiert.
Das organische Substrat wird durch ein am Boden liegendes Verteilersystem ca. ein Meter über dem Fermenterboden eingebracht. Die Biomassekonzentration im unteren Teil des Fermenters ist höher (Schlammbett), wodurch das frische, zugeführte Substrat auf eine hohe Konzentration an aktiver Biomasse trifft.
Kontinuierlich wird eine bestimmte Menge von diesem Schlamm mit einer höheren Trockensubstanz im unteren Drittel des Reaktors abgezogen (V = 90 m3), über eine außenliegende Leitung zum Dach des Fermenters transportiert und mit Hilfe von Sprühdüsen über eine Ringleitung im oberen Teil (in der Gaszone) des Fermenters in Drehrichtung des Axialrührwerkes auf die Fermentiermischung aufgesprüht. Dadurch wird Schaum (Protein - Fettverbindungen), der sich während der Fermentierung bildet, niedergeschlagen und florierende Substanzen (z. B. Fette und Öle, Faserstoffe) werden mit aktiver Biomasse aus dem unteren Teil des Reaktors in Kontakt gebracht. Zum mechanischen Rühren wird ein Axialrührer verwendet. Die Drehgeschwindigkeit des Rührers beträgt zwischen 0 und 60 U/min. Dieser Rührer, welcher diskontinuierlich betrieben wird, dient zur verbesserten Freisetzung der mikrobiell gebildeten Gase (Methan, Kohlendioxid) in den unteren Schlammschichten und für eine kontrolliert geführte Trockensubstanzkonzentration im gesamten Reaktorsystem.
Am höchsten Punkt des Fermenters befindet sich eine Vorrichtung (9) zum Abziehen von Gas.
Der Abzug des Fermentationsrückstandes (Fermenterinhalt) wird im oberen Drittel mit Hilfe des Auslasses und der Auslassleitung (3) und im unteren Drittel mit Hilfe des Auslasses und der Auslassleitung (2) des Fermenters vorgenommen. Die Biogasproduktivität beträgt 5,8 m3 Biogas/m3 Fermentervolumen *d und der Methananteil im Biogas von 60% bis 65%. Das Verfahren wird bei einer Temperatur von 40 - 500C betrieben.
Das Verfahren ist mit Fermentersystemen zu je 3000 m3 in kontinuierlichem Betrieb und liefert hervorragende Ergebnisse.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur fermentativen Herstellung von Biogas aus organischem Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Behälter eine Fermentiermischung, umfassend Wasser, organisches Substrat und Mikroorganismen mit einem Rührwerk, das axial im Behälter angebracht ist, gerührt wird, und dass Fermentiermischung über eine externe Leitung in eine Ringleitung mit mehreren Sprühdüsen geleitet und über die Oberfläche der Fermentiermischung im Behälter versprüht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fermentiermischung, die versprüht wird, aus dem unteren Drittel des Behälters stammt.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Fermentiermischung in Drehrichtung des Rührwerks auf die Oberfläche der Fermentiermischung im Behälter gesprüht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fermentiermischung, die aufgesprüht wird, über eine Prall vorrichtung auf die Oberfläche der Fermentiermischung versprüht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet dass die Sprühdüsen, bzw. die Prallvorrichtung, so eingestellt sind, dass die versprühte Fermentiermischung schräg auf die Oberfläche der Fermentiermischung im Behälter auftrifft.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fermentation in einem Temperaturbereich, der zwischen dem mesophilen und dem thermophilen Fermentationsbereich liegt, durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fermentation in einem Temperaturbereich von 3O0C bis 600C durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fermentation in einem Temperaturbereich von 40°C bis 50°C durchgeführt wird.
9. Behälter (1) zur fermentativen Herstellung von Biogas aus organischen Substraten, der ein axiales Rührwerk (9), eine oder mehrere Einlassvorrichtungen (2) zum Befüllen des Behälters (1), eine oder mehrere Auslassvorrichtungen (3, 4) zum Entleeren des Behälters (1) und zum Abziehen eines Fermentationsrückstandes, eine externe Leitung (5) zum Zufuhren von Fermentiermischung in eine Ringleitung (7) mit mehreren Auslassöffhungen (8) zum Besprühen der Oberfläche (14) der Fermentiermischung, eine Vorrichtung (11) zum Abziehen des erzeugten Biogases und eine Einrichtung (10) zur Temperaturregelung der Fermentiermischung, umfasst.
10. Behälter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslassöffiiungen (8) mit Sprühdüsen und gegebenenfalls Prallvorrichtungen (13) versehen sind.
11. Behälter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet dass die Sprühdüsen an den Auslassöflhungen (8), oder gegebenenfalls die Prallvorrichtung (13) so eingestellt sind, dass die versprühte Fermentiermischung schräg auf die Oberfläche (14) der Fermentiermischung auftrifft.
12. Behälter nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet dass die versprühte Fermentiermischung in Drehrichtung des axialen Rührwerks (9) auf die Oberfläche (14) der Fermentiermischung auftrifft.
13. Behälter nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Einlass (5a) in die externe Leitung (5) in der unteren Hälfte des Behälters (1) befindet.
14. Verfahren zur Unterdrückung der Schaumbildung, oder Verfahren zur verbesserten Umsetzung von Ölen und Fetten in organischen Substraten bei der fermentativen Erzeugung von Biogas, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Behälter eine Fermentiermischung, umfassend Wasser, organisches Substrat und Mikroorganismen mit einem Rührwerk, das axial im Behälter angebracht ist, gerührt wird, und dass Fermentiermischung über eine externe Leitung in eine Ringleitung mit mehreren Sprühdüsen geleitet und über die Oberfläche der Fermentiermischung im Behälter versprüht wird.
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