WO2009076947A2 - Method for producing biogas - Google Patents

Method for producing biogas Download PDF

Info

Publication number
WO2009076947A2
WO2009076947A2 PCT/DE2008/075013 DE2008075013W WO2009076947A2 WO 2009076947 A2 WO2009076947 A2 WO 2009076947A2 DE 2008075013 W DE2008075013 W DE 2008075013W WO 2009076947 A2 WO2009076947 A2 WO 2009076947A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
microorganisms
fermentation
parameter
characteristic parameter
range
Prior art date
Application number
PCT/DE2008/075013
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
WO2009076947A3 (en
Inventor
Monika Reuter
Vera Duchow
Daniel Vater
Original Assignee
Schmack Biogas Ag
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 Schmack Biogas Ag filed Critical Schmack Biogas Ag
Publication of WO2009076947A2 publication Critical patent/WO2009076947A2/en
Publication of WO2009076947A3 publication Critical patent/WO2009076947A3/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P5/00Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
    • C12P5/02Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons acyclic
    • C12P5/023Methane
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS 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
    • C12M21/00Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS 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
    • C12M41/00Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/26Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of pH
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS 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
    • C12M41/00Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/28Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of redox potential
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS 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
    • C12M41/00Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/30Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration
    • C12M41/32Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration of substances in solution
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12MAPPARATUS 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
    • C12M41/00Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/30Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration
    • C12M41/34Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration of gas
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F11/00Treatment of sludge; Devices therefor
    • C02F11/02Biological treatment
    • C02F11/04Anaerobic treatment; Production of methane by such processes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/006Regulation methods for biological treatment
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/34Biological treatment of water, waste water, or sewage characterised by the microorganisms used
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the invention relates to a method for producing biogas from biomass using microorganisms.
  • Biogas plants produce methane through a microbial decomposition process of organic substances.
  • the biogas is produced in a multi-stage process of fermentation or digestion by the activity of anaerobic microorganisms, i. in the absence of air.
  • the organic material used as fermentation substrate has a high molecular structure from a chemical point of view, which is degraded in the individual process steps of a biogas plant by metabolic activity of microorganisms to low molecular weight building blocks.
  • the populations of microorganisms which are active in the fermentation of the organic fermentation substrate have hitherto been insufficiently characterized.
  • exoenzymes eg cellulases, amylases, proteases, lipases
  • soluble fission products For example, fats are broken down into fatty acids, carbohydrates, such as polysaccharides, into oligo- and monosaccharides and proteins into oligopeptides or amino acids.
  • exoenzymes eg cellulases, amylases, proteases, lipases
  • fats are broken down into fatty acids, carbohydrates, such as polysaccharides, into oligo- and monosaccharides and proteins into oligopeptides or amino acids.
  • the gaseous products formed besides consist predominantly of carbon dioxide.
  • hydrolysis products eg mono-, disaccharides, di-, oligopeptides, amino acids, glycerol, long-chain fatty acids
  • short chain fatty or carboxylic acids such as butter -, propionic and acetic acid
  • short-chain alcohols such as ethanol
  • acetogenesis such as acetic acid but also other substrates such as methanol and formate are converted by methane-forming organisms in the obligate anaerobic methanogenesis to methane and CO 2 .
  • the fermenter may crash, ie, the production of methane and carbon dioxide is stopped.
  • the reasons for such a disorder are still insufficiently researched.
  • After a fall of the fermentation process in the fermenter usually several days or weeks are needed to bring the fermentation process back into a stable range. This often requires exposure of the substrate feed to the fermenter as well as a more or less systematic variation of different process parameters, such as pH, to get the fermentation process going again.
  • the object of the invention is to provide a method for the production of biogas, which has a comparison with the prior art increased stability of the fermentation process.
  • the present invention provides a method for producing biogas in a fermentation reactor.
  • the method comprises the steps
  • the first setpoint range associated with a first characteristic parameter of the fermentation, the first setpoint range defining a first value range suitable for maintaining the fermentation,
  • the second setpoint range defining a second value range suitable for maintaining the fermentation, - A -
  • Adding at least one type of microorganism to the fermentation substrate if the measured value of the first characteristic parameter has a fixed relation to the first setpoint range associated with that first parameter and if the measured value of the second characteristic parameter is a fixed relation to the second setpoint range associated with that second parameter having.
  • a "characteristic parameter of the fermentation” is understood as meaning any parameter which can provide information about the quality of a fermentation process proceeding for the production of biogas
  • Such characteristic parameters are not only the amount of biogas produced and the methane content of the biogas produced but also, for example, the hydrogen content of the biogas produced, the pH of the fermentation substrate, the redox potential of the fermentation substrate, the carboxylic acid content of the fermentation substrate, the proportions of various carboxylic acids in the fermentation substrate, the hydrogen content of the fermentation substrate, the proportion of dry matter in the fermentation substrate, the proportion of the organic dry matter on the fermentation substrate, the viscosity of the fermentation substrate and the volume loading of the fermentation reactor.
  • pH of the fermentation substrate which should be in a range between about pH 5 and pH 8 to ensure a satisfactory fermentation process.
  • a deviation of the first or second derivative of the measured values according to the time from corresponding setpoint ranges also provides information about allows the fermentation process.
  • a rapid change in the carboxylic acid concentration can have a very negative effect on the stability of the fermentation process, even though the actually determined measured value is still within the predefined setpoint range for this measured value.
  • the addition of at least one type of microorganism to the fermentation substrate results in stabilization and even improvement of the fermentation process.
  • the addition according to the invention of the microorganisms in response to the deviation of characteristic parameters from predetermined desired value ranges makes possible an effective and rapid intervention in fermentation processes in which there is the danger of a fall of the fermenter.
  • the fermentation process is stabilized quickly, whereby a fall of the fermenter can be avoided in most cases.
  • the term "type of microorganisms" is understood to mean the corresponding basic category of biological taxonomy.Species of microorganisms are identified and distinguished on the basis of their DNA sequences, not just microorganisms having a specific DNA According to general agreement, this degree of genetic variance is 3%, so a microorganism of any kind actually and also in the context of the present invention includes all microorganisms with the known DNA sequence of the latter And with a by DNA exchanges of nucleotides by up to 3%.
  • the characteristic parameters of the fermentation are selected from the group consisting of amount of biogas produced, methane content of the generated biogas, hydrogen content of the biogas produced, pH of the fermentation substrate, redox potential of the fermentation substrate, carboxylic acid content of the fermentation substrate, proportions of various carboxylic acids in Fermentation substrate, hydrogen content of the fermentation substrate, proportion of dry substance am Fermentation substrate, proportion of the organic dry substance in the fermentation substrate, viscosity of the fermentation substrate and volume loading of the fermentation reactor.
  • Fermentation for the purposes of the present invention includes both anaerobic and aerobic material conversions by the action of microorganisms that lead to the production of biogas. This explanation of the term “fermentation” is under the keyword “fermentation in Römpp Chemistry Lexicon in the 9th, extended edition, published by Georg Thieme Verlag on page 1306, indicated, to which reference is hereby incorporated by reference.
  • the carboxylic acids of the fermentation substrate are, for example, volatile fatty acids such as acetic acid, propionic acid, butyric acid, isobutyric acid, valeric acid, isovaleric acid or formic acid, which are formed during biogas production.
  • volatile fatty acids such as acetic acid, propionic acid, butyric acid, isobutyric acid, valeric acid, isovaleric acid or formic acid, which are formed during biogas production.
  • the mentioned characteristic parameters provide information as to whether the fermentation process is in a stable state of equilibrium or whether the fermenter is in danger of collapse.
  • setpoint ranges can be determined on the basis of experimental data which provide information as to whether the fermentation of the fermentation substrate is in a state suitable for producing biogas.
  • the fermentation process does not proceed in an ideal state.
  • the fermenter may possibly crash.
  • the setpoint ranges for the individual characteristic parameters are therefore usually determined experimentally for a particular set of external conditions under which fermentation takes place.
  • an increase in the carboxylic acid concentration in the fermentation substrate is often associated with a decline in biogas production.
  • a deviation of, for example, 200 mg / l from the setpoint range determined experimentally for a stable fermentation gives an indication of an increasing instability of the Fermentation process.
  • a deviation of the pH by, for example, 0.5 from a range suitable for biogas production, which is usually between about pH 5 and pH 8, is associated with a change in the amount and composition of the biogas produced.
  • the proportion of methane in the biogas produced may vary depending on the fermentation substrate.
  • the methane content in stable fermentations of cellulose-containing substrates about 40 to 75 vol.%
  • the stable fermentation of greasy substrates about 50 to 75 vol.%.
  • a deviation from these ranges, combined with a deviation of another characteristic parameter, for example the pH of the fermentation substrate, may thus also indicate that the fermentation process is taking place outside a range suitable for producing biogas.
  • Another well-suited indicator is the proportion of hydrogen in the biogas produced.
  • the proportion of hydrogen in the biogas produced is about 50 ppm to several 1000 ppm.
  • the proportion of dry matter in the fermenter content may be about 0 to 20% by volume.
  • the types of microorganisms added are selected from the group consisting of hydrolytically active fermentative microorganisms, acidogenic fermentative microorganisms, acetogenic fermentative microorganisms and methanogenic fermentative microorganisms. This makes it possible to add at least one microorganism having a specific metabolic activity, which is needed for at least one of the already mentioned four stages of fermentation during the production of biogas.
  • At least two types of microorganisms are added, more preferably at least three types of microorganisms are added, and more preferably at least four types of microorganisms are added to the fermentation substrate.
  • a fermentative microorganism having cellulose-hydrolyzing activity and at least one other fermentative microorganism having eg protein hydrolyzing activity in a fermentation reactor for simultaneous hydrolysis of two different fermentation substrates, such as cellulose and protein-containing fermentation substrates are used.
  • the fermentation process can be particularly specifically influenced if the added types of microorganisms are selected from at least two members of the group consisting of hydrolytically active fermentative microorganisms, acidogenic fermentative microorganisms, acetogenic fermentative microorganisms and methanogenic fermentative microorganisms.
  • At least one kind of a hydrolytically active fermentative microorganism at least one kind of an acidogenic fermentative microorganism, at least one kind of an acetogenic fermentative microorganism and at least one kind of a methanogenic fermentative microorganism are added.
  • hydrolytically active fermentative microorganism to influence the hydrolysis of the biopolymer constituents present in the fermentation substrate into monomers or into oligomers and other soluble degradation products.
  • fats are also added to fatty acids, carbohydrates, e.g. Polysaccharides to oligo- and monosaccharides and proteins to oligopeptides or hydrolyzed to amino acids.
  • At least one hydrolytically active fermentative microorganism of a genus selected from the group consisting of Anaerophaga, Lachnospira, Paenibacillus, Pseudomonas, Leptothrix, Burkholderia, Ralstonia, Bradyrhizobium, Arcobacter, Fibrobacter, Streptococcus, Planomicrobium, Turicibacter, Ruminococcus, Deinococcus, Peptostreptococcus, Vagococcus, Proteus, Clostridium, Bacillus, Bacteroides, Cytophaga and Sporocytophaga added.
  • the first step of biogas production is to control the hydrolysis particularly well.
  • a hydrolytically active fermentative microorganism can be added which can hydrolyse the biopolymeric constituents present or even predominant in the fermentation substrate.
  • the fermentation substrate to be fermented for example, consist to a large extent of plants, crops and energy plants targeted for biogas production, so-called renewable raw materials, previously unusable plant components, silage, biowaste and other cellulosic, hemicellulose, starch and carbohydrate-containing substrates .
  • at least one kind of cellulose, starch or sucrose hydrolyzing fermentative microorganism can be added which can hydrolyze the cellulose, hemicellulose, starch or carbohydrates present in these substrates.
  • the substrates may be fresh, dried or preserved, for example, used as ensilage.
  • silage, and especially maize silage, whole plant silage, or grass silage are preferred as a substrate, since silage is a particularly high-quality energy source and can be achieved by the use of silage high biogas yield.
  • one type of protein or lipid hydrolyzing fermentative microorganism may preferably be added to the fermentation substrate which may hydrolyze the protein and lipid components of the fermentation substrate.
  • a substrate having various components of different origin such as animal and vegetable residues containing, for example, carbohydrates and lipids and e.g. Food residues, manure or sewage sludge
  • hydrolytically active microorganism e.g. a sucrose, a starch and a lipid-hydrolyzing microorganism conceivable.
  • fermentation substrates containing various components of different origin can be fermented more efficiently by the addition of at least one kind of a specific hydrolytically active fermentative microorganism.
  • the fermentation substrate may also contain solid components which may be at least partially liquified by the addition of one kind of hydrolytically active fermentative microorganism. Due to the liquefaction of the fermentation substrate due to the addition of a hydrolytically active, fermentative microorganism, thickening of the fermenter material can be prevented and specifically counteracted, and further liquid introduction into the fermentation substrate in the form of water or manure during the fermentation can be avoided. Thus, there is another advantage in conserving the resource freshwater. It is also advantageous to obtain the stirring and pumpability of the material thus obtained, since the dry matter content does not increase any further.
  • hydrolytically active, fermentative microorganism to the fermentation substrate is preferably carried out with a deviation of the characteristic Excessive dry matter content may be detrimental to the formation of methane If, for example, this is determined by the deviation of the two parameters from their target value ranges, the addition may be preferred of a hydrolytically active, fermentative microorganism destabilizing the
  • At least one acidogenic fermentative microorganism of a genus selected from the group consisting of Flavobacterium, Delftia, Selenomonas, Butyrivibrio, Schwarztia, Aminomonas, Paenibacillus, Anaeorophaga, Halothermothrix, Bacillus, Eubacterium, Clostridium, Acetanaerobacterium, Sedimentibacter, Corynebacterium, Bifidobacterium, Microbacterium , Williamsia and Cryptobacterium added.
  • a genus selected from the group consisting of Flavobacterium, Delftia, Selenomonas, Butyrivibrio, Schwarztia, Aminomonas, Paenibacillus, Anaeorophaga, Halothermothrix, Bacillus, Eubacterium, Clostridium, Acetanaerobacterium, Sedimentibacter, Corynebacterium, Bifidobacterium,
  • At least one type of acidogenic, fermentative microorganism of the mentioned genera may also be added to the fermentation substrate during the fermentation.
  • a fermentative microorganism having an acidogenic metabolic activity the products of hydrolysis such as fatty acids, oligo- and / or Monosaccaride, oligopeptides and / or amino acids to short-chain fatty and carboxylic acids, as well as short-chain alcohols implement, so that the addition of a Such acidogenic, fermentative microorganism to the fermentation substrate can lead to improved Acidogenese.
  • the addition of an acidogenic, fermentative microorganism to the fermentation substrate is preferably carried out at a deviation of the characteristic parameter "amount of biogas produced" as in the case of too small a number of acidogenic microorganisms too few precursors for metabolism by acetogenic and methanogenic microorganisms are formed. This can lead to a reduction in biogas production.
  • the characteristic parameter "amount of biogas produced” as in the case of too small a number of acidogenic microorganisms too few precursors for metabolism by acetogenic and methanogenic microorganisms are formed. This can lead to a reduction in biogas production.
  • the content of carboxylic acids and the proportions of various carboxylic acids in the fermentation substrate are preferably used. If deviations from at least two of the mentioned parameters from the associated desired value ranges are ascertained, destabilization of the fermentation process can be counteracted by the addition of an acidogenic, fermentative microorganism.
  • acetogenic fermentative microorganism by adding an acetogenic fermentative microorganism to the fermentation substrate, the conversion of the short-chain fatty and carboxylic acids and short-chain alcohols formed during the acidogenesis to acetic acid or acetates and to CO 2 can be improved.
  • Particular preference is therefore given to at least one acetogenic fermentative microorganism of a genus selected from the group consisting of Acetobacterium, Synthrobobacter, Synthrophococcus, Pelobacter, Acetivibrio, Sporobacter, Lactobacillus, Desulfomonas, Methylobacterium, Caulobacter, Acetanaerobacterium, Synthrophobotulus, Desulfonosporus, Desulfotomaculum, Gelria,
  • Thermoterrabacterium Syntrophomonas, Syntrophothermus, Moorella, Aminomonas and Anaerobaculum.
  • a further improvement in the fermentation of the fermentation substrate can thus be achieved if at least one type of acetogenic microorganism is added during the fermentation.
  • Acetogenic microorganisms help to promote acetogenesis during the production of biogas, as they contribute to an improved conversion of the products of acidogenesis, the short-chain fatty and carboxylic acids, and the short-chain alcohols to acetic acid, CO 2 and H 2 .
  • the addition of an acetogenic microorganism to the fermentation substrate is preferably carried out with a deviation of the characteristic parameters "carboxylic acid content of the fermentation substrate" and "proportions of various carboxylic acids in the fermentation substrate" of the corresponding predetermined target value ranges. For example, too high a carboxylic acid content can adversely affect the formation of methane.
  • a deviation of the characteristic parameter "amount of generated biogas" is preferably taken into account, since in the case of too small a number of acetogenic microorganisms, too few precursors are formed for metabolization by methanogenic microorganisms If at least two of the stated parameters are determined by the associated setpoint ranges, destabilization of the fermentation process can be counteracted by the addition of an acetogenic microorganism.
  • the fourth step of biogas production can be influenced by adding a methanogenic microorganism. If this is an acetoclastic methanogen, it is able to form methane and CO 2 from the acetate formed in acetogenesis or from acetic acid. Other methanogenic microorganisms can produce methane by reacting carbon dioxide and hydrogen.
  • Particular preference is therefore given to adding at least one methanogenic fermentative microorganism of a genus selected from the group consisting of methanocorpusculum, methanoculleus, methanogenium, methanomethylovoran, methanobacterium, methanobacter bacterium, methanococcus, methanomicrobium, methanosaeta, methanospirillum, methanothermobacter and methanothermococcus.
  • a genus selected from the group consisting of methanocorpusculum, methanoculleus, methanogenium, methanomethylovoran, methanobacterium, methanobacter bacterium, methanococcus, methanomicrobium, methanosaeta, methanospirillum, methanothermobacter and methanothermococcus.
  • the fourth step of biogas production, methanogenesis can be better controlled by the addition of one kind of methanogenic fermentative microorganism.
  • the addition of a acetoclastician, methane-forming micro-organism is for example conceivable which can convert the acetic acid formed during the acetogenesis into methane and CO 2. It is also possible to add other fermentative fermentative microorganisms during the fermentation to the fermentation substrate, which convert the CO 2 and H 2 formed during the acetogenesis to methane and CO 2 .
  • the addition of methanogenic, fermentative microorganisms enables improved conversion of, for example, acetic acid and can lead to an increased methanogenesis rate and thus to an increased yield of methane-containing biogas. Thus, a deterioration of the methane content in the resulting biogas can be counteracted by the accumulation of acetogenic intermediates.
  • the addition of a methanogenic, fermentative microorganism to the fermentation substrate is preferably carried out with a deviation of the characteristic parameters "amount of biogas produced” and “methane content of the biogas produced” from the corresponding predetermined setpoint range.
  • the characteristic parameter "hydrogen content of the fermentation substrate” can also be taken into account If a deviation of the two mentioned parameters from their nominal value ranges is determined, then by the addition of a methanogenic microorganism it is possible to destabilize the
  • the individual types of microorganisms in the form of cultures of microorganisms are added to the fermentation substrate, the cultures of microorganisms each consisting predominantly of one type of microorganism.
  • the cultures of microorganisms each consisting predominantly of one type of microorganism.
  • mixed cultures of microorganisms which may be natural or artificially produced mixed cultures.
  • the addition of the cultures of microorganisms can be carried out in the form of a culture suspension, in the form of dry, freeze-dried or moist cell pellets or in the form of spore suspensions, spore preparations or dry, freeze-dried or moist spore pellets.
  • the determination of the proportions of different types of microorganisms in such mixed cultures is not a problem for the expert.
  • the proportion of individual species of microorganisms can be identified in a mixture.
  • the individual types of microorganisms are preferred in the form of cultures of microorganisms added to the fermentation substrate, the cultures of microorganisms consisting predominantly of one type of microorganism. If, in addition, the total number of microorganisms is determined, then the percentage of a certain type of microorganism in the culture can be stated as a percentage.
  • the predominant species of microorganism present in a mixed culture is the type of microorganism with the highest percentage of mixed culture.
  • the targeted influencing of the fermentation process is the better possible, the greater the proportion of the desired type of microorganisms in the mixed substrate added to the fermentation substrate. Therefore, preference is given
  • the type of microorganisms predominantly present in the culture of microorganisms makes up at least 50% of the total number of microorganisms
  • embodiments are preferred according to which the type of microorganisms predominantly present in the culture of microorganisms constitutes at least 66%, more preferably at least 75%, and most preferably at least 90% of the total number of microorganisms present in the culture.
  • Further preferred embodiments are those in which in the culture of microorganisms of the predominantly present type of microorganisms makes up at least 95% of the total number of microorganisms present in the culture, and more preferably at least one pure culture of microorganisms is added to the fermentation substrate.
  • At least one type of microorganism can be added to the fermentation substrate, which, due to its specific metabolic processes, can support at least one stage in the complex biogas production process. In this way, the production of biogas can be better controlled than was previously possible.
  • the addition of microorganisms in response to the deviation characteristic parameter of predetermined setpoint ranges allows the stabilization of the fermentation process and often prevents a fall of the fermenter.
  • pure culture of a microorganism is meant the progeny of a single cell isolated by a multi-step process from a mixture of different microorganisms
  • the multi-step mechanism of isolation begins with the separation of a single cell from a cell population and requires that as well the colony remaining in the cell through growth and cell division is separated from other single cells or colonies by carefully separating a colony, re-suspending it in liquid, and repeating it repeatedly to selectively recover pure cultures of microorganisms.
  • the isolation of a pure culture can also be carried out in liquid nutrient media, provided that the desired organism outnumbered in the starting material.
  • By serial dilution of the suspension in the nutrient solution it can finally be achieved that only one cell remains in the last dilution stage.
  • This cell then represents the basis for a pure culture.
  • the pure culture obtained in this way is also characterized biochemically by specific metabolic processes and activities, as well as by special growth conditions. Due to the specific metabolic processes and activities, the addition of a pure culture of a fermentative microorganism can especially contribute to an improved control of the complex biogas production process.
  • the microorganisms are formed as part of at least one immobilized culture of microorganisms added. Since the amount of microorganisms isolated from their natural occurrence is insufficient for the addition of the microorganisms, it is usually propagated in the form of a culture. In practice, it has been found that the addition of the microorganisms to the fermentation substrate of a fermenter is most easily carried out in the form of an immobilized culture of microorganisms.
  • the determination of at least one third desired value range assigned to a third characteristic parameter of the fermentation additionally takes place, the third desired value range defining a third value range suitable for maintaining the fermentation. Accordingly, a determination is made of at least one measured value of the third characteristic parameter during the fermentation process and a comparison of the measured value of the third characteristic parameter with at least one third setpoint range assigned to this third parameter.
  • the addition of at least one type of microorganism to the fermentation substrate is carried out in the event that the measured value of the first characteristic parameter has a fixed relation to the first setpoint range associated with this first parameter, the measured value of the second characteristic parameter a fixed relation to that of the second Parameter has associated second setpoint range and the measured value of the third characteristic parameter has a fixed relation to the said third parameter associated third setpoint range.
  • the setting of at least one fourth desired value range assigned to a fourth characteristic parameter of the fermentation additionally takes place, wherein the fourth desired value range defines a fourth value range suitable for maintaining the fermentation. Accordingly, a determination of at least one measured value of the fourth characteristic parameter takes place during the fermentation process and a comparison of the measured value of the fourth characteristic parameter with at least one fourth setpoint range associated with this fourth parameter.
  • the addition of at least one type of microorganisms to the fermentation substrate takes place in the event that the measured value of the first characteristic parameter has a fixed relation to the first setpoint range associated with this first parameter, the measured value of the second characteristic parameter is a fixed relation to the second parameter associated therewith second setpoint range, the measured value of the third characteristic parameter has a fixed relation to the third setpoint range associated with this third parameter, and the measured value of the fourth characteristic parameter has a fixed relation to the fourth setpoint range associated with this fourth parameter.
  • the setting of at least one fifth desired value range assigned to a fifth characteristic parameter of the fermentation additionally takes place, the fifth desired value range defining a fifth value range suitable for maintaining the fermentation. Accordingly, a determination of at least one measured value of the fifth characteristic parameter takes place during the fermentation process and a comparison of the measured value of the fifth characteristic parameter with at least one fifth setpoint range assigned to this fifth parameter.
  • the addition of at least one type of microorganism to the fermentation substrate is carried out in the event that the measured value of the first characteristic parameter has a fixed relation to the first setpoint range associated with this first parameter, the measured value of the second characteristic parameter a fixed relation to that of the second
  • the measured value of the third characteristic parameter has a fixed relation to the third setpoint range assigned to this third parameter
  • the measured value of the fourth characteristic parameter has a fixed relation to the fourth setpoint range associated with this fourth parameter
  • the measured value of fifth characteristic parameter has a fixed relation to the fifth setpoint range associated with this fifth parameter.
  • At least one specified setpoint range represents a value range of the measured variable of the characteristic parameter, and the fixed relation of the measured value of this characteristic parameter to the setpoint range associated with this parameter is that the measured value lies outside the specified setpoint range.
  • a setpoint range of the actual measured values of the corresponding parameter is thus established and it is checked whether the actually measured value lies within or outside the setpoint range.
  • At least one specified setpoint range represents a value range of the first derivative of the measured variable according to the time of the characteristic parameter and the fixed relation of the measured values of this characteristic parameter to the setpoint range associated with this parameter is that the first derivative of the measured values after the time is outside the specified setpoint range. In this case, the speed of the change in the measured value is thus adjusted.
  • a setpoint range of the first derivative of the measured values ie a setpoint range which reflects the extent of the permitted rate of change, is checked in this case to determine whether the change of the actually measured values lies within or outside the setpoint range of the permitted rate of change.
  • At least one specified setpoint range represents a range of values of the second derivative of the characteristic parameter measure, and the fixed relation of the measured values of this characteristic parameter to the setpoint range associated with that parameter is that the second derivative of the measured values is outside the setpoint range Setpoint range is.
  • a setpoint range of the second derivative of the measured values ie a setpoint range which reflects the extent of the permitted "acceleration" of the change in the measured values, is checked in this case as to whether there is an accelerating change in the actually measured values within or outside the setpoint range of the allowed values, the increase or decrease in the speed of the change.
  • any combinations of characteristic parameters and types of setpoint ranges may be used. For example, it is possible to measure whether the amount of biogas produced is within a predetermined setpoint range, and at the same time to check whether the carboxylic acid concentration in the fermentation substrate changes rapidly in a short time. As any other example, an increase in the rate of change of the redox potential of the fermentation substrate may be considered and, at the same time, it may be checked whether the hydrogen content of the fermentation substrate is within the specified range
  • At least one type of microorganism is added to the fermentation substrate if at least one characteristic parameter deviates from the setpoint range associated with that parameter, the measured value of the parameter being greater than a predetermined upper threshold or the measured value of the characteristic parameter being smaller is considered a set lower threshold.
  • a setpoint range of -450 mV to -530 mV can be set for the redox potential.
  • a deviation of 1% from the upper limit of the setpoint range is suitable as the upper threshold value.
  • the upper threshold is thus -445.5 mV (-450 mV + 4.5 mV).
  • the lower threshold is also a deviation of 1% from the lower limit of the setpoint range.
  • the lower threshold is therefore -535.3 mV (-530 mV-5.3 mV).
  • the microorganisms are added in this case at a redox potential of -445.4 mV or higher or at a redox potential of -535.4 mV or less.
  • the lower threshold value is at least 50%, preferably at least 75% of the lower limit value of the desired value range.
  • the upper threshold value amounts to a maximum of 150%, preferably to a maximum of 125% of the upper limit value of the desired value range.
  • the upper threshold value is at most 1 10%, preferably at most 101% of the upper limit value of the target value range and the lower threshold value at least 90%, preferably at least 99% of the lower limit value of the target value range.
  • additional biomass is added to the fermentation reactor in a timely manner to the addition of the microorganisms.
  • timely refers to the period of time that elapses between the addition of new substrate following the addition of the microorganisms.This time span should be kept as short as possible, which is why the term "timely” also includes a parallel addition of the microorganisms and the new substrate includes.
  • the said period may also extend to several hours to one or more days.
  • the space load in the fermentation reactor can be continuously increased or kept approximately constant by continuous addition of new substrate, wherein the fermentation at all room loads, preferably at a space load of ⁇ 0.5 kg of organic dry matter per m 3 and day [kg oTS / m 3 d], more preferably at a volume load of ⁇ 4.0 kg oTS / m 3 d and particularly preferably at a volume load of ⁇ 8.0 kg oTS / m 3 d can be performed, which compared to the current state of the art Increasing the room load to more than double means.
  • the production of biogas from biomass takes place with constant mixing of the fermentation substrate. Due to the constant mixing of the fermentation substrate, the cultures of the hydrolytically active, acidogenic, acetogenic or methanogenic, fermentative bacteria can be better distributed in the fermentation substrate. In addition, the biogas formed can be better removed from the fermentation process. Another possibility of constant mixing may consist in the continuous gassing of the fermentation substrate during the fermentation. For example, it is conceivable to recycle the recovered biogas to the fermentation process. For example, the methane-forming microorganisms CO 2 from the biogas as educt for Methanogenesis are fed again, which can be implemented by these with additionally freshly supplied H 2 to methane.
  • Stage of the fermentation process namely the formation of methane by methanogenic microorganisms, particularly efficient at elevated temperatures.
  • the fermentation is carried out in a pH range of pH 4 to pH 9, wherein a pH range of pH 5 to pH 8.5 is preferred.
  • the preferred setpoint ranges for the pH thus extend from a neutral to a slightly alkaline medium.
  • a range of less than -120 mV, preferably less than -180 mV, particularly preferably less than -490 mV, in particular a range between -450 mV and -530 mV, is used as setpoint range for the redox potential.
  • silage is preferably fermented in a redox potential range of -120 mV to -350 mV, more preferably -380 mV to -580 mV.
  • the redox potential should be set to less than -300 mV, preferably less than -580 mV.
  • Experimental investigations have shown that the mentioned redox potential areas are particularly important for maintaining biogas production are suitable because a particularly efficient fermentation of the fermentation substrate takes place for the production of biogas.
  • fermentation substrate is added continuously and the characteristic parameters of the fermentation are continuously measured.
  • the continuous operation of a fermentation reactor should result in a stable microbial biocenosis to a continuous production of biogas, wherein the exposure of the substrate addition to the fermentation due to a process disturbance should be reduced.
  • the term "continuous" may include other continuous processes, such as the continuous addition of substrates and / or microorganisms.
  • the fermentation conditions are adapted to the growth conditions of the fermentative microorganism added.
  • the growth conditions include the individual Growth parameters of the added culture of microorganisms, such as temperature, pH, pressure, concentrations of nutrients, trace elements and toxic products, the salt concentration of the fermentation substrate or the redox potential of the fermentation substrate. Adaptation of the fermentation conditions to individual growth parameters of the added culture of microorganisms may result in better control of fermentation processes in biogas production.
  • an additional experimental fermentation of a fermentation substrate for the production of biogas is carried out, wherein the characteristic parameters of the fermentation are measured several times and from the measured values the setpoint ranges suitable for maintaining the production of biogas are determined.
  • Determining the setpoint ranges these can be tuned, for example, to certain types of substrate. This can affect the
  • At least one type of microorganism is added in an amount to the fermentation substrate such that after addition the proportion of the added type of microorganisms is between 10 -8 % and 50% of the total number of microorganisms present in the fermentation substrate.
  • the proportion of the added type of microorganisms is between 10 -8 % and 50% of the total number of microorganisms present in the fermentation substrate.
  • the at least one species of microorganism is added in an amount to the fermentation substrate such that after addition the proportion of the added species of microorganisms is between 10 -6 % and 25% of the total number of microorganisms present in the fermentation substrate
  • the at least one species of microorganism is added in an amount to the fermentation substrate such that after addition the proportion of the added species of microorganisms is between 10 -4 % and 10% of the total number of microorganisms present in the fermentation substrate adding one kind of microorganisms in an amount to the fermentation substrate so that, after addition, the proportion of the kind of microorganisms added is between 10 -3 % and 1% of the total number of microorganisms present in the fermentation substrate.
  • Fig. 1 Results of the fermentation of maize silage: Plotted are the amount of biogas produced and the volume load of the fermenter against time;
  • Fig. 2 Measurement results of the fermentation of corn silage according to Figure 1: Plotted are the amount of acetic acid, the amount of propionic acid, the acetic acid equivalent and the pH value over time;
  • the fermentation substrate became a pure culture of the hydrolytically active fermentative bacterium
  • Clostridium sartagoformum added. Bacteria of the species Clostridium sartagoformum were successfully isolated from the fermentation substrate of a post-fermenter. The deposit of the organism was carried out in a pure culture at the German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH according to the Budapest Treaty (Clostridium sartagoformum SBG1 with the accession number DSM 19861).
  • the microorganisms were isolated using a selection medium containing carboxymethylcellulose as the sole carbon source.
  • Carboxymethylcellulose is very similar to the cellulose contained in fermentation substrates of biogas plants and also has an improved solubility in an aqueous medium by linking the hydroxyl groups with carboxymethyl groups (-CH 2 -COOH-).
  • the medium used for the selection of Clostridium sartagoformum was further gassed with N 2 and CO 2 , so that the selection could be carried out under anaerobic conditions. Contained residual oxygen was subsequently reduced by means of 0.5 g / l Na 2 S.
  • the selection medium was then inoculated with the supernatant of material from a post-fermenter. After one week of cultivation at 40 ° C., single rods were observed as a result of microscopic analyzes. Further selection of the liquid cultures was made by smearing on anaerobic carboxymethylcellulose plates. The cell material of the grown colonies was used to amplify the microbial DNA by the Colony PCR method according to a standard program.
  • FIGS. 1 and 2 show measurement results of various characteristic parameters during a fermentation process in a test fermenter with a volume of 150 I. Fermented corn silage at a temperature of about 40 0 C.
  • the curve provided with the reference numeral 1 shows the time course of the entire generated biogas in standard liters (gas volume at 273.15 K and 1013 mbar) per day (Nl / d) and the curve provided with the reference numeral 5, the time course of Volume load of the fermenter in kilograms of organic dry matter per cubic meter per day (kg oTS / m 3 d).
  • Figure 2 shows the time course of the pH (curve denoted by 25), the acetic acid equivalents (curve denoted by 30), the acetic acid concentration (curve denoted by 35) and the propionic acid concentration (curve denoted by 40).
  • the acid concentrations are given in milligrams per liter of fermentation substrate (mg / l).
  • FIG. 2 shows the strongly increasing concentrations of the fatty acids 30, 35, 40, wherein the increase of the acetic acid equivalents 30 was used as a characteristic parameter of the fermentation.
  • a pure culture of Clostridium sartagoformum was added to the fermentation substrate.
  • the time of addition is indicated in FIGS. 1 and 2 by the triangle 20.
  • the cell mass from 11 of a preculture of Clostridium sartagoformum, which had been incubated for 5 days at a temperature of about 40 0 C are used.
  • the cell count of this preculture had a cell density of about 2.0 ⁇ 10 8 cells / ml with a proportion of living cells of more than 90%.
  • the addition of the pure culture of Clostridium sartagoformum SBG1 to the fermentation substrate causes an increase in the amount of biogas 1 produced with a simultaneous sharp decline in the acetic acid equivalents 30 and the acetic acid concentration 35. At the same time, the volume load 5 of the fermentation reactor could be increased.
  • Figures 1 and 2 thus show the positive effect of adding a pure culture of Clostridium sartagoformum SBG1 in response to a disruption of a biogas production process caused by the deviation of the characteristic parameters of the fermentation "amount of biogas produced" and "carboxylic acid content of the fermentation substrate" from these Parameters assigned predetermined setpoint ranges could be determined.
  • the addition of a pure culture of Clostridium sartagoformum SBG1 stabilized the fermentation process and prevented the fermenter from crashing.

