EP2268787A2 - Vorrichtung und verfahren zur erzeugung von biogas aus organischen stoffen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erzeugung von biogas aus organischen stoffen

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Publication number
EP2268787A2
EP2268787A2 EP08856499A EP08856499A EP2268787A2 EP 2268787 A2 EP2268787 A2 EP 2268787A2 EP 08856499 A EP08856499 A EP 08856499A EP 08856499 A EP08856499 A EP 08856499A EP 2268787 A2 EP2268787 A2 EP 2268787A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mixing unit
substrate
fresh substrate
fresh
straw
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08856499A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Günter Perske
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eltaga Licensing GmbH
Original Assignee
Eltaga Licensing 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
Application filed by Eltaga Licensing GmbH filed Critical Eltaga Licensing GmbH
Publication of EP2268787A2 publication Critical patent/EP2268787A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • 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
    • C12P5/00—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
    • C12P5/02—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons acyclic
    • C12P5/023—Methane
    • 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
    • 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
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • 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
    • C12M27/18—Flow directing inserts
    • C12M27/20—Baffles; Ribs; Ribbons; Auger vanes
    • 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
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/18—External loop; Means for reintroduction of fermented biomass or liquid percolate
    • 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
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/26—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of pH
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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 invention relates to a device for the production of biogas from organic materials, with a at least one chamber forming biogas reactor, via a mixing unit, a defined mixture of organic substances having fresh substrate and an organic material having recirculate can be fed.
  • the invention relates to a method for producing biogas from organic substances by a biogas plant comprising a biogas reactor forming at least one chamber to which a defined mixture of fresh substrate having organic substances and recirculating material containing organic substances is supplied via a mixing unit.
  • a biogas plant in particular in a reactor space of the biogas plant or of the biogas reactor, the biogas is then usually produced in a plurality of chambers of the reactor space which are coupled to one another.
  • a reactor space may comprise, for example, a filling chamber and a plurality of intermediate chambers.
  • the device for the production of the finished fermentation Substrate or the Frischgärsubstrats is usually coupled to the filling chamber of the reactor space, preferably a heat exchanger of the biogas plant between the filling chamber and the apparatus for producing the finished fermentation substrate may be arranged to a suitable temperature of the finished fermentation substrate for the production of biogas in the To get reactor space.
  • the heat exchanger is usually followed by a mixing unit, which is thus arranged between the heat exchanger and the biogas reactor or the reactor space.
  • the mixture is fed to the reactor space from the mixture of the finished fermentation substrate, namely the fresh substrate, and the recirculate.
  • the recirculate comprises organic substances which have at least partially already passed through or flowed through the biogas reactor or the reactor space and are fed to the mixing unit for the production of the aforementioned mixture and thus re-supplied to the biogas reactor.
  • the recirculate is predominantly nonreactive organic matter.
  • anaerobic bacteria are used to decompose organic substances that are no longer associated with the living organism and convert them into gas.
  • Anaerobic bacteria are the last link in the natural cycle and occur everywhere in nature, for example in stomachs of ruminants or in the black mud of lakes and bogs.
  • the facultative methane bacteria and the obligate methane bacteria are to be distinguished first.
  • the organic substances used as raw materials in anaerobic digestion include, for example, organic substances or residues from industry, gastronomy, trade, agriculture (manure and solid manure) or renewable raw materials (maize). grass silage and other short-shrubs). These organic substances mainly consist of carbohydrates, fats and proteins.
  • the optional, optional methane bacteria can also live with oxygen. These take over a first phase of treatment and decompose the organic substances into alcohols, fatty acids and their salts. This first phase of the treatment is referred to as the acid generator phase or hydrolysis. In a second phase, the obligate methane bacteria convert into alcohols, fatty acids and their salts into gas. This second phase is called the methanation phase. The first and second phases are delayed by approximately six hours, with the so-called hydrolysis phase occurring during the first six hours.
  • FIG. 1 shows a diagram which represents the general course of natural fermentation.
  • the diagram shows the reduction of an organic dry matter (OTS) in percent as a function of the elapsed days (full line).
  • OTS organic dry matter
  • full line the elapsed days
  • the degradation of the dry matter is very slow going. Only a few bacteria, as present in all organic wastes, develop in the logarithmic ratio (dashed line) with the appropriate feed supply. In the same proportion as the bacteria develop, the organic matter is degraded and converted into gas. Desirable is a degradation of the organic dry matter of 70 percent, but this is approximately reached after 40 days according to the diagram of Figure 1 in the natural fermentation process.
  • Biogas plants aim to create an environment for organic fermentation, which enables these organic nical fermentation is significantly accelerated.
  • biogas technology in particular in the biogas plants belonging to the state of the art, that in particular the anaerobic processes in these biogas plants do not occur to the intended or desired extent.
  • anaerobic processes or processes in particular within the framework of an anaerobic biocenosis, to proceed to a suitable extent, it is necessary on the one hand to determine suitable framework conditions in the biogas plant in a suitable manner.
  • the composition of the finished fermentation substrate (Gärmasse) the fresh substrate, is of particular importance in order to favor the anaerobic processes in the biogas plants.
  • Conventional substrates are produced according to the prior art, for example on the basis of silage maize, a food which is obtained as a chaff at harvest.
  • the device according to the invention for producing biogas from organic substances builds on the generic state of the art in that a control device is provided which is suitable for supplying the recirculate and / or the fresh substrate to the mixing unit at least as a function of one with a fresh substrate composition of the To control the mixing unit supplied fresh substrate korrelierenden size to obtain the defined mixture.
  • the device according to the invention is preferably supplied with a ready-prepared fermentation substrate or fresh substrate made of straw and animal waste, in particular the mixing unit of the device according to the invention, which are largely free from harmful substances.
  • the ready-prepared fermentation substrate supplied to the at least one chamber of the biogas reactor is preferably pumped in cycles via the mixing unit in cycles and thereby circulated.
  • This volume-controlled cycle can be optionally and selectively threaded between two cycles of ready-made fermentation substrate.
  • the amount of fermentation substrate or recirculate pumped in the cycle in the biogas reactor is clearly defined, with the cycle at the mixing unit ends, in which the biogas reactor, the mixture of the finished fermented substrate or fresh substrate and the recirculate is recycled. This ensures that the anesthetic symbiosis is not disturbed or impaired.
  • the fresh substrate or the finished fresh substrate can be prepared by a tumbler mixer.
  • the filling of the free fall mixer is preferably carried out with straw chaff and thin liquid manure and solid manure (in particular animal excrement) or other organic substances.
  • a rotatable drum of the tumble mixer is closed hydraulically sealing or fluid-tight by a full flap. This is followed by a short mixing phase in which the liquid, in particular the liquid manure, is completely bound by the solids such as the solid manure and the animal excrement. Subsequently, a suction takes place by means of a rotating vacuum pump up to about 913mbar. The anaerobic phase is thus initiated and the fresh fermentation substrate is pumped by means of an eccentric screw pump into the closed heat exchanger upstream of the biogas plant and heated to reactor temperature and pumped temperature-controlled into the biogas reactor or the reactor space via the mixing unit.
  • the recirculate is fed to the Frischgärsubstratstrom in the mixing unit according to the recipe, so that then prevails in the reactor space a preferred for anaerobic bacteria environment.
  • the recirculate is added in dependence on the composition of the fresh substrate, which is determined by the control device;
  • the control device constantly records the composition of the prepared fresh substrate and changes or fluctuations in the fresh substrate composition continuously adjusts the addition of recirculate to the mixing unit.
  • the quantity-controlled addition of the recirculate and / or the fresh substrate can be precisely defined or predetermined, for example, on the basis of characteristic curves determined by tests.
  • this control generates a mixture of fresh substrate and recirculate which has a C / N ratio in the range from 15: 1 to 25: 1, preferably 19: 1 to 21: 1 and particularly preferably 20: 1. In this case, this mixture has this C / N ratio after the mixing together of the fresh substrate and the recirculated lats in the mixing unit immediately before entering the
  • any required ready-prepared fermentation substrate can be produced.
  • pig manure, chicken manure or other organic wastes may be used.
  • the following are in particular the following feed quantities or feed ratios as well as fresh substrate compositions conceivable, which can be adjusted by the control device on the basis of the characteristics.
  • a composition of the fresh substrate of 10.75 tons / day of manure and 1.245 tons / day of straw is set. This corresponds in parts by weight 89.60 weight percent cattle slurry and 10.40 weight percent straw, in particular straw chop.
  • Such a fresh substrate then has approximately a C / N ratio of 46.6: 1.
  • the control device controls the recirculation feed into the mixing unit, which is set at approximately 5.7 tons / day (t / d), whereby in the mixing unit the particularly preferred C / N ratio of 20: 1 in the mixture is achieved from fresh substrate and recirculate.
  • a fresh substrate composition of 9.6 t / d cattle slurry, 0.9 t / d straw and 1.5 t / d of cattle manure, ie 80% by weight of cattle manure
  • a recirculation feed of 4.7 t / d is set in the mixing unit by the controller to set the C / N ratio of 40.40: 1 in the fresh substrate to C / N. Adjust N-ratio of 20: 1 in the mixture of the fresh substrate and the recirculate.
  • a fresh substrate composition of 10.75 t / d pig slurry and 1.245 t / d straw i.
  • a recirculation feed of 2.9 t / d is set in the mixing unit by the controller to set the C / N ratio of 33.14: 1 in the fresh substrate to a C / N ratio. Adjust N-ratio of 20: 1 in the mixture of the fresh substrate and the recirculate. In the case of a fresh substrate composition
  • the device according to the invention can be developed in an advantageous manner such that the control device is suitable for determining weight percentages of corresponding components of the fresh substrate and for controlling the supply of the recirculate and / or the fresh substrate to the mixing unit on the basis of this determination.
  • a weighing device may be provided, via which the corresponding weight of the supplied straw chaff and the manure and the
  • Festmists can be determined; for example, by the supply of straw chaff and manure / solid manure being offset in time, so that a corresponding increase in weight of the Frischgärsubstratgemisch located in the vertical mixer can be continuously determined and thus can be concluded on the percentage of the corresponding Gärsubstratkomponenten.
  • the weighing device is programmable and mounted without contact on the vertical mixer. Unadulterated data is thus guaranteed.
  • the fermentation substrate mixer or the mixing unit can also have a weighing device, which is connected to a control circuit and is set up to exchange data with a control circuit. ner control device, such as a personal computer (PC) to perform.
  • PC personal computer
  • the filling of the vertical mixer by weight in straw and solid manure and flow rate in the liquid manure, from which the weight can be derived be made.
  • Any means known in the art for directly or indirectly sensing the weight or weight proportions of the components of the fresh substrate may be used so that the exact fresh substrate composition can be determined.
  • the device according to the invention can be designed such that the control device is suitable for controlling the supply of the recirculation and / or the fresh substrate to the mixing unit in such a way that a C / N ratio of 20: 1 is established in the defined mixture.
  • the C / N ratio of 20: 1 is particularly preferred and contributes in a particularly advantageous manner to an increased gas yield in the biogas plant, as has been proven by experiments.
  • C / N ratios in the range of 15: 1 to 25: 1, preferably 19: 1 to 21: 1, are tolerable in terms of gas yield.
  • this mixture has this C / N ratio after the mixing together of the fresh substrate and the recirculate in the mixing unit immediately before entry into the biogas reactor.
  • the device according to the invention can be realized in such a way that the control device is suitable for controlling the supply of the recirculation and / or the fresh substance. to control the mixing unit so that in the defined mixture, a C / N ratio of 20: 1 and a pH greater than 7, set.
  • the aim is to produce fermentation substrate mixtures or defined mixtures in the mixing unit made of straw, low-viscosity liquid manure and animal excretions, which take place according to the requirements of biology taking into account the aforementioned framework conditions.
  • defined substrate mixtures of the fresh substrate and the recirculate having a pH of> 7 and a C / N ratio of 20: 1.
  • the resulting defined mixture fulfills the criteria of biology because the formula or the controlled feed into the mixing unit gives the ratio of carbon to nitrogen of 20: 1 and has a pH value which is greater than 7. This creates an important building block for the framework conditions in the fermentation process.
  • the biogas process according to the criteria of the pH value of greater than 7 and the C / N ratio of 20: 1 contains the milieu for an optimally occurring biocenosis in an anaerobic symbiosis.
  • methane bacteria determine the biogas process. Methane bacteria have antibiotic powers that greatly affect or even destroy in their dominated area all other microorganisms and even their own pathogenic germs in their viability.
  • the device according to the invention can be designed so that the fresh substrate before reaching the mixing unit has a dry matter content of 22% and 7 percent by weight straw, in particular straw chaff, and 93 percent by weight bovine slurry / solid manure or 15 percent by weight straw, in particular straw chaff, and 85 percent by weight percent pig manure / solid manure.
  • the great potential of animal excrement, ie manure and solid manure, and straw to a fermentable substrate according to the requirements of a well-functioning biocenosis is thus used.
  • the individual components of the finished fresh substrate are already clearly defined before they reach the mixing unit.
  • the ready-mixed and prepared fresh substrate corresponds to the mixture prepared according to the recipe and is supplied volume-controlled via a closed eccentric screw pump of the mixing unit, wherein the fresh substrate before reaching the mixing unit preferably passes through the heat exchanger associated with the biogas plant.
  • the recirculate is fed to the fresh substrate, so that the resulting mixture has a pH of greater than 7, preferably of 7.4.
  • the fresh substrate mixture comprises 7% by weight straw and 93% by weight bovine slurry / solid manure.
  • a pig slurry fresh substrate preferably has a pH of 7.6 and preferably comprises 15% by weight straw and 85% by weight pig slurry / solid manure.
  • the mixing in the mixing unit always takes place according to the criteria of the pH and according to the requirements of the particularly advantageous C / N ratio of 20: 1 determined by tests.
  • the point-precise ratio of the mixture in the mixing unit is, for example, in the
  • chaffs are preferably used, in particular renewable raw materials, primarily grain straw.
  • any type of chaff, in particular plant straw, and manure can be used in the process according to the invention. be used.
  • organic substances can be used to produce the ready-prepared fermentation substrate or fresh substrate: organic fertilizers such as liquid manure and solid manure, renewable raw materials such as maize silage, grass silage, cereal grains, organic sands of the processing agricultural industry, organic residues from municipalities and slaughter residues as well as green and grass cuts.
  • animal excreta in the form of solid manure with the supply of liquid manure and straw chaff, so that these organic materials can be processed to a fermentable ready-prepared fermentation substrate or fresh substrate according to the requirements of a well-functioning biocoenosis, in particular mixed.
  • the individual parts of the substrate are clearly defined.
  • the targeted comminution of straw to straw chaff is advantageous to create the conditions for a fermentable substrate or fresh substrate.
  • small agricultural enterprises can participate which supply solid manure and can receive chopped straw.
  • the straw used is straw that is mixed with the manure and the solid manure in order to obtain the fresh substrate or the ready-prepared fermentation substrate mixture.
  • the inventive method for producing biogas from organic substances builds on the generic state of the art in that a supply of the recirculate and / or the fresh substrate to the mixing unit at least depending on a with a Frischsubstratzusammenset- is controlled to the size of the mixing unit supplied to the fresh substrate correlating size to obtain the defined mixture.
  • the method according to the invention can be developed in an advantageous manner such that weight percentages of corresponding components of the fresh substrate are determined and on the basis of this determination the supply of the recirculate and / or the fresh substrate to the mixing unit is controlled.
  • the method according to the invention can be carried out such that the supply of the recirculate and / or the fresh substrate to the mixing unit is controlled in such a way that a C / N ratio of 20: 1 is established in the defined mixture.
  • the method according to the invention can be realized in such a way that the supply of the recirculate and / or the fresh substrate to the mixing unit is controlled such that in the defined mixture a C / N- Adjust ratio of 20: 1 and a pH greater than 7.
  • the method according to the invention can be configured so that the fresh substrate before it reaches the mixing unit is formed so that it has a dry matter content of 22% and 7% by weight straw, in particular straw chaff, and 93% by weight bovine slurry / solid manure or 15% by weight straw, in particular straw chaff, and 85% by weight of pig slurry / solid manure.
  • Figure 1 is a diagram showing the general course of natural fermentation
  • Figure 2 is a schematic representation of an apparatus for producing a fresh substrate in one
  • Figure 3 is a schematic representation of the device of Figure 2 in a plan view
  • FIG. 4 a schematic representation of a further embodiment of the device for producing a fresh substrate in a plan view
  • Figure 5 is a schematic representation of another
  • Figure 6 is a schematic representation of the device of Figure 5 in a further side view
  • Figure 7 is a schematic representation of the device of
  • Figure 8 is a schematic representation of the device according to the invention for the production of biogas, which is suitable for carrying out the method according to the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a device 10 for producing a ready-made fermentation substrate or a fresh substrate in a side view.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the device 10 of FIG. 2 in a plan view.
