WO2010136318A1 - Verfahren und vorrichtung zum gleichzeitigen rühren und beheizen von flüssigfermentern (heiz-rührregister) - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum gleichzeitigen rühren und beheizen von flüssigfermentern (heiz-rührregister) Download PDF

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WO2010136318A1
WO2010136318A1 PCT/EP2010/056227 EP2010056227W WO2010136318A1 WO 2010136318 A1 WO2010136318 A1 WO 2010136318A1 EP 2010056227 W EP2010056227 W EP 2010056227W WO 2010136318 A1 WO2010136318 A1 WO 2010136318A1
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biomass
stirrer
fermenter
temperature control
heating
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PCT/EP2010/056227
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Wilfried Stiller
Ulrich Lüdersen
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Fachhochschule Hannover
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    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/12—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of temperature
    • C12M41/18—Heat exchange systems, e.g. heat jackets or outer envelopes
    • C12M41/24—Heat exchange systems, e.g. heat jackets or outer envelopes inside the vessel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M27/00—Means for mixing, agitating or circulating fluids in the vessel
    • C12M27/02—Stirrer or mobile mixing elements
    • C12M27/06—Stirrer or mobile mixing elements with horizontal or inclined stirrer shaft or axis
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the invention relates to a device for producing biogas by microbial conversion of pumped biomass, comprising a fermenter for receiving the biomass, wherein the fermenter comprises at least one device for mixing the biomass contained in the fermenter and means for controlling the temperature of the biomass. Furthermore, the invention relates to a process for the production of biogas by microbial conversion of biomass in a fermenter.
  • biogas biomass For the production of biogas biomass is usually used in pumpable consistency.
  • the substrates used for example corn silage or grass silage, crushed and decomposed with water.
  • the temperature in the Fe ⁇ nenter In mesophilic operation, the temperature is approximately 35 ° C.
  • a circulation of the biomass contained in the fermenter is at the same time necessary.
  • a plant for the production of biogas by fermentation of viscous media in a cylindrical container for fermenting the fermentation medium is known for example from DE-A 41 13 000.
  • the container is divided by partitions into several Gärkammem and the partitions are partially double-walled, so about this a heat exchange take place or a heating of the fermentation medium can take place.
  • a cleaning device which is moved in the movement of the mixing body in the container in the axial direction along the wall of the heat exchanger, it is achieved that the heat exchanger surfaces are continuously cleaned of impurities.
  • the heated agitator includes a heatable stirrer shaft, heat conduction surface fastened to the stirring surface, stirrer blades fastened to the heat conduction surfaces, a flexible upper shaft bearing for accommodating elongation and bending forces, and a lower shaft bearing which is variable in angle of attack during assembly.
  • the heatable stirrer shaft is a double-walled pipe system in which the inner pipe is formed as a connected to the heating flow plastic pipe and the outer pipe is a metal pipe.
  • a fermenter heater with which the biomass can be heated in the fermenter is described, for example, in DE-U 203 00 794.
  • a disadvantage of the known fermenters is that the heating devices, for example heat exchangers, are outside the flow paths of the biomass contained in the fermenter. Due to the heat exchanger positioned outside the flow paths, uniform temperature control can not be achieved. In addition, the heat transfer is comparatively poor and to achieve the necessary temperatures high Voriauftemper- temperatures of the tempering medium must be used. The positioning of the heat exchanger tube along the wall of the fermenter and the consequent occurrence of the highest temperatures in the fermenter in the vicinity of the wall lead to a high heat loss through the fermenter wall. Also, due to the high required flow temperature, the microorganisms in the wall are exposed to temperatures that do not represent optimal conditions.
  • the object of the present invention is therefore to provide a device and a method for the production of biogas in which a uniform mixing of the biogas is achieved. mass and a uniform temperature with an improved heat transfer.
  • a device for the production of biogas by microbial conversion of pumpable biomass comprising a fermenter for receiving the biomass, wherein the fermenter comprises at least one device for mixing the biomass contained in the fermenter and means for controlling the temperature of the biomass.
  • the device for mixing the biomass contained in the fermenter has at least one tube. and the means for tempering the biomass are arranged in the flow path of the biomass generated by the stirrer that at least a portion of the biomass can flow through the means for temperature control and flow around.
  • Flow around the means of temperature control in the sense of the present invention means that in each case individual heat exchanger elements, in general pipes, which are flowed through by a temperature control medium, are flowed around by the biomass. Since the heat exchanger is positioned in the biomass flow path, the biomass flows through channels and openings between the individual heat exchanger elements.
  • the heat exchanger is preferably designed so that the main flow direction of the biomass is not changed by the heat exchanger. A deflection of the flow at the heat exchanger should not take place.
  • Heat is rapidly distributed by the fermenter according to the invention and transported into the interior. This allows lower flow temperatures of the tempering. This has the further advantage that the microorganisms contained in the fermenter are not exposed to temperatures as high as in the vicinity of the heat exchanger, as in the fermenters known from the prior art. Also, the arrangement of the means for temperature control, the temperatures at the wall of Fe ⁇ nenters are lower than in fermenters according to the prior art. As a result, the heat loss is reduced.
  • any stirred tank or tank can be used with stirring. It is preferred. if the walls of the stirred tank or tank have no edges in which dead zones can arise when the biomass is circulated and in which biomass can accumulate. Particularly preferred are containers or tanks with a circular cross-section. In order to win the biogas, the container is closed with a lid. To remove the gas, a removal opening is formed in the gas space in the upper region of the fermenter. By the capture opening, the biogas produced during the fermentation can be withdrawn.
  • the material for the tank or container is any material that is inert to the biomass contained in the container. For example, metals or plastics are suitable, but particularly preferred is plastic-coated concrete.
  • the container or tank in which the biogas is produced can have any size. However, preference is given to containers with a capacity of more than 100 m 3 . more preferably more than 200 m 3 , in particular more than 400 m * used, wherein the capacity may preferably be up to 1000 m 3 .
  • the biomass to be converted to biogas is fed, for example, via pipelines, which open into the tank or tank.
  • the pipelines can be arranged, for example, laterally, preferably in the upper region of the tank. It is also possible to feed the biomass to be reacted via the lid into the tank. The removal of the reacted biomass takes place, for example, at the bottom or in the lower region of the container or tank.