Abstract

The invention relates to a method for producing biogas in a fermentation reactor. The method comprises the steps of determining at least one first target value range associated with a first characteristic parameter of the fermentation, wherein the first target value range defines a first value range suitable for maintaining the fermentation; determining at least one second target value range associated with a second characteristic parameter of the fermentation, wherein the second target value range defines a second value range suitable for maintaining the fermentation; determining at least one measurement value of the first characteristic parameter during the fermentation process; comparing the measured value of the first characteristic parameter to at least one first target value range associated with said first parameter; comparing the measured value of the second characteristic parameter to at least one second target value range associated with said second parameter, and addition of at least one type of micro-organisms to the fermentation substrate if the measured value of the first characteristic parameter has a defined relation to the first target value range associated with said first parameters, and if the measured value of the second characteristic parameter has a defined relation to the second target value range associated with said second parameter.

Description

Verfahren zur Erzeugung von Biogas Process for the production of biogas
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse unter Verwendung von Mikroorganismen.The invention relates to a method for producing biogas from biomass using microorganisms.
Stand der TechnikState of the art
Biogasanlagen erzeugen Methan durch einen mikrobiellen Abbauprozess von organischen Substanzen. Das Biogas entsteht dabei in einem mehrstufigen Prozess der Vergärung oder Faulung durch die Aktivität von anaeroben Mikroorganismen, d.h. unter Ausschluss von Luft.Biogas plants produce methane through a microbial decomposition process of organic substances. The biogas is produced in a multi-stage process of fermentation or digestion by the activity of anaerobic microorganisms, i. in the absence of air.
Das als Gärsubstrat verwendete organische Material besitzt aus chemischer Sicht einen hochmolekularen Aufbau, der in den einzelnen Verfahrensschritten einer Biogasanlage durch Stoffwechseltätigkeit der Mikroorganismen zu niedermolekularen Bausteinen abgebaut wird. Die bei der Fermentierung des organischen Gärsubstrats aktiven Populationen von Mikroorganismen sind bislang aber nur unzureichend charakterisiert.The organic material used as fermentation substrate has a high molecular structure from a chemical point of view, which is degraded in the individual process steps of a biogas plant by metabolic activity of microorganisms to low molecular weight building blocks. However, the populations of microorganisms which are active in the fermentation of the organic fermentation substrate have hitherto been insufficiently characterized.
Nach heutigem Kenntnisstand können vier nacheinander, aber auch parallel ablaufende und ineinander greifende biochemische Einzelprozesse unterschieden werden, die den Abbau von organischen Gärsubstraten zu den Endprodukten Methan und Kohlendioxid ermöglichen: Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und Methanogenese.According to the current state of knowledge, it is possible to distinguish between four consecutive, but also parallel and interlocking biochemical single processes which enable the degradation of organic fermentation substrates to the end products methane and carbon dioxide: hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis.
In der Hydrolyse werden hochmolekulare, oft partikulär vorliegende, organische Verbindungen durch Exoenzyme (z.B. Cellulasen, Amylasen, Proteasen, Lipasen) fermentativer Bakterien in lösliche Spaltprodukte überführt. Dabei werden beispielsweise Fette in Fettsäuren, Kohlenhydrate, wie z.B. Polysaccharide, in Oligo- und Monosaccharide sowie Proteine in Oligopeptide beziehungsweise Aminosäuren zerlegt. Die daneben gebildeten gasförmigen Produkte bestehen überwiegend aus Kohlendioxid.In hydrolysis, high molecular weight, often particulate organic compounds are formed by exoenzymes (eg cellulases, amylases, proteases, lipases) fermentative bacteria converted into soluble fission products. For example, fats are broken down into fatty acids, carbohydrates, such as polysaccharides, into oligo- and monosaccharides and proteins into oligopeptides or amino acids. The gaseous products formed besides consist predominantly of carbon dioxide.
Fakultativ und obligat anaerob lebende Bakterien, oftmals identisch mit den hydrolysierenden Bakterien, verstoffwechseln in der Acidogenese die Hydrolyseprodukte (z.B. Mono-, Disaccharide, Di-, Oligopeptide, Aminosäuren, Glycerin, langkettige Fettsäuren) intrazellulär zu kurzkettigen Fett- oder Carbonsäuren, wie beispielsweise Butter-, Propion- und Essigsäure, zu kurzkettigen Alkoholen wie zum Beispiel Ethanol und zu den gasförmigen Produkten Wasserstoff und Kohlendioxid.Optional and obligate anaerobic bacteria, often identical to the hydrolyzing bacteria, metabolize in acidification the hydrolysis products (eg mono-, disaccharides, di-, oligopeptides, amino acids, glycerol, long-chain fatty acids) intracellularly to short chain fatty or carboxylic acids such as butter -, propionic and acetic acid, to short-chain alcohols such as ethanol and the gaseous products hydrogen and carbon dioxide.
In der sich anschließenden Acetogenese werden die in der Acidogenese gebildeten kurzkettigen Fett- und Carbonsäuren sowie die kurzkettigen Alkohole von acetogenen Bakterien aufgenommen und nach ß-Oxidation als Essigsäure wieder ausgeschieden. Nebenprodukte der Acetogenese sind CO2 und molekularer Wasserstoff (H2).In the subsequent acetogenesis, the short-chain fatty acids and carboxylic acids formed in acidogenesis and the short-chain alcohols are taken up by acetogenic bacteria and excreted again as acetic acid after β-oxidation. By-products of acetogenesis are CO 2 and molecular hydrogen (H 2).
Die Produkte der Acetogenese wie Essigsäure aber auch andere Substrate wie Methanol und Formiat werden durch Methan-bildende Organismen in der obligat anaerob verlaufenden Methanogenese zu Methan und CO2 umgesetzt. Das hier entstehende CO2 und auch das während der übrigen Prozessschritte, wie z.B. der Hydrolyse, gebildete CO2 kann wiederum durch Mikroorganismen mit dem angefallenen H2 zu Methan umgesetzt werden.The products of acetogenesis such as acetic acid but also other substrates such as methanol and formate are converted by methane-forming organisms in the obligate anaerobic methanogenesis to methane and CO 2 . The resulting here CO 2 and also during the other process steps such as hydrolysis, CO 2 formed in turn can be converted by microorganisms with the incurred H 2 to methane.
Bei einer Störung der Fermentierung des Gärsubstrats kann es zu einem Absturz des Fermenters kommen, also zu einem Abbruch der Erzeugung von Methan und Kohlendioxid. Die Gründe für eine solche Störung sind nach wie vor nur unzureichend erforscht. Nach einem Absturz des Fermentierungsprozesses im Fermenter werden in der Regel mehrere Tage oder Wochen benötigt, um den Fermentierungsprozess wieder in einen stabilen Bereich zu bringen. Dies erfordert häufig ein Aussetzen der Substratzufuhr in den Fermenter sowie eine mehr oder weniger systematische Variation verschiedener Prozessparameter, wie zum Beispiel des pH-Werts, um den Fermentierungsprozess wieder in Gang zu bringen.If the fermentation of the fermentation substrate is disturbed, the fermenter may crash, ie, the production of methane and carbon dioxide is stopped. The reasons for such a disorder are still insufficiently researched. After a fall of the fermentation process in the fermenter usually several days or weeks are needed to bring the fermentation process back into a stable range. This often requires exposure of the substrate feed to the fermenter as well as a more or less systematic variation of different process parameters, such as pH, to get the fermentation process going again.
Die Zeitdauer bis zur Stabilisierung der Fermentierung nach einem Absturz des Fermenters stellt ein gewichtiges Problem bei der Biogaserzeugung dar. Es besteht daher weiterhin ein Bedarf an Verfahren zur Erzeugung von Biogas, die die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweisen.The time taken to stabilize the fermentation after the fermenter crashes presents a major problem in biogas production. There is therefore still a need for methods of producing biogas which do not have the disadvantages of the prior art.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas bereitzustellen, das eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Stabilität des Fermentierungsprozesses aufweist.The object of the invention is to provide a method for the production of biogas, which has a comparison with the prior art increased stability of the fermentation process.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur Erzeugung von Biogas gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Beispielen.This object is achieved by the method for producing biogas according to claim 1. Further advantageous details, aspects and embodiments of the present invention will become apparent from the dependent claims, the description and the examples.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas in einem Fermentierungsreaktor zu Verfügung. Das Verfahren umfasst die SchritteThe present invention provides a method for producing biogas in a fermentation reactor. The method comprises the steps
- Festlegung von zumindest einem, einem ersten charakteristischen Parameter der Fermentierung zugeordneten ersten Sollwertbereich, wobei der erste Sollwertbereich einen zur Aufrechterhaltung der Fermentierung geeigneten ersten Wertebereich definiert,Establishing at least one first setpoint range associated with a first characteristic parameter of the fermentation, the first setpoint range defining a first value range suitable for maintaining the fermentation,
- Festlegung von zumindest einem, einem zweiten charakteristischen Parameter der Fermentierung zugeordneten zweiten Sollwertbereich, wobei der zweite Sollwertbereich einen zur Aufrechterhaltung der Fermentierung geeigneten zweiten Wertebereich definiert, - A -Establishing at least one second desired value range assigned to a second characteristic parameter of the fermentation, the second setpoint range defining a second value range suitable for maintaining the fermentation, - A -
- Bestimmung von zumindest einem Messwert des ersten charakteristischen Parameters während des Fermentierungsprozesses,Determination of at least one measured value of the first characteristic parameter during the fermentation process,
- Bestimmung von zumindest einem Messwert des zweiten charakteristischen Parameters während des Fermentierungsprozesses,Determination of at least one measured value of the second characteristic parameter during the fermentation process,
- Vergleich des gemessenen Wertes des ersten charakteristischen Parameters mit zumindest einem, diesem ersten Parameter zugeordneten ersten Sollwertbereich,Comparison of the measured value of the first characteristic parameter with at least one first setpoint value range assigned to this first parameter,
- Vergleich des gemessenen Wertes des zweiten charakteristischen Parameters mit zumindest einem, diesem zweiten Parameter zugeordneten zweiten Sollwertbereich,Comparison of the measured value of the second characteristic parameter with at least one second setpoint value range assigned to this second parameter,
- Zugabe von zumindest einer Art von Mikroorganismen zum Gärsubstrat falls der gemessene Wert des ersten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem ersten Parameter zugeordneten ersten Sollwertbereich aufweist und falls der gemessene Wert des zweiten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem zweiten Parameter zugeordneten zweiten Sollwertbereich aufweist.Adding at least one type of microorganism to the fermentation substrate if the measured value of the first characteristic parameter has a fixed relation to the first setpoint range associated with that first parameter and if the measured value of the second characteristic parameter is a fixed relation to the second setpoint range associated with that second parameter having.
Unter einem „charakteristischen Parameter der Fermentierung" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeder Parameter verstanden, der Auskunft über die Qualität eines ablaufenden Fermentierungsprozesses zur Herstellung von Biogas geben kann. Solche charakteristischen Parameter sind nicht nur die Menge an erzeugtem Biogas und der Methangehalt des erzeugten Biogases sondern beispielsweise auch der Wasserstoffgehalt des erzeugten Biogases, der pH-Wert des Gärsubstrats, das Redoxpotential des Gärsubstrats, der Carbonsäuregehalt des Gärsubstrats, die Anteile verschiedener Carbonsäuren im Gärsubstrat, der Wasserstoffgehalt des Gärsubstrats, der Anteil der Trockensubstanz am Gärsubstrat, der Anteil der organischen Trockensubstanz am Gärsubstrat, die Viskosität des Gärsubstrats und die Raumbelastung des Fermentierungsreaktors. Den genannten Parametern ist gemeinsam, dass ihre realen Messwerte Aussagen über den Fermentierungsprozess erlauben, für den die Messwerte bestimmt wurden. Für den Parameter „Menge an erzeugtem Biogas" ist der Zusammenhang zur Qualität des ablaufenden Fermentierungsprozesses dadurch gegeben, dass das erzeugte Biogas das Endprodukt der Fermentierung darstellt. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Bestimmung des Parameters „Menge an erzeugtem Biogas" nicht nur durch eine direkte Messung der Menge an erzeugtem Biogas erfolgen kann, sondern in der Praxis auch anhand der von einer dem Fermenter nachgeschalteten Energieumwandlungseinheit, wie z.B. einem Blockheizkraftwerk, erzeugten Energiemenge [kWh] erfolgt.In the context of the present invention, a "characteristic parameter of the fermentation" is understood as meaning any parameter which can provide information about the quality of a fermentation process proceeding for the production of biogas Such characteristic parameters are not only the amount of biogas produced and the methane content of the biogas produced but also, for example, the hydrogen content of the biogas produced, the pH of the fermentation substrate, the redox potential of the fermentation substrate, the carboxylic acid content of the fermentation substrate, the proportions of various carboxylic acids in the fermentation substrate, the hydrogen content of the fermentation substrate, the proportion of dry matter in the fermentation substrate, the proportion of the organic dry matter on the fermentation substrate, the viscosity of the fermentation substrate and the volume loading of the fermentation reactor. The parameters mentioned have in common that their real measured values allow statements about the fermentation process for which the measured values were determined. For the parameter "quantity of produced biogas", the relation to the quality of the fermentation process is given by the fact that the generated biogas represents the end product of the fermentation.At this point it should be pointed out that the determination of the parameter "amount of produced biogas" is not only can be done by a direct measurement of the amount of biogas produced, but in practice also on the basis of the fermenter downstream energy conversion unit, such as a combined heat and power plant, generated amount of energy [kWh].
Als weiteres Beispiel sei der pH-Wert des Gärsubstrats genannt, der zur Sicherstellung eines befriedigend ablaufenden Fermentierungsprozesses in einem Bereich zwischen etwa pH 5 und pH 8 liegen sollte. Durch die Bestimmung charakteristischer Parameter und den Vergleich der gemessenen Werte mit den diesen Parametern zugeordneten Sollwertbereichen lässt sich eine Aussage darüber treffen, ob der entsprechende Fermentierungsprozess stabil und mit gewünschter Ausbeute abläuft.Another example is the pH of the fermentation substrate, which should be in a range between about pH 5 and pH 8 to ensure a satisfactory fermentation process. By determining characteristic parameters and comparing the measured values with the setpoint ranges assigned to these parameters, a statement can be made as to whether the corresponding fermentation process is stable and proceeds with the desired yield.
Überraschenderweise wurde aufgrund experimenteller Untersuchungen festgestellt, dass die Abweichung eines einzelnen charakteristischen Parameters von seinem vorgegebenen Sollwertbereich keine genügend sichere Aussage über die Qualität des ablaufenden Fermentierungsprozesses zulässt. So kann beispielsweise trotz eines außerhalb des Normbereichs liegenden Anteils der Trockensubstanz am Gärsubstrat eine stabile Fermentierung mit hoher Ausbeute an Biogas ablaufen. Ebenso gibt eine zu geringe Raumbelastung des Fermenters isoliert betrachtet keine sichere Auskunft über den in dem Fermenter ablaufenden Gärungsprozess. Erst die Bewertung von zumindest zwei charakteristischen Parametern ermöglicht eine gesicherte Aussage über den Fermentierungsprozess.Surprisingly, it has been found on the basis of experimental investigations that the deviation of a single characteristic parameter from its predetermined target value range does not allow a sufficiently reliable statement about the quality of the fermentation process that is taking place. Thus, for example, despite a portion of the dry substance lying outside the normal range, a stable fermentation with a high yield of biogas can take place on the fermentation substrate. Similarly, if the fermenter space is too small, there is no reliable information about the fermentation process taking place in the fermenter. Only the evaluation of at least two characteristic parameters allows a reliable statement about the fermentation process.
Daneben wurde festgestellt, dass neben der Abweichung der tatsächlichen Messgrößen der charakteristischen Parameter von den vorgegebenen Sollwertbereichen auch eine Abweichung der ersten oder zweiten Ableitung der Messwerte nach der Zeit von entsprechenden Sollwertbereichen eine Aussage über den Fermentierungsprozess zulässt. So kann sich beispielsweise eine schnelle Änderung der Carbonsäurekonzentration sehr negativ auf die Stabilität des Fermentierungsprozesses auswirken, obwohl der tatsächlich bestimmte Messwert noch innerhalb des vorgegebenen Sollwertbereichs für diesen Messwert liegt.In addition, it was found that, in addition to the deviation of the actual measured variables of the characteristic parameters from the predefined setpoint ranges, a deviation of the first or second derivative of the measured values according to the time from corresponding setpoint ranges also provides information about allows the fermentation process. Thus, for example, a rapid change in the carboxylic acid concentration can have a very negative effect on the stability of the fermentation process, even though the actually determined measured value is still within the predefined setpoint range for this measured value.
Ebenso überraschend wurde festgestellt, dass die Zugabe von zumindest einer Art von Mikroorganismen zum Gärsubstrat zu einer Stabilisierung und sogar zu einer Verbesserung des Fermentierungsprozesses führt. Durch die erfindungsgemäße Zugabe der Mikroorganismen als Reaktion auf die Abweichung charakteristischer Parameter von vorgegebenen Sollwertbereichen wird ein wirkungsvolles und schnelles Eingreifen in Fermentierungsprozesse ermöglicht, bei denen die Gefahr eines Absturzes des Fermenters besteht. Durch die Zugabe der Mikroorganismen wird der Fermentierungsprozess schnell stabilisiert, wodurch ein Absturz des Fermenters in den meisten Fällen vermieden werden kann.It has also been surprisingly found that the addition of at least one type of microorganism to the fermentation substrate results in stabilization and even improvement of the fermentation process. The addition according to the invention of the microorganisms in response to the deviation of characteristic parameters from predetermined desired value ranges makes possible an effective and rapid intervention in fermentation processes in which there is the danger of a fall of the fermenter. By adding the microorganisms, the fermentation process is stabilized quickly, whereby a fall of the fermenter can be avoided in most cases.
Unter der Bezeichnung „Art von Mikroorganismen" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die entsprechende grundlegende Kategorie der biologischen Taxonomie verstanden. Arten von Mikroorganismen werden anhand ihrer DNA- Sequenzen identifiziert und unterschieden. Unter eine bestimmte Art fallen dabei nicht nur Mikroorganismen mit einer ganz bestimmten DNA-Sequenz, sondern auch bis zu einem gewissen Umfang deren genetische Varianten. Nach allgemeiner Übereinkunft beträgt dieser Grad an genetischer Varianz 3%. Unter eine Art von Mikroorganismen fallen also tatsächlich und auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung alle Mikroorganismen mit der bekannten DNA-Sequenz dieser Art und mit einer durch Austausche von Nukleotiden um bis zu 3% abweichenden DNA- Sequenz.In the context of the present invention, the term "type of microorganisms" is understood to mean the corresponding basic category of biological taxonomy.Species of microorganisms are identified and distinguished on the basis of their DNA sequences, not just microorganisms having a specific DNA According to general agreement, this degree of genetic variance is 3%, so a microorganism of any kind actually and also in the context of the present invention includes all microorganisms with the known DNA sequence of the latter And with a by DNA exchanges of nucleotides by up to 3%.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die charakteristischen Parameter der Fermentierung dabei ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Menge an erzeugtem Biogas, Methangehalt des erzeugten Biogases, Wasserstoffgehalt des erzeugten Biogases, pH-Wert des Gärsubstrats, Redoxpotential des Gärsubstrats, Carbonsäuregehalt des Gärsubstrats, Anteile verschiedener Carbonsäuren im Gärsubstrat, Wasserstoffgehalt des Gärsubstrats, Anteil der Trockensubstanz am Gärsubstrat, Anteil der organischen Trockensubstanz am Gärsubstrat, Viskosität des Gärsubstrats und Raumbelastung des Fermentierungsreaktors.According to a preferred embodiment, the characteristic parameters of the fermentation are selected from the group consisting of amount of biogas produced, methane content of the generated biogas, hydrogen content of the biogas produced, pH of the fermentation substrate, redox potential of the fermentation substrate, carboxylic acid content of the fermentation substrate, proportions of various carboxylic acids in Fermentation substrate, hydrogen content of the fermentation substrate, proportion of dry substance am Fermentation substrate, proportion of the organic dry substance in the fermentation substrate, viscosity of the fermentation substrate and volume loading of the fermentation reactor.
Fermentierung im Sinne der vorliegenden Erfindung umfasst sowohl anaerobe, wie auch aerobe Stoffumwandlungen durch die Einwirkung von Mikroorganismen, die zur Erzeugung von Biogas führen. Diese Erläuterung des Begriffs „Fermentierung" ist unter dem Stichwort „Fermentation im Römpp-Chemielexikon in der 9., erweiterten Auflage, erschienen im Georg Thieme Verlag auf der Seite 1306, angegeben, auf das hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird.Fermentation for the purposes of the present invention includes both anaerobic and aerobic material conversions by the action of microorganisms that lead to the production of biogas. This explanation of the term "fermentation" is under the keyword "fermentation in Römpp Chemistry Lexicon in the 9th, extended edition, published by Georg Thieme Verlag on page 1306, indicated, to which reference is hereby incorporated by reference.
Bei den Carbonsäuren des Gärsubstrats handelt es sich beispielsweise um flüchtige Fettsäuren wie Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Isobuttersäure, Valeriansäure, Isovaleriansäure oder Ameisensäure, welche während der Biogaserzeugung gebildet werden.The carboxylic acids of the fermentation substrate are, for example, volatile fatty acids such as acetic acid, propionic acid, butyric acid, isobutyric acid, valeric acid, isovaleric acid or formic acid, which are formed during biogas production.