  • the apparatus 10 for producing the finished fermentation substrate or the fresh substrate, which is subsequently fed to a biogas plant or biogas reactor explained later, in this case comprises a free-fall mixer 12 which is constructed in the manner of a concrete mixer with a rotatable drum (drum mixer). is trained. In particular, it is a stationary concrete mixer in the size classes of 6 m 3 to 15 m 3 nominal filling.
  • the free-fall mixer comprises, in particular, the rotatable drum, shown only schematically, whose inlet and outlet openings can be pivoted.
  • the drum can be pivoted in such a way into a feed and discharge position, that it the fermentation sub- strat over the inlet and outlet can be supplied.
  • the drum can be pivoted into a mixing position, in which the actual mixing process explained in more detail below takes place.
  • mostly obliquely positioned blades are mounted within the drum wall, which can lift in mixed positioning the supplied fermentation substrate, which then falls by gravity back down again.
  • the free-fall mixer 12 is further closable with a hydraulically sealing or fluid-tight flap, which is suitable for opening and closing the inlet and outlet opening of the drum.
  • the free-fall mixer 12 is modified such that is connected by opening into the suction nozzle on the VollverInstitutklappe or the flap, a normally rotating vacuum pump.
  • a transfer funnel 14 is arranged, into which a straw blower line 16 for feeding crushed straw (straw chop) and a Frischgüllezu Glasslei- device 18 for supplying fresh manure into the transfer funnel 14. Furthermore, a conveyor 20 is provided with a conveyor belt which terminates at one end portion at an upper edge of the transfer hopper 14 and extends with the other end portion in a hopper 22 for storage of solid manure. As a result of the conveyor 20 solid manure from the hopper 22 in the transfer hopper 14 can be conveyed. Furthermore, one is in the transfer container bottom or transfer container bottom opening discharge line provided over the means of an eccentric screw 24, the finished processed fermentation substrate or the fresh substrate in a heat exchanger of the later explained in more detail biogas plant can be discharged.
  • the method for producing the finished fermented substrate or the fresh substrate which is supplied to a mixing unit of the biogas reactor explained in more detail below, on the basis of the device 10, is designed as follows.
  • straw chaff and animal excreta in the form of solid manure, as well as liquid manure are used to make the fermentation substrate in this case.
  • other organic substances for mixing are also conceivable.
  • shredded straw or straw chaff is blown into the free-fall mixer 12 via the straw blower line 16.
  • the straw chop for example, come from a straw shredder, not shown, with electric drive and be blown through a fan in the straw blower line 16, the
  • round straw bales having a diameter of up to 1.5 m and / or square bales are used in the production of the straw chop and shredded such that the straw straw length is approximately 10 -25 mm, preferably 10 mm, 12 mm or 18 mm.
  • the shredded material is thus blown directly from the straw shredder via the straw blower line 16 into the tumbler mixer 12, wherein almost simultaneously or shortly delayed an admission of fresh manure via the Frischgüllezu- supply line 18 and a promotion of solid manure on the
  • Conveyor 20 takes place. Subsequently, the free mixer is operated for mixing the organic substances in the drum and moved into its mixing position.
  • This Feeding operation of the organic matters is controlled, for example, by a weighing device provided on the tumbler 12 and controlled so that a desired mixing ratio of manure / solid manure to straw chop can be adjusted.
  • the determined weight fractions of the liquid manure, the solid manure and the straw chaff are stored, for example, in a memory, so that the exact composition of the fresh substrate, in particular the weight percent of the components of the fresh substrate, can be determined and retrieved at any time.
  • a dosage of the individual substrate components namely the filling of the drum of the free fall mixer with straw by weight and with liquid manure can be made by flow rate.
  • the delivery of solid manure can also be adjusted via the conveyor 20.
  • a corresponding emptying of the drum can be done via a speed control of the eccentric screw pump.
  • a level measurement in the drum or in the transfer container can be made.
  • any desired fresh substrate mixture can be effectively produced, while at the same time ensuring that the supplied fresh manure is completely bound by the solids, such as solid manure and the straw chaff, and the air in the solids escapes. This is followed by a short mixing phase in which the liquid is completely bound by the solids.
  • the flap of the drum is closed and there is a suction by means of a fluid technically coupled to the drum rotating Va- kuumpumpe.
  • This initiates the anaerobic phase of the fresh fermentation substrate.
  • Air in particular accumulates above the fresh fermentation substrate in the tumbler of the tumbler and is rotated with the normal rotation provided on the drum. sucked vacuum pump, so that the pressure prevailing in the drum atmospheric pressure of 1013.25 mbar is reduced by lOOmbar to 913mbar.
  • the ready-mixed fresh substrate corresponds to the desired Frischgärsubstratmi- shear
  • the drum is opened via the flap
  • the direction of rotation of the drum is set to empty the drum
  • the Gärsubstratgemisch is flow controlled via the transfer funnel 14 of the eccentric screw pump 24 which supplies the desired Frischgärsubstratmischung in the later explained in detail biogas plant upstream heat exchanger promotes.
  • the resulting treated fermentation substrate or fresh substrate then has a pH of 7.4 and consists of 7 percent by weight straw and 93 percent by weight manure / solid manure; Preferably, cattle slurry is used.
  • the fermentation substrate can also be made from pig manure, which has a pH of 7.6, the fresh substrate then consists of 15 percent by weight of straw and 85 percent by weight pig manure / solid manure.
  • the fresh substrate mixture can also consist of several and different animal excretions as well as solid manure and
  • the mixing is always carried out according to the predetermined conditions of the pH and according to the specific desired C / N ratio, wherein at least the exact C / N ratio is then adjusted with the addition of a recirculate in a mixing unit of the biogas - explained in more detail later.
  • Figure 4 shows a schematic representation of a second embodiment of the apparatus for producing a Frischgärsubstrats in a plan view.
  • the apparatus 10 comprises two free-fall mixers 12, whereby a straw shredder 26 can supply straw chaffs to the two free-fall mixers 12 via a blower 28 and a straw blower line 16.
  • a branch is provided in the straw blower line 16, in which the straw blower line 16 branches off to the two free-fall mixers 12.
  • a fluidic switch is provided at the junction, via which the supply of the straw chaff to the two free-fall mixers can be adjusted.
  • a Frischgüllezu111 Arthur 18 is provided, which also has a branch analogous to the straw blower line 16, at which the Frischgüllezu slaughterfish 18 branches to the two free-fall mixers 12, whereby both free fall mixer 12 can be acted upon with liquid manure.
  • a discharge chute or a filling device 14 is provided in analogy to the transfer container 14 of the first embodiment, via which the fresh fermentation substrate mixture can be fed from the free-fall mixers 12 of an eccentric screw pump 24, around the Frischgärsubstratmischung via a line 30 the heat exchanger later supply more detailed biogas plant.
  • the method can be carried out analogously to the first embodiment, with the difference that two free-fall mixers have to be filled and emptied in order to achieve the finished fermentation substrate mixture or the fresh substrate in the desired amount of fermentation substrate.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a third embodiment of the apparatus 100 for producing a finished fermented substrate or a fresh substrate in a side view.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the device 100 of FIG. 5 in a further side view
  • FIG. 7 shows a schematic representation of the device 100 of FIG. 5 in a plan view.
  • the apparatus 100 comprises at least one vertical mixer 112 known from the prior art, in particular two vertical mixers 112 with, for example, two mixing screws or vertical mixing screws 136, however, wherein the vertical mixers 112 are modified in a specific way, as exemplified below one of the vertical mixer 112 is explained.
  • the vertical mixer 112 comprises a container 138 and a modified lid 134 pivotally mounted thereto with two vent openings 133 and a suction port 132 to which, for example, a vacuum pump, not shown, may be connected to provide vacuum in the vertical mixer 112, particularly in the container 138 to be able to produce, in particular at 913mbar.
  • the suction port 132 and the vacuum pump at least partially form a suction device.
  • a jacket heating is provided on the vertical mixer 112 for heating the Gärsubstratgemischs in the container 138 of the vertical mixer 112.
  • the apparatus 100 comprises a straw shredder 126 with a fan, via which straw chaff can be fed via a straw blower line 116 to the vertical mixer 112 or to both vertical mixers 112.
  • the straw chop is fed via the straw blower line 116 at an upper edge of the container 138 which partially forms the vertical mixer 112 and which can be closed via the lid 134.
  • a slurry supply line 118 is provided, via the fresh liquid manure to the container 138 of the vertical mixer 112, likewise at the top. edge of the container can be fed.
  • a seal between the lid 134 and the container 138 is made with appropriate seals.
  • the jacket heating is arranged on the outer jacket of the container 138 and is formed by heating pipes for low-temperature heating, which are protected by insulation.
  • the above-mentioned vent openings 133 for venting the container 138 are provided in the lid 134 of the vertical mixer 112, which can be opened and closed via a valve by means of a ball valve and are opened, in particular, when blowing in straw chop.
  • the container 138 of the vertical mixer 112 is coupled to a screw conveyor, in particular a transverse screw conveyor 124, via which the fermentation substrate mixture from the container 138 can be supplied to a further fermenting substrate mixer of a biogas plant which is not further of interest by means of longitudinal screw conveyors 140 provided in the container 138.
  • the vertical mixer 112, the transverse screw conveyor 124 and the mixing unit are preferably located in an air-conditioned space with appropriate supply and exhaust air.
  • the device 100 is emission-free, as the extracted air is passed through the suction port 132 via a filter that prevents both odor and particulate matter emissions.
  • the two vertical mixers 112 are equipped with a programmable weighing device (not shown).
  • the device 100 is adapted in terms of their plant size to the respectively required in the fermentation process Gärsubstratmengen and may for example comprise contents of 12 m 3 to 60 m 3 and larger.
  • the process for producing fresh fermentation substrates, in particular straw chaff, manure and animal excreta in the form of solid manure, is as follows. First, the straw shredder 126 is operated via an electric drive, so that the container 138 of the vertical mixer
  • the straw chop 112 of the straw chop is supplied via the straw blower line 116.
  • the straw chop is produced in particular from round bales and / or square bales with a diameter of up to 1.5 m or a corresponding edge length.
  • a shred length of shredded straw chopped straw is between 5mm and 25mm, more preferably 10mm, 12mm, 18mm.
  • the straw chop is thus directly from the straw shredder 126 into the container 138 of the vertical mixer 112, which may be formed in particular as a large-capacity container, blown and charged with thin liquid fresh manure on the Frischgüllezuschreibtechnisch 118.
  • solid manure is fed via a conveyor, not shown, supplied during the supply of the fresh manure and the straw chaff and the vertical mixer 112 is operated briefly.
  • the feeding process is controlled by a weighing device and controlled so that a mixing ratio of manure / solid manure to straw 62% to 7.3% (in percent by weight). Due to the fact that the manure / solid manure / straw mixture has an approximate dry matter content of 41.5%, it is not yet pumpable.
  • This mixture is referred to below as a mixture of the treatment stage I or quality grade I.
  • a ventilation of the container 138 is carried out with further operation of the vertical mixer 112 for mixing, so that a rotting of the mixture of the treatment stage I can take place aerobically.
  • This inevitably sets a self-heating phase in motion. This begins within a few hours of Mixing stage I and can reach a temperature of 40 0 C and more in one day.
  • the temperature in the mixture of the treatment stage I is detected for example via a temperature sensor, wherein upon reaching 35 0 C, a further increase in temperature is prevented by further supply of fresh manure, while at the same time the vertical mixer 112 is operated.
  • the added fresh manure is precisely defined and reduces the dry matter content to 31%.
  • This mixture is referred to below as a mixture of the treatment stage II or the quality level II.
  • the mixture of the treatment stage II is well aerated, after a rest period of about 4 to 6 hours, a new self-heating phase begins.
  • a mixture temperature of 35 0 C another mixture heating is prevented again by re-feeding of fresh manure.
  • the redefined feeding of the fresh manure results in a dry matter content of about 22%.
  • the operation of the vertical mixer 112 for mixing the Gärsubstratge- mix takes place.
  • the resulting mixture is hereinafter referred to as a mixture of the treatment stage III or quality grade III.
  • the mixture of the processing stage III is achieved in about 5 days, at the latest after reaching 35 0 C.
  • the longitudinal conveyor screws 140 and a transverse conveyor screw of the transverse screw conveyor 124 are operated in order to produce the finished, ready-to-serve conveyor. te fermentation substrate or the fresh substrate of the later explained in more detail biogas plant supply.
  • the Frischgärsubstratgemisch is produced by alternately supplying straw chaff and slurry and solid manure in a container quasi "in layers" and can be dispensed with mixing by means of blades as in the free fall mixer and by means of the mixing screw as in the vertical mixer , Otherwise, the third can be
  • Figure 8 shows a schematic representation of the inventive device for the production of biogas.
  • the apparatus for producing biogas is, for example, as explained in more detail below, the fresh substrate prepared by the devices of Figures 2 to 7 or the finished processed fermentation substrate fed.
  • the biogas reactor 210 includes an outer container 212, which is preferably tapered in a central portion and cylindrically tapered in an upper portion 214 and in a lower portion 216 each toward the end.
  • an inner container 218 is accommodated, which is cup-shaped and is arranged substantially at a constant distance from the outer container 212, so that between the outer container 212 and the inner container 218, a filling chamber 220 is formed, which envelops the inner container 218.
  • the outer container 212 and the inner container 218 are preferably made of steel, but is also a version with other materials such as plastic feasible.
  • the inner container 218 is preferably cylindrical and tapered in the tapered lower portion 224.
  • a cylindrical inner tube 226 is arranged so that substantially the same distance is formed between the inner tube 226 and the inner container 218 as between the inner container 218 and the outer container 212.
  • the lower edge of the inner tube 226 extends almost as far down as The inner edge of the inner tube 226 extends further upwardly than the overflow edge 222.
  • a return tube 228, which is located in the interior of the inner tube 226 down in the Section 224 of the inner container 218 extends where the return tube 228 exits from the inner container 218.
  • the return tube 228 extends upwardly so that the upper edge of the return tube 228 is placed below the overflow edge 222 with respect to the vertical.
  • the upper edge of the return tube 228 extends substantially as far as the central (preferably cylindrical) portion of the outer container 212.
  • the outer container 212, the inner container 218, the inner tube 226 and the return tube 228 are concentric arranged.
  • a first, substantially cylindrical, Mige intermediate chamber 230 is formed between the outside of the inner tube 226 and the inner side of the inner container 218, a first, substantially cylindrical, Mige intermediate chamber 230 is formed. Between the outside of the return pipe 228 and the inside of the inner tube 226, a second, substantially cylindrical intermediate chamber 232 is formed. The first intermediate chamber 230 and the second intermediate chamber 232 communicate with each other in the lower area. The upper edge of the return pipe 228 forms a filling opening 234. Inside the return pipe 228, a return passage 236 is formed. As already mentioned, the return pipe 228 leads out of the inner container 218 in the lower portion 224 of the inner container 218, passes through the wall of the outer container 212 in the lower portion 216 and leads into a vaccum pump 238, which is preferably an eccentric screw pump.
  • a drain pipe 240 branches off, which extends so far in the filling chamber 220 that an upper opening of the drain pipe 240 at about the same height as the filling opening 234 of the return pipe 228 is located.
  • the drain pipe 240 is designed in the upper area so that the upper portion of the
  • the tube is bent over more than 90 degrees and the bent portion extends through the wall of the outer container 212 to the outside.
  • the drainage channel 242 formed by the drainage pipe 240 is thus U-shaped connected to the return passage 236, so that the return passage 236 and the drainage passage 242 form a communicating pipe.
  • the filling chamber 220 is designed so that it can be filled in a lower region from the outside with organic substances or an organic substance.
  • the organic substance is conveyed in a manner explained in more detail later also through the filling chamber 220, the first intermediate chamber 230 and the second intermediate chamber 232, wherein the organic substance still contains sediments or heavy materials. sen can.
  • a pipe piece 244 and 246 respectively branches off, which is provided near the respective container with a slide 248, 252 and at a certain distance to a further slide 250, 254 is provided , With the respective sliders, the respective pipe section 244, 246 can be selectively opened and closed.
  • the distance of the slider 250 from the slider 248 is preferably about 80 cm and the distance of the slider 252 to the slider 254 is preferably 60 cm. In normal operation, the sliders 248 and 252 are opened and the sliders 250 and 254 are closed.
  • the pipe sections 216 and 224 are transparent, for example by means of Plexiglas, so that the amount of accumulated sediment can be monitored.
  • the accumulated sediments may be emptied by closing the respective gates 248 and 252 to prevent leakage of the containers 212, 218.
  • a circuit can be formed.
  • a pump may be provided in the bypass, so that at least temporarily a cycle of the organic substances between the filling chamber 220 and the intermediate chamber 230 is produced during operation of the pump.
  • a pump may be provided in the bypass, so that at least temporarily a cycle of the organic substances between the filling chamber 220 and the intermediate chamber 230 is produced during operation of the pump.
  • An isolation 260 shown only in sections surrounds the outer container 212 completely (the supply and discharge lines are recessed), so that the advantageous for the production of biogas temperature of preferably 35 0 C inside the biogas reactor 210 can be kept as constant as possible and thus less energy must be supplied to maintain this temperature.