  • the conversion of the biomass can be carried out continuously or batchwise. In a continuous reaction, it is preferable to recycle biomass from the container and to remove part of the recirculated biomass from the process and to add fresh biomass to the same extent.
  • the conversion of the biomass into biogas takes place in the presence of anaerobic microorganisms.
  • the biomass contained in the tank or container, to which the microorganisms are attached is circulated.
  • suitable mixing devices which generally have at least one stirrer.
  • the stirrer is driven by a suitable drive, for example an electric motor.
  • the drive can be arranged in the container or outside the container. If the drive is arranged in the container, then this is encapsulated in relation to the environment, so that no biomass can penetrate into the drive and thus damage it.
  • suitable power transmission means for example chain drives or any other gear known to the person skilled in the art.
  • the temperature control means which are preferably designed as heating registers, are arranged in the flow path of the biomass produced by the stirrer.
  • the means for temperature control for example, heat exchanger tubes, flows around directly from the biomass to be tempered.
  • the heat transfer is significantly improved. This has the further advantage that due to the significantly improved heat transfer, the heat transfer surface can be significantly reduced.
  • the invention also relates to a combined heating and stirring registers for controlling the temperature of biomass in a ferrule, at least one device for mixing and means for temperature control comprising, wherein the device for mixing comprises at least one stirrer and the means for temperature control are positioned to the stirrer so that a flow generated by the stirrer can flow through the means for temperature control at least partially and can flow around.
  • the combined heating and stirring register By using the combined heating and stirring register, it is also possible to replace the device for mixing or the means for temperature control or repair without the Ferme ⁇ ter to empty, namely by the combined heating and stirring register is removed for this purpose from the Ferrnenter. Even when mounting the combined heating and stirring register in an existing fermenter emptying is not necessary. The heating and stirring register can be easily inserted into the already fermented fermenter.
  • the temperature control means comprise at least one tube through which a temperature control medium flows and which is flowed around by the biomass.
  • the tube can take any shape. If the tube has curvatures, they are all in one plane in one embodiment, since the tube thus bent can be positioned in a plane transverse to the flow direction of the biomass.
  • the bent tube may be, for example, helical or fflea ⁇ demd bent. A u-shaped course of the tube is conceivable, for example. However, any other shape of the tube can be used.
  • the heat exchanger is designed in an alternative Ausftihrungsfo ⁇ n example, as a helical tube. If the tube is u-shaped, with the inlet and outlet arranged on the same side, it is preferable to position a plurality of such tubes in a plane transverse to the flow direction of the biomass in order to increase the heat transfer area.
  • a heating register is used as the means for temperature control, in which an inlet and a drain for the Temperie ⁇ nedium with at least two, preferably more than two tubes which are parallel to each other, are interconnected.
  • This has the advantage that the temperature-control medium flowing in the tube flows into the tubes at substantially the same temperature in each case and, due to the shorter flow path, a less pronounced cooling of the temperature-control medium takes place.
  • the maximum temperature difference between tempering medium and biomass to be tempered can thus be kept lower. Due to the larger number of pipes and a larger mass flow can flow through the heater.
  • the tempering medium flowing through the individual heating coils can in each case have the same inlet temperature or a different one in each heating coil. However, it is preferred if the inlet temperature of the temperature control medium is the same in all heating registers.
  • the distance of the means for controlling the temperature of the stirrer and the dimensions of the means for tempering transverse to the flow direction of the biomass are chosen so that the means for temperature control are completely flowed around by the biomass, so as to ensure an ideal heat transfer to the biomass.
  • the dimensions of the temperature control means transverse to the flow direction of the biomass are selected such that the largest possible part, preferably more than 80 percent of the biomass driven by the stirrer, flows through or flows around the temperature control means.
  • the biomass set in motion by the stirrer flows around the means for controlling the temperature in a turbulent manner. Due to the turbulent Umströmu ⁇ g the heat transfer is particularly effective and the necessary heat transfer surface can be further reduced.
  • the distance between the stirrer and the means for temperature control in particular when using a plurality of heating coils between the stirrer and the first heating coil, in the range of 10 cm to 3 m. Any stirrer known to those skilled in the art may be used as stirrer. It is preferred. if stirrers with a large diameter are used, which can be operated slowly. These allow a uniform mixing of the biomass in the container.
  • stirrers are, for example, axiallbrderde stirrers of various types, especially those with two to four stirrer blades. Particularly preferred is the use of an axialfördemden stirrer with two Rchanerblättem, wherein the stirrer blades are bent in each case.
  • Advantage of such a stirrer is. that with this a great thrust in the biomass can be achieved and so a good transport and a good mixing can be achieved.
  • stirrer or stirrer In addition to the use of only one stirrer or stirrer, it is also possible to use several stirrers at different positions in the container or tank or an agitator with several stirrers. If several agitators are used, they are preferably evenly distributed in the tank or tank. When using a plurality of stirrers, it is particularly preferred if means for controlling the temperature of the biomass are also positioned on each stirrer or stirrer.
  • stirrers or agitators may be of the same type or different design. For example, it is possible to use both high-speed and slow-speed stirrers. However, it is preferable to use several agitators of the same type, in particular with slow-speed stirrers with a large diameter.
  • the means for mixing and the means for temperature control are mounted in a common frame construction. This allows it. to produce the heating and stirring registers as ready-to-use modules and to transport them already assembled to the place of use.
  • the combined heating and stirring register can be introduced, for example, with a crane from above into the fermenter. For example, this saves expensive installation on site for new plants.
  • the construction as a combined heating and stirring register also permits a construction method in the modular system with different capacities. Thus, for example, the number of heat exchangers or the size of the stirrer used can be varied.
  • the biomass is circulated in the fermenter with a tube. At least part of the biomass is passed through the circulating means of tempering in which the biomass is heated to a temperature required for the fermentation.
  • tempering particular heater as described above, are used.
  • the fermenter according to the invention or a fermenter with the heating and scrubbing register according to the invention is also suitable, in particular, for thermophilic operation.
  • the temperature is preferably in a temperature range from 32 to 38 ° C.
  • the temperature of the biomass is preferably adjusted to a temperature in the range from 34 to 37 ° C., for example 35 ° C.