Die genannten charakteristischen Parameter geben Auskunft, ob sich der Fermentierungsprozess in einem stabilen Gleichgewichtszustand befindet oder ob ein Absturz des Fermenters droht. Für sämtliche charakteristischen Parameter können auf der Basis experimenteller Daten Sollwertbereiche festgelegt werden, die Aufschluss darüber geben, ob die Fermentierung des Gärsubstrats in einem zur Erzeugung von Biogas geeigneten Zustand abläuft. Bei einer Abweichung der während des Fermentierungsprozesses gemessenen Werte von zumindest zwei charakteristischen Parametern von dem dem jeweiligen Parameter zugeordneten Sollwertbereich läuft der Fermentierungsprozess nicht in einem idealen Zustand ab. Bei einer starken Abweichung der gemessenen Werte von dem jeweiligen Sollwertbereich droht eventuell ein Absturz des Fermenters. Die Sollwertbereiche für die einzelnen charakteristischen Parameter werden also in der Regel für einen bestimmten Satz an äußeren Bedingungen, unter denen eine Fermentierung abläuft, experimentell bestimmt.The mentioned characteristic parameters provide information as to whether the fermentation process is in a stable state of equilibrium or whether the fermenter is in danger of collapse. For all characteristic parameters, setpoint ranges can be determined on the basis of experimental data which provide information as to whether the fermentation of the fermentation substrate is in a state suitable for producing biogas. In the case of a deviation of the values of at least two characteristic parameters measured during the fermentation process from the setpoint value assigned to the respective parameter, the fermentation process does not proceed in an ideal state. In case of a strong deviation of the measured values from the respective setpoint range, the fermenter may possibly crash. The setpoint ranges for the individual characteristic parameters are therefore usually determined experimentally for a particular set of external conditions under which fermentation takes place.
So ist beispielsweise ein Anstieg der Carbonsäurekonzentration im Gärsubstrat häufig mit einem Abfall der Biogasproduktion verbunden. Eine Abweichung von beispielsweise 200 mg/l von dem experimentell für eine stabile Fermentierung bestimmten Sollwertbereich gibt einen Hinweis auf eine zunehmende Instabilität des Fermentierungsprozesses. Weiterhin ist eine Abweichung des pH-Werts um beispielsweise 0,5 von einem zur Biogaserzeugung geeigneten Bereich, der üblicherweise zwischen etwa pH 5 und pH 8 liegt, mit einer Veränderung der Menge und Zusammensetzung des erzeugten Biogases verbunden.For example, an increase in the carboxylic acid concentration in the fermentation substrate is often associated with a decline in biogas production. A deviation of, for example, 200 mg / l from the setpoint range determined experimentally for a stable fermentation gives an indication of an increasing instability of the Fermentation process. Furthermore, a deviation of the pH by, for example, 0.5 from a range suitable for biogas production, which is usually between about pH 5 and pH 8, is associated with a change in the amount and composition of the biogas produced.
Außerdem kann der Anteil von Methan in dem erzeugten Biogas je nach Gärsubstrat schwanken. Beispielsweise beträgt der Methangehalt bei stabilen Fermentierungen von cellulosehaltigen Substraten etwa 40 bis 75 Vol.% und bei der stabilen Fermentierung von fetthaltigen Substraten etwa 50 bis 75 Vol.%. Eine Abweichung von diesen Bereichen, verbunden mit einer Abweichung eines anderen charakteristischen Parameters, zum Beispiel des pH-Werts des Gärsubstrats, kann damit ebenfalls anzeigen, dass der Fermentierungsprozess außerhalb eines zur Erzeugung von Biogas geeigneten Bereichs abläuft.In addition, the proportion of methane in the biogas produced may vary depending on the fermentation substrate. For example, the methane content in stable fermentations of cellulose-containing substrates about 40 to 75 vol.% And in the stable fermentation of greasy substrates about 50 to 75 vol.%. A deviation from these ranges, combined with a deviation of another characteristic parameter, for example the pH of the fermentation substrate, may thus also indicate that the fermentation process is taking place outside a range suitable for producing biogas.
Ein ebenfalls gut geeigneter Indikator ist der Anteil von Wasserstoff in dem erzeugten Biogas. Bei stabilen Fermentierungen beträgt der Anteil des Wasserstoffs an dem erzeugten Biogas etwa 50 ppm bis mehrere 1000 ppm. Der Anteil der Trockensubstanz am Fermenterinhalt kann bei etwa 0 bis 20 Vol.% liegen.Another well-suited indicator is the proportion of hydrogen in the biogas produced. With stable fermentations, the proportion of hydrogen in the biogas produced is about 50 ppm to several 1000 ppm. The proportion of dry matter in the fermenter content may be about 0 to 20% by volume.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die zugegebenen Arten von Mikroorganismen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus hydrolytisch aktiven fermentativen Mikroorganismen, acidogenen fermentativen Mikroorganismen, acetogenen fermentativen Mikroorganismen und methanogenen fermentativen Mikroorganismen. Dadurch ist es möglich zumindest einen Mikroorganismus zuzugeben, der eine spezifische Stoffwechselaktivität aufweist, die zumindest für eine der bereits oben genannten vier Stufen der Fermentierung während der Erzeugung von Biogas benötigt wird.According to a preferred embodiment, the types of microorganisms added are selected from the group consisting of hydrolytically active fermentative microorganisms, acidogenic fermentative microorganisms, acetogenic fermentative microorganisms and methanogenic fermentative microorganisms. This makes it possible to add at least one microorganism having a specific metabolic activity, which is needed for at least one of the already mentioned four stages of fermentation during the production of biogas.
Um eine gezielte Beeinflussung des Gärprozesses sicher zu stellen, werden bevorzugt zumindest zwei Arten von Mikroorganismen zugesetzt, besonders bevorzugt werden zumindest drei Arten von Mikroorganismen zugesetzt und insbesondere bevorzugt werden zumindest vier Arten von Mikroorganismen dem Gärsubstrat zugesetzt. Erfolgt beispielsweise eine Zugabe von zumindest zwei Arten von zwei verschiedenen fermentativen Mikroorganismen zum Gärsubstrat, so können z.B. ein fermentativer Mikroorganismus mit Cellulose-hydrolysierender Aktivität und zumindest ein weiterer fermentativer Mikroorganismus mit z.B. Protein- hydrolysierender Aktivität in einem Fermentationsreaktor zur gleichzeitigen Hydrolyse von zwei verschiedenen Gärsubstraten, wie Cellulose- und Protein- haltigen Gärsubstraten eingesetzt werden. Alternativ ist der Einsatz eines fermentativen Mikroorganismus mit beispielsweise hydrolysierender Aktivität und zumindest ein weiterer fermentativer, beispielsweise methanogener Mikroorga- nismus denkbar.In order to ensure targeted influencing of the fermentation process, preferably at least two types of microorganisms are added, more preferably at least three types of microorganisms are added, and more preferably at least four types of microorganisms are added to the fermentation substrate. For example, if at least two types of two different fermentative microorganisms are added to the fermentation substrate, for example, a fermentative microorganism having cellulose-hydrolyzing activity and at least one other fermentative microorganism having eg protein hydrolyzing activity in a fermentation reactor for simultaneous hydrolysis of two different fermentation substrates, such as cellulose and protein-containing fermentation substrates are used. Alternatively, it is conceivable to use a fermentative microorganism having, for example, hydrolyzing activity and at least one further fermentative, for example methanogenic, microorganism.
Besonders spezifisch kann der Gärprozess beeinflusst werden, wenn die zugegebenen Arten von Mikroorganismen ausgewählt sind aus zumindest zwei Mitgliedern der Gruppe bestehend aus hydrolytisch aktiven fermentativen Mikroorganismen, acidogenen fermentativen Mikroorganismen, acetogenen fermentativen Mikroorganismen und methanogenen fermentativen Mikroorganismen.The fermentation process can be particularly specifically influenced if the added types of microorganisms are selected from at least two members of the group consisting of hydrolytically active fermentative microorganisms, acidogenic fermentative microorganisms, acetogenic fermentative microorganisms and methanogenic fermentative microorganisms.
Bevorzugt sind Ausführungsformen, gemäß denen die zugegebenen Arten von Mikroorganismen ausgewählt sind aus zumindest drei Mitgliedern der Gruppe bestehend aus hydrolytisch aktiven fermentativen Mikroorganismen, acidogenen fermentativen Mikroorganismen, acetogenen fermentativen Mikroorganismen und methanogenen fermentativen Mikroorganismen.Preferred are embodiments according to which the added types of microorganisms are selected from at least three members of the group consisting of hydrolytically active fermentative microorganisms, acidogenic fermentative microorganisms, acetogenic fermentative microorganisms and methanogenic fermentative microorganisms.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden zumindest eine Art eines hydrolytisch aktiven fermentativen Mikroorganismus, zumindest eine Art eines acidogenen fermentativen Mikroorganismus, zumindest eine Art eines acetogenen fermentativen Mikroorganismus und zumindest eine Art eines methanogenen fermentativen Mikroorganismus zugesetzt. Dadurch ist es z.B. möglich, dem Gärsubstrat während der Fermentierung für jede Stufe des komplexen Biogaserzeugungsprozesses mindestens eine Art eines fermentativen Mikroorganismus zuzugeben, der die jeweilige Stufe der Biogaserzeugung durch seine spezifische hydrolytische, acidogene, acetogene oder methanogene Stoffwechselaktivität besonders gut unterstützen kann.According to a particularly preferred embodiment of the present invention, at least one kind of a hydrolytically active fermentative microorganism, at least one kind of an acidogenic fermentative microorganism, at least one kind of an acetogenic fermentative microorganism and at least one kind of a methanogenic fermentative microorganism are added. This makes it possible, for example, to add at least one type of fermentative microorganism to the fermentation substrate during the fermentation for each stage of the complex biogas production process, by virtue of its specific hydrolytic, can particularly well support acidogenic, acetogenic or methanogenic metabolic activity.
Durch die Zugabe eines hydrolytisch aktiven, fermentativen Mikroorganismus zum Gärsubstrat kann die Hydrolyse der im Gärsubstrat vorhandenen biopolymeren Bestandteile in Monomere beziehungsweise in Oligomere und andere lösliche Abbauprodukte beeinflusst werden. In dem Hydrolyseschritt werden zudem Fette zu Fettsäuren, Kohlenhydrate wie z.B. Polysaccharide zu Oligo- und Monosacchariden und Proteine zu Oligopeptiden bzw. zu Aminosäuren hydrolysiert. Besonders bevorzugt wird daher zumindest ein hydrolytisch aktiver fermentativer Mikroorganismus einer Gattung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Anaerophaga, Lachnospira, Paenibacillus, Pseudomonas, Leptothrix, Burkholderia, Ralstonia, Bradyrhizobium, Arcobacter, Fibrobacter, Streptococcus, Planomicrobium, Turicibacter, Ruminococcus, Deinococcus, Peptostreptococcus, Vagococcus, Proteus, Clostridium, Bacillus, Bacteroides, Cytophaga und Sporocytophaga zugesetzt.The addition of a hydrolytically active fermentative microorganism to the fermentation substrate can influence the hydrolysis of the biopolymer constituents present in the fermentation substrate into monomers or into oligomers and other soluble degradation products. In the hydrolysis step, fats are also added to fatty acids, carbohydrates, e.g. Polysaccharides to oligo- and monosaccharides and proteins to oligopeptides or hydrolyzed to amino acids. Particular preference is therefore given to at least one hydrolytically active fermentative microorganism of a genus selected from the group consisting of Anaerophaga, Lachnospira, Paenibacillus, Pseudomonas, Leptothrix, Burkholderia, Ralstonia, Bradyrhizobium, Arcobacter, Fibrobacter, Streptococcus, Planomicrobium, Turicibacter, Ruminococcus, Deinococcus, Peptostreptococcus, Vagococcus, Proteus, Clostridium, Bacillus, Bacteroides, Cytophaga and Sporocytophaga added.
Aufgrund der Zugabe zumindest einer Art von hydrolytisch aktivem, fermentativen Mikroorganismus lässt sich der erste Schritt der Biogaserzeugung, die Hydrolyse besonders gut steueren. In Abhängigkeit von den im Gärsubstrat vorhandenen biopolymeren Bestandteilen, kann ein hydrolytisch aktiver, fermentativer Mikroorganismus hinzugegeben werden, der die im Gärsubstrat vorhandenen oder sogar vorherrschenden biopolymeren Bestandteile hydrolysieren kann.Due to the addition of at least one type of hydrolytically active, fermentative microorganism, the first step of biogas production is to control the hydrolysis particularly well. Depending on the biopolymeric constituents present in the fermentation substrate, a hydrolytically active fermentative microorganism can be added which can hydrolyse the biopolymeric constituents present or even predominant in the fermentation substrate.
So kann das zu fermentierende Gärsubstrat beispielsweise zu einem großen Teil aus Pflanzen, zur Biogasgewinnung gezielt angebauten Getreidesorten und Energiepflanzen, sogenannten nachwachsenden Rohstoffen, bisher nicht nutzbaren Pflanzenbestandteilen, Silage, Bioabfallen und weiteren Cellulose-, Hemicellulose-, Stärke- und Kohlenhydrat-haltigen Substraten bestehen. In diesem Fall kann zumindest eine Art eines Cellulose-, eines Stärke- oder eines Saccharose- hydrolysierenden, fermentativen Mikroorganismus hinzugegeben werden, der die in diesen Substraten befindliche Cellulose, Hemicellulose, Stärke oder Kohlenhydrate hydrolysieren kann. Des weiteren können die Substrate frisch, getrocknet oder konserviert, zum Beispiel siliert verwendet werden. Dabei kann Silage, und besonders Maissilage, Ganzpflanzensilage, oder Grassilage bevorzugt als Substrat verwendet werden, da Silage einen besonders hochwertigen Energieträger darstellt und sich durch den Einsatz von Silage eine hohe Biogasausbeute erzielen lässt.Thus, the fermentation substrate to be fermented, for example, consist to a large extent of plants, crops and energy plants targeted for biogas production, so-called renewable raw materials, previously unusable plant components, silage, biowaste and other cellulosic, hemicellulose, starch and carbohydrate-containing substrates , In this case, at least one kind of cellulose, starch or sucrose hydrolyzing fermentative microorganism can be added which can hydrolyze the cellulose, hemicellulose, starch or carbohydrates present in these substrates. Furthermore, the substrates may be fresh, dried or preserved, for example, used as ensilage. Here, silage, and especially maize silage, whole plant silage, or grass silage are preferred as a substrate, since silage is a particularly high-quality energy source and can be achieved by the use of silage high biogas yield.
Bei der Fermentierung von tierischen Rückständen, wie beispielsweise von Schlachtabfallen oder anderen tierischen Bestandteilen kann bevorzugt eine Art eines Protein- oder eines Lipid-hydrolysierenden, fermentativen Mikroorganismus zum Gärsubstrat hinzugegeben werden, der die Protein- und Lipidbestandteile des Gärsubstrats hydrolysieren kann. Zur Fermentierung eines Substrats, das verschiedene Bestandteile unterschiedlicher Herkunft, wie zum Beispiel tierische und pflanzliche Rückstände aufweist, die beispielsweise Kohlenhydrate und Lipide enthalten und z.B. Speisereste, Gülle oder Klärschlamm umfassen, ist der Einsatz von mehr als einer Art eines hydrolytisch aktiven Mikroorganismus, wie z.B. eines Saccharose-, eines Stärke- und eines Lipid-hydrolysierenden Mikroorganismus denkbar. So können ebenfalls Gärsubstrate, die verschiedene Bestandteile unterschiedlicher Herkunft enthalten durch die Zugabe von zumindest einer Art eines speziellen hydrolytisch aktiven, fermentativen Mikroorganismus effizienter fermentiert werden.In the fermentation of animal residues, such as slaughterhouse slaughter or other animal components, one type of protein or lipid hydrolyzing fermentative microorganism may preferably be added to the fermentation substrate which may hydrolyze the protein and lipid components of the fermentation substrate. For the fermentation of a substrate having various components of different origin, such as animal and vegetable residues containing, for example, carbohydrates and lipids and e.g. Food residues, manure or sewage sludge, is the use of more than one type of hydrolytically active microorganism, e.g. a sucrose, a starch and a lipid-hydrolyzing microorganism conceivable. Thus, also fermentation substrates containing various components of different origin can be fermented more efficiently by the addition of at least one kind of a specific hydrolytically active fermentative microorganism.
Daneben kann das Gärsubstrat auch feste Bestandteile enthalten, die durch die Zugabe einer Art eines hydrolytisch aktiven, fermentativen Mikroorganismus zumindest teilweise verflüssigt werden können. Durch die erzielte Verflüssigung des Gärsubstrats aufgrund der Zugabe eines hydrolytisch aktiven, fermentativen Mikroorganismus kann einem Eindicken des Fermentermaterials vorgebeugt und gezielt entgegengewirkt werden und ein weiterer Flüssigkeitseintrag in das Gärsubstrat in Form von Wasser oder Gülle während der Fermentierung kann vermieden werden. Somit besteht ein weiterer Vorteil in der Schonung der Ressource Süßwasser. Ebenfalls von Vorteil ist der so erzielte Erhalt der Rühr- und Pumpfähigkeit des Materials, da der Trockensubstanzgehalt nicht weiter ansteigt.In addition, the fermentation substrate may also contain solid components which may be at least partially liquified by the addition of one kind of hydrolytically active fermentative microorganism. Due to the liquefaction of the fermentation substrate due to the addition of a hydrolytically active, fermentative microorganism, thickening of the fermenter material can be prevented and specifically counteracted, and further liquid introduction into the fermentation substrate in the form of water or manure during the fermentation can be avoided. Thus, there is another advantage in conserving the resource freshwater. It is also advantageous to obtain the stirring and pumpability of the material thus obtained, since the dry matter content does not increase any further.
Die Zugabe eines hydrolytisch aktiven, fermentativen Mikroorganismus zum Gärsubstrat erfolgt bevorzugt bei einer Abweichung des charakteristischen Parameters „Anteil der Trockensubstanz am Gärsubstrat" von dem entsprechenden vorgegebenen Sollwertbereich. Ein zu hoher Anteil an Trockensubstanz kann sich nachteilig auf die Bildung von Methan auswirken. Wird dies beispielsweise durch Abweichung der beiden genannten Parameter von ihren Sollwertbereichen festgestellt, so kann bevorzugt durch die Zugabe eines hydrolytisch aktiven, fermentativen Mikroorganismus einer Destabilisierung desThe addition of a hydrolytically active, fermentative microorganism to the fermentation substrate is preferably carried out with a deviation of the characteristic Excessive dry matter content may be detrimental to the formation of methane If, for example, this is determined by the deviation of the two parameters from their target value ranges, the addition may be preferred of a hydrolytically active, fermentative microorganism destabilizing the
Fermentierungsprozesses entgegengewirkt werden.Be counteracted fermentation process.
Durch die Zugabe eines acidogenen, fermentativen Mikroorganismus zum Gärsubstrat können die in der Hydrolyse aus den Biopolymeren gebildeten Monomere, Oligomere oder andere lösliche Abbauprodukte in kurzkettige Fett- und Carbonsäuren, wie z. B. Butter-, Propion- und Essigsäure und in kurzkettige Alkohole, wie z. B. Ethanol, verbessert umgesetzt werden. Besonders bevorzugt wird daher zumindest ein acidogener fermentativer Mikroorganismus einer Gattung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Flavobacterium, Delftia, Selenomonas, Butyrivibrio, Schwarztia, Aminomonas, Paenibacillus, Anaeorophaga, Halothermothrix, Bacillus, Eubacterium, Clostridium, Acetanaerobacterium, Sedimentibacter, Corynebacterium, Bifidobacterium, Mikrobacterium, Williamsia und Cryptobacterium zugesetzt.By adding an acidogenic, fermentative microorganism to the fermentation substrate, the monomers formed in the hydrolysis of the biopolymers, oligomers or other soluble degradation products in short-chain fatty and carboxylic acids, such as. As butter, propionic and acetic acid and in short-chain alcohols, such as. As ethanol, improved implemented. Particular preference is therefore given to at least one acidogenic fermentative microorganism of a genus selected from the group consisting of Flavobacterium, Delftia, Selenomonas, Butyrivibrio, Schwarztia, Aminomonas, Paenibacillus, Anaeorophaga, Halothermothrix, Bacillus, Eubacterium, Clostridium, Acetanaerobacterium, Sedimentibacter, Corynebacterium, Bifidobacterium, Microbacterium , Williamsia and Cryptobacterium added.
Um die Acidogenese besser kontrollieren zu können, kann dem Gärsubstrat während der Fermentierung auch zumindest eine Art eines acidogenen, fermentativen Mikroorganismus der genannten Gattungen zugegeben werden. Ein fermentativer Mikroorganismus, der über eine acidogene Stoffwechselaktivität verfügt, kann die Produkte der Hydrolyse wie beispielsweise Fettsäuren, Oligo- und/oder Monosaccaride, Oligopeptide und/oder Aminosäuren zu kurzkettigen Fett- und Carbonsäuren, sowie zu kurzkettigen Alkoholen umsetzen, so dass die Zugabe eines solchen acidogenen, fermentativen Mikroorganismus zum Gärsubstrat zu einer verbesserten Acidogenese führen kann.In order to be able to better control the acidogenesis, at least one type of acidogenic, fermentative microorganism of the mentioned genera may also be added to the fermentation substrate during the fermentation. A fermentative microorganism having an acidogenic metabolic activity, the products of hydrolysis such as fatty acids, oligo- and / or Monosaccaride, oligopeptides and / or amino acids to short-chain fatty and carboxylic acids, as well as short-chain alcohols implement, so that the addition of a Such acidogenic, fermentative microorganism to the fermentation substrate can lead to improved Acidogenese.
Die Zugabe eines acidogenen, fermentativen Mikroorganismus zum Gärsubstrat erfolgt bevorzugt bei einer Abweichung des charakteristischen Parameters „Menge an erzeugtem Biogas" da im Falle einer zu geringen Anzahl an acidogenen Mikroorganismen zu wenig Vorstufen zur Verstoffwechslung durch acetogene und methanogene Mikroorganismen gebildet werden. Dadurch kann es zu einer Verminderung der Biogasbildung kommen. Als weitere charakteristische Parameter für die Zugabe eines acidogenen Mikroorganismus zum Gärsubstrat werden bevorzugt der Gehalt an Carbonsäuren und die Anteile verschiedener Carbonsäuren im Gärsubstrat verwendet. Werden Abweichungen von wenigstens zwei der genannten Parameter von den zugehörigen Sollwertbereichen festgestellt, so kann durch die Zugabe eines acidogenen, fermentativen Mikroorganismus einer Destabilisierung des Fermentierungsprozesses entgegengewirkt werden.The addition of an acidogenic, fermentative microorganism to the fermentation substrate is preferably carried out at a deviation of the characteristic parameter "amount of biogas produced" as in the case of too small a number of acidogenic microorganisms too few precursors for metabolism by acetogenic and methanogenic microorganisms are formed. This can lead to a reduction in biogas production. As further characteristic parameters for the addition of an acidogenic microorganism to the fermentation substrate, the content of carboxylic acids and the proportions of various carboxylic acids in the fermentation substrate are preferably used. If deviations from at least two of the mentioned parameters from the associated desired value ranges are ascertained, destabilization of the fermentation process can be counteracted by the addition of an acidogenic, fermentative microorganism.
Weiterhin kann durch Zugabe eines acetogenen, fermentativen Mikroorganismus zum Gärsubstrat die Umwandlung der während der Acidogenese gebildeten kurzkettigen Fett- und Carbonsäuren und kurzkettigen Alkohole zu Essigsäure oder Acetaten sowie zu CO2 verbessert werden. Besonders bevorzugt wird daher zumindest ein acetogener fermentativer Mikroorganismus einer Gattung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acetobacterium, Synthrophobacter, Synthrophococcus, Pelobacter, Acetivibrio, Sporobacter, Lactobacillus, Desulfomonas, Methylobacterium, Caulobacter, Acetanaerobacterium, Synthrophobotulus, Desulfonosporus, Desulfotomaculum, Gelria,Furthermore, by adding an acetogenic fermentative microorganism to the fermentation substrate, the conversion of the short-chain fatty and carboxylic acids and short-chain alcohols formed during the acidogenesis to acetic acid or acetates and to CO 2 can be improved. Particular preference is therefore given to at least one acetogenic fermentative microorganism of a genus selected from the group consisting of Acetobacterium, Synthrobobacter, Synthrophococcus, Pelobacter, Acetivibrio, Sporobacter, Lactobacillus, Desulfomonas, Methylobacterium, Caulobacter, Acetanaerobacterium, Synthrophobotulus, Desulfonosporus, Desulfotomaculum, Gelria,