  • a heater 262 is embedded, which is formed in the preferred embodiment in the form of spirally arranged water pipes, which lead water, which is heated, for example, in a cogeneration unit, not shown. Alternatively, heating wires may also be embedded in the insulation 260.
  • the heater 262 preferably surrounds the outer container 212 from below to below the upper portion 214.
  • the insulation 260 together with the heater 262 may be surrounded by a protective jacket, such as a metal jacket.
  • a gas discharge line 264 is branched off. This Gasabloom für 264 is guided outside the outer container 212 adjacent to this, wherein an end portion of the gas discharge line 264 in enters a liquid container 266 and extends downwardly within this liquid container 266.
  • the liquid container 266 is preferably a cylindrical container whose lower portion tapers conically downward.
  • a gas feed line 268 is branched off, via which the biogas obtained is fed to a gas storage, not shown, from which it is available to a cogeneration plant, not shown, for generating electricity.
  • a pipe piece 270 is led out of the liquid container 266. From this pipe section 270 branches off a riser 272, which is guided in addition to the liquid container 266 to the upper edge of the liquid container 266 upwards.
  • the riser 272 is open at the top and between the top of the
  • riser tube 272 and more than 1 m below the upper edge are formed three openings 274, wherein the bottom of the openings is more than 1 m below the upper edge of the riser 272.
  • the distance between the bottom of the three openings 274 and the top of the three openings 274 is preferably 1 m.
  • the riser 272 is connected to the interior of the liquid container 266 in accordance with the principle of communicating tubes. During operation, the interior of the liquid container 266 is filled with a liquid 276, preferably water, whose liquid level can be adjusted by means of the openings 274.
  • riser 272 has the same liquid level as liquid container 266, so that if the bottom of orifices 274 are opened, liquid container 266 can be filled to a liquid level 276 which is the level of the bottommost of the orifices 274 corresponds. If the bottom of the openings 274 closed, for example by means of a plug, the liquid container 266 can be filled with a higher liquid level, which corresponds to a level of the uppermost openings 274. If all openings 274 are closed, the liquid container 266 can be completely filled, wherein upon reaching the complete filling, the liquid reaches to the upper edge of the riser 272.
  • the end 278 of the gas discharge line 264 leading out of the outer container 212 is arranged inside the liquid container 266 such that this end 278 is immersed in the liquid 276.
  • the lower opening of the end 278 is spaced 2 m from the top of the openings 274 of the riser 272.
  • the immersion depth of the gas discharge line 264 into the liquid 276 is thus minimally 1 m when the bottom of the three openings 274 is opened, and a maximum of 2 m when only the top of the three openings 274 is opened.
  • a pressure of 0.1 bar in the outer container 212 is thus achieved with an immersion depth of 1 m.
  • a pressure of 0.2 bar is set in the outer container 212.
  • the pipe piece 270 is led out as described above. It is in the
  • Pipe section between the outlet on the liquid container 266 and the branch of the riser 272 a slide 280 and in the pipe section after the branching of the riser 272 a slide 282 is provided.
  • the flow through the pipe section 270 can be selectively opened or closed, in normal operation, the slide 280 is opened and the slide 282 is closed, whereby a collecting space 284 for sediments is excluded. is formed.
  • impurities contained in the biogas are filtered out by the liquid 276.
  • the pipe section 270 can be made transparent, for example by means of Plexiglas, so that the accumulation of sediments can be monitored.
  • the slide 280 can be closed and the slide 282 can be opened, so that at the lower end of the tube 270 the sediments can be emptied out of the system.
  • the slide 282 is closed and the slide 280 is opened again.
  • the filling chamber 220 can be filled from below.
  • a pipe section which connects the filling chamber 220 to the outlet of a mixing unit 286 extends through the wall of the outer container 212 in the lower section 216.
  • the output of the mixing unit 286 tapers towards the filling chamber 220, preferably by 50%.
  • the inputs of the mixing unit 286 are connected to pipes by means of which the mixing unit 286 is connected to the outputs of the seed pump 238 and a heat exchanger 288.
  • the mixing unit 286 mixes organic substances supplied from the seed pump 238 (the recirculate) and from the heat exchanger 288 (the fresh substrate), preferably in a predefined ratio that correlates at least with a fresh substrate supplied to a fresh substrate composition of the mixing unit Size depends.
  • the heat exchanger 288 has a temperature sensor 290, which is arranged near its exit and with which the temperature of the organic substrate or the fresh substrate located in the heat exchanger can be determined.
  • the heat exchanger 288 is connected on the input side to a fresh-substrate pump, which is preferably the eccentric screw pump explained above in connection with the device of FIGS. 2 to 7.
  • a slide 292 is arranged in each case, with which the respective pipe connections can be selectively opened and closed. In normal operation, all these slides 292 are opened, but it may be necessary, for example, maintenance that when replacing a component, the respective component of the component upstream and / or downstream slide 292 are closed to allow replacement of the component, without organic matter exit the system.
  • the operation of the apparatus for producing biogas from FIG. 8 or a method for producing biogas using the apparatus from FIG. 8 will be described below.
  • the first phase described above (hydrolysis or acid generator phase) and the second phase (methanation phase) of the fermentation process run time-delayed by about six hours, during which the so-called hydrolysis phase takes place during the first six hours.
  • the prepared alcohols and fatty acids must also be able to be processed in the subsequent second phase.
  • the fresh-substrate pump is controlled by means of a control, not shown, and pumps the fresh substrate into the heat exchanger 288 and from there into the mixing unit 286 and finally into the filling chamber 220 of the Biogas reactor 210. Then the fresh-substrate pump shuts off.
  • the supplied into the heat exchanger 288 fresh substrate is heated, in the present embodiment to 37 0 C, which is monitored by means of the temperature sensor 90. This heating is achieved, for example, by introducing a hot fluid into the heat exchanger 288, wherein the fluid is spatially separated from the fresh substrate. This fluid preferably has collected C.
  • the fresh substrate pump is turned on, so that a new fresh substrate is introduced into the heat exchanger 288 and the preheated Fresh substrate exiting the heat exchanger 288 and enters the mixing unit 286.
  • the vaccination pump 238 is also operated at the same time, which will be explained in more detail later.
  • the fresh-substrate pump preferably remains switched on until the temperature sensor 290 detects a temperature equal to or less than 35 ° C.
  • the fresh-substrate pump is then switched off so that the fresh organic substrate, which has not yet been preheated in the heat exchanger 288, can now be preheated until it reaches a temperature of 37 ° C. and is transported on as described above.
  • the intervals at which the organic fresh substrate is supplied may be made variable, and the fresh-substrate pump is preferably controlled not only depending on the temperature sensor 290, but also depending on the fresh-substrate composition. The same applies to the vaccum pump 238. Rather, the control by means of temperature sensor 290 is to be understood such that a basic prerequisite for the supply of the fresh substrate is that it has a minimum temperature of 35 ° C. The intervals may also be longer, as for the preheating of the fresh substrate.
  • the vaccine pump 238 serves to feed from the biogas reactor 210 discharged substrate, namely the so-called recirculate, which also has a temperature of 35 0 C, in the mixing unit 286.
  • the fresh-substrate pump and the vaccum pump 238 are operated synchronously.
  • the fresh-substrate pump and the vaccum pump 238 are actuated by a control device, for example, such that a supply to the mixing unit 286 of the aforementioned recirculate and the fresh substrate, which is produced, for example, by the devices according to FIGS. 2 to 7, at least as a function of A variable correlating with a fresh substrate composition of the fresh substrate supplied to the mixing unit 286 is made to obtain a defined mixture in the mixing unit 286.
  • the weight percent of corresponding components of the fresh substrate are determined by the control device, for example, the straw chaff, the liquid manure and the solid manure. Based on this determination, the supply of the recirculate and / or the fresh substrate to the mixing unit 286 is controlled.
  • the amount of the recirculated fluid supplied to the mixing unit 286 and the amount of the fresh substrate supplied to the mixing unit are controlled based on the detected composition of the fresh substrate.
  • the supply of the recirculate and the fresh substrate into the mixing unit 286 is controlled such that a C / N ratio of 20: 1 and a pH greater than 7 are established in the mixture in the mixing unit 286.
  • such a mixture may be subject to recirculated feed is achieved when the fresh substrate before reaching the mixing unit 286 has a dry matter content of 22% and 7% by weight straw, in particular straw chaff, and 93% by weight bovine slurry / solid manure or 15% by weight straw, in particular straw chaff, and 85% by weight pig slurry / Solid dung includes.
  • Mixing the recirculate with fresh substrate in the right proportions activates the fermentation process so that the remaining organic substances are attacked and degraded. This measure contributes significantly to the high degradation rate of the organic matter of the present process, which can be over 70% and higher.
  • Substrate in the filling chamber 220 driven by subsequent substrate, upwards.
  • the upwardly flowing in the filling chamber 220 substrate is compressed when reaching the constriction in the upper region of the filling chamber 220, so that no floating layers arise.
  • the gas mass overflowing at the overflow edge 222 falls over the overflow edge 222 into the first intermediate chamber 230. In this fall over the overflow edge 222, the digestate completely degasses. constantly upwards. In addition, any aggregates of the substrate are broken.
  • the biogas collects in the upper portion 214 of the outer container 212, as shown by dots in FIG.
  • the fermented mass moves directly from the filling chamber 220 into the second intermediate chamber 232. Rather, the filled in the first intermediate chamber 230 digestive mass moves down in this. This movement of the digestive mass downwards is driven by the refilled digestate.
  • the first intermediate chamber 230 is connected to the second intermediate chamber 232, so that the fermentation mass, which at the lower end emerges from the first intermediate chamber 230, enters the lower end of the second intermediate chamber 232. In this second intermediate chamber 232, the fermentation mass rises. Due to the principle of communicating vessels prevails in the first intermediate chamber 230 and in the second intermediate chamber 232, substantially the same level level. This filling level corresponds to the filling opening 234.
  • the fermentation mass in the second intermediate chamber 232 reaches the filling opening 234, the fermented mass falls into the return duct 236 and sinks downwards in this.
  • the height by which the substrate in the return channel 236 plunges downward depends sometimes on the pressure with which the interior of the biogas reactor 210 is acted upon. Even when falling from the second intermediate chamber 232 in the return channel 236, the biomass is completely degassed. Due to the fact that the drainage channel 242 forms a communicating tube with the return channel 236, the fill level level hangs in the drainage channel
  • the biomass is held by the heater 262 at a temperature of about 35 0 C.
  • the present process takes place in the mesophilic range (30 ° C-38 ° C), because in this area the degradation rates are higher and thus a larger amount of gas can be generated.
  • the methane bacteria present in the process are very sensitive and require as far as possible a constant temperature which is not subject to any great fluctuations.
  • the return channel 236 is reached after approximately 8 to 10 days, the substrate at this position only containing reactionless fermentation mass which is highly enriched with the predominant fermentation bacteria.
  • the biogas accumulated in the upper section 214 of the outer container 212 is kept at a constant pressure by means of the liquid container 266 and is first continuously discharged via the gas discharge line 264 into the liquid container 266 and fed from there via the gas feed line 268 to a gas storage (not shown). In this case, no pressure valves are used which would easily wear, but the pressure is kept constant over the immersion depth of 1 m to 2 m.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas aus organischen Stoffen, mit einem zumindest eine Kammer (220, 230, 232) ausbildenden Biogasreaktor (210), dem über eine Mischeinheit (286) ein definiertes Gemisch aus einem organische Stoffe aufweisenden Frischsubstrat und einem organische Stoffe aufweisenden Rezirkulat zuführbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die geeignet ist, eine Zufuhr des Rezirkulats und/oder des Frischsubstrats zur Mischeinheit (286) zumindest in Abhängigkeit von einer mit einer Frischsubstratzusammensetzung des der Mischeinheit (286) zugeführten Frischsubstrats korrelierenden Größe zu steuern, um das definierte Gemisch zu erhalten. Darüber hinaus bezieht sich die Erfindung auf ein entsprechendes Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus organischen Stoffen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus organischen Stoffen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas aus organischen Stoffen, mit einem zumindest eine Kammer ausbildenden Biogasreaktor, dem über eine Mischeinheit ein definiertes Gemisch aus einem organische Stoffe aufweisenden Frischsubstrat und einem organische Stoffe aufweisenden Rezirkulat zuführbar ist.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus organischen Stoffen durch eine Biogasanlage, die einen zumindest eine Kammer ausbildenden Biogasreaktor umfasst, dem über eine Mischeinheit ein definiertes Gemisch aus einem organische Stoffe aufweisenden Frischsubstrat und einem organische Stoffe aufweisenden Rezirkulat zugeführt wird.
Üblicherweise ist es erforderlich, so genannte Frischgärsubstrate entsprechend aufzubereiten, um diese aufbereiteten Frischgärsubstrate dann einer Biogasanlage beziehungsweise einem Biogasreaktor zur Herstellung von Biogas definiert zuzuführen. In der Biogasanlage, insbesondere in ei- nem Reaktorraum der Biogasanlage beziehungsweise des Biogasreaktors, erfolgt dann meist in mehreren miteinander gekoppelten Kammern des Reaktorraums die Erzeugung des Biogases . Ein derartiger Reaktorraum kann beispielsweise eine Einfüllkammer und mehrere Zwischenkammern umfassen. Die Vorrichtung zur Herstellung des fertig aufbereiteten Gär- Substrats beziehungsweise des Frischgärsubstrats ist üblicherweise mit der Einfüllkammer des Reaktorraums gekoppelt, wobei bevorzugt ein Wärmetauscher der Biogasanlage zwischen der Einfüllkammer und der Vorrichtung zur Herstellung des fertig aufbereiteten Gärsubstrats angeordnet sein kann, um eine geeignete Temperatur des fertig aufbereiteten Gärsubstrats für die Erzeugung des Biogases in dem Reaktorraum zu erhalten. Dem Wärmetauscher ist üblicherweise eine Mischeinheit nachgeschaltet, die somit zwischen dem Wärmetau- scher und dem Biogasreaktor beziehungsweise dem Reaktorraum angeordnet ist. Über die Mischeinheit wird dem Reaktorraum letztlich das Gemisch aus dem fertig aufbereiteten Gärsubstrat, nämlich das Frischsubstrat, und dem Rezirkulat zugeführt. Das Rezirkulat umfasst dabei organische Stoffe, die den Biogasreaktor beziehungsweise den Reaktorraum zumindest teilweise bereits durchlaufen beziehungsweise durchströmt haben und der Mischeinheit zur Erzeugung des vorgenannten Gemischs zugeführt und somit dem Biogasreaktor erneut zugeführt werden. Insbesondere handelt es sich daher bei dem Rezirkulat um vorwiegend reaktionslose organische Stoffe. Bei der Biogaserzeugung werden Anaerobbakterien dazu benutzt, organische Stoffe, die nicht mehr mit dem lebenden Organismus in Verbindung stehen, zu zersetzen und in Gas umzuwandeln. Anaerobe Bakterien sind das letzte Bindeglied im natürlichen Kreislauf und kommen in der Natur überall vor, z.B. in Mägen von Wiederkäuern oder im schwarzen Schlamm von Seen und Mooren. Bei der anaeroben Vergärung sind zunächst die fakultativen Methanbakterien und die obligaten Methanbakterien zu unterscheiden. Die organischen Stoffe, die bei der anaeroben Vergärung als Rohstoffe dienen, umfassen beispielsweise organische Stoffe oder Reststoffe aus Industrie, Gastronomie, Händel, Landwirtschaft (Gülle und Festmist) oder nachwachsende Rohstoffe (Maissi- läge, Grassilage und andere Kurzgewächse) . Diese organischen Stoffe bestehen hauptsächlich aus Kohlehydraten, Fetten und Eiweißstoffen. Die fakultativen, wahlfreien Methanbakterien können auch mit Sauerstoff leben. Diese überneh- men eine erste Phase der Aufbereitung und zerlegen die organischen Stoffe in Alkohole, Fettsäuren und deren Salze. Diese erste Phase der Aufbereitung wird als Säurebildnerphase oder Hydrolyse bezeichnet. In einer zweiten Phase ü- bernehmen die obligaten Methanbakterien die Umwandlung in Alkohole, Fettsäuren und deren Salze zu Gas. Diese zweite Phase bezeichnet man als Methanisierungsphase . Die erste und zweite Phase verläuft zeitversetzt um etwa sechs Stunden, wobei während der ersten sechs Stunden die so genannte Hydrolysephase abläuft.
Figur 1 zeigt ein Diagramm, welches den allgemeinen Verlauf der natürlichen Vergärung darstellt. Insbesondere zeigt das Diagramm den Abbau einer organischen Trockensubstanz (OTS) in Prozent in Abhängigkeit der verstrichenen Tage (Vollli- nie) . Dabei ist festzustellen, dass während der ersten zwanzig Tage der Abbau der Trockensubstanz sehr langsam in Gang kommt. Nur wenige Bakterien wie in allen organischen Abfällen vorhanden, entwickeln sich bei entsprechendem Futterangebot im logarithmischen Verhältnis (gestrichelte Li- nie) . Im gleichen Verhältnis wie sich die Bakterien entwickeln wird die organische Masse abgebaut und in Gas umgewandelt. Erstrebenswert ist ein Abbau der organischen Trockensubstanz von 70 Prozent, jedoch wird dies gemäß dem Diagramm aus Figur 1 im natürlichen Gärprozess erst nach 40 Tagen annähernd erreicht.