  • the fermenter is the temperature to which the biomass is tempered, generally in the range 45 to 70 0 C, preferably in the range of 55 to 60 0 C.
  • the lower flow temperature has the additional advantage that the thermal load of the microorganisms can be kept lower in the thermophilic operation.
  • the biomass which is converted by microbial conversion to biogas, contains, for example, agricultural raw materials, agricultural waste and / or industrial organic waste.
  • agricultural raw materials or agricultural waste for example, maize silage, grass silage. Clover or manure used.
  • Typical industrial organic wastes include, for example, grape or vinasse.
  • the biogas thus produced usually contains 45 to 70% by volume of methane. 25 to 55 vol.% Carbon dioxide, 0 to 10 vol.% Water vapor, 0.01 to 5 vol.% Nitrogen. 0.01 to 2 vol.% Oxygen, 0 to 1 vol.% Hydrogen. 0.01 to 2.5 mg / m J ammonia and 10-30000 mg / m 3 hydrogen sulfide.
  • the biogas leaving the fermenter is usually treated, in particular ammonia and hydrogen sulfide being removed from the biogas.
  • the preparation is carried out by conventional methods known to those skilled in the art. Exemplary embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be explained in more detail in the following description.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fermenter designed according to the invention
  • Figure 2 shows a stirrer with upstream heater in side view.
  • Figure 3 shows the stirrer and the heater of Figure 2 in front view.
  • FIG. 1 schematically shows a fermenter with stirrer and means for temperature control.
  • a stirrer 3 is positioned, with the biomass contained in the fermenter 1 can be stirred, so as to obtain uniform conditions throughout the fermenter 1.
  • the stirrer 3 is driven by a drive 5, which can be arranged either in the fermenter 1 or outside the fermenter 1. If the drive 5 is arranged in the fermenter, this is preferably encapsulated, so that no biomass can get into the drive and thus damage it.
  • the biomass For circulating the biomass is attracted to one side of the stirrer 3 and pushed away on the other side of this. As a result, a flow is generated in the fermenter 1, which is shown by dashed arrows 7. Through the flow 7, the biomass is circulated in the fermenter 1 and mixed evenly. As a result, a uniform temperature distribution in the fermenter 1 is achieved. Nutrients and microorganisms necessary for the conversion of the biomass into biogas are thus distributed evenly in the fermenter 1. Since the biomass used is generally viscous and also usually contains liquid and solid components, preferably slow-running stirrers with a comparatively large diameter are used for the circulation.
  • stirrers of various types are suitable, in particular those with two to four Stirrer blades, for example Viscoprop stirrer or isojet stirrer from EKATO Rlick- und Mischtechnik GmbH or FLYGT-Banana stirrer from ITT Water &. Wastewater GmbH.
  • means for temperature control 9 adjoin the stirrer 3 in the flow direction 7 of the biomass.
  • the biomass is heated to the temperature required for the conversion to biogas, due to the Wämteübcrgangs the temperature directly to the means for temperature control 9 is generally slightly above the optimum temperature for the reaction. Due to the flow of the biomass is thereby achieved that the total content of the fermenter 1 is brought as evenly as possible to the optimum temperature.
  • heat exchangers are usually used. These may be in the form of one or more heating registers. In the embodiment shown here are the Ruhrer 3 two heating coils downstream.
  • the temperature control means are flowed through by a temperature control medium, from which heat is released to the biomass contained in the fermenter 1.
  • tempering which flows through the means for temperature control 9 «can be used any heat transfer medium.
  • liquid heat carriers are used, in particular water or thermal oils.
  • the inlet temperature of the tempering medium is in the means for controlling the temperature 9 is preferably at least 50 up to 90 0 C, preferably at 60 0 C, the outlet temperature of the temperature at 40 to 60 0 C, preferably at 45 0 C.
  • the inlet temperature is but also dependent on the volume flow of the tempering medium. The larger the volume flow of the temperature control medium, the smaller the temperature difference can be.
  • the biomass used for example agricultural raw materials or waste or industrial organic waste, is mixed with water.
  • the amount of water used is chosen so that the desired consistency is achieved.
  • the biomass to be reacted is fed to the fermenter 1 via an inlet 11.
  • the inlet 11 can be arranged at any position on the fermenter 1.
  • the inlet 11 is arranged in the upper region of the fermenter 1.
  • the feed 11 can also be made via a lid with which the fermenter 1 is closed.
  • Already reacted biomass is removed via a drain 13 from the fermenter 1.
  • the outlet 13 is preferably located at the bottom of the fermenter 1.
  • the outlet 13 can also be designed as a side outlet in the lower region of the fermenter.
  • a portion of the mass flow removed via the outlet 13 is recirculated and fed again via the inlet 11 into the fermenter 1.
  • a line 15 branches off from the outlet 13, which opens into the inlet 11.
  • a pump 17 is received, with which the biomass is pumped.
  • a uniform level of biomass in Fermenler 1 is set by adjusting the amount of biomass supplied via the inlet 1 1 and the extracted via the flow 13 biomass. By discharging a portion of the biomass via the outlet 13 continuous conditions are obtained in the fermenter 1.
  • FIGS. 2 and 3 a stirrer with an upstream heating register is shown once in side view and once in front view.
  • a stirrer 3. as it can be used in a fermenter 1, is attached to the container bottom 23 with a suitable holding device 21.
  • the drive 5 is connected directly to the stirrer 3 and is therefore located in the interior of the container.
  • the stirrer 3 sucks biomass and pushes it through the means for temperature control 9.
  • the means for temperature control 9 are formed in the embodiment shown here as a heating register 25.
  • the attachment of the heating register 25 is carried out in the embodiment shown here with bars 27 on the holding device 2 L to which also the stirrer 3 is attached. This has the advantage that stirrer 3 and heating register 25 form a unit and can be used together in the fermenter 1.
  • stirrer 3 and heating register 25 are mount separately in the fermenter 1.
  • Advantage deT assembly a combined heating and stirring, as shown in Figure 2, but is that during assembly not on the appropriate distance between stirrer 3 and heating register 25 must be taken, since this already by the connection of Stirrer 3 and heater 25 is set.
  • any other installation of the heating register 25 is possible.