Thermoterrabacterium, Syntrophomonas, Syntrophothermus, Moorella, Aminomonas und Anaerobaculum zugesetzt.Thermoterrabacterium, Syntrophomonas, Syntrophothermus, Moorella, Aminomonas and Anaerobaculum.
Eine weitere Verbesserung der Fermentierung des Gärsubstrats kann also erreicht werden, wenn während der Fermentierung zumindest eine Art eines acetogenen Mikroorganismus hinzugegeben wird. Acetogene Mikroorganismen dienen der Unterstützung der Acetogenese während der Erzeugung von Biogas, da sie zu einer verbesserten Umsetzung der Produkte der Acidogenese, den kurzkettigen Fett- und Carbongäuren, sowie den kurzkettigen Alkohole zu Essigsaure, CO2 und H2 beitragen.A further improvement in the fermentation of the fermentation substrate can thus be achieved if at least one type of acetogenic microorganism is added during the fermentation. Acetogenic microorganisms help to promote acetogenesis during the production of biogas, as they contribute to an improved conversion of the products of acidogenesis, the short-chain fatty and carboxylic acids, and the short-chain alcohols to acetic acid, CO 2 and H 2 .
Die Zugabe eines acetogenen Mikroorganismus zum Gärsubstrat erfolgt bevorzugt bei einer Abweichung der charakteristischen Parameter „Carbonsäuregehalt des Gärsubstrats" und „Anteile verschiedener Carbonsäuren im Gärsubstrat" von den entsprechenden vorgegebenen Sollwertbereichen. So kann sich beispielsweise ein zu hoher Carbonsäuregehalt nachteilig auf die Bildung von Methan auswirken. Daneben wird bevorzugt eine Abweichung des charakteristischen Parameters „Menge an erzeugtem Biogas" berücksichtigt, da im Falle einer zu geringen Anzahl an acetogenen Mikroorganismen zu wenig Vorstufen zur Verstoffwechslung durch methanogene Mikroorganismen gebildet werden. Dadurch kann es zu einer Verminderung der Biogasbildung kommen. Werden Abweichungen von wenigstens zwei der genannten Parameter von den zugehörigen Sollwertbereichen festgestellt, so kann durch die Zugabe eines acetogenen Mikroorganismus einer Destabilisierung des Fermentierungsprozesses entgegengewirkt werden.The addition of an acetogenic microorganism to the fermentation substrate is preferably carried out with a deviation of the characteristic parameters "carboxylic acid content of the fermentation substrate" and "proportions of various carboxylic acids in the fermentation substrate" of the corresponding predetermined target value ranges. For example, too high a carboxylic acid content can adversely affect the formation of methane. In addition, a deviation of the characteristic parameter "amount of generated biogas" is preferably taken into account, since in the case of too small a number of acetogenic microorganisms, too few precursors are formed for metabolization by methanogenic microorganisms If at least two of the stated parameters are determined by the associated setpoint ranges, destabilization of the fermentation process can be counteracted by the addition of an acetogenic microorganism.
Schließlich kann auch der vierte Schritt der Biogaserzeugung, die Methanogenese, durch Zugabe eines methanogenen Mikroorganismus beeinflusst werden. Handelt es sich dabei um einen acetoclastischen Methanbildner, so ist dieser in der Lage, aus dem in der Acetogenese gebildeten Acetat oder aus der Essigsäure Methan und CO2 zu bilden. Andere methanogene Mikroorganismen können Methan durch Umsetzung von Kohlendioxid und Wasserstoff erzeugen. Besonders bevorzugt wird daher zumindest ein methanogener fermentativer Mikroorganismus einer Gattung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Methanocorpusculum, Methanoculleus, Methanogenium, Methanomethylovorans, Methanobacterium, Methanobre- vibacter, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanosaeta, Methanospirillum, Methanothermobacter und Methanothermococcus zugesetzt wird.Finally, the fourth step of biogas production, methanogenesis, can be influenced by adding a methanogenic microorganism. If this is an acetoclastic methanogen, it is able to form methane and CO 2 from the acetate formed in acetogenesis or from acetic acid. Other methanogenic microorganisms can produce methane by reacting carbon dioxide and hydrogen. Particular preference is therefore given to adding at least one methanogenic fermentative microorganism of a genus selected from the group consisting of methanocorpusculum, methanoculleus, methanogenium, methanomethylovoran, methanobacterium, methanobacter bacterium, methanococcus, methanomicrobium, methanosaeta, methanospirillum, methanothermobacter and methanothermococcus.
Der vierte Schritt der Biogaserzeugung, die Methanogenese kann durch die Zugabe einer Art eines methanogenen, fermentativen Mikroorganismus besser kontrolliert werden. Dabei ist beispielsweise die Zugabe eines acetoclastischen, methanbildenden Mikroorganismus denkbar, der die während der Acetogenese entstandene Essigsäure in Methan und CO2 umsetzen kann. Ebenfalls können auch andere methanogene, fermentative Mikroorganismen während der Fermentierung zum Gärsubstrat hinzugegeben werden, die das während der Acetogenese gebildete CO2 und H2 zu Methan und CO2 umsetzen. Der Zusatz von methanogenen, fermentativen Mikroorganismen ermöglicht einen verbesserten Umsatz von zum Beispiel Essigsäure und kann zu einer gesteigerten Methanogeneserate und somit zu einer erhöhten Ausbeute an methanhaltigem Biogas führen. Somit kann einer Verschlechterung des Methangehalts im entstehenden Biogas durch die Anhäufung acetogener Zwischenprodukte entgegengewirkt werden.The fourth step of biogas production, methanogenesis can be better controlled by the addition of one kind of methanogenic fermentative microorganism. The addition of a acetoclastischen, methane-forming micro-organism is for example conceivable which can convert the acetic acid formed during the acetogenesis into methane and CO 2. It is also possible to add other fermentative fermentative microorganisms during the fermentation to the fermentation substrate, which convert the CO 2 and H 2 formed during the acetogenesis to methane and CO 2 . The addition of methanogenic, fermentative microorganisms enables improved conversion of, for example, acetic acid and can lead to an increased methanogenesis rate and thus to an increased yield of methane-containing biogas. Thus, a deterioration of the methane content in the resulting biogas can be counteracted by the accumulation of acetogenic intermediates.
Die Zugabe eines methanogenen, fermentativen Mikroorganismus zum Gärsubstrat erfolgt bevorzugt bei einer Abweichung der charakteristischen Parameter „Menge an erzeugtem Biogas" und „Methangehalt des erzeugten Biogases" von dem entsprechenden vorgegebenen Sollwertbereich. Daneben kann auch der charakteristische Parameter „Wasserstoffgehalt des Gärsubstrats" berücksichtigt werden. Wird eine Abweichung der beiden genannten Parameter von ihren Sollwertbereichen festgestellt, so kann bevorzugt durch die Zugabe eines methanogenen Mikroorganismus einer Destabilisierung desThe addition of a methanogenic, fermentative microorganism to the fermentation substrate is preferably carried out with a deviation of the characteristic parameters "amount of biogas produced" and "methane content of the biogas produced" from the corresponding predetermined setpoint range. In addition, the characteristic parameter "hydrogen content of the fermentation substrate" can also be taken into account If a deviation of the two mentioned parameters from their nominal value ranges is determined, then by the addition of a methanogenic microorganism it is possible to destabilize the
Fermentierungsprozesses entgegengewirkt werden. Im Falle einer Abweichung des Parameters „Wasserstoffgehalt des Gärsubstrats" erfolgt bevorzugt die Zugabe von hydrogenotrophen methanogenen Mikroorganismen.Be counteracted fermentation process. In the case of a deviation of the parameter "hydrogen content of the fermentation substrate" is preferably carried out the addition of hydrogenotrophic methanogenic microorganisms.
Bevorzugt werden die einzelnen Arten von Mikroorganismen in Form von Kulturen von Mikroorganismen dem Gärsubstrat zugesetzt, wobei die Kulturen von Mikroorganismen jeweils überwiegend aus einer Art von Mikroorganismen bestehen. Zur Beeinflussung der einzelnen Schritte des Gärprozesses ist es vorteilhaft, dem Gärsubstrat möglichst gezielt eine geeignete Menge einer oder mehrere Arten von Mikroorganismen zuzugeben. Selbstverständlich ist es aber möglich Mischkulturen von Mikroorganismen zu verwenden, wobei es sich um natürliche oder auch künstlich hergestellte Mischkulturen handeln kann.Preferably, the individual types of microorganisms in the form of cultures of microorganisms are added to the fermentation substrate, the cultures of microorganisms each consisting predominantly of one type of microorganism. In order to influence the individual steps of the fermentation process, it is advantageous to selectively add to the fermentation substrate a suitable amount of one or more types of microorganisms. Of course, it is possible to use mixed cultures of microorganisms, which may be natural or artificially produced mixed cultures.
Die Zugabe der Kulturen von Mikroorganismen kann in Form einer Kultursuspension, in Form trockener, gefriergetrockneter oder feuchter Zellpellets oder auch in Form von Sporensuspensionen, Sporenpräparaten oder trockener, gefriergetrockneter oder feuchter Sporenpellets vorgenommen werden.The addition of the cultures of microorganisms can be carried out in the form of a culture suspension, in the form of dry, freeze-dried or moist cell pellets or in the form of spore suspensions, spore preparations or dry, freeze-dried or moist spore pellets.
Die Bestimmung der Anteile verschiedener Arten von Mikroorganismen in solchen Mischkulturen stellt für den Fachmann kein Problem dar. So kann beispielsweise mit Hilfe von Fluoreszenz-markierten Oligosonden spezifisch der Anteil einzelner Arten von Mikroorganismen in einer Mischung identifiziert werden. Wie bereits erwähnt, werden die einzelnen Arten von Mikroorganismen bevorzugt in Form von Kulturen von Mikroorganismen dem Gärsubstrat zugesetzt, wobei die Kulturen von Mikroorganismen überwiegend aus einer Art von Mikroorganismen bestehen. Wird daneben noch die Gesamtzahl an Mikroorganismen bestimmt, so kann der Anteil einer bestimmten Art vom Mikroorganismen in der Kultur in Prozent angegeben werden. Bei der in einer Mischkultur überwiegend anwesenden Art von Mikroorganismen handelt es sich um die Art von Mikroorganismen mit dem höchsten prozentualen Anteil an der Mischkultur.The determination of the proportions of different types of microorganisms in such mixed cultures is not a problem for the expert. Thus, for example, using fluorescence-labeled oligosensors specifically the proportion of individual species of microorganisms can be identified in a mixture. As already mentioned, the individual types of microorganisms are preferred in the form of cultures of microorganisms added to the fermentation substrate, the cultures of microorganisms consisting predominantly of one type of microorganism. If, in addition, the total number of microorganisms is determined, then the percentage of a certain type of microorganism in the culture can be stated as a percentage. The predominant species of microorganism present in a mixed culture is the type of microorganism with the highest percentage of mixed culture.
Grundsätzlich ist die gezielte Beeinflussung des Fermentationsprozesses umso besser möglich, je größer der Anteil der gewünschten Art von Mikroorganismen in der dem Gärsubstrat zugesetzten Mischkultur ist. Bevorzugt sind daherBasically, the targeted influencing of the fermentation process is the better possible, the greater the proportion of the desired type of microorganisms in the mixed substrate added to the fermentation substrate. Therefore, preference is given
Ausführungsformen, gemäß denen die in der dem Gärsubstrat zugesetzten Kultur von Mikroorganismen überwiegend anwesende Art von Mikroorganismen zumindestEmbodiments according to which the culture of microorganisms added to the fermentation substrate at least predominantly present type of microorganisms
25% der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht, besonders bevorzugt macht die in der Kultur von Mikroorganismen überwiegend anwesende Art von Mikroorganismen zumindest 50% der Gesamtzahl an in der25% of the total number of microorganisms present in the culture, more preferably the type of microorganisms predominantly present in the culture of microorganisms makes up at least 50% of the total number of microorganisms
Kultur vorhandenen Mikroorganismen aus.Culture existing microorganisms.
Darüber hinaus sind Ausführungsformen bevorzugt, wonach die in der Kultur von Mikroorganismen überwiegend anwesende Art von Mikroorganismen zumindest 66%, besonders bevorzugt zumindest 75% und insbesondere bevorzugt zumindest 90% der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht.Moreover, embodiments are preferred according to which the type of microorganisms predominantly present in the culture of microorganisms constitutes at least 66%, more preferably at least 75%, and most preferably at least 90% of the total number of microorganisms present in the culture.
Weiterhin bevorzugt sind Ausführungsformen, in denen die in der Kultur von Mikroorganismen der überwiegend anwesenden Art von Mikroorganismen zumindest 95% der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht und insbesondere bevorzugt wird dem Gärsubstrat zumindest eine Reinkultur von Mikroorganismen zugesetzt.Further preferred embodiments are those in which in the culture of microorganisms of the predominantly present type of microorganisms makes up at least 95% of the total number of microorganisms present in the culture, and more preferably at least one pure culture of microorganisms is added to the fermentation substrate.
Somit kann zumindest eine Art von Mikroorganismen zu dem Gärsubstrat hinzugegeben werden, die aufgrund ihrer spezifischen Stoffwechselprozesse zumindest eine Stufe im komplexen Biogaserzeugungsprozess unterstützen kann. Auf diese Weise lässt sich die Erzeugung von Biogas besser steuern als dies bisher möglich war. Die Zugabe der Mikroorganismen als Reaktion auf das Abweichen charakteristischer Parameter von vorgegebenen Sollwertbereichen ermöglicht die Stabilisierung des Fermentierungsprozesses und verhindert häufig einen Absturz des Fermenters.Thus, at least one type of microorganism can be added to the fermentation substrate, which, due to its specific metabolic processes, can support at least one stage in the complex biogas production process. In this way, the production of biogas can be better controlled than was previously possible. The addition of microorganisms in response to the deviation characteristic parameter of predetermined setpoint ranges allows the stabilization of the fermentation process and often prevents a fall of the fermenter.
Unter dem Begriff „Reinkultur eines Mikroorganismus" wird die Nachkommenschaft einer einzelnen Zelle, die durch einen mehrschrittigen Prozess aus einem Gemisch verschiedener Mikroorganismen isoliert wird, verstanden. Der mehrschrittige Mechanismus der Isolierung beginnt mit der Abtrennung einer einzelnen Zelle aus einer Zellpopulation und erfordert, dass auch die aus der Zelle durch Wachstum und Zellteilung hervorgehende Kolonie von anderen Einzelzellen oder Kolonien getrennt bleibt. Durch eine sorgfältige Abtrennung einer Kolonie, erneutes Suspendieren in Flüssigkeit und wiederholtes Ausstreichen können gezielt Reinkulturen von Mikroorganismen gewonnen werden.By the term "pure culture of a microorganism" is meant the progeny of a single cell isolated by a multi-step process from a mixture of different microorganisms The multi-step mechanism of isolation begins with the separation of a single cell from a cell population and requires that as well the colony remaining in the cell through growth and cell division is separated from other single cells or colonies by carefully separating a colony, re-suspending it in liquid, and repeating it repeatedly to selectively recover pure cultures of microorganisms.
Die Isolierung einer Reinkultur kann jedoch auch in flüssigen Nährmedien erfolgen, sofern der gewünschte Organismus im Ausgangsmaterial zahlenmäßig überwiegt. Durch serienmäßige Verdünnung der Suspension in der Nährlösung lässt es sich schließlich erreichen, dass sich in der letzten Verdünnungsstufe nur noch eine Zelle befindet. Diese Zelle stellt dann die Basis für eine Reinkultur dar. Diese Erläuterung des Begriffs „Reinkultur" und mögliche Verfahren zur Erzeugung einer Reinkultur sind unter dem Stichwort „Reinkultur" im Werk „Allgemeine Mikrobiologie" von Hans G. Schlegel in der 7. überarbeiteten Auflage von 1992, erschienen im Georg Thieme Verlag auf der Seite 205 aufgeführt, auf das hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird.However, the isolation of a pure culture can also be carried out in liquid nutrient media, provided that the desired organism outnumbered in the starting material. By serial dilution of the suspension in the nutrient solution, it can finally be achieved that only one cell remains in the last dilution stage. This cell then represents the basis for a pure culture. This explanation of the term "pure culture" and possible methods for generating a pure culture under the keyword "pure culture" in the work "General Microbiology" by Hans G. Schlegel in the 7th revised edition of 1992, published by Georg Thieme Verlag on page 205, to which reference is hereby incorporated by reference.
Die so erhaltene Reinkultur ist darüber hinaus auch biochemisch durch spezifische Stoffwechselprozesse und -aktivitäten, sowie durch spezielle Wachstumsbedingungen gekennzeichnet. Aufgrund der spezifischen Stoffwechselprozesse und -aktivitäten kann die Zugabe einer Reinkultur eines fermentativen Mikroorganismus in besonderem Maße zu einer verbesserten Kontrolle des komplexen Biogaserzeugungsprozesses beitragen.The pure culture obtained in this way is also characterized biochemically by specific metabolic processes and activities, as well as by special growth conditions. Due to the specific metabolic processes and activities, the addition of a pure culture of a fermentative microorganism can especially contribute to an improved control of the complex biogas production process.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Mikroorganismen als Bestandteil zumindest einer immobilisierten Kultur von Mikroorganismen zugesetzt. Da für die Zugabe der Mikroorganismen die Menge an aus ihrem natürlichen Vorkommen isolierten Mikroorganismen nicht ausreicht, wird üblicherweise eine Vermehrung in Form einer Kultur vorgenommen. In der Praxis zeigt sich, dass die Zugabe der Mikroorganismen zu dem Gärsubstrat eines Fermenters am einfachsten in Form einer immobilisierten Kultur von Mikroorganismen vorgenommen wird.According to another preferred embodiment of the present invention, the microorganisms are formed as part of at least one immobilized culture of microorganisms added. Since the amount of microorganisms isolated from their natural occurrence is insufficient for the addition of the microorganisms, it is usually propagated in the form of a culture. In practice, it has been found that the addition of the microorganisms to the fermentation substrate of a fermenter is most easily carried out in the form of an immobilized culture of microorganisms.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt zusätzlich die Festlegung von zumindest einem, einem dritten charakteristischen Parameter der Fermentierung zugeordneten dritten Sollwertbereich, wobei der dritte Sollwertbereich einen zur Aufrechterhaltung der Fermentierung geeigneten dritten Wertebereich definiert. Entsprechend erfolgt eine Bestimmung von zumindest einem Messwert des dritten charakteristischen Parameters während des Fermentierungsprozesses und ein Vergleich des gemessenen Wertes des dritten charakteristischen Parameters mit zumindest einem, diesem dritten Parameter zugeordneten dritten Sollwertbereich. Die Zugabe von zumindest einer Art von Mikroorganismen zum Gärsubstrat erfolgt in dem Fall, dass der gemessene Wert des ersten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem ersten Parameter zugeordneten ersten Sollwertbereich aufweist, der gemessene Wert des zweiten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem zweiten Parameter zugeordneten zweiten Sollwertbereich aufweist und der gemessene Wert des dritten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem dritten Parameter zugeordneten dritten Sollwertbereich aufweist.In accordance with a further preferred embodiment of the present invention, the determination of at least one third desired value range assigned to a third characteristic parameter of the fermentation additionally takes place, the third desired value range defining a third value range suitable for maintaining the fermentation. Accordingly, a determination is made of at least one measured value of the third characteristic parameter during the fermentation process and a comparison of the measured value of the third characteristic parameter with at least one third setpoint range assigned to this third parameter. The addition of at least one type of microorganism to the fermentation substrate is carried out in the event that the measured value of the first characteristic parameter has a fixed relation to the first setpoint range associated with this first parameter, the measured value of the second characteristic parameter a fixed relation to that of the second Parameter has associated second setpoint range and the measured value of the third characteristic parameter has a fixed relation to the said third parameter associated third setpoint range.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt zusätzlich die Festlegung von zumindest einem, einem vierten charakteristischen Parameter der Fermentierung zugeordneten vierten Sollwertbereich, wobei der vierte Sollwertbereich einen zur Aufrechterhaltung der Fermentierung geeigneten vierten Wertebereich definiert. Entsprechend erfolgt eine Bestimmung von zumindest einem Messwert des vierten charakteristischen Parameters während des Fermentierungsprozesses und ein Vergleich des gemessenen Wertes des vierten charakteristischen Parameters mit zumindest einem, diesem vierten Parameter zugeordneten vierten Sollwertbereich. Die Zugabe von zumindest einer Art von Mikroorganismen zum Gärsubstrat erfolgt in dem Fall, dass der gemessene Wert des ersten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem ersten Parameter zugeordneten ersten Sollwertbereich aufweist, der gemessene Wert des zweiten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem zweiten Parameter zugeordneten zweiten Sollwertbereich aufweist, der gemessene Wert des dritten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem dritten Parameter zugeordneten dritten Sollwertbereich aufweist und der gemessene Wert des vierten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem vierten Parameter zugeordneten vierten Sollwertbereich aufweist.In accordance with a further preferred embodiment of the present invention, the setting of at least one fourth desired value range assigned to a fourth characteristic parameter of the fermentation additionally takes place, wherein the fourth desired value range defines a fourth value range suitable for maintaining the fermentation. Accordingly, a determination of at least one measured value of the fourth characteristic parameter takes place during the fermentation process and a comparison of the measured value of the fourth characteristic parameter with at least one fourth setpoint range associated with this fourth parameter. The addition of at least one type of microorganisms to the fermentation substrate takes place in the event that the measured value of the first characteristic parameter has a fixed relation to the first setpoint range associated with this first parameter, the measured value of the second characteristic parameter is a fixed relation to the second parameter associated therewith second setpoint range, the measured value of the third characteristic parameter has a fixed relation to the third setpoint range associated with this third parameter, and the measured value of the fourth characteristic parameter has a fixed relation to the fourth setpoint range associated with this fourth parameter.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt zusätzlich die Festlegung von zumindest einem, einem fünften charakteristischen Parameter der Fermentierung zugeordneten fünften Sollwertbereich, wobei der fünfte Sollwertbereich einen zur Aufrechterhaltung der Fermentierung geeigneten fünften Wertebereich definiert. Entsprechend erfolgt eine Bestimmung von zumindest einem Messwert des fünften charakteristischen Parameters während des Fermentierungsprozesses und ein Vergleich des gemessenen Wertes des fünften charakteristischen Parameters mit zumindest einem, diesem fünften Parameter zugeordneten fünften Sollwertbereich. Die Zugabe von zumindest einer Art von Mikroorganismen zum Gärsubstrat erfolgt in dem Fall, dass der gemessene Wert des ersten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem ersten Parameter zugeordneten ersten Sollwertbereich aufweist, der gemessene Wert des zweiten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem zweiten Parameter zugeordneten zweiten Sollwertbereich aufweist, der gemessene Wert des dritten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem dritten Parameter zugeordneten dritten Sollwertbereich aufweist, der gemessene Wert des vierten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem vierten Parameter zugeordneten vierten Sollwertbereich aufweist und der gemessene Wert des fünften charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem fünften Parameter zugeordneten fünften Sollwertbereich aufweist. Bevorzugt stellt zumindest ein festgelegter Sollwertbereich einen Wertebereich der Messgröße des charakteristischen Parameters dar und die festgelegte Relation des gemessenen Wertes dieses charakteristischen Parameters zu dem diesem Parameter zugeordneten Sollwertbereich besteht darin, dass der gemessene Wert außerhalb des festgelegten Sollwertbereichs liegt. In diesem Fall wird also ein Sollwertbereich der tatsächlichen Messwerte des entsprechenden Parameters festgelegt und überprüft, ob der tatsächlich gemessene Wert innerhalb oder außerhalb des Sollwertbereichs liegt.In accordance with a further preferred embodiment of the present invention, the setting of at least one fifth desired value range assigned to a fifth characteristic parameter of the fermentation additionally takes place, the fifth desired value range defining a fifth value range suitable for maintaining the fermentation. Accordingly, a determination of at least one measured value of the fifth characteristic parameter takes place during the fermentation process and a comparison of the measured value of the fifth characteristic parameter with at least one fifth setpoint range assigned to this fifth parameter. The addition of at least one type of microorganism to the fermentation substrate is carried out in the event that the measured value of the first characteristic parameter has a fixed relation to the first setpoint range associated with this first parameter, the measured value of the second characteristic parameter a fixed relation to that of the second The measured value of the third characteristic parameter has a fixed relation to the third setpoint range assigned to this third parameter, the measured value of the fourth characteristic parameter has a fixed relation to the fourth setpoint range associated with this fourth parameter, and the measured value of fifth characteristic parameter has a fixed relation to the fifth setpoint range associated with this fifth parameter. Preferably, at least one specified setpoint range represents a value range of the measured variable of the characteristic parameter, and the fixed relation of the measured value of this characteristic parameter to the setpoint range associated with this parameter is that the measured value lies outside the specified setpoint range. In this case, a setpoint range of the actual measured values of the corresponding parameter is thus established and it is checked whether the actually measured value lies within or outside the setpoint range.