Biogasanlagen haben zum Ziel, ein Umfeld für die organische Vergärung zu schaffen, welches ermöglicht, dass diese orga- nische Vergärung deutlich beschleunigt wird. Jedoch besteht allgemein in der Biogastechnik die Problematik, insbesondere bei den dem Stand der Technik angehörenden Biogasanlagen, dass insbesondere die anaeroben Abläufe in diesen Bio- gasanlagen nicht in dem beabsichtigten beziehungsweise angestrebten Ausmaß auftreten. Damit derartige anaerobe Abläufe beziehungsweise Prozesse, insbesondere im Rahmen einer anaeroben Biozönose, in geeignetem Ausmaß ablaufen, ist es zum einen erforderlich, gewissen Rahmenbedingungen in der Biogasanlage geeignet festzulegen. Zum anderen ist die Zusammensetzung des fertig aufbereiteten Gärsubstrats (Gärmasse) , das Frischsubstrat, von besonderer Bedeutung, um die anaeroben Abläufe in den Biogasanlagen zu begünstigen. Das heißt, bereits bei der Herstellung des für die Biogas- anläge aufbereiteten Substrats beziehungsweise des Frischsubstrats ist insbesondere auf dessen Zusammensetzung zu achten, um anschließend in den Biogasanlagen unter Beimischung des Rezirkulats die angestrebten anaeroben Prozesse zu erzielen. Allgemein ist bekannt, das im Zusammenhang mit der Zusammensetzung des Substrats auf ein ausgewogenes Verhältnis von Kohlenstoff und Stickstoff (C/N-Verhältnis) zu achten ist; konkrete Angaben darüber, in welchem verbindlichen ausgewogenen C/N-Verhältnis diese beiden Stoffe beziehungsweise chemischen Elemente in dem Substrat vorliegen müssen, wurden bislang nicht gemacht. Lediglich bestehen ungenaue Angaben dahingehend, dass C/N-Verhältnisse zwischen 10 bis 30 anzustreben sind. Ferner wurde in diesem Zusammenhang auch festgestellt, dass bei Unterschritten o- der Überschritten dieser C/N-Verhältnisse Hemmungen im Hin- blick auf eine Bakterienkultur mit aller Wahrscheinlichkeit auftreten. Da sämtliche organischen Stoffe zumindest drei Grundbaustoffe, nämlich Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße, umfassen, liegen die beiden chemischen Elemente Kohlenstoff C und Stickstoff N in jedem Fall auch im Substrat beziehungsweise der Gärmasse vor. Jedoch ist es äußerst problembehaftet, die Mengen von Kohlenstoff C und Stickstoff N der einzelnen organischen Massen in den Substraten abzuschät- zen, so dass folglich auch ein exaktes Mischen der einzelnen organischen Massen beziehungsweise Stoffe des Substrats zur Erzielung einer bestimmten punktgenauen Zusammensetzung des Substrats äußerst schwer ist. Zur Erreichung dieser bestimmten punktgenauen Zusammensetzung müsste das entspre- chende Substrat beispielsweise im Labor analysiert werden, um über dessen Zusammensetzung Kenntnis zu erlangen und darauf basierend weitere Mischschritte vorzunehmen. Derartige Laboranalysen sind jedoch sehr aufwändig und daher äußerst kostspielig. Weiterhin stehen Resultate solcher La- boranalysen erst nach einer langen Zeitspanne, üblicherweise erst nach ungefähr 3 Wochen, zur Verfügung, in der sich das Substrat bereits nachhaltig auswirkend im Hinblick auf die anaeroben Prozesse verändert haben kann.
Übliche Substrate werden gemäß dem Stand der Technik beispielsweise auf der Basis von Silomais, ein Lebensmittel, das bei der Ernte als Häcksel gewonnen wird, hergestellt.
Insbesondere ergeben sich aus den dem Stand der Technik an- gehörenden Vorrichtungen zur Herstellung des fertig aufbereiteten Gärsubstrats Probleme dahingehend, dass das fertig aufbereitete Gärsubstrat beziehungsweise das Frischsubstrat insbesondere nicht hinreichend für den anaeroben Gärprozess in der Biogasanlage aufbereitet wird, was sich nachhaltig auf die anaerobe Symbiose in dem Reaktorraum der Biogasanlage auswirkt. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die gattungsgemäßen Vorrichtungen zur Erzeugung von Biogas und die gattungsgemäßen Verfahren zur Biogaserzeugung derart weiterzubilden, dass eine höhere Gasausbeute erreicht wer- den kann.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas aus organischen Stoffen baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die geeignet ist, eine Zufuhr des Rezirkulats und/oder des Frischsubstrats zur Mischeinheit zumindest in Abhängigkeit von einer mit einer FrischsubstratZusammensetzung des der Mischeinheit zugeführten Frischsubstrats kor- relierenden Größe zu steuern, um das definierte Gemisch zu erhalten. Vorzugsweise wird der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein fertig aufbereitetes Gärsubstrat beziehungsweise Frischsubstrat aus Stroh und Tierexkrementen zugeführt, insbesondere der Mischeinheit der erfindungsgemäßen Vor- richtung, die weitestgehend störstofffrei sind. Das der zumindest einen Kammer des Biogasreaktors zugeführte fertig aufbereitete Gärsubstrat wird vorzugsweise über die Mischeinheit mengengesteuert in Zyklen im Kreislauf gepumpt und dadurch zirkuliert. Dieser mengengesteuerte Kreislaufzyklus lässt sich wahlweise und gezielt zwischen zwei Zugabezyklen von fertig aufbereitetem Gärsubstrat einfädeln. Die im Kreislauf in dem Biogasreaktor gepumpte Gärsubstratmenge beziehungsweise das Rezirkulat ist klar definiert, wobei der Kreislauf an der Mischeinheit endet, bei der dem Biogasreaktor das Gemisch aus dem fertig aufbereiteten Gärsubstrat beziehungsweise Frischsubstrat und dem Rezirkulat wieder zugeführt wird. So ist gewährleistet, dass die anae- robe Symbiose nicht gestört oder beeinträchtigt wird. Beispielsweise kann das Frischsubstrat beziehungsweise das fertig aufbereitete Frischsubstrat durch einen Freifallmischer hergestellt werden. So erfolgt die Befüllung des Freifallmischers vorzugsweise mit Strohhäcksel und dünn- flüssiger Gülle sowie Festmist (insbesondere Tierexkremente) oder anderen organischen Stoffen. Eine drehbare Trommel des Freifallmischers wird hydraulisch abdichtend oder flu- iddicht durch eine Vollklappe geschlossen. Danach erfolgt eine kurze Mischphase, in der die Flüssigkeit, insbesondere die dünnflüssige Gülle, von den Feststoffen wie dem Festmist und den Tierexkrementen vollständig gebunden wird. Anschließend erfolgt ein Absaugvorgang mittels einer rotierenden Vakuumpumpe bis auf ca. 913mbar. Damit ist die Anae- robphase eingeleitet und das Frischgärsubstrat wird mittels einer Exenterschneckenpumpe in den der Biogasanlage vorgeschalteten geschlossenen Wärmetauscher gepumpt und auf Reaktortemperatur erwärmt und temperaturgesteuert in den Biogasreaktor beziehungsweise den Reaktorraum über die Mischeinheit gepumpt. Gleichzeitig wird Rezirkulat nach Rezeptur dem Frischgärsubstratstrom in der Mischeinheit zugeführt, so dass in dem Reaktorraum dann ein für Anaerobbakterien bevorzugtes Milieu herrscht. Insbesondere erfolgt dabei die Zugabe des Rezirkulat in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Frischsubstrats, die von der Steuereinrichtung er- mittelt wird; ebenso denkbar ist aber auch, dass die Steuereinrichtung fortwährend die Zusammensetzung des aufbereiteten Frischsubstrats erfasst und bei Änderungen beziehungsweise Schwankungen der Frischsubstratzusammensetzung die Zugabe des Rezirkulats in die Mischeinheit fortwährend anpasst. In Kenntnis der Zusammensetzung des Frischsubstrats kann beispielsweise auf Grundlage von Kennlinien, die durch Versuche ermittelt werden, die mengengesteuerte Zugabe des Rezirkulats und/oder des Frischsubstrats genau definiert beziehungsweise vorgegeben werden. Beispielsweise lässt sich durch Versuche ermitteln, welches C/N-Verhältnis in dem Frischsubstrat bestimmter Menge bei bestimmten Frischsubstratzusammensetzungen vorliegt und in Kennlinien erfassen. Basierend auf diesen Kennlinien kann somit durch weitere Versuche ermittelt werden, welche Mengen von Rezir- kulat der bestimmten Menge von Frischsubstrat in der Mischeinheit beizumischen sind, um das gewünschte C/N-Verhältnis zu erhalten. Besonders bevorzugt wird durch diese Steuerung ein Gemisch aus Frischsubstrat und Rezirkulat erzeugt, das ein C/N-Verhältnis im Bereich von 15:1 bis 25:1, bevorzugt 19:1 bis 21:1 und besonders bevorzugt von 20 : 1 aufweist. Dabei weist dieses Gemisch dieses C/N-Verhältnis nach dem Zusammenmischvorgang des Frischsubstrats und des Rezirku- lats in der Mischeinheit unmittelbar vor Eintritt in den
Biogasreaktor auf. Besonders bevorzugt weist dieses Gemisch dann einen pH-Wert von größer 7 auf. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann jedes benötigte fertig aufbereitete Gärsubstrat hergestellt werden. Dabei können beispielsweise Schweinegülle, Hühnergülle oder andere organische Abfallstoffe verwendet werden. Entscheidend sind in diesem Zusammenhang beispielsweise die Rezeptur beziehungsweise die Zusammensetzung des Frischgärsubstrats sowie die Menge des zugeführten Rezirkulats. Um ein Gemisch in der Mischeinheit zu erhalten, das das besonders bevorzugte C/N-Verhältnis von 20:1 aufweist und einen pH-Wert von größer als 7 hat, sind insbesondere die folgenden Zufuhrmengen beziehungsweise Zufuhrverhältnisse sowie Frischsubstratzusammensetzungen denkbar, die durch die Steuereinrichtung auf der Grundlage der Kennlinien eingestellt werden können. Bei einem täglichen Eintrag in den Biogasreaktor von 12 Tonnen (12 t/d) Frischsubstrat wird eine Zusammensetzung des Frischsub- strats von 10,75 Tonnen/Tag Rindergülle und 1,245 Tonnen/Tag Stroh eingestellt. Dies entspricht in Gewichtsanteilen 89,60 Gewichtsprozent Rindergülle und 10,40 Gewichtsprozent Stroh, insbesondere Strohhäcksel. Ein derartiges Frischsubstrat weist dann in etwa ein C/N-Verhältnis von 46,6:1 auf. Anhand der vorgenannten Kennlinien steuert die Steuereinrichtung die Rezirkulatzufuhr in die Mischeinheit, die in etwa zu 5,7 Tonnen/Tag (t/d) festgelegt wird, wodurch in der Mischeinheit das besonders bevorzugte C/N- Verhältnis von 20:1 in dem Gemisch aus Frischsubstrat und Rezirkulat erzielt wird. Im Falle einer Frischsubstratzusammensetzung aus 9,6 t/d Rindergülle, 0,9 t/d Stroh und 1,5 t/d Rindermist, d.h. 80 Gewichtsprozent Rindergülle,
7.5 Gewichtsprozent Stroh und 12,5 Gewichtsprozent Rindermist, wird eine Rezirkulatzufuhr von 4,7 t/d in die Misch- einheit durch die Steuereinrichtung eingestellt, um das C/N-Verhältnis von 40,40:1 in dem Frischsubstrat auf ein C/N-Verhältnis von 20:1 in dem Gemisch aus dem Frischsubstrat und dem Rezirkulat einzustellen. Im Falle einer Frischsubstratzusammensetzung aus 10,75 t/d Schweinegülle und 1,245 t/d Stroh, d.h. 89,60 Gewichtsprozent Schweingülle und 10,40 Gewichtsprozent Stroh, wird eine Rezirkulatzufuhr von 2 , 9 t/d in die Mischeinheit durch die Steuereinrichtung eingestellt, um das C/N-Verhältnis von 33,14:1 in dem Frischsubstrat auf ein C/N-Verhältnis von 20:1 in dem Gemisch aus dem Frischsubstrat und dem Rezirkulat einzustellen. Im Falle einer Frischsubstratzusammensetzung aus
9.6 t/d Schweinegülle, 0,9 t/d Stroh und 1,5 t/d Schweinemist, d.h. 80 Gewichtsprozent Schweingülle, 7,5 Gewichts- prozent Stroh und 12,5 Gewichtsprozent Schweinemist, wird eine Rezirkulatzufuhr von 1,4 t/d in die Mischeinheit durch die Steuereinrichtung eingestellt, um das C/N-Verhältnis von 25,0:1 in dem Frischsubstrat auf ein C/N-Verhältnis von 20:1 in dem Gemisch aus dem Frischsubstrat und dem Rezirku- lat einzustellen. Die einigen wenigen vorangehenden Werte sind dabei durch umfangreiche Versuche ermittelt worden, wobei die Substratzusammensetzungen in diesem Fall anhand eines Freifallmischers unter Absaugung von Luft erzielt wurden .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann in vorteilhafter Weise derart weitergebildet werden, dass die Steuereinrichtung geeignet ist, Gewichtsprozente von entsprechenden Komponen- ten des Frischsubstrats zu ermitteln und auf der Grundlage dieser Ermittlung die Zufuhr des Rezirkulats und/oder des Frischsubstrats zur Mischeinheit zu steuern. Beispielsweise kann bei Verwendung des Vertikalmischers eine Wiegeeinrichtung vorgesehen sein, über die das entsprechende Gewicht des zugeführten Strohhäcksels und der Gülle sowie des
Festmists ermittelt werden kann; beispielsweise dadurch, dass die Zufuhr von Strohhäcksel und Gülle/Festmist zeitlich versetzt erfolgt, so dass fortlaufend eine entsprechende Gewichtszunahme des in dem Vertikalmischer befindli- chen Frischgärsubstratgemischs ermittelt werden kann und dadurch auf die prozentualen Anteile der entsprechenden Gärsubstratkomponenten geschlossen werden kann. Vorzugsweise ist die Wiegeeinrichtung programmierbar und berührungs- los an dem Vertikalmischer montiert. Unverfälschte Daten sind somit gewährleistet. Zusätzlich kann auch der Gärsubstrat-Mixer beziehungsweise die Mischeinheit eine Wiegeeinrichtung aufweisen, die an einen Steuerkreis angeschlossen ist und dazu eingerichtet ist, einen Datenaustausch mit ei- ner Steuereinrichtung, beispielsweise eines Personal Computers (PC) , durchzuführen. Insbesondere kann die Befüllung des Vertikalmischers nach Gewicht bei Stroh und Festmist sowie nach Durchflussmenge bei der dünnflüssigen Gülle, woraus sich dessen Gewicht herleiten lässt, vorgenommen werden. Eine Entleerung des Vertikalmischers kann beispielsweise über eine DrehzahlSteuerung zur Exenterschne- ckenpumpe, die wiederum mit dem Wärmetauscher gekoppelt ist, erfolgen. Sämtliche aus dem Stand der Technik bekannte Einrichtungen zur direkten oder indirekten Erfassung des Gewichts oder der Gewichtsanteile der Komponenten des Frischsubstrats können verwendet werden, so dass die genaue FrischsubstratZusammensetzung ermittelt werden kann.
Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet werden, dass die Steuereinrichtung geeignet ist, die Zufuhr des Rezirkulats und/oder des Frischsubstrats zur Mischeinheit derart zu steuern, dass sich in dem definierten Gemisch ein C/N-Verhältnis von 20:1 einstellt. Wie be- reits erwähnt wird das C/N-Verhältnis von 20:1 besonders bevorzugt und trägt in besonders vorteilhafter Weise zu einer erhöhten Gasausbeute in der Biogasanlage bei, wie durch Versuche nachgewiesen wurde. Jedoch sind auch C/N- Verhältnisse im Bereich von 15:1 bis 25:1, bevorzugt 19:1 bis 21:1, im Hinblick auf die Gasausbeute tolerierbar. Dabei weist dieses Gemisch, wie bereits erwähnt, dieses C/N- Verhältnis nach dem Zusammenmischvorgang des Frischsubstrats und des Rezirkulats in der Mischeinheit unmittelbar vor Eintritt in den Biogasreaktor auf .