  • heating register 25 In addition to a heating register 25, as shown here, it is also possible to provide a plurality of heating registers. These are then arranged one behind the other in the flow direction 7 of the biomass in front of the stirrer 3.
  • the heating register 25 is preferably formed as shown in Figure 3, wherein a plurality of tubes 29 are each connected on one side with a Temperiermediumszulauf 31 and on the other ropes with a Temperiermediumsablauf 33.
  • the tubes are arranged one above the other in a plane, as can be seen, for example, from FIG. 2 in the side view.
  • any other arrangement of the tubes is conceivable.
  • any other devices which can be flowed through by the temperature control medium can also be used as long as they have sufficient free space through which the biomass can flow.
  • a plurality of tubes 29 are each supplied with temperature medium via a temperature-control medium inlet 31 and a temperature-control medium outlet 33, it is also possible, for example, to stack a plurality of u-shaped tubes which are each connected to an inlet and a drain and be flowed through by the temperature control, use.
  • only one tube, which is formed, for example meander-shaped can be used.
  • the tubes as shown here, extend horizontally, and the tubes may for example run perpendicular or at any other angle.
  • the tubes of the individual heating coils it is also possible in particular for the tubes of the individual heating coils to run in different directions.
  • they are arranged rotated against each other according to the flow of the biomass.
  • the heating registers 25 arranged one behind the other advantageously follow the curvature.
  • the stirrer 3 is preferably designed as an axially demanding stirrer with two to four stirrer blades, as shown for example in FIG. 3.
  • the stirrer blades are bent so that an optimum thrust of the biomass is produced by the stirrer. This allows the highest possible speed of the biomass with slowly running stirrer and so optimal mixing.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Biogas durch mikrobielle Umsetzung von pumpfähiger Biomasse, umfassend einen Fermenter (1) zur Aufnahme der Biomasse, wobei der Fermenter (1) mindestens eine Vorrichtung zur Durchmischung der im Fermenter (1) enthaltenen Biomasse sowie Mittel zur Temperierung (9) der Biomasse umfasst. Die Vorrichtung zur Durchmischung der im Fementer (1) enthaltenen Biomasse weist mindestens einen Rührer (3) auf und die Mittel zur Temperierung (9) der Biomasse sind so im durch den Rührer (3) erzeugten Strömungsweg der Biomasse angeordnet, dass zumindest ein Teil der Biomasse die Mittel zur Temperierung (9) durchströmen und umströmen kann. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Biogas durch mikrobielle Umsetzung von Biomasse in einem Fermenter (1), wobei die Biomasse im Fermenter (1) mit einem Rührer (3) umgewälzt wird und mindestens ein Teil der Biomasse beim Umwälzen durch Mittel zur Temperierung (9) geleitel wird, in denen die Biomasse auf eine für die Fermentation erforderliche Temperatur temperiert wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum gleichzeitigen Rühren und Beheizen von Flüssig- fermentern (Hefe-Röhrregister)
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Biogas durch mikrobielle Um- Setzung von pumpfahiger Biomasse, umfassend einen Fermenter zur Aufnahme der Biomasse, wobei der Fermenter mindestens eine Vorrichtung zur Durchmischung der im Fermenter enthaltenen Biomasse sowie Mittel zur Temperierung der Biomasse umfasst. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Biogas durch mikrobielle Umsetzung von Biomasse in einem Fermenter.
Zur Herstellung von Biogas wird üblicherweise Biomasse in pumptahiger Konsistenz eingesetzt. Hierzu werden die eingesetzten Substrate, beispielsweise Maissilage oder Grassilage, zerkleinert und mit Wasser zersetzt. Zur mikrobiellen Umsetzung des Substrates zu Biogas ist es notwendig, die Temperatur im Feπnenter konstant zu halten. Im mesophilen Betrieb liegt die Temperatur dabei bei circa 35 0C. Zur Versorgung der Mikroorganismen mit frischen Nährstoffen ist gleichzeitig eine Umwälzung der im Fermenter enthaltenen Biomasse notwendig.
Eine Anlage zur Herstellung von Biogas durch Vergärung von dickflüssigen Medien in einem zylindrischen Behälter zum Vergären des Gärmediums ist zum Beispiel aus DE-A 41 13 000 bekannt Der Behälter ist durch Trennwände in mehrere Gärkammem unterteilt und die Trennwände sind teilweise doppelwandig ausgebildet, sodass über diese ein Wärmeaustausch stattfinden oder eine Erwärmung des Gärmediums erfolgen kann. Mit einer Reinigungseinrichtung, die bei der Bewegung der Mischkörper im Behälter in axialer Richtung an der Wandung des Wärmetauschers entlang bewegt wird, wird erreicht, dass die Wärmetauscherflächen kontinuierlich von Verunreinigungen gesäubert werden.
Aus DE-B 10 2004 027 077 ist ein beheizbares Rührwerk für Fermentationsbehälter be- kannt. Mit Hilfe des Rührwerkes wird mechanische und thermische Energie in stehend angeordnete Fermentationsbehälter eingetragen. Das beheizbare Rührwerk umfasst eine beheizbare Rührwelle, an der Rührweile befestigte Wärmeleitfläche, an den Wärmeleitflä- cheπ befestigte Rührblätter, ein flexibles oberes Wellenlager zur Aufnahme von Längendehnung und Biegekräften sowie ein zumindest bei der Montage im Anstellwinkel variables unteres Wellenlager. Die beheizbare Rührwelle ist ein doppelwandiges Rohrsystem, bei der das innere Rohr als eine am Heizungsvorlauf angeschlossene Kunststoffleitung ausgebildet ist und das äußere Rohr ein Metallrohr ist. Nachteil des Rührwerks ist jedoch zum Einen, dass nur die Rührwelle beheizt wird und so nur eine kleine Wärmetauscherfläche zur Verfugung steht, zum Anderen, dass die Einleitung und Ausleitung eines flüssigen Heizmediums in eine rotierende Welle aufwändig und verschleißanfällig ist.
Vorrichtungen zur Durchmischung von Fermentationsbehältern, beispielsweise Rührwerke, sind zum Beispiel auch aus DE-U 20 2006 004 982. EP-A 1 394 246 oder US 4,698,310 bekannt.
Eine Fermenterheizung, mit der die Biomasse im Fermenter beheizt werden kann, ist beispielsweise auch in DE-U 203 00 794 beschrieben.