Ebenfalls bevorzugt stellt zusätzlich oder alternativ zumindest ein festgelegter Sollwertbereich einen Wertebereich der ersten Ableitung der Messgröße nach der Zeit des charakteristischen Parameters dar und die festgelegte Relation der gemessenen Werte dieses charakteristischen Parameters zu dem diesem Parameter zugeordneten Sollwertbereich besteht darin, dass die erste Ableitung der gemessenen Werte nach der Zeit außerhalb des festgelegten Sollwertbereichs liegt. In diesem Fall wird also auf die Geschwindigkeit der Änderung des Messwertes abgestellt. Ein Sollwertbereich der ersten Ableitung der Messwerte, also ein Sollwertbereich, der das Ausmaß der erlaubten Änderungsgeschwindigkeit widerspiegelt wird in diesem Fall dahingehend überprüft, ob die Änderung der tatsächlich gemessenen Werte innerhalb oder außerhalb des Sollwertbereichs der erlaubten Änderungsgeschwindigkeit liegt.Also preferably, additionally or alternatively, at least one specified setpoint range represents a value range of the first derivative of the measured variable according to the time of the characteristic parameter and the fixed relation of the measured values of this characteristic parameter to the setpoint range associated with this parameter is that the first derivative of the measured values after the time is outside the specified setpoint range. In this case, the speed of the change in the measured value is thus adjusted. A setpoint range of the first derivative of the measured values, ie a setpoint range which reflects the extent of the permitted rate of change, is checked in this case to determine whether the change of the actually measured values lies within or outside the setpoint range of the permitted rate of change.
Ebenfalls bevorzugt stellt zusätzlich oder alternativ zumindest ein festgelegter Sollwertbereich einen Wertebereich der zweiten Ableitung der Messgröße des charakteristischen Parameters dar und die festgelegte Relation der gemessenen Werte dieses charakteristischen Parameters zu dem diesem Parameter zugeordneten Sollwertbereich besteht darin, dass die zweite Ableitung der gemessenen Werte außerhalb des festgelegten Sollwertbereichs liegt. In diesem Fall wird also auf die Zu- oder Abnahme der Geschwindigkeit der Änderung des Messwertes abgestellt. Ein Sollwertbereich der zweiten Ableitung der Messwerte, also ein Sollwertbereich, der das Ausmaß der erlaubten „Beschleunigung" der Änderung der Messwerte widerspiegelt wird in diesem Fall dahingehend überprüft, ob eine sich beschleunigende Änderung der tatsächlich gemessenen Werte innerhalb oder außerhalb des Sollwertbereichs der erlaubten Werte der Zu- oder Abnahme der Geschwindigkeit der Änderung liegt.Also preferably, additionally or alternatively, at least one specified setpoint range represents a range of values of the second derivative of the characteristic parameter measure, and the fixed relation of the measured values of this characteristic parameter to the setpoint range associated with that parameter is that the second derivative of the measured values is outside the setpoint range Setpoint range is. In this case, the increase or decrease in the speed of the change in the measured value is thus taken into account. A setpoint range of the second derivative of the measured values, ie a setpoint range which reflects the extent of the permitted "acceleration" of the change in the measured values, is checked in this case as to whether there is an accelerating change in the actually measured values within or outside the setpoint range of the allowed values, the increase or decrease in the speed of the change.
Selbstverständlich können beliebige Kombinationen von charakteristischen Parametern und Arten von Sollwertbereichen verwendet werden. So kann beispielsweise gemessen werden, ob die Menge an erzeugtem Biogas innerhalb eines vorgegebenen Sollwertbereichs liegt, und gleichzeitig überprüft werden, ob sich die Carbonsäurekonzentration im Gärsubstrat in kurzer Zeit stark ändert. Als beliebiges weiteres Beispiel kann eine Zunahme der Geschwindigkeit der Änderung des Redoxpotentials des Gärsubstrats betrachtet werden und gleichzeitig überprüft werden, ob der Wasserstoffgehalt des Gärsubstrats innerhalb des vorgegebenenOf course, any combinations of characteristic parameters and types of setpoint ranges may be used. For example, it is possible to measure whether the amount of biogas produced is within a predetermined setpoint range, and at the same time to check whether the carboxylic acid concentration in the fermentation substrate changes rapidly in a short time. As any other example, an increase in the rate of change of the redox potential of the fermentation substrate may be considered and, at the same time, it may be checked whether the hydrogen content of the fermentation substrate is within the specified range
Sollwertbereichs liegt.Setpoint range is.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Zugabe zumindest einer Art von Mikroorganismen zum Gärsubstrat, falls zumindest ein charakteristischer Parameter von dem diesem Parameter zugeordneten Sollwertbereich abweicht, wobei der gemessene Wert des Parameters größer ist als ein festgelegter oberer Schwellenwert oder der gemessene Wert des charakteristischen Parameters kleiner ist als ein festgelegter unterer Schwellenwert.According to a further preferred embodiment, at least one type of microorganism is added to the fermentation substrate if at least one characteristic parameter deviates from the setpoint range associated with that parameter, the measured value of the parameter being greater than a predetermined upper threshold or the measured value of the characteristic parameter being smaller is considered a set lower threshold.
Beispielsweise kann für das Redoxpotential ein Sollwertbereich von -450 mV bis - 530 mV festgelegt werden. Als oberer Schwellenwert eignet sich beispielsweise eine Abweichung von 1% von der oberen Grenze des Sollwertbereichs. Der obere Schwellenwert beträgt damit -445,5 mV (-450 mV + 4,5 mV). Als unterer Schwellenwert eignet sich ebenfalls eine Abweichung von 1% von der unteren Grenze des Sollwertbereichs. Der untere Schwellenwert beträgt damit -535,3 mV (- 530 mV - 5,3 mV). Die Zugabe der Mikroorganismen erfolgt in diesem Fall bei einem Redoxpotential von -445,4 mV oder höher bzw. bei einem Redoxpotential von -535,4 mV oder kleiner.For example, a setpoint range of -450 mV to -530 mV can be set for the redox potential. For example, a deviation of 1% from the upper limit of the setpoint range is suitable as the upper threshold value. The upper threshold is thus -445.5 mV (-450 mV + 4.5 mV). The lower threshold is also a deviation of 1% from the lower limit of the setpoint range. The lower threshold is therefore -535.3 mV (-530 mV-5.3 mV). The microorganisms are added in this case at a redox potential of -445.4 mV or higher or at a redox potential of -535.4 mV or less.
Besonders bevorzugt beträgt der untere Schwellenwert zumindest 50%, bevorzugt zumindest 75% des unteren Grenzwerts des Sollwertbereichs. Ebenfalls bevorzugt sind Ausführungsformen, gemäß denen der obere Schwellenwert maximal 150%, bevorzugt maximal 125% des oberen Grenzwerts des Sollwertbereichs beträgt. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform beträgt der obere Schwellenwert maximal 1 10%, bevorzugt maximal 101% des oberen Grenzwerts des Sollwertbereichs und der untere Schwellenwert zumindest 90%, bevorzugt zumindest 99% des unteren Grenzwerts des Sollwertbereichs.Particularly preferably, the lower threshold value is at least 50%, preferably at least 75% of the lower limit value of the desired value range. Likewise preferred are embodiments according to which the upper threshold value amounts to a maximum of 150%, preferably to a maximum of 125% of the upper limit value of the desired value range. According to a further preferred embodiment, the upper threshold value is at most 1 10%, preferably at most 101% of the upper limit value of the target value range and the lower threshold value at least 90%, preferably at least 99% of the lower limit value of the target value range.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zeitnah zur Zugabe der Mikroorganismen zusätzliche Biomasse in den Fermentierungsreaktor gegeben. Dabei bezieht sich „zeitnah" auf die Zeitspanne, die zwischen einer sich an die Zugabe der Mikroorganismen anschließende Zugabe von neuem Substrat vergeht. Diese Zeitspanne soll möglichst kurz gehalten werden, weshalb der Begriff „zeitnah" auch eine parallele Zugabe der Mikroorganismen und des neuen Substrats umfasst.According to a further embodiment, additional biomass is added to the fermentation reactor in a timely manner to the addition of the microorganisms. In this context, "timely" refers to the period of time that elapses between the addition of new substrate following the addition of the microorganisms.This time span should be kept as short as possible, which is why the term "timely" also includes a parallel addition of the microorganisms and the new substrate includes.
Die genannte Zeitspanne kann sich jedoch auch auf mehrere Stunden bis hin zu einem oder mehreren Tagen ausdehnen. Dabei kann die Raumbelastung im Fermentationsreaktor durch kontinuierliche Zugabe von neuem Substrat kontinuierlich gesteigert oder in etwa konstant gehalten werden, wobei die Fermentierung bei allen Raumbelastungen, bevorzugt bei einer Raumbelastung von ≥ 0,5 kg organischer Trockensubstanz pro m3 und Tag [kg oTS/m3d], weiter bevorzugt bei einer Raumbelastung von ≥4,0 kg oTS/m3d und besonders bevorzugt bei einer Raumbelastung von ≥8,0 kg oTS/m3d durchgeführt werden kann, was im Vergleich zum gegenwärtigen Stand der Technik einer Erhöhung der Raumbelastung auf mehr als das Doppelte bedeutet.However, the said period may also extend to several hours to one or more days. In this case, the space load in the fermentation reactor can be continuously increased or kept approximately constant by continuous addition of new substrate, wherein the fermentation at all room loads, preferably at a space load of ≥ 0.5 kg of organic dry matter per m 3 and day [kg oTS / m 3 d], more preferably at a volume load of ≥4.0 kg oTS / m 3 d and particularly preferably at a volume load of ≥8.0 kg oTS / m 3 d can be performed, which compared to the current state of the art Increasing the room load to more than double means.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Erzeugung von Biogas aus Biomasse unter konstanter Durchmischung des Gärsubstrats. Durch die konstante Durchmischung des Gärsubstrats können die Kulturen der hydrolytisch aktiven, acidogenen, acetogenen oder methanogenen, fermentativen Bakterien besser im Gärsubstrat verteilt werden. Außerdem kann das gebildete Biogas besser aus dem Fermentationsprozess abgeführt werden. Eine weitere Möglichkeit der konstanten Durchmischung kann in der kontinuierlichen Begasung des Gärsubstrats während der Fermentierung bestehen. So ist es zum Beispiel denkbar, das gewonnene Biogas dem Fermentationsprozess wieder zuzuführen. Beispielsweise könnte den Methan-bildenden Mikroorganismen das CO2 aus dem Biogas als Edukt zur Methanogenese erneut zugeführt werden, was von diesen mit zusätzlich frisch zugeführtem H2 zu Methan umgesetzt werden kann.According to a further embodiment, the production of biogas from biomass takes place with constant mixing of the fermentation substrate. Due to the constant mixing of the fermentation substrate, the cultures of the hydrolytically active, acidogenic, acetogenic or methanogenic, fermentative bacteria can be better distributed in the fermentation substrate. In addition, the biogas formed can be better removed from the fermentation process. Another possibility of constant mixing may consist in the continuous gassing of the fermentation substrate during the fermentation. For example, it is conceivable to recycle the recovered biogas to the fermentation process. For example, the methane-forming microorganisms CO 2 from the biogas as educt for Methanogenesis are fed again, which can be implemented by these with additionally freshly supplied H 2 to methane.
Die konstante Durchmischung des Gärsubstrats führt zudem zu einer gleichmäßigen Wärmeverteilung im Fermentationsreaktor. Messungen derThe constant mixing of the fermentation substrate also leads to a uniform heat distribution in the fermentation reactor. Measurements of
Temperatur im Fermentationsreaktor, die in periodischen Abständen, aber auch kontinuierlich durchgeführt wurden, ergaben, dass das Gärsubstrat in einemTemperature in the fermentation reactor, which were carried out at periodic intervals, but also continuously, showed that the fermentation substrate in a
Temperaturbereich von 200C bis 800C, bevorzugt bei etwa 40°C bis 500C effizient fermentiert wird. Diese Temperaturbereiche werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung daher bevorzugt. Neben der Hydrolyse erfolgt insbesondere die letzteTemperature range of 20 0 C to 80 0 C, preferably at about 40 ° C to 50 0 C is efficiently fermented. These temperature ranges are therefore preferred in the context of the present invention. In addition to the hydrolysis takes place in particular the last
Stufe des Fermentationsprozesses, nämlich die Bildung von Methan durch methanogene Mikroorganismen, besonders effizient bei erhöhten Temperaturen.Stage of the fermentation process, namely the formation of methane by methanogenic microorganisms, particularly efficient at elevated temperatures.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die Fermentierung in einem pH-Bereich von pH 4 bis pH 9 durchgeführt, wobei ein pH-Bereich von pH 5 bis pH 8,5 bevorzugt wird. Die bevorzugten Sollwertbereiche für den pH-Wert erstrecken sich somit von einem neutralen bis in ein schwach alkalisches Milieu. Diese pH- Bereiche eignen sich sehr gut zur effizienten Bildung von Methan durch methanogene Mikroorganismen, die einen neutralen bis schwach alkalischen Be- reich zur Methanogenese bevorzugen.In a further preferred embodiment, the fermentation is carried out in a pH range of pH 4 to pH 9, wherein a pH range of pH 5 to pH 8.5 is preferred. The preferred setpoint ranges for the pH thus extend from a neutral to a slightly alkaline medium. These pH ranges are very well suited for the efficient formation of methane by methanogenic microorganisms, which prefer a neutral to weakly alkaline range for methanogenesis.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird als Sollwertbereich für das Redoxpotential ein Bereich kleiner -120 mV, bevorzugt kleiner -180 mV, besonders bevorzugt kleiner -490 mV, insbesondere ein Bereich zwischen -450 mV und -530 mV verwendet. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass Silage bevorzugt in einem Redoxpotentialbereich von -120 mV bis -350 mV, weiter bevorzugt -380 mV bis -580 mV fermentiert wird. Um eine erhöhte Biogasausbeute durch methanogene Mikroorganismen zu erzielen, sollte das Redoxpotential auf kleiner -300 mV, bevorzugt kleiner -580 mV eingestellt werden. Methanogene Mikroorganismen, die CO2 und H2 oder Essigsäure zu Methan und CO2 umsetzen, bevorzugen häufig ein Redoxpotential von kleiner -300 mV, bevorzugt von kleiner -500 mV zur Bildung von Methan. Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass die genannten Redoxpotentialbereiche zur Aufrechterhaltung der Biogaserzeugung besonders geeignet sind, da eine besonders effiziente Fermentierung des Gärsubstrats zur Erzeugung von Biogas stattfindet.According to a further preferred embodiment of the present invention, a range of less than -120 mV, preferably less than -180 mV, particularly preferably less than -490 mV, in particular a range between -450 mV and -530 mV, is used as setpoint range for the redox potential. Experimental studies have shown that silage is preferably fermented in a redox potential range of -120 mV to -350 mV, more preferably -380 mV to -580 mV. In order to achieve an increased biogas yield by methanogenic microorganisms, the redox potential should be set to less than -300 mV, preferably less than -580 mV. Methanogenic microorganisms that convert CO 2 and H 2 or acetic acid to methane and CO 2 often prefer a redox potential of less than -300 mV, preferably less than -500 mV to form methane. Experimental investigations have shown that the mentioned redox potential areas are particularly important for maintaining biogas production are suitable because a particularly efficient fermentation of the fermentation substrate takes place for the production of biogas.
Während die Hydrolyse des Gärsubstrats, sowie die Acidogenese und die Acetogenese durch überwiegend fakultativ anaerobe Mikroorganismen erfolgt, die noch einen geringen Sauerstoff-partialdruck tolerieren, erfolgt die Bildung von Methan durch CO2 und H2 oder auch durch Essigsäure, durch zumeist obligat anaerobe Methan-bildende Mikroorganismen. Diese überwiegend obligat anaeroben Mikroorganismen bilden Methan und CO2 bei besonders elektronegativen Redoxpotentialen von beispielsweise etwa -480 bis -550 mV. Störungen im Biogassyntheseprozess, die mit einer Erhöhung des Redoxpotentials in einen elektropositiveren Bereich zusammenhängen, können zu einer Störung der Biogassynthese führen, da methanogene Mikroorganismen bei elektropositiveren Redoxpotentialen oft nicht mehr in der Lage sind, Methan zu bilden, wohingegen die Hydrolyse des Gärsubstrates, die Acidogenese, sowie die Acetogenese noch weiter erfolgen können. Daher ist es von Vorteil, methanogene Mikroorganismen, zum Beispiel der Gattung Methanosarcina einzusetzen, da diese Methan bei einem elektropositiveren Redoxpotential als andere methanogene Mikroorganismen bilden können. Damit können Störungen der Biogasproduktion durch den Einsatz methanogener Mikroorganismen, die ein elektropositiveres Redoxpotential bevorzugen, vorgebeugt oder vermindert werden.While the hydrolysis of the fermentation substrate, as well as the acidogenesis and the acetogenesis by predominantly facultative anaerobic microorganisms that tolerate a low oxygen partial pressure, the formation of methane by CO 2 and H 2 or by acetic acid, usually by obligate anaerobic methane forming microorganisms. These predominantly obligate anaerobic microorganisms form methane and CO 2 with particularly electronegative redox potentials of, for example, about -480 to -550 mV. Disruptions in the biogas synthesis process, which are associated with an increase in the redox potential in a electropositive range, can lead to a disruption of biogas synthesis, since methanogenic microorganisms are often no longer able to form methane at electropositive redox potentials, whereas the hydrolysis of the fermentation substrate, the acidogenesis , as well as the acetogenesis can take place even further. Therefore, it is advantageous to use methanogenic microorganisms, for example of the genus Methanosarcina, since these methane can form at a more electropositive redox potential than other methanogenic microorganisms. Thus, biogas production disturbances can be prevented or reduced by the use of methanogenic microorganisms which prefer a more electropositive redox potential.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird Gärsubstrat kontinuierlich zugegeben und die charakteristischen Parameter der Fermentation werden kontinuierlich gemessen. Der kontinuierliche Betrieb eines Fermentationsreaktor soll bei einer stabilen mikrobiellen Biozönose zu einer kontinuierlichen Produktion von Biogas führen, wobei das Aussetzen der Substratzugabe zur Fermentation infolge einer Prozessstörung vermindert werden soll. Darüber hinaus kann der Begriff „kontinuierlich" weitere kontinuierliche Prozesse, wie beispielsweise die kontinuierliche Zugabe von Substraten und/oder Mikroorganismen umfassen.In a further embodiment, fermentation substrate is added continuously and the characteristic parameters of the fermentation are continuously measured. The continuous operation of a fermentation reactor should result in a stable microbial biocenosis to a continuous production of biogas, wherein the exposure of the substrate addition to the fermentation due to a process disturbance should be reduced. In addition, the term "continuous" may include other continuous processes, such as the continuous addition of substrates and / or microorganisms.
Nach einer weiteren Ausführungsform werden die Fermentationsbedingungen an die Wachstumsbedingungen des hinzugegebenen fermentativen Mikroorganismus angepasst. Die Wachstumsbedingungen umfassen die einzelnen Wachstumsparameter der hinzugegebenen Kultur von Mikroorganismen, wie zum Beispiel Temperatur, pH-Wert, Druck, Konzentrationen von Nährstoffen, Spurenelementen und toxischen Produkten, die Salzkonzentration des Gärsubstrats oder das Redoxpotential des Gärsubstrats. Die Anpassung der Fermentationsbedingungen an einzelne Wachstumsparameter der hinzugegebenen Kultur von Mikroorganismen kann zu einer besseren Kontrolle der Fermentierungsprozesse bei der Erzeugung von Biogas führen.According to another embodiment, the fermentation conditions are adapted to the growth conditions of the fermentative microorganism added. The growth conditions include the individual Growth parameters of the added culture of microorganisms, such as temperature, pH, pressure, concentrations of nutrients, trace elements and toxic products, the salt concentration of the fermentation substrate or the redox potential of the fermentation substrate. Adaptation of the fermentation conditions to individual growth parameters of the added culture of microorganisms may result in better control of fermentation processes in biogas production.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zusätzlich eine experimentelle Fermentierung eines Gärsubstrats zur Erzeugung von Biogas durchgeführt, wobei die charakteristischen Parameter der Fermentierung mehrfach gemessen werden und aus den Messwerten die zur Aufrechterhaltung der Erzeugung von Biogas geeigneten Sollwertbereiche ermittelt werden. Durch die experimentelleAccording to a further embodiment, an additional experimental fermentation of a fermentation substrate for the production of biogas is carried out, wherein the characteristic parameters of the fermentation are measured several times and from the measured values the setpoint ranges suitable for maintaining the production of biogas are determined. By the experimental