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung derart verwirklicht werden, dass die Steuereinrichtung geeignet ist, die Zufuhr des Rezirkulats und/oder des Frischsub- strats zur Mischeinheit derart zu steuern, dass sich in dem definierten Gemisch ein C/N-Verhältnis von 20:1 und ein pH- Wert, der größer als 7 ist, einstellen. Insbesondere wird bei dem Mischvorgang in der Mischeinheit das Ziel verfolgt, Gärsubstratgemische beziehungsweise definierte Gemische in der Mischeinheit aus Stroh, dünnflüssiger Gülle und Tierexkrementen herzustellen, die nach den Erfordernissen der Biologie unter Berücksichtigung der vorgenannten Rahmenbedingungen erfolgen. Dabei handelt es sich insbesondere um definierte Substratgemische aus dem Frischsubstrat und dem Rezirkulat mit einem pH-Wert > 7 und einem C/N-Verhältnis von 20:1. Das so entstehende definierte Gemisch erfüllt die Kriterien der Biologie, weil durch die Rezeptur beziehungsweise die gesteuerte Zufuhr in die Mischeinheit das Ver- hältnis von Kohlenstoff : Stickstoff von 20:1 vorliegt und einen pH-Wert aufweist, der größer als 7 ist. So ist ein wichtiger Baustein für die Rahmenbedingungen im Gärprozess geschaffen. Der Biogasprozess nach den Kriterien des pH- Werts von größer 7 und dem C/N-Verhältnis von 20:1 beinhal- tet das Milieu für eine optimal ablaufende Biozönose in einer anaeroben Symbiose. Hierin bestimmen Methanbakterien den Biogasprozess . Methanbakterien besitzen antibiotische Kräfte, die in dem von ihnen beherrschten Bereich alle anderen Mikroorganismen und darunter selbst pathogene Keime in ihrer Lebensfähigkeit stark beeinträchtigen oder gar vernichten.
Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so ausgestaltet werden, dass das Frischsubstrat vor Erreichen der Mischeinheit einen Trockensubstanzgehalt von 22% aufweist und 7 Gewichtsprozent Stroh, insbesondere Strohhäcksel, und 93 Gewichtsprozent Rindergülle/Festmist oder 15 Gewichtsprozent Stroh, insbesondere Strohhäcksel, und 85 Gewichts- prozent Schweinegülle/Festmist umfasst. Insbesondere wird somit das große Potential von Tierexkrementen, d.h. Gülle und Festmist, sowie Stroh zu einem gärfähigen Substrat nach den Erfordernissen einer gut funktionierenden Biozönose ge- nutzt. Dabei sind die einzelnen Anteile des fertig aufbereiteten Frischsubstrats bereits vor Erreichen der Mischeinheit klar definiert. Das fertig gemischte und aufbereitete Frischsubstrat entspricht der nach Rezept erstellten Mischung und wird mengengesteuert über eine geschlossene Exenterschneckenpumpe der Mischeinheit zugeführt, wobei das Frischsubstrat vor Erreichen der Mischeinheit vorzugsweise den der Biogasanlage zugeordneten Wärmetauscher durchläuft . In der Mischeinheit wird dem Frischsubstrat das Rezirkulat zugeführt, so dass das daraus entstehende Gemisch einen pH- Wert von größer 7, vorzugsweise von 7,4, aufweist. Beispielsweise weist das Frischsubstratgemisch 7 Gewichtsprozent Stroh und 93 Gewichtsprozent Rindergülle/Festmist auf. Ein Frischsubstrat aus Schweinegülle hat vorzugsweise einen pH-Wert von 7,6 und weist vorzugsweise 15 Gewichtsprozent Stroh und 85 Gewichtsprozent Schweinegülle/Festmist auf.
Die Zusammenmischung in der Mischeinheit erfolgt immer nach ' den Kriterien des pH-Werts und nach den Erfordernissen des durch Versuche ermittelten besonders vorteilhaften C/N- Verhältnisses von 20:1. Dabei wird das punktgenaue Verhält- nis des Gemischs in der Mischeinheit beispielsweise im
Frischsubstrat durch den Zugabestrom beziehungsweise das Einmischen des Rezirkulats in die Mischeinheit erzielt. Anschließend erfolgt die Zufuhr des Gemischs in der Mischeinheit in den Biogasreaktor. Bevorzugt wird zur Herstellung des fertig aufbereiteten Frischsubstrats Häcksel verwendet, insbesondere nachwachsende Rohstoffe, vornehmlich Getreidestroh. Jedoch kann jede Art von Häcksel, insbesondere Pflanzenstroh, und Gülle bei dem erfindungsgemäßen Verfah- ren verwendet werden. Insbesondere können folgende organische Stoffe zur Herstellung des fertig aufbereiteten Gärsubstrats beziehungsweise des Frischsubstrat verwendet werden: Wirtschaftsdünger, wie beispielsweise Gülle und Fest- mist, nachwachsende Rohstoffe, wie beispielsweise Maissilage, Grassilage, Getreidekörner, organische Söffe der weiterverarbeitenden Agrarindustrie, organische Reststoffe aus Kommunen und Schlachtrückstände sowie Grün- und Rasenschnitte. Besonders bevorzugt ist jedoch die Verwendung von Tierexkrementen in der Form von Festmist unter Zufuhr von dünnflüssiger Gülle sowie Strohhäcksel, so dass diese organischen Stoffe zu einem gärfähigen fertig aufbereiteten Gärsubstrat beziehungsweise Frischsubstrat nach den Erfordernissen einer gut funktionierenden Biozönose aufbereitet, insbesondere gemischt, werden können. Dabei sind die einzelnen Anteile des Substrats klar definiert. Insbesondere die zielgerichtete Zerkleinerung von Stroh zu Strohhäcksel ist vorteilhaft, um die Bedingungen für ein gärfähiges Substrat beziehungsweise Frischsubstrat zu schaffen. Vorteil- haft ist besonders, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren kleine landwirtschaftliche Betriebe teilnehmen können, die Festmist liefern und gehäckseltes Stroh empfangen können. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass als Häcksel Pflanzenstroh verwendet wird, das mit der Gülle und dem Festmist vermengt wird, um das Frischsubstrat beziehungsweise das fertig aufbereitete Gärsubstratgemisch zu erhalten.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus organischen Stoffen baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass eine Zufuhr des Rezirkulats und/oder des Frischsubstrats zur Mischeinheit zumindest in Abhängigkeit von einer mit einer Frischsubstratzusammenset- zung des der Mischeinheit zugeführten Frischsubstrats korrelierenden Größe gesteuert wird, um das definierte Gemisch zu erhalten. Dadurch ergeben sich die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erläuterten Vorteile auf gleiche oder ähnliche Weise, weshalb zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen wird.
Gleiches gilt sinngemäß für die folgenden bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, weshalb auch diesbezüglich zur Vermeidung von Wiederholungen auf die entsprechenden Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwiesen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in vorteilhafter Weise derart weitergebildet werden, dass Gewichtsprozente von entsprechenden Komponenten des Frischsubstrats ermittelt werden und auf der Grundlage dieser Ermittlung die Zufuhr des Rezirkulats und/oder des Frischsubstrats zur Mischeinheit gesteuert wird.
Weiterhin kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgeführt werden, dass die Zufuhr des Rezirkulats und/oder des Frischsubstrats zur Mischeinheit derart gesteuert wird, dass sich in dem definierten Gemisch ein C/N-Verhältnis von 20:1 einstellt.
Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Verfahren derart verwirklicht werden, dass die Zufuhr des Rezirkulats und/oder des Frischsubstrats zur Mischeinheit derart gesteuert wird, dass sich in dem definierten Gemisch ein C/N- Verhältnis von 20:1 und ein pH-Wert, der größer als 7 ist, einstellen.
Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren so ausgestaltet werden, dass das Frischsubstrat vor Erreichen der Mischeinheit so ausgebildet wird, dass es einen Trockensubstanzgehalt von 22% aufweist und 7 Gewichtsprozent Stroh, insbesondere Strohhäcksel, und 93 Gewichtsprozent Rindergülle/Festmist oder 15 Gewichtsprozent Stroh, insbesondere Strohhäcksel, und 85 Gewichtsprozent Schweinegülle/Festmist umfasst .
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein Diagramm, welches den allgemeinen Verlauf der natürlichen Vergärung darstellt;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung eines Frischsubstrats in einer
Seitenansicht ;
Figur 3 eine schematische Darstellung der Vorrichtung von Figur 2 in einer Draufsicht;
Figur 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung ei- nes Frischsubstrats in einer Draufsicht; Figur 5 eine schematische Darstellung einer weiteren
Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung eines Frischsubstrats in einer Seitenansicht;
Figur 6 eine schematische Darstellung der Vorrichtung von Figur 5 in einer weiteren Seitenansicht;
Figur 7 eine schematische Darstellung der Vorrichtung von
Figur 5 in einer Draufsicht; und
Figur 8 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist .
Figur 2 zeigt eine schemätische Darstellung einer Vorrichtung 10 zur Herstellung eines fertig aufbereiteten Gärsubstrats beziehungsweise eines Frischsubstrats in einer Seitenansicht. Hingegen zeigt Figur 3 eine schematische Dar- Stellung der Vorrichtung 10 von Figur 2 in einer Draufsicht. Die Vorrichtung 10 zur Herstellung des fertig aufbereiteten Gärsubstrats beziehungsweise des Frischsubstrats, das anschließend einer später näher erläuterten Biogasanlage beziehungsweise einem Biogasreaktor zugeführt wird, um- fasst in diesem Fall einen Freifallmischer 12, der nach Art eines an sich bekannten Betonmischers mit drehbarer Trommel (Trommelmischer) ausgebildet ist. Insbesondere handelt es sich um einen stationären Betonmischer in den Größenklassen von 6 m3 bis 15 m3 Nennfüllung. So umfasst der Freifallmi- scher insbesondere die lediglich schematisch dargestellte drehbare Trommel, deren Ein- und Auslassöffnung verschwenkt werden kann. Die Trommel kann dabei derart in eine Zuführ- und Abführstellung verschwenkt werden, dass ihr das Gärsub- strat über die Ein- und Auslassöffnung zugeführt werden kann. Weiterhin kann die Trommel in eine Mischstellung verschwenkt werden, bei der der eigentliche später näher erläuterte Mischprozess stattfindet. Zu diesem Zweck sind in- nerhalb der Trommelwand meist schräg positionierte Schaufeln angebracht, die in Mischpositionierung das zugeführte Gärsubstrat anheben können, das dann durch Schwerkrafteinwirkung wieder nach unten fällt. Bei geänderter Trommeldrehrichtung fördern die Schaufeln das Gärsubstrat zur Ein- und Auslassöffnung und zusammen mit der Verschwenkung der der Trommel in die Zuführ- und Abführstellung wird die Entleerung der Trommel bewirkt. Der Freifallmischer 12 ist weiterhin mit einer hydraulisch abdichtenden beziehungsweise fluiddichtenden Klappe verschließbar, die zum Öffnen und Schließen der Ein- und Auslassöffnung der Trommel geeignet ist. Darüber hinaus ist der Freifallmischer 12 derart modifiziert, dass durch in die Trommel mündende Saugstutzen an der Vollverschlussklappe beziehungsweise der Klappe eine normal rotierende Vakuumpumpe angeschlossen ist.
Unmittelbar an der Ein- und Auslassöffnung der Trommel des Freifallmischers 12 ist ein Übergabetrichter 14 angeordnet, in den eine Strohgebläseleitung 16 zur Zufuhr von zerkleinertem Stroh (Strohhäcksel) und eine Frischgüllezuführlei- tung 18 zur Zufuhr von Frischgülle in den Übergabetrichter 14 münden. Weiterhin ist eine Fördereinrichtung 20 mit einem Förderband vorgesehen, das an deren einem Endabschnitt an einer Oberkante des Übergabetrichters 14 endet und sich mit deren anderem Endabschnitt in einem Trichter 22 zur Aufbewahrung von Festmist erstreckt. Dadurch ist über die Fördereinrichtung 20 Festmist von dem Trichter 22 in den Übergabetrichter 14 förderbar. Ferner ist eine in den Übergabebehältergrund beziehungsweise Übergabebehälterboden mündende Abführleitung vorgesehen, über die mittels einer Exzenterschneckenpumpe 24 das fertig aufbereitete Gärsubstrat beziehungsweise das Frischsubstrat in einen Wärmetauscher der später näher erläuterten Biogasanlage abführbar ist.
Das Verfahren zur Herstellung des fertig aufbereiteten Gärsubstrats beziehungsweise des Frischsubstrats, das einer später näher erläuterten Mischeinheit des Biogasreaktors zugeführt wird, anhand der Vorrichtung 10 gestaltet sich wie folgt. Bei dem Verfahren werden zur Herstellung des Gärsubstrats in diesem Fall Strohhäcksel und Tierexkremente in der Form von Festmist sowie dünnflüssige Gülle verwendet. Andere organische Stoffe zur Mischung sind jedoch auch denkbar. Zunächst wird über die Strohgebläseleitung 16 geschreddertes Stroh beziehungsweise Strohhäcksel in den Freifallmischer 12 eingeblasen. Dabei kann das Strohhäcksel beispielsweise von einem nicht dargestellten Strohschredder mit elektrischem Antrieb herrühren und über ein Gebläse in die Strohgebläseleitung 16 eingeblasen werden, die das
Strohhäcksel dem Freifallmischer 12 zuführt. Insbesondere werden bei der Herstellung des Strohhäcksels Rundstrohballen mit einem Durchmesser bis zu 1,5 m und/oder Quaderballen verwendet und derart geschreddert , dass die Strohhäck- seilänge in etwa 10 -25mm, bevorzugt 10mm, 12mm oder 18 mm beträgt . Das Häckselgut wird somit direkt vom Strohschredder über die Strohgebläseleitung 16 in den Freifallmischer 12 geblasen, wobei nahezu gleichzeitig oder kurz verzögert eine Beaufschlagung von Frischgülle über die Frischgüllezu- führleitung 18 und eine Förderung von Festmist über die
Fördereinrichtung 20 erfolgt. Anschließend wird der Frei- fallmischer zum Mischen der organischen Stoffe in der Trommel betrieben und in dessen Mischstellung verfahren. Dieser Zuführvorgang der organischen Stoffe wird beispielsweise über eine an dem Freifallmischer 12 vorgesehenen Wiegeeinrichtung kontrolliert und so gesteuert, dass ein gewünschtes Mischungsverhältnis von Gülle/Festmist zu Strohhäcksel eingestellt werden kann. Dabei werden die ermittelten Gewichtsanteile der Gülle, des Festmists sowie des Strohhäcksel beispielsweise in einem Speicher abgelegt, so dass die genaue Zusammensetzung des Frischsubstrats, insbesondere die Gewichtsprozente der Komponenten des Frischsubstrats, zu jedem Zeitpunkt feststellbar und abrufbar ist. Insbesondere kann eine Dosierung der einzelnen Substratkomponenten, nämlich die Befüllung der Trommel des Freifallmischers mit Stroh nach Gewicht und mit Gülle nach Durchflussmenge vorgenommen werden. Darüber hinaus kann die Fördermenge von Festmist ebenso über die Fördereinrichtung 20 eingestellt werden. Eine entsprechende Entleerung der Trommel kann über eine Drehzahlsteuerung der Exenterschneckenpumpe erfolgen. Alternativ kann aber auch eine Füllstandsmessung in der Trommel oder in dem Übergabebehälter vorgenommen werden. In dem Freifallmischer 12 lässt sich jede gewünschte Frisch- substratmischung wirkungsvoll herstellen, wobei gleichzeitig gewährleistet ist, dass die zugeführte Frischgülle von den Feststoffen,, wie Festmist und dem Strohhäcksel, vollständig gebunden wird und die in den Feststoffen befindli- che Luft entweicht. Danach erfolgt eine kurze Mischphase, in der die Flüssigkeit von den Feststoffen vollständig gebunden wird. Anschließend wird die Klappe der Trommel geschlossen und es erfolgt ein Absaugvorgang mittels einer fluidtechnisch mit der Trommel gekoppelten rotierenden Va- kuumpumpe . Dadurch wird die Anaerobphase des Frischgärsubstrats eingeleitet. Luft sammelt sich insbesondere über dem Frischgärsubstrat in der Trommel des Freifallmischers an und wird mit der an der Trommel vorgesehenen normal rotie- renden Vakuumpumpe abgesaugt, so dass der in der Trommel herrschende Atmosphärendruck von 1013,25 mbar um lOOmbar auf 913mbar verringert wird. Das fertig gemischte Frischsubstrat entspricht der gewünschten Frischgärsubstratmi- schung, die Trommel wird über die Klappe geöffnet, die Drehrichtung der Trommel wird zum Entleeren der Trommel eingestellt und das Gärsubstratgemisch wird mengengesteuert über den Übergabetrichter 14 der Exenterschneckenpumpe 24 zugeführt, die die gewünschte Frischgärsubstratmischung in den der später näher erläuterten Biogasanlage vorgeschalteten Wärmetauscher fördert . Das so entstandene aufbereitete Gärsubstrat beziehungsweise Frischsubstrat hat dann einen pH-Wert von 7,4 und besteht aus 7 Gewichtsprozent Stroh und 93 Gewichtsprozent Gülle/Festmist; bevorzugt wird Rinder- gülle verwendet. Ebenso kann das Gärsubstrat aber auch aus Schweinegülle hergestellt werden, die einen pH-Wert von 7,6 hat, wobei das Frischsubstrat dann aus 15 Gewichtsprozent Stroh und 85 Gewichtsprozent Schweinegülle/Festmist besteht. Die Frischsubstratmischung kann ebenso aus mehreren und verschiedenen Tierexkrementen sowie aus Festmist und
Stroh bestehen. Die Zusammenmischung erfolgt immer nach den vorgegebenen Rahmenbedingungen des pH-Werts und nach dem bestimmten gewünschten C/N-Verhältnis, wobei zumindest das exakte C/N-Verhältnis dann unter Zugabe eines Rezirkulats in einer Mischeinheit der später näher erläuterten Biogas - anläge eingestellt wird.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung zur Herstellung eines Frischgärsubstrats in einer Draufsicht. Bei der Beschreibung dieser Ausführungsform wird im Folgenden zur Vermeidung von Wiederholung lediglich auf die Unterschiede zur ersten Ausführungsform eingegangen. Dabei werden zur ersten Ausführungsform gleiche oder ähnliche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In diesem Fall umfasst die Vorrichtung 10 zwei Freifallsmischer 12, wobei ein Strohschredder 26 den beiden Freifallmischern 12 über ein Gebläse 28 und eine Strohgebläseleitung 16 Strohhäcksel zuführen kann. Dabei ist in der Strohgebläseleitung 16 eine Verzweigung vorgesehen, bei der sich die Strohgebläseleitung 16 zu den beiden Freifallmischern 12 verzweigt. Insbesondere ist eine fluidtechnische Weiche an der Verzweigung vorgesehen, über die sich die Zufuhr des Strohhäcksels zu den beiden Freifallmischern einstellen lässt. Darüber hinaus ist eine Frischgüllezuführleitung 18 vorgesehen, die analog zur Strohgebläseleitung 16 ebenso eine Verzweigung aufweist, an der sich die Frischgüllezuführleitung 18 zu den beiden Freifallmischern 12 verzweigt, wodurch beide Freifallmischer 12 mit Gülle beaufschlagt werden können. Ferner ist eine Austragsschurre beziehungsweise eine Befül- lungseinrichtung 14 in Analogie zu dem Übergabebehälter 14 der ersten Ausführungsform vorgesehen, über die die Frisch- gärsubstratmischung von den Freifallmischern 12 einer Exzenterschneckenpumpe 24 zuführbar ist, um die Frischgärsub- stratmischung über eine Leitung 30 dem Wärmetauscher der später näher erläuterten Biogasanlage zuzuführen.