Üblicherweise eingesetzte Fermenter weisen derzeit von heißem Wasser durchströmte Rohre auf. die im Allgemeinen als Ringleitung mit einem gewissen Abstand an der Innen- wand des Fermenters befestigt sind. Hierbei handelt es sich oft um teure Wellrohre, die infolge ihrer Biegsamkeit nahtlos ohne zu schweißen bei der Fermentermontage verlegt werden.
Nachteil der bekannten Fermenter ist jedoch, dass die Heizeinrichtungen, beispielsweise Wärmetauscher außerhalb der Strömungswege der im Fermenter enthaltenen Biomasse sind. Aufgrund der außerhalb der Strömungswege positionierten Wärmetauscher ist eine gleichmäßige Temperierung nicht erzielbar. Zudem ist der Wärmeübergang vergleichsweise schlecht und zur Erzielung der notwendigen Temperaturen müssen hohe Voriauftempe- raturen des Temperiermediums verwendet werden. Die Positionierung der Wärmetauscher- röhre entlang der Wandung des Fermenters und das dadurch bedingte Auftreten der höchsten Temperaturen im Fermenter in der Nähe der Wandung führen zu einem hohen Wärmeverlust durch die Fermenterwand. Auch werden aufgrund der hohen notwendigen Vorlauftemperatur die Mikroorganismen im Bereich der Wandung Temperaturen ausgesetzt, die keine optimalen Bedingungen darstellen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Biogas bereitzustellen, in der eine gleichmäßige Durchmischung der Bio- masse und eine gleichmäßige Temperierung mit einem verbesserten Wärmeübergang erfolgen.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Herstellung von Biogas durch mikro- bielle Umsetzung von pumpfähiger Biomasse, umfassend einen Fermenter zur Aufnahme der Biomasse, wobei der Fermenter mindestens eine Vorrichtung zur Durchmischung der im Fermenter enthaltenen Biomasse sowie Mittel zur Temperierung der Biomasse umfasst. Die Vorrichtung zur Durchmischung der im Fermenter enthaltenen Biomasse weist mindestens einen Röhrer auf. und die Mittel zur Temperierung der Biomasse sind so im durch den Rührer erzeugten Strömungsweg der Biomasse angeordnet dass zumindest ein Teil der Biomasse die Mittel zur Temperierung durchströmen und umströmen kann.
Umströmen der Mittel der Temperierung im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass jeweils einzelne Wärmetauscherelemente, im Allgemeinen Rohre, die von einem Temperiermittel durchströmt werden, von der Biomasse umströmt werden. Da der Wärmetauscher im Strδmungsweg der Biomasse positioniert ist, strömt die Biomasse dabei durch Kanäle und Öffnungen zwischen den einzelnen Wärmetauscherelementen. Der Wärmetauscher wird vorzugsweise so ausgebildet, dass die Hauptströmungsrichtung der Biomasse durch den Wärmetauscher nicht geändert wird. Eine Umlenkung der Strömung am Wärme- tauscher soll nicht erfolgen.
Durch den erfindungsgemäßen Fermenter wird Wärme zügig verteilt und ins Innere transportiert. Dies ermöglicht niedrigere Vorlauftemperaturen des Temperiermediums. Dies hat weiterhin den Vorteil, dass die im Fermenter enthaltenen Mikroorganismen auch in der Nähe des Wärmetauschers nicht so hohen Temperaturen ausgesetzt werden, wie in den aus dem Stand der Technik bekannten Fermentem. Auch sind durch die Anordnung der Mittel zur Temperierung die Temperaturen an der Wandung des Feπnenters geringer als bei Fermentern gemäß dem Stand der Technik. Hierdurch wird der Wärmeverlust reduziert.
Neben der gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Temperierung der Biomasse werden mit dem erfindungsgemäßeπ Fermenter auch die Investitionskosten für den Bau deutlich reduziert. Dies ist insbesondere auch darauf zurückzuführen, dass keine teuren Wellrohre für die Temperierung verbaut werden müssen.
Als Fermenter kann ein beliebiger Rührbehälter oder Tank mit Rühreinrichtung eingesetzt werden. Bevorzugt ist es. wenn die Wandungen des Rührbehälters oder Tanks keine Kanten aufweisen« in denen Totzonen beim Umwälzen der Biomasse entstehen können und in denen sich Biomasse festsetzen kann. Insbesondere bevorzugt sind Behälter oder Tanks mit einem kreisförmigen Querschnitt. Um das Biogas gewinnen zu können, ist der Behälter mit einem Deckel verschlossen. Zur Entnahme des Gases ist im Gasraum im oberen Bereich des Fermenters eine Entnahmeöffnung ausgebildet. Durch die EπtnahmeöfTnung kann das bei der Fermentation entstandene Biogas abgezogen werden. Als Material für den Tank beziehungsweise Behälter eignet sich jedes beliebige Material, das gegenüber der im Behälter enthaltenen Biomasse inert ist. So eignen sich zum Beispiel Metalle oder Kunststoffe, besonders bevorzugt ist jedoch kunststoffbeschichteter Beton.
Der Behälter beziehungsweise Tank, in dem das Biogas hergestellt wird, kann jede belie- bige Größe aufweisen. Bevorzugt werden jedoch Behälter mit einem Fassungsvermögen von mehr als 100 m3. mehr bevorzugt von mehr als 200 m3, insbesondere von mehr als 400 m* eingesetzt, wobei das Fassungsvermögen vorzugsweise bis zu 1000 m3 betragen kann.
Die zu Biogas umzusetzende Biomasse wird beispielsweise über Rohrleitungen zugeführt, die in den Behälter beziehungsweise Tank münden. Die Rohrleitungen können dabei zum Beispiel seitlich, vorzugsweise im oberen Bereich des Tanks angeordnet sein. Auch ist es möglich, die umzusetzende Biomasse über den Deckel in den Tank zuzuführen. Die Entnahme der umgesetzten Biomasse erfolgt beispielsweise am Sumpf beziehungsweise im unteren Bereich des Behälters beziehungsweise Tanks. Die Umsetzung der Biomasse kann dabei kontinuierlich oder batchweise erfolgen. Bei einer kontinuierlichen Umsetzung ist es bevorzugt, Biomasse aus dem Behälter umzupumpen und einen Teil der umgepumpten Biomasse aus dem Prozess zu entnehmen und in gleichem Maße frische Biomasse zuzufügen.