Bestimmung der Sollwertebereiche können diese beispielsweise auf bestimmte Arten von Substrat abgestimmt werden. Dadurch kann die Beeinflussung derDetermining the setpoint ranges, these can be tuned, for example, to certain types of substrate. This can affect the
Fermentationsbedingungen noch gezielter erfolgen.Fermentation be made even more targeted.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zumindest eine Art von Mikroorganismen in einer Menge zu dem Gärsubstrat zugegeben, dass nach Zugabe der Anteil der zugegebenen Art von Mikroorganismen zwischen 10"8% und 50% der Gesamtzahl an in dem Gärsubstrat anwesenden Mikroorganismen ausmacht. Insbesondere in Abhängigkeit von der Fermentergröße und damit in Abhängigkeit von der Menge an Gärsubstrat kann zur Erzielung der gewünschten Wirkung eine Zugabe von sehr stark unterschiedlichen Mengen an Mikroorganismen notwendig werden. Da die Aktivität der verschiedenen Arten von Mikroorganismen sich ebenfalls deutlich voneinander unterscheidet, ergibt sich auch hieraus eine unterschiedliche absolute Menge an Mikroorganismen, die zur Erzielung eines merklichen Effekts zu dem Gärsubstrat zugegeben werden muss.According to a further preferred embodiment of the present invention, at least one type of microorganism is added in an amount to the fermentation substrate such that after addition the proportion of the added type of microorganisms is between 10 -8 % and 50% of the total number of microorganisms present in the fermentation substrate. In particular, depending on the size of the fermenter and thus depending on the amount of fermentation substrate, it may be necessary to add very large amounts of microorganisms in order to obtain the desired effect, since the activity of the different types of microorganisms also differs markedly this results in a different absolute amount of microorganisms, which must be added to the fermentation substrate to achieve a noticeable effect.
Besonders bevorzugt wird die zumindest eine Art von Mikroorganismen in einer Menge zu dem Gärsubstrat zugegeben, dass nach Zugabe der Anteil der zugegebenen Art von Mikroorganismen zwischen 10"6% und 25% der Gesamtzahl an in dem Gärsubstrat anwesenden Mikroorganismen ausmacht. Insbesondere bevorzugt wird die zumindest eine Art von Mikroorganismen in einer Menge zu dem Gärsubstrat zugegeben, dass nach Zugabe der Anteil der zugegebenen Art von Mikroorganismen zwischen 10"4% und 10% der Gesamtzahl an in dem Gärsubstrat anwesenden Mikroorganismen ausmacht. Ganz besonders bevorzugt wird die zumindest eine Art von Mikroorganismen in einer Menge zu dem Gärsubstrat zugegeben, dass nach Zugabe der Anteil der zugegebenen Art von Mikroorganismen zwischen 10"3% und 1% der Gesamtzahl an in dem Gärsubstrat anwesenden Mikroorganismen ausmacht.More preferably, the at least one species of microorganism is added in an amount to the fermentation substrate such that after addition the proportion of the added species of microorganisms is between 10 -6 % and 25% of the total number of microorganisms present in the fermentation substrate Preferably, the at least one species of microorganism is added in an amount to the fermentation substrate such that after addition the proportion of the added species of microorganisms is between 10 -4 % and 10% of the total number of microorganisms present in the fermentation substrate adding one kind of microorganisms in an amount to the fermentation substrate so that, after addition, the proportion of the kind of microorganisms added is between 10 -3 % and 1% of the total number of microorganisms present in the fermentation substrate.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Zur Illustration der Erfindung und zur Verdeutlichung ihrer Vorzüge werden nachfolgend Ausführungsbeispiele angegeben. Die Ausführungsbeispiele sollen im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 näher erläutert werden. Es versteht sich von selbst, dass die im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen gemachten Angaben die Erfindung nicht beschränken sollen. Es zeigen:To illustrate the invention and to illustrate its advantages, embodiments are given below. The exemplary embodiments will be explained in more detail in connection with FIGS. 1 and 2. It goes without saying that the statements made in connection with the exemplary embodiments are not intended to limit the invention. Show it:
Fig. 1 Messergebnisse der Fermentierung von Maissilage: Aufgetragen sind die Menge an erzeugtem Biogas sowie die Raumbelastung des Fermenters gegen die Zeit;Fig. 1 Results of the fermentation of maize silage: Plotted are the amount of biogas produced and the volume load of the fermenter against time;
Fig. 2 Messergebnisse der Fermentierung von Maissilage gemäß Figur 1 : Aufgetragen sind die Menge an Essigsäure, die Menge an Propionsäure, das Essigsäureäquivalent und der pH-Wert gegen die Zeit;Fig. 2 Measurement results of the fermentation of corn silage according to Figure 1: Plotted are the amount of acetic acid, the amount of propionic acid, the acetic acid equivalent and the pH value over time;
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Um die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens aufzuzeigen, wurde dem Gärsubstrat eine Reinkultur des hydrolytisch aktiven, fermentativen BakteriumsIn order to demonstrate the advantages of the process according to the invention, the fermentation substrate became a pure culture of the hydrolytically active fermentative bacterium
Clostridium sartagoformum zugesetzt. Bakterien der Art Clostridium sartagoformum wurden erfolgreich aus dem Gärsubstrat eines Nachgärers isoliert. Die Hinterlegung des Organismus erfolgte in einer Reinkultur bei der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH gemäß des Budapester Vertrages (Clostridium sartagoformum SBG1 mit der Hinterlegungsnummer DSM 19861 ).Clostridium sartagoformum added. Bacteria of the species Clostridium sartagoformum were successfully isolated from the fermentation substrate of a post-fermenter. The deposit of the organism was carried out in a pure culture at the German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH according to the Budapest Treaty (Clostridium sartagoformum SBG1 with the accession number DSM 19861).
Die Isolation der Mikroorganismen erfolgte mithilfe eines Selektionsmediums, das Carboxymethylcellulose als einzige Kohlenstoffquelle beinhaltete. Carboxymethylcellulose besitzt sehr große Ähnlichkeit mit der in Gärsubstraten von Biogasanlagen enthaltenen Cellulose und weist zudem durch die Verknüpfung der Hydroxylgruppen mit Carboxymethylgruppen (-CH2-COOH-) eine verbesserte Löslichkeit in wässrigem Medium auf. Das zur Selektion von Clostridium sartagoformum eingesetzte Medium wurde desweiteren mit N2 und CO2 begast, damit die Selektion unter anaeroben Bedingungen erfolgen konnte. Enthaltener Restsauerstoff wurde anschließend mit Hilfe von 0,5 g/l Na2S reduziert.The microorganisms were isolated using a selection medium containing carboxymethylcellulose as the sole carbon source. Carboxymethylcellulose is very similar to the cellulose contained in fermentation substrates of biogas plants and also has an improved solubility in an aqueous medium by linking the hydroxyl groups with carboxymethyl groups (-CH 2 -COOH-). The medium used for the selection of Clostridium sartagoformum was further gassed with N 2 and CO 2 , so that the selection could be carried out under anaerobic conditions. Contained residual oxygen was subsequently reduced by means of 0.5 g / l Na 2 S.
Das Selektionsmedium wurde anschließend mit dem Überstand von Material aus einem Nachgärer beimpft. Nach einer einwöchigen Kultivierung bei 400C zeigten sich infolge mikroskopischer Analysen einzelne Stäbchen. Eine weitere Selektion der Flüssigkulturen erfolgte durch den Ausstrich auf anaeroben Carboxymethylcellulose-Platten. Das Zellmaterial der gewachsenen Kolonien diente zur Vervielfältigung der mikrobiellen DNA mittels der Colony-PCR Methode nach einem Standard-Programm. Nach der Sequenzanalyse der Kolonien erbrachte der phylogenetische Vergleich der daraus generierten Sequenzdaten mittels BLAST- Programm (basic local alignment search tool) der Datenbank www.ncbi.nlm.nih.gov, dass die erhaltene Sequenz dem Organismus Clostridium sartagoformum als nächstem Verwandten zugeordnet werden kann.The selection medium was then inoculated with the supernatant of material from a post-fermenter. After one week of cultivation at 40 ° C., single rods were observed as a result of microscopic analyzes. Further selection of the liquid cultures was made by smearing on anaerobic carboxymethylcellulose plates. The cell material of the grown colonies was used to amplify the microbial DNA by the Colony PCR method according to a standard program. After the sequence analysis of the colonies, the phylogenetic comparison of the sequence data generated therefrom by means of BLAST program (basic local alignment search tool) of the database www.ncbi.nlm.nih.gov that the resulting sequence can be assigned to the organism Clostridium sartagoformum as the nearest relative ,
Versuche mit einer Reinkultur des hydrolytisch aktiven, fermentativen Mikroorganismus Clostridium sartagoformum SBG1 zeigten, dass der Zusatz von Clostridium sartagoformum SBG1 zum stark zähflüssigen, viskosen Carboxymethylcellulose-haltigen Selektionsmedium zu einer sukzessiven Verflüssigung des Mediums führt. Die Figuren 1 und 2 zeigen Messergebnisse verschiedener charakteristischer Parameter während eines Fermentationsprozesses in einem Versuchsfermenter mit einem Volumen von 150 I. Fermentiert wurde Maissilage bei einer Temperatur von etwa 400C.Experiments with a pure culture of the hydrolytically active fermentative microorganism Clostridium sartagoformum SBG1 showed that the addition of Clostridium sartagoformum SBG1 to the highly viscous, viscous carboxymethylcellulose-containing selection medium leads to a successive liquefaction of the medium. Figures 1 and 2 show measurement results of various characteristic parameters during a fermentation process in a test fermenter with a volume of 150 I. Fermented corn silage at a temperature of about 40 0 C.
In Figur 1 zeigt die mit dem Bezugszeichen 1 versehene Kurve den zeitlichen Verlauf des gesamten erzeugten Biogases in Normliter (Gasvolumen bei 273,15 K und 1013 mbar) je Tag (Nl/d) sowie die mit dem Bezugszeichen 5 versehene Kurve den zeitlichen Verlauf der Raumbelastung des Fermenters in Kilogramm organischer Trockensubstanz je Kubikmeter je Tag (kg oTS/m3d).In Figure 1, the curve provided with the reference numeral 1 shows the time course of the entire generated biogas in standard liters (gas volume at 273.15 K and 1013 mbar) per day (Nl / d) and the curve provided with the reference numeral 5, the time course of Volume load of the fermenter in kilograms of organic dry matter per cubic meter per day (kg oTS / m 3 d).
Figur 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des pH-Werts (mit 25 bezeichnete Kurve), der Essigsäureäquivalente (mit 30 bezeichnete Kurve), der Essigsäurekonzentration (mit 35 bezeichnete Kurve) und der Propionsäurekonzentration (mit 40 bezeichnete Kurve). Die Säurekonzentrationen werden dabei in Milligramm je Liter Gärsubstrat (mg/l) angegeben.Figure 2 shows the time course of the pH (curve denoted by 25), the acetic acid equivalents (curve denoted by 30), the acetic acid concentration (curve denoted by 35) and the propionic acid concentration (curve denoted by 40). The acid concentrations are given in milligrams per liter of fermentation substrate (mg / l).
Am 7. Tag des Fermentationsprozesses trat eine Störung des Gaserzeugungsprozesses auf. Durch die Störung wurde im Rahmen des permanent durchgeführten Vergleichs der charakteristischen Parameter der Fermentierung „Menge an erzeugtem Biogas", „pH-Wert des Gärsubstrats", „Raumbelastung des Fermentierungsreaktors", „Carbonsäuregehalt des Gärsubstrats", und „Anteile verschiedener Carbonsäuren im Gärsubstrat" mit den diesen Parametern zugeordneten Sollwertbereichen eine Abweichung der gemessenen Werte der Parameter „Menge an erzeugtem Biogas", „pH-Wert", „Viskosität des Gärsubstrats" und „Carbonsäuregehalt des Gärsubstrats" von den vorgegebenen Sollwertbereichen festgestellt.On the 7th day of the fermentation process, a disturbance of the gas production process occurred. As a result of the disturbance, the characteristic parameters of the fermentation "amount of biogas produced", "pH of the fermentation substrate", "volume loading of the fermentation reactor", "carboxylic acid content of the fermentation substrate" and "proportions of different carboxylic acids in the fermentation substrate" determined by the setpoint ranges associated with these parameters, a deviation of the measured values of the parameters "amount of biogas produced", "pH", "viscosity of the fermentation substrate" and "carboxylic acid content of the fermentation substrate" of the predetermined target value ranges.
In der Figur 1 ist die starke Abnahme des Gesamtertrags an Biogas 1 und der sprunghafte Abfall der Raumbelastung 5 zu erkennen. Aus der Figur 2 gehen die stark ansteigenden Konzentrationen der Fettsäuren 30, 35, 40 hervor, wobei der Anstieg der Essigsäureäquivalente 30 als charakteristischer Parameter der Fermentierung verwendet wurde. AIs Reaktion auf die Abweichung der charakteristischen Parameter von den vorgegebenen Sollwertbereichen wurde eine Reinkultur von Clostridium sarta- goformum zum Gärsubstrat zugegeben. Der Zeitpunkt der Zugabe ist in den Figuren 1 und 2 durch das Dreieck 20 gekennzeichnet. Dazu wurde die Zellmasse aus 11 einer Vorkultur von Clostridium sartagoformum, die 5 Tage bei einer Temperatur von etwa 400C inkubiert worden war, eingesetzt. Die Zellzahl dieser Vorkultur besaß eine Zelldichte von ca. 2,0 x 108 Zellen/ml mit einem Anteil lebender Zellen von über 90%.In the figure 1, the strong decrease in the total yield of biogas 1 and the sudden drop in the space load 5 can be seen. FIG. 2 shows the strongly increasing concentrations of the fatty acids 30, 35, 40, wherein the increase of the acetic acid equivalents 30 was used as a characteristic parameter of the fermentation. In response to the deviation of the characteristic parameters from the predetermined set point ranges, a pure culture of Clostridium sartagoformum was added to the fermentation substrate. The time of addition is indicated in FIGS. 1 and 2 by the triangle 20. For this purpose, the cell mass from 11 of a preculture of Clostridium sartagoformum, which had been incubated for 5 days at a temperature of about 40 0 C, are used. The cell count of this preculture had a cell density of about 2.0 × 10 8 cells / ml with a proportion of living cells of more than 90%.
Die Zugabe der Reinkultur von Clostridium sartagoformum SBG1 zum Gärsubstrat bewirkt einen Anstieg der Menge an erzeugtem Biogas 1 bei einem gleichzeitigen starken Rückgang der Essigsäureäquivalente 30 und der Essigsäurekonzentration 35. Gleichzeitig konnte die Raumbelastung 5 des Fermentierungsreaktors gesteigert werden.The addition of the pure culture of Clostridium sartagoformum SBG1 to the fermentation substrate causes an increase in the amount of biogas 1 produced with a simultaneous sharp decline in the acetic acid equivalents 30 and the acetic acid concentration 35. At the same time, the volume load 5 of the fermentation reactor could be increased.
Während der folgenden 13 Versuchstage (Tag 7 bis Tag 20) stabilisiert sich der Fermentierungsprozess mit einer befriedigenden Ausbeute an Biogas. Die Figuren 1 und 2 zeigen somit den positiven Effekt der Zugabe einer Reinkultur von Clostridium sartagoformum SBG1 als Reaktion auf eine Störung eines Biogaserzeugungsprozesses, welche durch die Abweichung der charakteristischen Parameter der Fermentation „Menge an erzeugtem Biogas" und „Carbonsäuregehalt des Gärsubstrats" von den diesen Parametern zugeordneten vorgegebenen Sollwertbereichen festgestellt werden konnte. Durch die Zugabe einer Reinkultur von Clostridium sartagoformum SBG1 konnte der Fermentierungsprozess stabilisiert werden und ein Absturz des Fermenters wurde verhindert. During the following 13 days of testing (Day 7 to Day 20), the fermentation process stabilizes with a satisfactory yield of biogas. Figures 1 and 2 thus show the positive effect of adding a pure culture of Clostridium sartagoformum SBG1 in response to a disruption of a biogas production process caused by the deviation of the characteristic parameters of the fermentation "amount of biogas produced" and "carboxylic acid content of the fermentation substrate" from these Parameters assigned predetermined setpoint ranges could be determined. The addition of a pure culture of Clostridium sartagoformum SBG1 stabilized the fermentation process and prevented the fermenter from crashing.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse in einem1. A process for the production of biogas from biomass in one
Fermentierungsreaktor mit den SchrittenFermentation reactor with the steps
a) Festlegung von zumindest einem, einem ersten charakteristischen Parameter der Fermentierung zugeordneten ersten Sollwertbereich, wobei der erste Sollwertbereich einen zur Aufrechterhaltung der Fermentierung geeigneten ersten Wertebereich definiert,a) definition of at least one first setpoint range associated with a first characteristic parameter of the fermentation, the first setpoint range defining a first value range suitable for maintaining the fermentation,
b) Festlegung von zumindest einem, einem zweiten charakteristischen Parameter der Fermentierung zugeordneten zweiten Sollwertbereich, wobei der zweite Sollwertbereich einen zur Aufrechterhaltung der Fermentierung geeigneten zweiten Wertebereich definiert,b) definition of at least one second desired value range assigned to a second characteristic parameter of the fermentation, the second setpoint range defining a second value range suitable for maintaining the fermentation,
c) Bestimmung von zumindest einem Messwert des ersten charakteristischen Parameters während des Fermentierungsprozesses,c) determining at least one measured value of the first characteristic parameter during the fermentation process,
d) Bestimmung von zumindest einem Messwert des zweiten charakteristischen Parameters während des Fermentierungsprozesses,d) determining at least one measured value of the second characteristic parameter during the fermentation process,
e) Vergleich des gemessenen Wertes des ersten charakteristischen Parameters mit zumindest einem, diesem ersten Parameter zugeordneten ersten Sollwertbereich,e) comparison of the measured value of the first characteristic parameter with at least one first setpoint value range assigned to this first parameter,
f) Vergleich des gemessenen Wertes des zweiten charakteristischen Parameters mit zumindest einem, diesem zweiten Parameter zugeordneten zweiten Sollwertbereich,f) comparison of the measured value of the second characteristic parameter with at least one second setpoint value range assigned to this second parameter,
g) Zugabe von zumindest einer Art von Mikroorganismen zum Gärsubstrat falls der gemessene Wert des ersten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem ersten Parameter zugeordneten ersten Sollwertbereich aufweist und falls der gemessene Wert des zweiten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem zweiten Parameter zugeordneten zweiten Sollwertbereich aufweist.g) addition of at least one type of microorganism to the fermentation substrate if the measured value of the first characteristic parameter has a fixed relation to the first setpoint range associated with that first parameter, and if the measured value of the second characteristic parameter has a fixed relation to the second setpoint range associated with this second parameter.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite charakteristische Parameter der Fermentierung ausgewählt ist aus der2. The method according to claim 1, characterized in that the first and second characteristic parameters of the fermentation is selected from the
Gruppe bestehend ausGroup consisting of
Menge an erzeugtem Biogas,Amount of biogas produced,
Methangehalt des erzeugten Biogases,Methane content of the generated biogas,
Wasserstoffgehalt des erzeugten Biogases, - pH-Wert des Gärsubstrats,Hydrogen content of the generated biogas, - pH of the fermentation substrate,
Redoxpotential des Gärsubstrats,Redox potential of the fermentation substrate,
Carbonsäuregehalt des Gärsubstrats,Carboxylic acid content of the fermentation substrate,
Anteile verschiedener Carbonsäuren im Gärsubstrat,Proportions of various carboxylic acids in the fermentation substrate,
Wasserstoffgehalt des Gärsubstrats, - Anteil der Trockensubstanz am Gärsubstrat,Hydrogen content of the fermentation substrate, - proportion of the dry matter in the fermentation substrate,
Anteil der organischen Trockensubstanz am Gärsubstrat,Proportion of organic dry matter in the fermentation substrate,
Viskosität des Gärsubstrats.Viscosity of the fermentation substrate.
Raumbelastung des Fermentierungsreaktors.Room load of the fermentation reactor.
3. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt g) zugegebenen Arten von Mikroorganismen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus hydrolytisch aktiven fermentativen Mikroorganismen, acidogenen fermentativen Mikroorganismen, acetogenen fermentativen Mikroorganismen und methanogenen fermentativen Mikroorganismen.3. The method according to at least one of claims 1 and 2, characterized in that the added in step g) types of microorganisms are selected from the group consisting of hydrolytically active fermentative microorganisms, acidogenic fermentative microorganisms, acetogenic fermentative microorganisms and methanogenic fermentative microorganisms.
4. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Arten von Mikroorganismen zugesetzt werden.4. The method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that at least two types of microorganisms are added.
5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest drei Arten von Mikroorganismen zugesetzt werden. 5. The method according to at least one of claims 1 to 4, characterized in that at least three types of microorganisms are added.
6. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest vier Arten von Mikroorganismen zugesetzt werden.6. The method according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that at least four types of microorganisms are added.
7. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zugegebenen Arten von Mikroorganismen ausgewählt sind aus zumindest zwei Mitgliedern der Gruppe bestehend aus hydrolytisch aktiven fermentativen Mikroorganismen, acidogenen fermentativen Mikroorganismen, acetogenen fermentativen Mikroorganismen und methanogenen fermentativen Mikroorganismen.7. The method according to at least one of claims 4 to 6, characterized in that the added types of microorganisms are selected from at least two members of the group consisting of hydrolytically active fermentative microorganisms, acidogenic fermentative microorganisms, acetogenic fermentative microorganisms and methanogenic fermentative microorganisms.
8. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zugegebenen Arten von Mikroorganismen ausgewählt sind aus zumindest drei Mitgliedern der Gruppe bestehend aus hydrolytisch aktiven fermentativen Mikroorganismen, acidogenen fermentativen8. The method according to at least one of claims 5 and 6, characterized in that the added types of microorganisms are selected from at least three members of the group consisting of hydrolytically active fermentative microorganisms, acidogenic fermentative
Mikroorganismen, acetogenen fermentativen Mikroorganismen und methanogenen fermentativen Mikroorganismen.Microorganisms, acetogenic fermentative microorganisms and methanogenic fermentative microorganisms.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Art eines hydrolytisch aktiven fermentativen Mikroorganismus, zumindest eine Art eines acidogenen fermentativen Mikroorganismus, zumindest eine Art eines acetogenen fermentativen Mikroorganismus und zumindest eine Art eines methanogenen fermentativen Mikroorganismus zugesetzt werden.9. The method according to claim 6, characterized in that at least one kind of a hydrolytically active fermentative microorganism, at least one kind of an acidogenic fermentative microorganism, at least one kind of an acetogenic fermentative microorganism and at least one kind of a methanogenic fermentative microorganism are added.