Das Verfahren kann bei der zweiten Ausführungsform sinngemäß wie bei der ersten Ausführungsform durchgeführt werden, lediglich mit dem Unterschied, dass zwei Freifallmischer befüllt und entleert werden müssen, um das fertig aufbereitete Gärsubstratgemisch beziehungsweise das Frischsubstrat in der gewünschten Gärsubstratmenge zu erzielen.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung 100 zur Herstellung eines fertig aufbereiteten Gärsubstrats beziehungsweise eines Frischsubstrats in einer Seitenansicht. Weiterhin zeigt Figur 6 eine schematische Darstellung der Vorrichtung 100 von Figur 5 in einer weiteren Seitenansicht, während Figur 7 eine schematische Darstellung der Vorrichtung 100 von Figur 5 in einer Draufsicht zeigt. Bei dieser Ausführungsform um- fasst die Vorrichtung 100 zumindest einen aus dem Stand der Technik bekannten Vertikalmischer 112, insbesondere zwei Vertikalmischer 112, mit beispielsweise jeweils zwei Misch- Schnecken beziehungsweise Vertikalmischschnecken 136 wobei die Vertikalmischer 112 jedoch auf bestimmte Weise modifiziert sind, wie nachstehend beispielhaft an einem der Vertikalmischer 112 erläutert wird. Der Vertikalmischer 112 umfasst einen Behälter 138 sowie einen daran schwenkbar an- gebrachten modifizierten Deckel 134 mit zwei Entlüftungsöffnungen 133 und einer Saugöffnung 132, an die beispielsweise eine nicht gezeigte Vakuumpumpe angeschlossen sein kann, um einen Unterdruck in dem Vertikalmischer 112, insbesondere in dem Behälter 138, erzeugen zu können, insbe- sondere auf 913mbar. Die Saugöffnung 132 und die Vakuumpumpe bilden zumindest teilweise eine Absaugvorrichtung aus. Weiterhin ist an dem Vertikalmischer 112 eine Mantelheizung zur Beheizung des Gärsubstratgemischs in dem Behälter 138 des Vertikalmischers 112 vorgesehen. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 100 einen Strohschredder 126 mit Gebläse, über den Strohhäcksel über eine Strohgebläseleitung 116 dem Vertikalmischer 112 oder beiden Vertikalmischern 112 zuführbar ist. Insbesondere ist das Strohhäcksel an einer O- berkante des den Vertikalmischer 112 teilweise ausbildenden Behälters 138, der über den Deckel 134 verschließbar ist, über die Strohgebläseleitung 116 zuführbar. Ferner ist eine Güllezuführleitung 118 vorgesehen, über die Frischgülle dem Behälter 138 des Vertikalmischers 112 ebenso an der Ober- kante des Behälters zuführbar ist. Eine Abdichtung zwischen dem Deckel 134 und dem Behälter 138 erfolgt mit entsprechenden Dichtungen.
Die Mantelheizung ist auf dem Außenmantel des Behälters 138 angeordnet und wird durch Heizrohre für eine Niedertemperaturheizung ausgebildet, die durch eine Isolierung geschützt sind. Neben der Saugöffnung 132 sind in dem Deckel 134 des Vertikalmischers 112 auch die vorgenannten Entlüftungsöff- nungen 133 zur Entlüftung des Behälters 138 vorgesehen, die über ein Ventil mittels Kugelhahn geöffnet und geschlossen werden können und insbesondere beim Einblasen von Strohhäcksel geöffnet sind. Weiterhin ist der Behälter 138 des Vertikalmischers 112 mit einem Schneckenförderer, insbeson- dere einem Querschneckenförderer 124, gekoppelt, über den die Gärsubstratmischung aus dem Behälter 138 mittels in dem Behälter 138 vorgesehenen Längsförderschnecken 140 einem nicht näher interessierenden weiteren Gärsubstratmischer einer Biogasanlage zuführbar ist. Der Vertikalmischer 112, der Querschneckenförderer 124 sowie die später näher erläutere Mischeinheit befinden sich vorzugsweise in einem klimatisierten Raum mit entsprechender Zu- und Abluft. Die Vorrichtung 100 ist Emissionsfrei, da die abgesaugte Luft über die Saugöffnung 132 über einen Filter geleitet wird, der sowohl eine Geruchs- als auch Feinstaubemissionen verhindert. Die beiden Vertikalmischer 112 sind mit einer nicht dargestellten programmierbaren Wiegeeinrichtung ausgestattet. Die Vorrichtung 100 ist im Hinblick auf ihre Anlagengröße an die jeweils an der im Gärprozess benötigten Gärsubstratmengen angepasst und kann beispielsweise Inhalte von 12 m3 bis 60 m3 und größer umfassen. Das Verfahren zur Herstellung von Frischgärsubstraten, insbesondere aus Strohhäcksel, Gülle und Tierexkrementen in der Form von Festmist, gestaltet sich wie folgt. Zunächst wird der Strohschredder 126 über einen elektrischen Antrieb betrieben, so dass dem Behälter 138 des Vertikalmischers
112 der Strohhäcksel über die Strohgebläseleitung 116 zugeführt wird. Dabei wird das Strohhäcksel insbesondere aus Rundstrohballen und/oder Quaderballen mit einem Durchmesser bis 1,5 m oder einer entsprechenden Kantenlänge herge- stellt. Eine Häcksellänge des geschredderten Strohhäcksels beträgt dabei zwischen 5mm und 25mm, besonders bevorzugt 10mm, 12mm, 18 mm. Das Strohhäcksel wird somit direkt vom Strohschredder 126 in den Behälter 138 des Vertikalmischers 112, der insbesondere als ein Großraumcontainer ausgebildet sein kann, eingeblasen und mit dünnflüssiger Frischgülle über die Frischgüllezuführleitung 118 beaufschlagt. Weiterhin wird Festmist über eine nicht dargestellte Fördereinrichtung definiert bei der Zuführung der Frischgülle und des Strohhäcksels zugeführt und der Vertikalmischer 112 wird kurz betrieben. Der Zuführvorgang wird über eine Wiegeeinrichtung kontrolliert und so gesteuert, das ein Mischungsverhältnis von Gülle/Festmist zu Stroh 62% zu 7,3% (Angaben in Gewichtsprozent) beträgt. Dadurch, dass das Gülle/Festmist/Stroh-Gemisch in etwa einen Trockensubstanz- gehalt von 41,5% aufweist, ist es noch nicht pumpfähig.
Dieses Gemisch wird nachfolgend als Gemisch der Aufbereitungsstufe I beziehungsweise Qualitätsstufe I bezeichnet. Anschließend wird eine Durchlüftung des Behälters 138 unter weiterem Betrieb des Vertikalmischers 112 zum Mischen vor- genommen, so dass eine Verrottung des Gemischs der Aufbereitungsstufe I aerob erfolgen kann. Dadurch wird zwangsläufig eine Eigenerwärmungsphase in Gang gesetzt. Diese beginnt bereits nach wenigen Stunden ab Herstellung des Ge- mischs der Aufbereitungsstufe I und kann in einem Tag eine Temperatur von 40 0C und mehr erreichen. Die Temperatur im Gemisch der Aufbereitungsstufe I wird beispielsweise über einen Temperatursensor erfasst, wobei bei Erreichen von 35 0C eine weitere Temperaturerhöhung durch weitere Zufuhr von Frischgülle verhindert wird, während gleichzeitig der Vertikalmischer 112 weiter betrieben wird. Die zugeführte Frischgülle ist genau definiert und reduziert den Trockensubstanzanteil auf 31 %. Dieses Gemisch wird nachfolgend als Gemisch der Aufbereitungsstufe II beziehungsweise der Qualitätsstufe II bezeichnet. Durch weitere kurze Mischzyklen im Vertikalmischer 112 wird das Gemisch der Aufbereitungsstufe II gut durchlüftet, wobei nach einer Ruhephase von circa 4 bis 6 Stunden eine erneute Eigenerwärmungsphase beginnt. Bei Erreichen einer Gemischstemperatur von 35 0C wird wieder durch erneutes Zuführen von Frischgülle eine weitere Gemischserwärmung verhindert. Durch das erneute definierte Zuführen der Frischgülle wird ein Trockensubstanz- gehalt von etwa 22% erreicht. Weiterhin erfolgt der Betrieb des Vertikalmischers 112 zum Mischen des Gärsubstratge- mischs. Das nun entstandene Gemisch wird nachfolgend als Gemisch der Aufbereitungsstufe III beziehungsweise Qualitätsstufe III bezeichnet. Das Gemisch der Aufbereitungsstufe III wird in etwa nach 5 Tagen erzielt, spätestens nach Erreichen von 35 0C. Nun erfolgt eine Schließung des Behälters 138 mittels des Deckels 134 und eine Absaugung des Sauerstoffs aus dem Vertikalmischer 112, insbesondere aus dem Behälter 138, so dass anaerobe Verhältnisse in dem Vertikalmischer 112, insbesondere in dem Behälter 138, entste- hen. Nach einer vorbestimmten Zeitspanne werden die Längs- förderschnecken 140 sowie eine Querförderschnecke des Querschneckenförderers 124 betrieben, um das fertig aufbereite- te Gärsubstrat beziehungsweise das Frischsubstrat der später näher erläuterten Biogasanlage zuzuführen.
In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Frischgärsubstratgemisch durch abwechselndes Zuführen von Strohhäcksel und dünnflüssiger Gülle sowie Festmist in einen Container quasi "lagenweise" erzeugt wird und auf eine Mischung mittels Schaufeln wie bei dem Freifallmischer sowie mittels der Mischschnecke wie bei dem Vertikalmischer verzichtet werden kann. Ansonsten lässt sich die dritte
Ausführungsform der Figuren 5 bis 7 sinngemäß auf diese alternative Ausführungsform übertragen.
Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungs- gemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas. Der Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas ist beispielsweise, wie nachstehend näher erläutert wird, das durch die Vorrichtungen der Figuren 2 bis 7 hergestellte Frischsubstrat beziehungsweise das fertig aufbereitete Gärsubstrat zuführbar.
In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst der Biogasreaktor 210 einen Außenbehälter 212, der vorzugsweise in einem mittleren Abschnitt zylindrisch und in einem oberen Abschnitt 214 sowie in einem unteren Abschnitt 216 jeweils zum Ende hin konisch verjüngt ist. Im Inneren des Außenbehälters 212 ist ein Innenbehälter 218 aufgenommen, der becherförmig ist und im Wesentlichen mit konstantem Abstand zum Außenbehälter 212 angeordnet ist, so dass zwischen dem Außenbehälter 212 und dem Innenbehälter 218 eine Einfüll- kammer 220 ausgebildet wird, die den Innenbehälter 218 einhüllt. Der Außenbehälter 212 sowie der Innenbehälter 218 sind vorzugsweise aus Stahl, jedoch ist auch eine Ausführung mit anderen Werkstoffen wie beispielsweise Kunststof- fen realisierbar. Eine Oberkante des Innenbehälters 218, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Überlaufkante 222 fungiert, ist soweit in den sich nach oben verjüngenden oberen Abschnitt 214 geführt, dass sich die Querschnitts - fläche der dazwischen liegenden Einfüllkammer 220 nach oben hin um etwa 50% verengt. Im unteren Bereich ist der Innenbehälter 218 ähnlich zum Außenbehälter 212 nach unten verjüngt. Der Innenbehälter 218 ist vorzugsweise zylinderförmig und im sich verjüngenden unteren Abschnitt 224 konisch ausgebildet. Innerhalb des Innenbehälters 218 ist eine zylinderförmige Innenröhre 226 so angeordnet, dass zwischen Innenröhre 226 und Innenbehälter 218 im Wesentlichen der gleiche Abstand ausgebildet wird, wie zwischen Innenbehälter 218 und Außenbehälter 212. Die Unterkante der Innenröh- re 226 erstreckt sich fast so weit nach unten wie der zylindrische Abschnitt (der nicht verjüngte Abschnitt) des Innenbehälters 218. Die Oberkante der Innenröhre 226 erstreckt sich weiter nach oben als die Überlaufkante 222. Im Inneren der Innenröhre 226 befindet sich ein Rücklaufrohr 228, welches sich im Inneren der Innenröhre 226 nach unten in den Abschnitt 224 des Innenbehälters 218 erstreckt, wo das Rücklaufröhr 228 aus dem Innenbehälter 218 austritt. Das Rücklaufröhr 228 erstreckt sich so weit nach oben, dass die Oberkante des Rücklaufrohrs 228 hinsichtlich der Verti- kalen unterhalb der Überlaufkante 222 platziert ist. Vorteilhafterweise erstreckt sich die Oberkante des Rücklauf- rohrs 228 im Wesentlichen so weit nach oben wie der mittlere (vorzugsweise zylindrische) Abschnitt des Außenbehälters 212. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der Außenbe- hälter 212, der Innenbehälter 218, die Innenröhre 226 und das Rücklaufröhr 228 konzentrisch angeordnet. Zwischen der Außenseite der Innenröhre 226 und der Innenseite des Innenbehälters 218 wird eine erste, im Wesentlichen zylinderför- mige Zwischenkammer 230 ausgebildet. Zwischen der Außenseite des Rücklaufrohres 228 und der Innenseite der Innenröhre 226 wird eine zweite, im Wesentlichen zylinderförmige Zwischenkammer 232 ausgebildet. Die erste Zwischenkammer 230 und die zweite Zwischenkammer 232 stehen im unteren Bereich miteinander in Verbindung. Die Oberkante des Rücklaufrohres 228 bildet eine Einfüllöffnung 234 aus. Im Inneren des Rücklaufrohres 228 ist ein Rücklaufkanal 236 ausgebildet. Das Rücklaufrohr 228 führt wie bereits erwähnt im unteren Abschnitt 224 des Innenbehälters 218 aus dem Innenbehälter 218 heraus, tritt im unteren Abschnitt 216 durch die Wandung des Außenbehälters 212 und führt in eine Impfpumpe 238, die vorzugsweise eine Exenterschneckenpumpe ist. Am Abschnitt des Rücklaufrohres 228, welcher innerhalb der Einfüllkammer 220 verläuft, zweigt ein Ablaufrohr 240 ab, welches sich in der Einfüllkammer 220 so weit nach oben erstreckt, dass sich eine obere Öffnung des Ablaufrohres 240 in etwa auf gleicher Höhe wie die Einfüllöffnung 234 des Rücklaufrohres 228 befindet. Das Ablaufröhr 240 ist im obe- ren Bereich so ausgeführt, dass der obere Abschnitt des
Rohres um mehr als 90 Grad umgebogen ist und sich der umgebogene Abschnitt durch die Wandung des Außenbehälters 212 nach Außen erstreckt. Der von dem Ablaufröhr 240 ausgebildete Ablaufkanal 242 ist somit U- förmig mit dem Rücklaufka- nal 236 verbunden, so dass der Rücklaufkanal 236 und der Ablaufkanal 242 eine kommunizierende Röhre ausbilden. Die Einfüllkammer 220 ist so ausgeführt, dass sie in einem unteren Bereich von Außen mit organischen Stoffen bzw. einer organischen Substanz befüllbar ist. Die organische Substanz wird auf eine später genauer erläuterte Art und Weise auch durch die Einfüllkammer 220, die erste Zwischenkammer 230 und die zweite Zwischenkammer 232 gefördert, wobei die organische Substanz noch Sedimente oder Schwerstoffe aufwei- sen kann. Daher zweigt am untersten Ende des Außenbehälters 212 und des Innenbehälters 218 jeweils ein Rohrstück 244 und 246 ab, welches nahe des jeweiligen Behälters mit einem Schieber 248, 252 versehen ist und in einem gewissen Ab- stand dazu mit einem weitern Schieber 250, 254 versehen ist. Mit den jeweiligen Schiebern kann das jeweilige Rohrstück 244, 246 wahlweise geöffnet und geschlossen werden. Der Abstand des Schiebers 250 vom Schieber 248 beträgt vorzugsweise etwa 80 cm und der Abstand des Schiebers 252 zum Schieber 254 beträgt vorzugsweise 60 cm. Im Normalbetrieb sind die Schieber 248 und 252 geöffnet und die Schieber 250 und 254 geschlossen. Wenn sich somit im organischen Substrat befindliche Sedimente nach unten absetzen, gleiten diese entlang der Abschnitte 216 und 224 zur Mitte des je- weiligen Behälters 212, 218 und verlassen diesen durch den jeweiligen geöffneten Schieber 248, 252 in das jeweilige Rohrstück 244, 246. Dort werden die Sedimente an den geschlossenen Schiebern 250, 254 angesammelt. Der Rohrabschnitt zwischen dem Schieber 248 und 250 sowie der Rohrab- schnitt zwischen dem Schieber 252 und 254 bilden demnach jeweils einen Sammelraum 256, 258 für Sedimente aus. Vorzugsweise sind die Rohrabschnitte bei den Sammelräumen 256, 258 durchsichtig ausgebildet, beispielsweise mittels Plexiglas, so dass die Menge an angesammelten Sedimenten über- wacht werden kann. Bei Erreichen einer bestimmten Menge können die angesammelten Sedimente entleert werden, indem die jeweiligen Schieber 248 und 252 geschlossen werden, um ein Auslaufen der Behälter 212, 218 zu verhindern. Dann werden die jeweiligen Schieber 250 und 254 geöffnet und die Sammelräume 256, 258 entleert. Für den Normalbetrieb werden die Schieber 250 und 254 wieder geschlossen und die Schieber 248 und 252 geöffnet. Vorzugsweise kann durch eine nicht in Figur 8 dargestellte Verbindung des Sammelraums 258 und der Einfüllkammer 220, beispielsweise mittels eines Bypasses, ein Kreislauf ausgebildet werden. Insbesondere kann in dem Bypass eine Pumpe vorgesehen sein, so dass bei Betrieb der Pumpe zumindest zeitweise ein Kreislauf der organischen Stoffe zwischen der Einfüllkammer 220 und der Zwischenkammer 230 hergestellt wird. Dadurch lassen sich insbesondere zumindest in der Zwischenkammer 230 entstandene Schwimmschichten über den Sammelraum 258 abführen und der Einfüllkammer 220 zuführen.