Die Umsetzung der Biomasse zu Biogas erfolgt in Gegenwart von anaeroben Mikroorganismen.
Um die Mikroorganismen, die die Biomasse umsetzen, gleichmäßig mit Nährstoffen zu versorgen, wird die im Tank beziehungsweise Behälter enthaltene Biomasse, der die Mik- roorganismen beigefügt sind, umgewälzt. Zum Umwälzen werden geeignete Vorrichtungen zur Durchmischung eingesetzt, die im Allgemeinen mindestens einen Rührer aufweisen. Der Rührer wird über einen geeigneten Antrieb, beispielsweise einen Elektromotor angetrieben. Der Antrieb kann dabei im Behälter oder außerhalb des Behälters angeordnet sein. Wenn der Antrieb im Behälter angeordnet ist, so ist dieser gegenüber der Umgebung gekapselt, damit keine Biomasse in den Antrieb eindringen kann und diesen so beschädigen kann. Bei einer Anordnung außerhalb des Behälters wird über geeignete Kraftübertragungsmittel, beispielsweise Kettentriebe oder beliebige andere dem Fachmann bekannte Getriebe, das vom Antrieb erzeugte Drehmoment an den Rührer übertragen. Um optimale Betriebsbedingungen für die Umsetzung der Biomasse zu Biogas zu erhalten, ist weiterhin eine konstante Temperatur im Behälter beziehungsweise Tank erforderlich. Die konstante Temperatur wird durch geeignete Temperiereinrichtungen, üblicherweise Wärmelauscherrohre, in die Biomasse eingebracht. Erfindungsgemäß sind die Mittel der Temperierung, die vorzugsweise als Heizregister ausgebildet sindL in dem durch den Rührer erzeugten Strömungsweg der Biomasse angeordnet. Durch diese Anordnung werden die Mittel zur Temperierung, beispielsweise Wärmetauscherrohre, direkt von der zu temperierenden Biomasse umströmt. Hierdurch wird der Wärmeübergang erheblich verbessert. Dies hat den weiteren Vorteil, dass aufgrund des erheblich verbesserten Wärmeübergangs die Wärmeübertragungsfläche deutlich verkleinert werden kann.
Um die Möglichkeit bereitzustellen, bereits bestehende Ferrnenter oder Nachgärbehälter nachzurüsten oder auch eine einfachere Montage eines Fermenters vor Ort zu ermöglichen, betrifft die Erfindung auch ein kombiniertes Heiz- und Rührregister zur Temperierung von Biomasse in einem Ferrnenter, mindestens eine Vorrichtung zur Durchmischung sowie Mittel zur Temperierung umfassend, wobei die Vorrichtung zur Durchmischung mindestens einen Rührer aufweist und die Mittel zur Temperierung so zum Rührer positioniert sind, dass eine vom Rührer erzeugte Strömung die Mittel zur Temperierung zumindest teilweise durchströmen und umströmen kann.
Durch die Verwendung des kombinierten Heiz- und Rührregisters ist es weiterhin auch möglich, die Vorrichtung zur Durchmischung oder die Mittel zur Temperierung zu ersetzen oder zu reparieren ohne den Fermeπter zu entleeren, indem nämlich das kombinierte Heiz- und Rührregister hierzu aus dem Ferrnenter entnommen wird. Auch bei Montage des kombinierten Heiz- und Rührregisters in einen bereits bestehenden Fermenter ist eine Entleerung nicht notwendig. Das Heiz- und Rührregister lässt sich auf einfache Weise auch in den bereits betuüten Fermenter einsetzen.
In einer Ausfuhrungsform umfassen die Mittel zur Temperierung mindestens ein von einem Temperiermedium durehströmtes Rohr, das von der Biomasse umströmt wird. Das Rohr kann dabei jede beliebige Form annehmen. Wenn das Rohr Krümmungen aufweist, so liegen diese in einer Ausfiϊhrungsform alle in einer Ebene, da sich das so gebogene Rohr in einer Ebene quer zur Strömungsrichtung der Biomasse positionieren lässt. Das gebogene Rohr kann zum Beispiel schneckenförmig oder mäaπdemd gebogen sein. Auch ein u- formiger Verlauf des Rohres ist beispielsweise denkbar. Jedoch kann auch jede beliebige andere Form des Rohres eingesetzt werden. So ist der Wärmetauscher in einer alternativen Ausftihrungsfoπn beispielsweise als Wendelrohr ausgeführt. Wenn das Rohr u-fδrmig verläuft, wobei Zulauf und Ablauf auf der gleichen Seite angeordnet sind, so isl es bevorzugt, mehrere solcher Rohre in einer Ebene quer zur Strömungsrichtung der Biomasse zu positionieren, um die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern.
Bevorzugt ist es jedoch, wenn als Mittel zur Temperierung ein Heizregister eingesetzt wird, bei dem ein Zulauf und ein Ablauf für das Temperieπnedium mit mindestens zwei, bevorzugt mehr als zwei Rohren, die parallel zueinander verlaufen, miteinander verbunden sind. Dies hat den Vorteil, dass das im Rohr strömende Temperiermedium jeweils mit im Wesentlichen gleicher Temperatur in die Rohre einströmt und aufgrund des kürzeren Strömungsweges eine weniger starke Abkühlung des Temperiermediums erfolgt. Die maximale Temperaturdifferenz zwischen Temperiermedium und zu temperierender Biomasse kann so niedriger gehalten werden. Durch die größere Anzahl an Rohren kann auch ein größerer Massestrom durch das Heizregister strömen.
Um die Wärmeübertragungsfläche weiter zu vergrößern, um eine optimale Temperierung der Biomasse zu erzielen, ist es weiterhin möglich, mindestens zwei Heizregister hintereinander im Strömungsweg der Biomasse zu positionieren. Die jeweiligen Heizregister werden von der Biomasse umströmt und geben so Wärme an die Biomasse ab. Das die einzelnen Heizregister durchströmende Temperieπnedium kann dabei jeweils die gleiche Zulauftemperatur aufweisen oder in jedem Heizregister eine andere. Bevorzugt ist es jedoch, wenn die Zulauftemperatur des Temperiermediums in allen Heizregistern gleich ist.