10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Arten von Mikroorganismen in Form von Kulturen von Mikroorganismen zugesetzt werden, wobei die Kulturen von Mikroorganismen jeweils überwiegend aus einer Art von Mikroorganismen bestehen.10. The method according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that the individual types of microorganisms are added in the form of cultures of microorganisms, wherein the cultures of microorganisms each consist predominantly of a kind of microorganisms.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kultur von Mikroorganismen die überwiegend anwesende Art von Mikroorganismen zumindest 25% der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht. 11. The method according to claim 10, characterized in that in the culture of microorganisms predominantly present type of microorganisms constitutes at least 25% of the total number of microorganisms present in the culture.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Kultur von Mikroorganismen die überwiegend anwesende Art von Mikroorganismen zumindest 50% der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht.12. The method according to claim 1 1, characterized in that in the culture of microorganisms predominantly present type of microorganisms accounts for at least 50% of the total number of microorganisms present in the culture.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kultur von Mikroorganismen die überwiegend anwesende Art von Mikroorganismen zumindest 66% der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht.13. The method according to claim 12, characterized in that in the culture of microorganisms predominantly present type of microorganisms constitutes at least 66% of the total number of microorganisms present in the culture.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kultur von Mikroorganismen die überwiegend anwesende Art von Mikroorganismen zumindest 75% der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht.14. The method according to claim 13, characterized in that in the culture of microorganisms, the predominantly present type of microorganisms makes up at least 75% of the total number of microorganisms present in the culture.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kultur von Mikroorganismen die überwiegend anwesende Art von Mikroorganismen zumindest 90% der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht.15. The method according to claim 14, characterized in that in the culture of microorganisms, the predominantly present type of microorganisms accounts for at least 90% of the total number of microorganisms present in the culture.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kultur von Mikroorganismen die überwiegend anwesende Art von Mikroorganismen zumindest 95% der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht.16. The method according to claim 15, characterized in that in the culture of microorganisms predominantly present type of microorganisms makes up at least 95% of the total number of microorganisms present in the culture.
17. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Reinkultur von Mikroorganismen zugesetzt wird.17. The method according to at least one of claims 1 to 16, characterized in that at least one pure culture of microorganisms is added.
18. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein hydrolytisch aktiver fermentativer Mikroorganismus einer Gattung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Anaerophaga, Lachnospira, Paenibacillus, Pseudomonas, Leptothrix, Burkholderia, Ralstonia, Bradyrhizobium, Arcobacter, Fibrobacter, Streptococcus, Planomicrobium, Turicibacter, Ruminococcus, Deinococcus, Peptostreptococcus, Vagococcus, Proteus, Clostridium, Bacillus, Bacteroides, Cytophaga und Sporocytophaga zugesetzt wird.18. The method according to at least one of claims 1 to 17, characterized in that at least one hydrolytically active fermentative microorganism of a genus selected from the group consisting of Anaerophaga, Lachnospira, Paenibacillus, Pseudomonas, Leptothrix, Burkholderia, Ralstonia, Bradyrhizobium, Arcobacter, Fibrobacter, Streptococcus, Planomicrobium, Turicibacter, Ruminococcus, Deinococcus, Peptostreptococcus, Vagococcus, Proteus, Clostridium, Bacillus, Bacteroides, Cytophaga and Sporocytophaga.
19. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein acidogener fermentativer Mikroorganismus einer Gattung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Flavobacterium, Delftia, Selenomonas, Butyrivibrio, Schwarztia, Aminomonas, Paenibacillus, Anaeorophaga, Halothermothrix, Bacillus, Eubacterium, Clostridium,19. The method according to at least one of claims 1 to 18, characterized in that at least one acidogenic fermentative microorganism of a genus selected from the group consisting of Flavobacterium, Delftia, Selenomonas, Butyrivibrio, Schwarztia, Aminomonas, Paenibacillus, Anaeorophaga, Halothermothrix, Bacillus, Eubacterium , Clostridium,
Acetanaerobacterium, Sedimentibacter, Corynebacterium, Bifidobacterium, Mikrobacterium, Williamsia und Cryptobacterium zugesetzt wird.Acetanaerobacterium, Sedimentibacter, Corynebacterium, Bifidobacterium, Microbacterium, Williamsia and Cryptobacterium.
20. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein acetogener fermentativer Mikroorganismus einer Gattung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Acetobacterium, Synthrophobacter, Synthrophococcus, Pelobacter, Acetivibrio, Sporobacter, Lactobacillus, Desulfomonas, Methylobacterium, Caulobacter,20. The method according to at least one of claims 1 to 19, characterized in that at least one acetogenic fermentative microorganism of a genus selected from the group consisting of Acetobacterium, Synthrobobacter, Synthrophococcus, Pelobacter, Acetivibrio, Sporobacter, Lactobacillus, Desulfomonas, Methylobacterium, Caulobacter,
Acetanaerobacterium, Synthrophobotulus, Desulfonosporus, Desulfotomaculum, Gelria, Thermoterrabacterium, Syntrophomonas,Acetanaerobacterium, Synthrophobotulus, Desulfonosporus, Desulfotomaculum, Gelria, Thermoterrabacterium, Syntrophomonas,
Syntrophothermus, Moorella, Aminomonas und Anaerobaculum zugesetzt wird.Syntrophothermus, Moorella, Aminomonas and Anaerobaculum is added.
21. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein methanogener fermentativer Mikroorganismus einer Gattung ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus21. The method according to at least one of claims 1 to 20, characterized in that at least one methanogenic fermentative microorganism of a genus selected from the group consisting of
Methanocorpusculum, Methanoculleus, Methanogenium,Methanocorpusculum, Methanoculleus, Methanogenium,
Methanomethylovorans, Methanobacterium, Methanobre- vibacter, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanosaeta,Methanomethylovorans, Methanobacterium, Methanobacter bacteria, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanosaeta,
Methanospirillum, Methanothermobacter und Methanothermococcus zugesetzt wird.Methanospirillum, Methanothermobacter and Methanothermococcus is added.
22. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt b) der Schritt bi) Festlegung von zumindest einem, einem dritten charakteristischen Parameter der Fermentierung zugeordneten dritten Sollwertbereich, wobei der dritte Sollwertbereich einen zur Aufrechterhaltung der Fermentierung geeigneten dritten Wertebereich definiert,22. The method according to at least one of claims 1 to 21, characterized in that after step b) the step bi) definition of at least one third setpoint value range assigned to a third characteristic parameter of the fermentation, the third setpoint range defining a third value range suitable for maintaining the fermentation,
durchgeführt wird, nach Schritt d) der Schrittis performed, after step d) the step
d^ Bestimmung von zumindest einem Messwert des dritten charakteristischend ^ determination of at least one measured value of the third characteristic
Parameters während des Fermentierungsprozesses,Parameters during the fermentation process,
durchgeführt wird, nach Schritt f) der Schrittis performed, after step f) the step
f-i) Vergleich des gemessenen Wertes des dritten charakteristischen Parameters mit zumindest einem, diesem dritten Parameter zugeordneten dritten Sollwertbereich,f-i) comparison of the measured value of the third characteristic parameter with at least one third setpoint range assigned to this third parameter,
durchgeführt wird und in Schrittis performed and in step
g) die Zugabe von zumindest einer Art von Mikroorganismen zum Gärsubstrat erfolgt, falls der gemessene Wert des ersten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem ersten Parameter zugeordneten ersten Sollwertbereich aufweist, der gemessene Wert des zweiten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem zweiten Parameter zugeordneten zweiten Sollwertbereich aufweist und der gemessene Wert des dritten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem dritten Parameter zugeordneten dritteng) the addition of at least one type of microorganisms to the fermentation substrate takes place, if the measured value of the first characteristic parameter has a fixed relation to the first setpoint range associated with that first parameter, the measured value of the second characteristic parameter has a fixed relation to that second parameter assigned second setpoint range and the measured value of the third characteristic parameter has a fixed relation to the third this third parameter associated
Sollwertbereich aufweist.Reference value range has.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt bi) der Schritt23. The method according to claim 22, characterized in that after step bi) the step
b2) Festlegung von zumindest einem, einem vierten charakteristischen Parameter der Fermentierung zugeordneten vierten Sollwertbereich, wobei der vierte Sollwertbereich einen zur Aufrechterhaltung der Fermentierung geeigneten vierten Wertebereich definiert,b 2 ) establishing at least one fourth setpoint range associated with a fourth characteristic parameter of the fermentation, wherein the fourth set point range defines a fourth range of values suitable for maintaining the fermentation,
durchgeführt wird, nach Schritt di) der Schrittis performed, after step di) the step
d2) Bestimmung von zumindest einem Messwert des vierten charakteristischen Parameters während des Fermentierungsprozesses,d 2 ) determining at least one measured value of the fourth characteristic parameter during the fermentation process,
durchgeführt wird, nach Schritt f-i) der Schrittis performed, after step f-i) the step
f2) Vergleich des gemessenen Wertes des vierten charakteristischen Parameters mit zumindest einem, diesem vierten Parameter zugeordneten vierten Sollwertbereich,f 2 ) comparison of the measured value of the fourth characteristic parameter with at least one fourth setpoint value range assigned to this fourth parameter,
durchgeführt wird und in Schrittis performed and in step
g) die Zugabe von zumindest einer Art von Mikroorganismen zum Gärsubstrat erfolgt, falls der gemessene Wert des ersten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem ersten Parameter zugeordneten ersten Sollwertbereich aufweist, der gemessene Wert des zweiten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem zweiten Parameter zugeordneten zweiten Sollwertbereich aufweist, der gemessene Wert des dritten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem dritten Parameter zugeordneten dritten Sollwertbereich aufweist und der gemessene Wert des vierten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem vierten Parameter zugeordneten vierten Sollwertbereich aufweist.g) the addition of at least one type of microorganisms to the fermentation substrate takes place, if the measured value of the first characteristic parameter has a fixed relation to the first setpoint range associated with that first parameter, the measured value of the second characteristic parameter has a fixed relation to that second parameter The measured value of the third characteristic parameter has a fixed relation to the third setpoint range associated with this third parameter, and the measured value of the fourth characteristic parameter has a fixed relation to the fourth setpoint range associated with this fourth parameter.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt b2) der Schritt24. The method according to claim 23, characterized in that after step b 2 ) the step
bs) Festlegung von zumindest einem, einem fünften charakteristischen Parameter der Fermentierung zugeordneten fünften Sollwertbereich, wobei der fünfte Sollwertbereich einen zur Aufrechterhaltung der Fermentierung geeigneten fünften Wertebereich definiert,bs) definition of at least one, a fifth characteristic parameter of the fermentation associated fifth setpoint range, wherein the fifth setpoint range defines a fifth range of values suitable for maintaining the fermentation,
durchgeführt wird, nach Schritt d2) der Schrittis performed, after step d 2 ) the step
d3) Bestimmung von zumindest einem Messwert des fünften charakteristischen Parameters während des Fermentierungsprozesses,d 3 ) determining at least one measured value of the fifth characteristic parameter during the fermentation process,
durchgeführt wird, nach Schritt f2) der Schrittis performed, after step f 2 ) the step
f3) Vergleich des gemessenen Wertes des fünften charakteristischen Parameters mit zumindest einem, diesem fünften Parameter zugeordneten fünften Sollwertbereich,f 3 ) comparison of the measured value of the fifth characteristic parameter with at least one fifth setpoint range assigned to this fifth parameter,
durchgeführt wird und in Schrittis performed and in step
g) die Zugabe von zumindest einer Art von Mikroorganismen zum Gärsubstrat erfolgt, falls der gemessene Wert des ersten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem ersten Parameter zugeordneten ersten Sollwertbereich aufweist, der gemessene Wert des zweiten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem zweiten Parameter zugeordneten zweiten Sollwertbereich aufweist, der gemessene Wert des dritten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem dritten Parameter zugeordneten dritten Sollwertbereich aufweist, der gemessene Wert des vierten charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem vierten Parameter zugeordneten vierten Sollwertbereich aufweist und der gemessene Wert des fünften charakteristischen Parameters eine festgelegte Relation zu dem diesem fünften Parameter zugeordneten fünften Sollwertbereich aufweist. g) the addition of at least one type of microorganisms to the fermentation substrate takes place, if the measured value of the first characteristic parameter has a fixed relation to the first setpoint range associated with that first parameter, the measured value of the second characteristic parameter has a fixed relation to that second parameter The measured value of the third characteristic parameter has a fixed relation to the third setpoint range associated with this third parameter, the measured value of the fourth characteristic parameter has a fixed relation to the fourth setpoint range associated with this fourth parameter, and the measured value of the fifth characteristic parameter has a fixed relation to the fifth setpoint range assigned to this fifth parameter.
25. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein festgelegter Sollwertbereich einen Wertebereich der Messgröße des charakteristischen Parameters darstellt und die festgelegte Relation des gemessenen Wertes dieses charakteristischen Parameters zu dem diesem Parameter zugeordneten Sollwertbereich darin besteht, dass der gemessene Wert außerhalb des festgelegten Sollwertbereichs liegt.25. The method according to claim 1, characterized in that at least one defined desired value range represents a value range of the measured variable of the characteristic parameter and the defined relation of the measured value of this characteristic parameter to the setpoint range associated with this parameter is that the measured value is Value is outside the specified setpoint range.
26. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein festgelegter Sollwertbereich einen26. The method according to at least one of claims 1 to 25, characterized in that at least one specified value range a
Wertebereich der ersten Ableitung der Messgröße nach der Zeit des charakteristischen Parameters darstellt und die festgelegte Relation der gemessenen Werte dieses charakteristischen Parameters zu dem diesem Parameter zugeordneten Sollwertbereich darin besteht, dass die erste Ableitung der gemessenen Werte außerhalb des festgelegten Sollwertbereichs liegt.Range of values of the first derivative of the measured value according to the time of the characteristic parameter and the fixed relation of the measured values of this characteristic parameter to the setpoint range associated with this parameter is that the first derivative of the measured values lies outside the specified setpoint range.
27. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein festgelegter Sollwertbereich einen Wertebereich der zweiten Ableitung der Messgröße nach der Zeit des charakteristischen Parameters darstellt und die festgelegte Relation der gemessenen Werte dieses charakteristischen Parameters zu dem diesem Parameter zugeordneten Sollwertbereich darin besteht, dass die zweite Ableitung der gemessenen Werte außerhalb des festgelegten Sollwertbereichs liegt.27. The method according to claim 1, wherein at least one specified setpoint range represents a value range of the second derivative of the measured variable according to the time of the characteristic parameter and the fixed relation of the measured values of this characteristic parameter to the setpoint range associated with this parameter This is because the second derivative of the measured values is outside the specified setpoint range.
28. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass zeitnah zur Zugabe der Mikroorganismen zusätzliche Biomasse in den Fermentierungsreaktor gegeben wird.28. The method according to at least one of claims 1 to 27, characterized in that in time for the addition of the microorganisms additional biomass is added to the fermentation reactor.
29. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumbelastung im Fermentierungsreaktor durch kontinuierliche Zugabe von Biomasse kontinuierlich gesteigert wird. 29. The method according to at least one of claims 1 to 28, characterized in that the space load in the fermentation reactor is continuously increased by the continuous addition of biomass.
30. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung von Biogas aus Biomasse bei einer Raumbelastung von ≥ 0,5 kg oTS/m3d, bevorzugt ≥ 4,0 kg oTS/m3d, besonders bevorzugt ≥ 8,0 kg oTS/m3d, durchgeführt wird.30. The method according to at least one of claims 1 to 29, characterized in that the production of biogas from biomass at a space load of ≥ 0.5 kg oTS / m 3 d, preferably ≥ 4.0 kg oTS / m 3 d, especially preferably ≥ 8.0 kg oTS / m 3 d.
31. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung von Biogas aus Biomasse unter konstanter Durchmischung des Gärsubstrats erfolgt.31. The method according to at least one of claims 1 to 30, characterized in that the production of biogas from biomass occurs under constant mixing of the fermentation substrate.
32. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung von Biogas aus Biomasse bei einer Temperatur von 200C bis 800C, bevorzugt bei einer Temperatur von 40°C bis 500C durchgeführt wird.32. The method according to at least one of claims 1 to 31, characterized in that the production of biogas from biomass at a temperature of 20 0 C to 80 0 C, preferably at a temperature of 40 ° C to 50 0 C is performed.
33. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass als Sollwertbereich für den pH-Wert ein Bereich von 4 bis 9, bevorzugt ein Bereich von 5 bis 8,5 verwendet wird.33. The method according to at least one of claims 1 to 32, characterized in that as a setpoint range for the pH, a range of 4 to 9, preferably a range of 5 to 8.5 is used.
34. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 33, dadurch gekennzeichnet, dass als Sollwertbereich für das Redoxpotential ein Bereich kleiner -120 mV, bevorzugt kleiner -180 mV, besonders bevorzugt kleiner -490 mV, insbesondere ein Bereich zwischen -450 mV und -530 mV verwendet wird.34. Method according to claim 1, characterized in that the setpoint range for the redox potential is a range of less than -120 mV, preferably less than -180 mV, particularly preferably less than -490 mV, in particular a range between -450 mV and 530 mV is used.
35. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass Gärsubstrat kontinuierlich zugegeben wird und die35. The method according to at least one of claims 1 to 34, characterized in that fermentation substrate is added continuously and the
Parameter der Fermentation kontinuierlich gemessen werden.Parameters of the fermentation are measured continuously.
36. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine experimentelle Fermentierung eines Gär- Substrats zur Erzeugung von Biogas durchgeführt wird, wobei die charakteristischen Parameter der Fermentierung mehrfach gemessen werden und aus den Messwerten die zur Aufrechterhaltung der Erzeugung von Biogas geeigneten Sollwertbereiche ermittelt werden. 36. The method according to at least one of claims 1 to 35, characterized in that in addition an experimental fermentation of a fermentation substrate for the production of biogas is carried out, wherein the characteristic parameters of the fermentation are measured several times and from the measured values for maintaining the production of Biogas suitable setpoint ranges are determined.
37. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Art von Mikroorganismen in einer Menge zu dem Gärsubstrat zugegeben wird, dass nach Zugabe der Anteil der zugegebenen Art von Mikroorganismen zwischen 10"8% und 50% der Gesamtzahl an in dem Gärsubstrat anwesenden Mikroorganismen ausmacht.37. Method according to at least one of claims 1 to 36, characterized in that the at least one type of microorganism is added to the fermentation substrate in an amount such that, after addition, the proportion of the added type of microorganisms is between 10 -8 % and 50% of the microorganisms Total number of present in the fermentation substrate microorganisms.
38. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Art von Mikroorganismen in einer Menge zu dem Gärsubstrat zugegeben wird, dass nach Zugabe der Anteil der zugegebenen Art von Mikroorganismen zwischen 10"6% und 25% der38. Method according to claim 1, characterized in that the at least one type of microorganism is added to the fermentation substrate in an amount such that, after addition, the proportion of the added type of microorganisms is between 10 -6 % and 25% of the microorganisms
Gesamtzahl an in dem Gärsubstrat anwesenden Mikroorganismen ausmacht.Total number of present in the fermentation substrate microorganisms.
39. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Art von Mikroorganismen in einer Menge zu dem Gärsubstrat zugegeben wird, dass nach Zugabe der Anteil der zugegebenen Art von Mikroorganismen zwischen 10"4% und 10% der Gesamtzahl an in dem Gärsubstrat anwesenden Mikroorganismen ausmacht.39. The method according to at least one of claims 1 to 38, characterized in that the at least one type of microorganisms is added in an amount to the fermentation substrate that, after addition, the proportion of the added type of microorganisms between 10 "4 % and 10% of Total number of present in the fermentation substrate microorganisms.
40. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Art von Mikroorganismen in einer40. The method according to at least one of claims 1 to 39, characterized in that the at least one type of microorganisms in a
Menge zu dem Gärsubstrat zugegeben wird, dass nach Zugabe der Anteil der zugegebenen Art von Mikroorganismen zwischen 10"3% und 1 % der Gesamtzahl an in dem Gärsubstrat anwesenden Mikroorganismen ausmacht. Amount is added to the fermentation substrate that after addition, the proportion of the added type of microorganisms is between 10 "3 % and 1% of the total number of present in the fermentation substrate microorganisms.
PCT/DE2008/075013 2007-12-19 2008-12-08 Method for producing biogas WO2009076947A2 (en)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102007061139.2 2007-12-19
DE102007061139 2007-12-19
DE102008003805 2008-01-10
DE102008003805.9 2008-01-10