Eine nur abschnittsweise dargestellte Isolation 260 umgibt den Außenbehälter 212 vollständig (die Zu- und Ableitungen sind ausgespart) , so dass die für die Erzeugung von Biogas vorteilhafte Temperatur von vorzugsweise 350C im Inneren des Biogasreaktors 210 möglichst konstant gehalten werden kann und damit weniger Energie zum Aufrechterhalten dieser Temperatur zugeführt werden muss. In die Isolation 260 ist eine Heizung 262 eingebettet, die im bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiel in Form von spiralförmig angeordneten Wasserleitungen ausgebildet ist, welche Wasser führen, das beispielsweise in einem nicht dargestellten Blockheizkraftwerk erwärmt wird. Alternativ können ebenso Heizdrähte in die Isolation 260 eingebettet sein. Vorzugsweise umgibt die Heizung 262 den Außenbehälter 212 von unten bis unterhalb des oberen Abschnittes 214. Zum Schutz der Isolation 260 kann die Isolation 260 samt Heizung 262 von einem Schutz- mantel, wie beispielsweise einem Blechmantel, umgeben sein. Am oberen Ende des Außenbehälters 212, dies ist das ver- jungte Ende des oberen Abschnittes 214 ist eine Gasabführleitung 264 abgezweigt. Diese Gasabführleitung 264 ist außerhalb des Außenbehälters 212 neben diesem nach unten geführt, wobei ein Endabschnitt der Gasabführleitung 264 in einen Flüssigkeitsbehälter 266 eintritt und sich innerhalb dieses Flüssigkeitsbehälters 266 nach unten erstreckt. Der Flüssigkeitsbehälter 266 ist vorzugsweise ein zylindrischer Behälter dessen unterer Abschnitt sich konisch nach unten verjüngt. An der Oberseite des Flüssigkeitsbehälters 266 ist eine Gaseinspeisleitung 268 abgezweigt, über die das gewonnene Biogas einem nicht dargestellten Gasspeicher zugeführt wird, von dem aus es einem nicht dargestellten Blockheizkraftwerk zur Verstromung zur Verfügung steht. Am unteren Ende des Flüssigkeitsbehälters 266 ist ein Rohrstück 270 aus dem Flüssigkeitsbehälter 266 herausgeführt. Von diesem Rohrstück 270 zweigt ein Steigrohr 272 ab, das neben dem Flüssigkeitsbehälter 266 bis zur Oberkante des Flüssigkeitsbehälters 266 nach oben geführt ist. Das Steig- röhr 272 ist oben offen und zwischen der Oberkante des
Steigrohres 272 und mehr als 1 m unterhalb der Oberkante sind drei Öffnungen 274 ausgebildet, wobei sich die Unterste der Öffnungen mehr als 1 m unterhalb der Oberkante des Steigrohres 272 befindet. Der Abstand zwischen der Unters- ten der drei Öffnungen 274 und der Obersten der drei Öffnungen 274 beträgt vorzugsweise Im. Das Steigrohr 272 ist nach dem Prinzip kommunizierender Röhren mit dem Innenraum des Flüssigkeitsbehälters 266 verbunden. Der Innenraum des Flüssigkeitsbehälters 266 ist im Betrieb mit einer Flüssig- keit 276, vorzugsweise Wasser, befüllt deren Flüssigkeitspegel sich mittels der Öffnungen 274 einstellen lässt. Durch das Prinzip der kommunizierenden Röhren herrscht im Steigrohr 272 der gleiche Flüssigkeitspegel wie im Flüssigkeitsbehälter 266, so dass falls die Unterste der Öffnungen 274 geöffnet ist, der Flüssigkeitsbehälter 266 bis zu einem Pegel mit Flüssigkeit 276 befüllt werden kann, der dem Pegel der Untersten der Öffnungen 274 entspricht. Wird die Unterste der Öffnungen 274 verschlossen, beispielsweise mittels eines Pfropfens, so ist der Flüssigkeitsbehälter 266 mit einem höheren Flüssigkeitspegel befüllbar, der einem Pegel der weiter oben befindlichen Öffnungen 274 entspricht. Falls alle Öffnungen 274 verschlossen sind, kann der Flüssigkeitsbehälter 266 vollständig befüllt werden, wobei bei Erreichen der vollständigen Befüllung die Flüssigkeit bis zur Oberkante des Steigrohres 272 reicht. Das aus dem Außenbehälter 212 herausgeführte Ende 278 der Gas- abführleitung 264 ist so innerhalb des Flüssigkeitsbehäl- ters 266 angeordnet, dass dieses Ende 278 in die Flüssigkeit 276 eingetaucht ist. Die untere Öffnung des Endes 278 ist 2 m von der Obersten der Öffnungen 274 des Steigrohres 272 beabstandet. Die Eintauchtiefe der Gasabführleitung 264 in die Flüssigkeit 276 beträgt somit minimal 1 m, wenn die Unterste der drei Öffnungen 274 geöffnet ist, und maximal 2 m, wenn nur die Oberste der drei Öffnungen 274 geöffnet ist. Durch diese einstellbare Eintauchtiefe des Endes 278 der Gasabführleitung 264 kann der Druck innerhalb des Außenbehälters 212 auf einen konstanten Druck eingestellt werden. Bei Befüllung mit Wasser wird somit mit einer Eintauchtiefe von 1 m ein Druck von 0,1 bar im Außenbehälter 212 erreicht. Bei einer Eintauchtiefe von 2 m wird ein Druck von 0,2 bar im Außenbehälter 212 eingestellt. Am unteren Ende des Flüssigkeitsbehälters 266 ist wie vorstehend beschrieben das Rohrstück 270 herausgeführt. Dabei ist im
Rohrabschnitt zwischen dem Austritt am Flüssigkeitsbehälter 266 und der Abzweigung des Steigrohrs 272 ein Schieber 280 sowie im Rohrabschnitt nach der Abzweigung des Steigrohres 272 ein Schieber 282 vorgesehen. Mit diesen beiden Schie- bern 280, 282 kann der Durchfluss durch das Rohrstück 270 wahlweise geöffnet oder geschlossen werden, im Normalbetrieb ist der Schieber 280 geöffnet und der Schieber 282 geschlossen, wodurch ein Sammelraum 284 für Sedimente aus- gebildet wird. Somit werden im Biogas enthaltene Verunreinigungen durch die Flüssigkeit 276 ausgefiltert. Das Gas steigt in der Flüssigkeit 276 nach oben und die herausgefilterten Sedimente setzen sich in der Flüssigkeit 276 nach unten ab, werden dort durch die sich verjüngende Form des unteren Abschnittes des Flüssigkeitsbehälters 266 zur Mitte geführt und sammeln sich im Sammelraum 284. Im Bereich dieses Sammelraums 284 kann das Rohrstück 270 durchsichtig, beispielsweise mittels Plexiglas ausgeführt sein, so dass die Ansammlung an Sedimenten überwacht werden kann. Wenn die Ansammlung an Sedimenten im Sammelraum 284 eine bestimmte Menge erreicht hat, kann der Schieber 280 geschlossen werden und der Schieber 282 geöffnet werden, so dass am unteren Ende des Rohrstücks 270 die Sedimente aus dem Sys- tem entleert werden können. Nach dem Entleeren des Sammel- raums 284 wird der Schieber 282 geschlossen und der Schieber 280 wieder geöffnet.
Wie vorstehend erwähnt kann der die Einfüllkammer 220 von unten befüllt werden. Dazu erstreckt sich durch die Wandung des Außenbehälters 212 im unteren Abschnitt 216 ein Rohrstück, das die Einfüllkammer 220 mit dem Ausgang einer Mischeinheit 286 verbindet. Der Ausgang der Mischeinheit 286 verjüngt sich zur Einfüllkammer 220 hin, vorzugsweise um 50%. Die Eingänge der Mischeinheit 286 sind mit Rohren verbunden, mittels derer die Mischeinheit 286 mit den Ausgängen der Impfpumpe 238 und eines Wärmetauschers 288 verbunden sind. Die Mischeinheit 286 mischt organische Stoffe, die von der Impfpumpe 238 (das Rezirkulat) und vom Wärme- tauscher 288 (das Frischsubstrat) zugeführt werden, vorzugsweise in einem vordefinierten Verhältnis, das zumindest von einer mit einer Frischsubstratzusammensetzung des der Mischeinheit zugeführten Frischsubstrats korrelierenden Größe abhängt. Der Wärmetauscher 288 weist einen Temperatursensor 290 auf, der nahe dessen Ausgang angeordnet ist und mit dem die Temperatur des im Wärmetauscher befindlichen organischen Substrats beziehungsweise des Frischsub- strats ermittelt werden kann. Der Wärmetauscher 288 ist eingangsseitig mit einer Frischsubstrat-Pumpe verbunden, welche vorzugsweise die vorstehend im Zusammenhang mit der Vorrichtung der Figuren 2 bis 7 erläuterte Exenterschne- ckenpumpe ist.
Zwischen Wärmetauscher 288 und Mischeinheit 286, zwischen Mischeinheit 286 und Außenbehälter 212, zwischen Impfpumpe 238 und Außenbehälter 212 sowie zwischen Außenbehälter 212 und Flüssigkeitsbehälter 266 ist jeweils ein Schieber 292 angeordnet, mit dem die jeweiligen Rohrverbindungen wahlweise geöffnet und geschlossen werden können. Im Normalbetrieb sind all diese Schieber 292 geöffnet, jedoch kann es beispielsweise wartungsbedingt erforderlich sein, dass beim Austausch einer Komponente die jeweiligen der Komponente vor- und/oder nachgeschalteten Schieber 292 geschlossen werden, um einen Austausch der Komponente zu ermöglichen, ohne dass organische Stoffe aus dem System austreten.
Nachfolgend wird der Betrieb der Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas aus Figur 8 beziehungsweise ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas unter Verwendung der Vorrichtung aus Figur 8 beschrieben. Bei Verfahren vom Stand der Technik wurde zu wenig beachtet, dass die beiden Arten an Methanbakterien der fakultativen Methanbakterien und die obliga- ten Methanbakterien in Symbiose leben, d.h. sie ergänzen sich und sind voneinander abhängig. Die eingangs beschriebene erste Phase (Hydrolyse oder Säurebildnerphase) und zweite Phase (Methanisierungsphase) des Gärprozesses ver- laufen zeitversetzt um etwa sechs Stunden, wobei während der ersten sechs Stunden die so genannte Hydrolysephase abläuft. Die vorbereiteten Alkohole und Fettsäuren müssen auch in der danach ablaufenden zweiten Phase verarbeitet werden können. Dazu ist es wesentlich, dass keine Störungen durch Rühren oder Mischen wie im erfindungsgemäßen Verfahren durch eine erneute, überhöhte Säurebildung die erste Phase aus dem Gleichgewicht bringen. Jede Zugabe von Frischsubstrat aktiviert die Säurebildung, so dass es zur Anhäufung von Säureprodukten kommt, wenn die Aufbereitung der organischen Stoffe nicht optimal funktioniert, erliegt der eigentliche Gärprozess der Überproduktion von Säureprodukten. Daher wurde im vorliegenden Verfahren bewusst die Säurebildnerphase (Hydrolyse) in den Vordergrund gerückt, wodurch sich das vorliegende Verfahren von vielen Verfahren aus dem Stand der Technik unterscheidet. Im vorliegenden Verfahren sind Hydrolyse und Methanisierung im Gleichgewicht und werden nicht wie bei Verfahren aus dem Stand der Technik getrennt durchgeführt . Würde man die Hydrolyse und Methanisierung getrennt voneinander durchführen, müsste man ein vorgesäuertes Substrat in den aktiven Prozess einschleusen, was zur Folge hätte, dass sich Säurekonzentrationen bilden und der Prozess lange Zeit für die Gleichgewichtsherstellung benötigt, teilweise 20 bis 30 Tage und mehr. Der gleiche Nachteil entsteht durch Rühren und Mischen sowie Einblasen von Gas. Im vorliegenden Prozess wird bewusst auf Störungen dieses Gleichgewichtes durch Rühren und Mischen verzichtet.