Der Abstand der Mittel zur Temperierung vom Rührer und die Maße der Mittel zur Tem- perierung quer zur Strömungsrichtung der Biomasse werden so gewählt, dass die Mittel zur Temperierung vollständig von der Biomasse umströmt werden, um so einen idealen Wärmeübergang an die Biomasse zu gewährleisten. Gleichzeitig werden die Maße der Mittel zur Temperierung quer zur Strömungsrichtung der Biomasse so gewählt, dass ein möglichst großer Teil, vorzugsweise mehr als 80 Prozent der durch den Rührer angetriebenen Biomasse, die Mittel zur Temperierung durchströmen beziehungsweise umströmen.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die vom Rührer in Bewegung gesetzte Biomasse die Mittel zur Temperierung turbulent umströmt. Durch die turbulente Umströmuπg ist der Wärmeübergang besonders effektiv und die notwendige Wärmeübertragungsfläche kann weiter reduziert werden. Um eine turbulente Durchströmung zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen dem Rührer und den Mitteln zur Temperierung, insbesondere beim Einsatz mehrerer Heizregister zwischen dem Rührer und dem ersten Heizregister, im Bereich von 10 cm bis zu 3 m liegt. AIs Rührer kann jeder beliebige, dem Fachmann bekannte Rührer eingesetzt werden. Bevorzugt ist es. wenn Rührer mit einem großen Durchmesser eingesetzt werden, die langsam betrieben werden können. Diese ermöglichen eine gleichmäßige Durchmischung der Bio- masse im Behälter. Insbesondere kann mit langsam laufenden Rührern mit großem Durchmesser eine gleichmäßige Durchmischung auch von zähflüssigen Medien erzielt werden, wie sie üblicherweise in Fermentem vorliegt. Geeignete Rührer sind zum Beispiel axiallbrdernde Rührer verschiedener Bauarten, insbesondere solche mit zwei bis vier Rührerblättern. Besonders bevorzugt ist der Einsatz eines axialfördemden Rührers mit zwei Rührerblättem, wobei die Rührerblätter jeweils gebogen sind. Vorteil eines solchen Rührers ist. dass mit diesem einen großer Schub in der Biomasse erzielt werden kann und so ein guter Transport und eine gute Durchmischung erzielt werden.
Neben dem Einsatz von nur einem Rührwerk beziehungsweise Rührer können auch mehre- re Rührwerke an unterschiedlichen Positionen im Behälter oder Tank beziehungsweise ein Rührwerk mit mehreren Rührern eingesetzt werden. Wenn mehrere Rührwerke eingesetzt werden, so verteilen sich diese vorzugsweise gleichmäßig im Behälter beziehungsweise Tank. Bei Einsatz mehrerer Rührwerke ist es insbesondere bevorzugt, wenn an jedem Rührer beziehungsweise Rührwerk auch Mittel zur Temperierung der Biomasse positioniert sind.
Wenn mehrere Rührer oder Rührwerke eingesetzt werden, so können diese gleicher Bauart oder unterschiedlicher Bauart sein. So ist es zum Beispiel möglich, sowohl schnell laufende als auch langsam laufende Rührer einzusetzen. Bevorzugt ist es jedoch mehrere Rühr- werke gleicher Bauart, insbesondere mit langsam laufenden Rührern mit großem Durchmesser, einzusetzen.
In einer besonders bevorzugten Ausfuhrungsform des kombinierten Heiz- und Rührregisters sind die Mittel zur Durchmischung und die Mittel zur Temperierung in einer gemein- samen Rahmenkonstruktion montiert. Dies ermöglicht es. die Heiz- und Rührregister als funktionsfertige Module herzustellen und bereits fertig montiert zum Einsatzort zu transportieren. Hier kann das kombinierte Heiz- und Rührregister zum Beispiel mit einem Kran von oben in den Fermenter eingebracht werden. Dies erspart zum Beispiel bei Neuanlagen eine teure Montage direkt vor Ort. Die Konstruktion als kombiniertes Heiz- und Rührregis- ter erlaubt auch eine Bauweise im Baukastensystem mit unterschiedlichen Leistungen. So kann zum Beispiel die Anzahl der Wärmetauscher oder die Größe des eingesetzten Rührers variiert werden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Biogas durch mikrobielle Umsetzung von Biomasse in einem Fermenter wird die Biomasse im Fermenter mit einem Röhrer umgewälzt. Mindestens ein Teil der Biomasse wird beim Umwälzen durch Mittel zum Temperieren geleitet in denen die Biomasse auf eine für die Fermentation erforderliche Temperatur temperiert wird. Als Mittel zum Temperieren werden insbesondere Heizregister, wie sie vorstehend beschrieben sind, eingesetzt.
Neben dem Einsatz im mesophilen Betrieb eignet sich der erfindungsgemäße Fermenter beziehungsweise ein Fermenter mit dem erfmdungsgemäßen Heiz- und Rühnregister insbe- sondere auch für den thermophilen Betrieb. Wenn die Fermentation im mesophilen Bereich erfolgt, liegt die Temperatur vorzugsweise im in einem Temperaturbereich von 32 bis 38 0C. Bevorzugt erfolgt die Temperierung der Biomasse auf eine Temperatur im Bereich von 34 bis 37 0C, beispielsweise 35 0C. Bei einem thermophilen Betrieb der Fermenters liegt die Temperatur, auf die die Biomasse temperiert wird, im Allgemeinen im Bereich 45 bis 70 0C, vorzugsweise im Bereich von 55 bis 600C.
Aufgrund der schnelleren Verteilung der Wärme und die dadurch mögliche geringere Vorlauftemperatur sowie die Positionierung des Wärmetauschers weiter im Inneren des Fermenters und nicht entlang der Wandung können die Wärmeverluste nach außen an die Umgebung reduziert werden. Dies reduziert auch den Isolationsaurwand bei thermophü betriebenen Fermentem. Die geringere Vorlauftemperatur hat zusätzlich den Vorteil, dass die thermische Belastung der Mikroorganismen im thermophilen Betrieb geringer gehalten werden kann.