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2009076947A2 true WO2009076947A2 (en) 2009-06-25
WO2009076947A3 WO2009076947A3 (en) 2009-10-29

Family

ID=40795934

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2008/075015 WO2009076948A2 (en) 2007-12-19 2008-12-08 Reductones for producing biogas
PCT/DE2008/075013 WO2009076947A2 (en) 2007-12-19 2008-12-08 Method for producing biogas

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2008/075015 WO2009076948A2 (en) 2007-12-19 2008-12-08 Reductones for producing biogas

Country Status (1)

Country Link
WO (2) WO2009076948A2 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010115424A1 (en) * 2009-04-11 2010-10-14 Schmack Biogas Gmbh Methanogenic microorganisms for generating biogas
WO2011010275A1 (en) * 2009-07-21 2011-01-27 Ondeo Industrial Solutions Method for methanizing liquids or solids from industrial or urban effluents
DE102009035875A1 (en) * 2009-08-03 2011-02-24 Dge Dr.-Ing. Günther Engineering Gmbh Process for the production of biogas or sewage gas
WO2012103922A1 (en) * 2011-01-31 2012-08-09 Red Patent B.V. Installation and method for biomass conversion into methane
WO2018162429A1 (en) * 2017-03-06 2018-09-13 Agraferm Gmbh Method for operating a biogas plant
EP3741831A4 (en) * 2018-02-27 2021-03-24 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Biogas quality evaluation device, biogas quality evaluation method, and program

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2336343A1 (en) * 2009-12-21 2011-06-22 Sekab E-Technology AB In situ detoxification of fermentation inhibitors with reducing agents

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3243103A1 (en) * 1982-11-22 1984-05-24 Adolf H. 7322 Donzdorf Borst Process for producing biogas and apparatus for carrying out the process
CA2258254A1 (en) * 1998-12-23 2000-06-23 Andre Balu Plant for industrial treatment of domestic waste and organic sludge through the recycling of utilizable products and the accelerated production of biogas and an organic amendment (digestate) generated by the mesophilic anaerobic fermentation of organic matter
WO2006056819A1 (en) * 2004-11-26 2006-06-01 University Of Szeged Method for increased production of biogas
WO2007052306A2 (en) * 2005-09-05 2007-05-10 Gangotree Resource Developers Pvt. Ltd. A three-step biomethanation process

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60122096A (en) * 1983-12-01 1985-06-29 Matsushita Electric Ind Co Ltd Methane fermentation method
US6543535B2 (en) * 2000-03-15 2003-04-08 Exxonmobil Upstream Research Company Process for stimulating microbial activity in a hydrocarbon-bearing, subterranean formation
GB0412060D0 (en) * 2004-05-28 2004-06-30 Univ Newcastle Process for stimulating production of methane from petroleum in subterranean formations
DE102004061455A1 (en) * 2004-12-17 2006-07-06 Endress + Hauser Gmbh Method for controlling a fermentation of a substrate and corresponding device
WO2008128331A1 (en) * 2007-04-18 2008-10-30 University Technologies International Inc. Process for sequestering carbon dioxide
CZ19434U1 (en) * 2008-06-06 2009-03-23 MIKROP Cebín, a. s. Composition for stimulating output of biogas generation in biogas stations

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3243103A1 (en) * 1982-11-22 1984-05-24 Adolf H. 7322 Donzdorf Borst Process for producing biogas and apparatus for carrying out the process
CA2258254A1 (en) * 1998-12-23 2000-06-23 Andre Balu Plant for industrial treatment of domestic waste and organic sludge through the recycling of utilizable products and the accelerated production of biogas and an organic amendment (digestate) generated by the mesophilic anaerobic fermentation of organic matter
WO2006056819A1 (en) * 2004-11-26 2006-06-01 University Of Szeged Method for increased production of biogas
WO2007052306A2 (en) * 2005-09-05 2007-05-10 Gangotree Resource Developers Pvt. Ltd. A three-step biomethanation process

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DATABASE WPI Week 198532 Thomson Scientific, London, GB; AN 1985-194233 XP002538158 & JP 60 122096 A (MATSUSHITA ELEC IND CO LTD) 29. Juni 1985 (1985-06-29) *
NIELSEN ET AL: "Regulation and optimization of the biogas process: Propionate as a key parameter" BIOMASS AND BIOENERGY, PERGAMON, OXFORD, GB, Bd. 31, Nr. 11-12, 23. Oktober 2007 (2007-10-23), Seiten 820-830, XP022309863 ISSN: 0961-9534 *
NIELSEN HENRIK BANGSO ET AL: "Bioaugmentation of a two-stage thermophilic (68 degrees C/55 degrees C) anaerobic digestion concept for improvement of the methane yield from cattle manure" BIOTECHNOLOGY AND BIOENGINEERING, Bd. 97, Nr. 6, August 2007 (2007-08), Seiten 1638-1643, XP002538156 ISSN: 0006-3592 *
WIESE J AND KÖNIG R: "Prozessbegleitende Fermenterüberwachung auf Biogasanlagen" HACH-LANGE GMBH, [Online] 29. Mai 2007 (2007-05-29), Seiten 1-12, XP002538157 Gefunden im Internet: URL:http://www.hach-lange.de> [gefunden am 2009-07-21] *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010115424A1 (en) * 2009-04-11 2010-10-14 Schmack Biogas Gmbh Methanogenic microorganisms for generating biogas
WO2011010275A1 (en) * 2009-07-21 2011-01-27 Ondeo Industrial Solutions Method for methanizing liquids or solids from industrial or urban effluents
FR2948355A1 (en) * 2009-07-21 2011-01-28 Ondeo Ind Solutions PROCESS FOR METHANIZATION FROM INDUSTRIAL OR URBAN EFFLUENTS, LIQUIDS OR SOLIDS
DE102009035875A1 (en) * 2009-08-03 2011-02-24 Dge Dr.-Ing. Günther Engineering Gmbh Process for the production of biogas or sewage gas
WO2012103922A1 (en) * 2011-01-31 2012-08-09 Red Patent B.V. Installation and method for biomass conversion into methane
WO2018162429A1 (en) * 2017-03-06 2018-09-13 Agraferm Gmbh Method for operating a biogas plant
EP3741831A4 (en) * 2018-02-27 2021-03-24 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Biogas quality evaluation device, biogas quality evaluation method, and program
US11119092B2 (en) 2018-02-27 2021-09-14 Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Biogas quality evaluation device, biogas quality evaluation method, and program

Also Published As

Publication number Publication date
WO2009076947A3 (en) 2009-10-29
WO2009076948A2 (en) 2009-06-25
WO2009076948A3 (en) 2009-11-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2352835B1 (en) Clostridium sporosphaeroides for production of biogas from biomass
WO2009076947A2 (en) Method for producing biogas
EP1473279A1 (en) Apparatus and process for the anaerobic digestion of biomass and production of biogas
DE102009009985A1 (en) Method for concentrating microorganisms in aqueous substrate in wet fermentation process in two- or multi-stage biogas plant, comprises supplying aqueous substrate with microorganisms in a reactor container of the plant
EP1912900A1 (en) Method for producing biogas
EP2242848B1 (en) Clostridium sartagoformum for the generation of biogas
DE102011118067B4 (en) Biomass treatment process with the addition of at least one activator
EP2252695B1 (en) Method for fermenting biomass
WO2010072220A1 (en) Paenibacillus macerans for the treatment of biomass
DE102009003780B4 (en) Methanogenic microorganisms for the production of biogas
EP3066205B1 (en) Process for producing biogas comprising a reduction of ammonium concentration by anammox
DE102010033442A1 (en) Concentration of microorganisms in aqueous substrates for biogas plants, by adding substrate with microorganisms contained in vessel with hydrolysis and fermentation of substrate and transferring fermented substrate into separation module
EP3017052B1 (en) Method for initializing the fermentation process in biogas plants
WO2009086811A2 (en) Paenibacillus macerans for the generation of biogas
WO2009086812A2 (en) Clostridium sporosphaeroides for generating biogas
DE102013101882B4 (en) Process for producing methane from acidified biomass
EP2760978B1 (en) Process for production of biogas
DE102009026114A1 (en) Treating (i.e. for liquefaction of) a biomass, for producing biogas from the biomass, comprises adding a microorganism of the genus Ruminobacillus, e.g. R. xylanolyticum, to the biomass
DE102012008518A1 (en) Generating biogas from biomass, comprises providing biomass in a biogas plant and adding methanogenic microorganism to biomass, where methanogenic microorganism is of order Methanosarcinales
DE102012005636A1 (en) Producing biogas from a biodegradable substrate under anaerobic conditions, comprises introducing substrate into a reaction chamber, adding a lime-based material to the substrate, and biodegrading substrate with formation of biogas
WO2010102618A2 (en) Microorganisms for liquefying biomasses
DE102010043779A1 (en) Process for intensifying the process of a biogas plant, in particular for increasing the volume of space
DE102018110469A1 (en) Additive for biogas production and process for the production of the additive
DE102011118068A1 (en) Process for producing biogas from biomass to form acetic acid
DE102016013620A1 (en) Process for the material and energetic utilization of residues of sugarcane processing and arrangement for carrying out the process

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08861607

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 08861607

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2