Die Frischsubstrat-Pumpe wird mittels einer nicht dargestellten Steuerung angesteuert und pumpt das Frischsubstrat in den Wärmetauscher 288 und von dort weiter in die Mischeinheit 286 und schließlich in die Einfüllkammer 220 des Biogasreaktors 210. Dann schaltet die Frischsubstrat-Pumpe ab. Das in den Wärmetauscher 288 zugeführte Frischsubstrat wird erwärmt, im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf 370C, was mittels des Temperatursensors 90 überwacht wird. Diese Erwärmung wird beispielsweise durch Einleitung eines heißen Fluids in den Wärmetauscher 288 erreicht, wobei dass Fluid räumlich vom Frischsubstrat getrennt ist. Dieses Fluid hat vorzugsweise eine Temperatur von etwa 800C. Sobald der Temperatursensor 290 erfasst, dass die Temperatur von 37°C er- reicht ist, wird die Frischsubstrat-Pumpe eingeschaltet, so dass neues Frischsubstrat in den Wärmetauscher 288 eingetragen wird und das vorgewärmte Frischsubstrat aus dem Wärmetauscher 288 austritt und in die Mischeinheit 286 eintritt. Mit der Frischsubstrat-Pumpe wird gleichzeitig auch die Impfpumpe 238 betrieben, was später genauer erläutert wird. Die Frischsubstrat-Pumpe bleibt vorzugsweise so lange eingeschaltet, bis der Temperatursensor 290 eine Temperatur gleich oder kleiner 350C erfasst. Dann wird die Frischsubstrat-Pumpe ausgeschaltet, so dass das neu in den Wärmetau- scher 288 zugeführte organische Frischsubstrat, welches noch nicht vorgewärmt ist, nun vorgewärmt werden kann bis es eine Temperatur von 370C erreicht und wie vorstehend beschrieben weitertransportiert wird. Die Intervalle, in denen das organische Frischsubstrat zugeführt wird, können variabel gestaltet werden und die Frischsubstrat-Pumpe wird vorzugsweise nicht ausschließlich abhängig vom Temperatursensor 290 gesteuert, sondern auch in Abhängigkeit von der Frischsubstratzusammensetzung. Gleiches gilt für die Impf- pumpe 238. Vielmehr ist die Steuerung mittels Temperatur- sensor 290 so zu verstehen, dass eine Grundvoraussetzung für die Zufuhr des Frischsubstrates ist, dass dieses eine minimale Temperatur von 350C aufweist. Die Intervalle können auch länger sein, wie für die Vorwärmung des Frischsub- strats im Wärmetauscher 288 erforderlich. Somit kann bei schneller Vorwärmung des Frischsubstrates im Wärmetauscher 288 eine nahezu kontinuierliche Zufuhr oder eine Zufuhr von Frischsubstrat in bestimmten Zyklen erfolgen. Die Impfpumpe 238 dient dazu, aus dem Biogasreaktor 210 abgeführtes Substrat, nämlich das so genannte Rezirkulat, welches ebenfalls eine Temperatur von 350C aufweist, in die Mischeinheit 286 einzuspeisen. Wie vorstehend erwähnt, werden die Frischsubstrat-Pumpe und die Impfpumpe 238 synchron betrie- ben. Jedoch werden die Frischsubstrat-Pumpe und die Impfpumpe 238 beispielsweise so von einer Steuereinrichtung angesteuert, dass eine Zufuhr zur Mischeinheit 286 des vorgenannten Rezirkulats und des Frischsubstrats, das beispielsweise von den Vorrichtungen gemäß den Figuren 2 bis 7 her- gestellt wird, zumindest in Abhängigkeit von einer mit einer FrischsubstratZusammensetzung des der Mischeinheit 286 zugeführten Frischsubstrats korrelierenden Größe erfolgt, um ein definiertes Gemisch in der Mischeinheit 286 zu erhalten. Insbesondere werden durch die Steuereinrichtung die Gewichtsprozente von entsprechenden Komponenten des Frischsubstrats ermittelt, beispielsweise des Strohhäcksels, der dünnflüssigen Gülle und des Festmists. Auf der Grundlage dieser Ermittlung wird die Zufuhr des Rezirkulats und/oder des Frischsubstrats zur Mischeinheit 286 gesteuert. Insbe- sondere werden die Menge des der Mischeinheit 286 zugeführten Rezirkulats und die Menge des der Mischeinheit zugeführten Frischsubstrats basierend auf der ermittelten Zusammensetzung des Frischsubstrats gesteuert. Vorzugsweise wird die Zufuhr des Rezirkulats und des Frischsubstrat in die Mischeinheit 286 so gesteuert, dass sich in dem in der Mischeinheit 286 befindlichen Gemisch ein C/N-Verhältnis von 20:1 sowie ein pH-Wert, der größer als 7 ist, einstellen. Beispielsweise kann ein solches Gemisch unter defi- nierter Zufuhr von Rezirkulat dann erzielt werden, wenn das Frischsubstrat vor Erreichen der Mischeinheit 286 einen Trockensubstanzgehalt von 22% aufweist und 7 Gewichtsprozent Stroh, insbesondere Strohhäcksel, und 93 Gewichtspro- zent Rindergülle/Festmist oder 15 Gewichtsprozent Stroh, insbesondere Strohhäcksel, und 85 Gewichtsprozent Schweinegülle/Festmist umfasst. Durch die Zusammenmischung des Re- zirkulats mit Frischsubstrat im richtigen Verhältnis tritt eine Belebung im Gärprozess ein, so dass schließlich die restlichen organischen Stoffe angegriffen und abgebaut werden. Diese Maßnahme trägt wesentlich zur hohen Abbaurate der organischen Stoffe des vorliegenden Verfahrens bei, welche über 70% und höher liegen kann.
In der Mischeinheit 286 werden darin befindlichen organischen Stoffe durch den konisch verjüngten Ausgang der Mischeinheit 286 weiter vermischt. Am Ende eines Gärprozesses ist der größte Teil der organischen Stoffe abgebaut und die Methanbakterien liegen in höchster Konzentration vor. Durch diese Einimpfung der Methanbakterien in das Frischsubstrat mittels der Mischeinheit 286 ist gewährleistet, dass der Gärprozess sehr stürmisch beginnt, denn die große Anzahl von Bakterien trifft auf eine große Masse an Frischsubstrat und bewirkt so den stürmisch beginnenden Gärpro- zess . Nach Eintritt in die Einfüllkammer 220 steigt das
Substrat in der Einfüllkammer 220, getrieben von nachfolgendem Substrat, nach oben. Das in der Einfüllkammer 220 nach oben strömende Substrat wird bei Erreichen der Verengung im oberen Bereich der Einfüllkammer 220 verdichtet, so dass keine Schwimmschichten entstehen. Die an der Überlauf- kante 222 überquellende Gärmasse stürzt über die Überlaufkante 222 in die erste Zwischenkammer 230. Bei diesem Stürzen über die Überlaufkante 222 entgast die Gärmasse voll- ständig nach oben. Zudem werden eventuelle Zusammenballungen des Substrats aufgebrochen. Das Biogas sammelt sich im oberen Abschnitt 214 des Außenbehälters 212, wie durch Punkte in Figur 8 dargestellt ist . Da die Oberkante der In- nenröhre 226 höher ist, als die Überlaufkante 222, wird vermieden, dass die Gärmasse sich direkt von der Einfüllkammer 220 in die zweite Zwischenkammer 232 bewegt. Vielmehr bewegt sich die in die erste Zwischenkammer 230 eingefüllte Gärmasse in dieser nach unten. Diese Bewegung der Gärmasse nach unten wird durch die nachgefüllte Gärmasse vorangetrieben. Im unteren Bereich des Innenbehälters 218 ist die erste Zwischenkammer 230 mit der zweiten Zwischenkammer 232 verbunden, so dass die Gärmasse, welche am unteren Ende aus der ersten Zwischenkammer 230 austritt, in das untere Ende der zweiten Zwischenkammer 232 eintritt. In dieser zweiten Zwischenkammer 232 steigt die Gärmasse nach oben. Durch das Prinzip kommunizierender Gefäße herrscht in der ersten Zwischenkammer 230 und in der zweiten Zwischenkammer 232 im Wesentlichen der gleiche Füllstandspegel. Dieser Füllstandspegel entspricht der Einfüllöffnung 234.
Erreicht die Gärmasse in der zweiten Zwischenkammer 232 die Einfüllöffnung 234, so stürzt die Gärmasse in den Rücklauf- kanal 236 und sinkt in diesem nach unten. Die Höhe, um welche das Substrat im Rücklaufkanal 236 nach unten stürzt hängt mitunter vom Druck ab, mit dem der Innenraum des Biogasreaktors 210 beaufschlagt ist. Auch beim Stürzen von der zweiten Zwischenkammer 232 in den Rücklaufkanal 236 wird die Biomasse vollständig entgast. Dadurch, dass der Ablauf- kanal 242 mit dem Rücklaufkanal 236 eine kommunizierende Röhre ausbildet, hängt der Füllstandspegel im Ablaufkanal
242 vom Füllstandspegel im Rücklaufkanal 236 ab. Etwa die Hälfte des im Rücklaufkanal 236 sich nach unten bewegenden Substrats verlässt den Biogasreaktor über den Ablaufkanal 242 und die andere Hälfte wird durch die Impfpumpe 238 in die Mischeinheit 286 gefördert, wo sie mit dem neu zugeführten Frischsubstrat, wie vorstehend erläutert, vermischt wird. Innerhalb des Außenbehälters 212 wird die Biomasse durch die Heizung 262 auf einer Temperatur von ca. 350C gehalten. Das vorliegende Verfahren läuft im mesophilen Bereich (30°C-38°C) ab, weil in diesem Bereich die Abbauraten höher sind und somit eine größere Gasmenge erzeugt werden kann. Die im Verfahren vorliegenden Methanbakterien sind sehr empfindlich und benötigen möglichst eine gleichbleibende Temperatur, die keinen starken Schwankungen unterworfen ist.
Der Rücklaufkanal 236 wird nach etwa 8 bis 10 Tagen er- reicht wobei das Substrat an dieser Position nur noch reaktionslose Gärmasse beinhaltet, welche mit den vorherrschenden Gärbakterien hoch angereichert ist. Das sich im oberen Abschnitt 214 des Außenbehälters 212 angesammelte Biogas wird mittels des Flüssigkeitsbehälters 266 auf einem kon- stanten Druck gehalten und zunächst über die Gasabführleitung 264 in den Flüssigkeitsbehälter 266 kontinuierlich abgeführt und von dort über die Gaseinspeisleitung 268 zu einem nicht dargestellten Gasspeicher eingespeist. Dabei werden keine Druckventile eingesetzt, welche leicht verschlei- ßen würden, sondern der Druck wird über die Eintauchtiefe von 1 m bis 2 m konstant gehalten. Die Förderung der Gärmasse im ganzen System erfolgt mittels Pumpendruck der Pumpen 238 und 292, durch das hydrostatische Gefälle von der Überlaufkante 222 zur Einfüllöffnung 234 und durch den Gas- druck im oberen Abschnitt 214 von 0,1 bis 0,2 bar. Über das statische Gefälle sowie den Innendruck kann die Förderwirkung für die im Biogasreaktor befindlichen organischen Stoffe variiert werden, d.h. das statische Gefälle und/oder der Innendruck können auf die Konsistenz der organischen Stoffe abgestimmt werden.
Im Ergebnis wird ein Gärprozess erlangt, in dem organische Bestandteile in verhältnismäßig kurzer Zeit, etwa 6 bis 10 Tage, bis zu 70% und mehr reduziert werden. Das bedeutet die Gewinnung einer großen Gasmenge und bei entsprechenden Rahmenbedingungen eine sehr gute Wirtschaftlichkeit. Die Umwandlung der organischen Stoffe findet in geschlossenen Behältern statt, so dass keine Gerüche nach außen austreten. Die Gärreststoffe, die am Ablaufröhr 240 austreten, haben einen erdigen Geruch und sind frei von Schleimstoffen und in jeder Hinsicht umweltverträglich. Diese können ohne weitere Behandlung als Naturdünger auf landwirtschaftliche Flächen ausgebracht werden. Sollte eine Weiterbehandlung aus zwingenden Gründen erforderlich sein, so ist eine Fest- Flüssigtrennung angebracht und mit geringem Aufwand möglich, weil sich die ausgegorenen Reststoffe leicht trennen lassen.
Alternativ zum beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es möglich, bei der in Figur 8 dargestellten Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas den Wärmetauscher 288 entfallen zu lassen und das Frischsubstrat mittels Dampfeintragung vor- zuwärmen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein. Bezugszeichenliste:
10 Vorrichtung
12 Freifallmischer
14 Übergabebehälter bzw. Übergabetrichter
16 Strohgebläseleitung
18 Güllezuführleitung 20 Fördereinrichtung mit Förderband
22 Trichter für Festmist
24 Exzenterschneckenpumpe
26 Strohschredder
28 Gebläse 30 Leitung
32 Trommelklappe mit Saugöffnungen
100 Vorrichtung
112 Vertikalmischer
116 Strohgebläseleitung 118 Güllezuführleitung
124 Schneckenförderer (Querschneckenförderer)
126 Strohschredder
132 Saugöffnung
133 Entlüftungsöffnungen 134 Deckel
136 Vertikalmischschnecken
138 Behälter
140 Längsförderschnecken 210 Biogasreaktor 212 Außengehäuse
214 Oberer Abschnitt des Außengehäuses
216 Unterer Abschnitt des Außengehäuses
218 Innengehäuse 220 Einfüllkammer 222 Überlaufkante
224 Unterer Abschnitt des Innenbehälters
226 Innenröhre 228 Rücklaufröhr
230 Erste Zwischenkammer 232 Zweite Zwischenkammer 234 Einfüllöffnung
236 Rücklaufkanal 238 Impfpumpe
240 Ablaufröhr
242 Ablaufkanal
244 Rohrstück
246 Rohrstück 248 Schieber
250 Schieber
252 Schieber
254 Schieber
256 Samme1räum 258 Sammelraum
260 Isolation
262 Heizung
264 Gasabführleitung
266 Flüssigkeitsbehälter 268 Gaseinspeisleitung
270 Rohrstück
272 Steigrohr
274 Öffnungen
276 Flüssigkeit 278 Ende der Gasabführleitung
280 Schieber
282 Schieber
284 Samme1räum 286 Mischeinheit
288 Wärmetauscher
290 Temperatursensor
292 Schieber

Claims

ANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas aus organischen Stoffen, mit einem zumindest eine Kammer (220, 230, 232) ausbildenden Biogasreaktor (210) , dem über eine Mischeinheit (286) ein definiertes Gemisch aus einem organische Stoffe aufweisenden Frischsubstrat und einem organische Stoffe aufweisenden Rezirkulat zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die geeignet ist, eine Zufuhr des Rezirkulats und/oder des Frischsubstrats zur Mischeinheit (286) zumindest in Abhängigkeit von einer mit einer Frischsubstratzusammensetzung des der Mischeinheit (286) zugeführten Frischsubstrats korrelierenden Größe zu steuern, um das definierte Gemisch zu erhalten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung geeignet ist, Gewichtsprozente von entsprechenden Komponenten des Frischsubstrats zu ermitteln und auf der Grundlage dieser Ermittlung die Zufuhr des Rezirkulats und/oder des Frischsubstrats zur Mischeinheit (286) zu steuern.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung geeignet ist, die Zufuhr des Rezirkulats und/oder des Frischsubstrats zur Mischeinheit (286) derart zu steuern, dass sich in dem de- finierten Gemisch ein C/N-Verhältnis von 20:1 einstellt.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung geeignet ist, die Zufuhr des Rezirkulats und/oder des Frischsubstrats zur Mischeinheit (286) derart zu steuern, dass sich in dem definierten Gemisch ein C/N-Verhältnis von 20:1 und ein pH- Wert, der größer als 7 ist, einstellen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Frischsubstrat vor Erreichen der Mischeinheit (286) einen Trockensubstanzgehalt von 22% aufweist und 7 Gewichtsprozent Stroh, insbesondere Strohhäck- sei, und 93 Gewichtsprozent Rindergülle/Festmist oder 15 Gewichtsprozent Stroh, insbesondere Strohhäcksel, und 85 Gewichtsprozent Schweinegülle/Festmist umfasst.
6. Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus organischen Stoffen durch eine Biogasanlage, die einen zumindest eine
Kammer (220, 230, 232) ausbildenden Biogasreaktor (210) umfasst, dem über eine Mischeinheit (286) ein definiertes Gemisch aus einem organische Stoffe aufweisenden Frischsubstrat und einem organische Stoffe aufweisenden Rezirkulat zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufuhr des Rezirkulats und/oder des Frischsubstrats zur Mischeinheit (286) zumindest in Abhängigkeit von einer mit einer FrischsubstratZusammensetzung des der Mischeinheit (286) zugeführten Frischsubstrats korrelierenden Größe gesteuert wird, um das definierte Gemisch zu erhalten.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Gewichtsprozente von entsprechenden Komponenten des Frischsubstrats ermittelt werden und auf der Grundlage die- ser Ermittlung die Zufuhr des Rezirkulats und/oder des Frischsubstrats zur Mischeinheit (286) gesteuert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Rezirkulats und/oder des Frischsubstrats zur Mischeinheit (286) derart gesteuert wird, dass sich in dem definierten Gemisch ein C/N-Verhältnis von 20:1 einstellt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Rezirkulats und/oder des Frischsubstrats zur Mischeinheit (286) derart gesteuert wird, dass sich in dem definierten Gemisch ein C/N-
Verhältnis von 20:1 und ein pH-Wert, der größer als 7 ist, einstellen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Frischsubstrat vor Erreichen der
Mischeinheit (286) so ausgebildet wird, dass es einen Trockensubstanzgehalt von 22% aufweist und 7 Gewichtsprozent Stroh, insbesondere Strohhäcksel, und 93 Gewichtsprozent Rindergülle/Festmist oder 15 Gewichtsprozent Stroh, insbe- sondere Strohhäcksel, und 85 Gewichtsprozent Schweinegülle/Festmist umfasst.
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