Die Biomasse, die durch mikrobielle Umsetzung zu Biogas umgesetzt wird, enthält zum Beispiel landwirtschaftliche Rohstoffe, landwirtschaftliche Abfalle und/oder industrielle organische Abfalle. Als landwirtschaftliche Rohstoffe beziehungsweise landwirtschaftliche Abfälle werden zum Beispiel Maissilage, Grassilage. Kleegras oder Gülle eingesetzt. Übliche industrielle organische Abfälle sind beispielsweise Treber oder Schlempe. In Abhän- gigkeit von der eingesetzten Biomasse enthält das so hergestellte Biogas üblicherweise 45 bis 70 Vol.-% Methan. 25 bis 55 Vol.-% Kohlendioxid, 0 bis 10 Vol.-% Wasserdampf, 0,01 bis 5 Vol.-% Stickstoff. 0.01 bis 2 Vol.-% Sauerstoff, 0 bis 1 VoL-% Wasserstoff. 0,01 bis 2,5 mg/mJ Ammoniak und 10 bis 30.000 mg/m3 Schwefelwasserstoff. Das den Fermenter verlassende Biogas wird üblicherweise aufbereitet, wobei insbesondere Ammo- niak und Schwefelwasserstoff aus dem Biogas entfernt werden. Die Aufbereitung erfolgt dabei durch übliche, dem Fachmann bekannte Verfahren. Austührungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Fermenters,
Figur 2 einen Rührer mit vorgeschaltetem Heizregister in Seitenansicht.
Figur 3 den Rührer und das Heizregister aus Figur 2 in Frontansicht.
In Figur 1 ist schematisch ein Fermenter mit Rührer und Mitteln zur Temperierung dargestellt.
In einem Fermenter 1 ist ein Rührer 3 positioniert, mit dem im Fermenter 1 enthaltene Biomasse umgerührt werden kann, um so gleichmäßige Bedingungen im gesamten Fermenter 1 zu erhalten. Der Rührer 3 wird durch einen Antrieb 5 angetrieben, der entweder im Fermenter 1 oder außerhalb des Fermenters 1 angeordnet sein kann. Wenn der Antrieb 5 im Fermenter angeordnet ist, ist dieser vorzugsweise gekapselt, damit keine Biomasse in den Antrieb gelangen kann und diesen so schädigen kann.
Zum Umwälzen wird die Biomasse auf einer Seite vom Rührer 3 angezogen und auf der anderen Seite von diesem weggeschoben. Hierdurch wird eine Strömung im Fermenter 1 erzeugt, die durch gestrichelte Pfeile 7 dargestellt ist. Durch die Strömung 7 wird die Bio- masse im Fermenter 1 umgewälzt und gleichmäßig durchmischt. Hierdurch wird eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Fermenter 1 erzielt. Auch fiir die Umsetzung der Biomasse zu Biogas notwendige Nährstoffe und Mikroorganismen werden so gleichmäßig im Fermenter 1 verteilt. Da die eingesetzte Biomasse im Allgemeinen zähflüssig ist und zudem üblicherweise flüssige und feste Bestandteile enthält werden zur Umwälzung vor- zugsweise langsam laufende Rührer mit vergleichsweise großem Durchmesser eingesetzt Wie vorstehend beschrieben eignen sich hierzu insbesondere axialfö'rdernde Rührer verschiedener Bauarten, insbesondere solche mit zwei bis vier Rührerblättern, beispielsweise Viscoprop-Rührer oder Isojet-Rührer der EKATO Rühr- und Mischtechnik GmbH oder FLYGT-Banana-Rührer der ITT Water &. Wastewater GmbH.
Erfindungsgemäß schließen sich an den Rührer 3 in Strömungsrichtung 7 der Biomasse Mittel zur Temperierung 9 an. Mit den Mitteln zur Temperierung 9 wird die Biomasse auf die für die Umsetzung zu Biogas erforderliche Temperatur temperiert, wobei aufgrund des Wämteübcrgangs die Temperatur direkt an den Mittel zur Temperierung 9 im Allgemeinen etwas oberhalb der optimalen Temperatur für die Umsetzung liegt. Aufgrund der Strömung der Biomasse wird hierdurch erzielt, dass der Gesamtinhalt des Fermenters 1 möglichst gleichmäßig auf die optimale Temperatur gebracht wird. Als Mittel zur Temperierung 9 werden üblicherweise Wärmeübertrager eingesetzt. Diese können in Form von einem oder mehreren Heizregistern ausgebildet sein. In der hier dargestellten Ausführungsform sind dem Ruhrer 3 zwei Heizregister nachgeschaltet. Die Mittel zur Temperierung werden von einem Temperiermedium durchströmt, von dem Wärme an die im Fermenter 1 enthaltene Biomasse abgegeben wird. Wenn bei der Umsetzung zu Biogas die Temperatur zu stark ansteigen sollte, wird durch die Mittel zur Temperierung 9 Wärme aus dem Fermenter 1 abgeführt. Als Temperiermedium, das die Mittel zur Temperierung 9 durchströmt« kann jeder beliebige Wärmeträger eingesetzt werden. Vorzugsweise werden flüssige Wärmeträger eingesetzt, insbesondere Wasser oder Thermalöle. Die Eintrittstemperatur des Tempe- riermediums in die Mittel zur Temperierung 9 liegt vorzugsweise bei mindestens 50 bis maximal 90 0C, bevorzugt bei 60 0C, die Austrittstemperatur des Temperiermediums bei 40 bis 600C, bevorzugt bei 45 0C. Die Eintrittstemperatur ist dabei jedoch auch abhängig vom Volumeπstrom des Temperiermediums. Je größer der Volumenstrom des Temperiermediums ist, umso kleiner kann die Temperaturdifferenz sein.
Um die für die Umsetzung gewünschte Konsistenz der Biomasse zu erzielen, wird die eingesetzte Biomasse, beispielsweise landwirtschaftliche Rohstoffe oder Abfalle oder industrielle organische Abfalle, mit Wasser versetzt. Die Menge des eingesetzten Wassers wird dabei so gewählt, dass die gewünschte Konsistenz erzielt wird. Die umzusetzende Biomasse wird dem Fermenter 1 über einen Zulauf 11 zugeführt. Der Zulauf 11 kann dabei an beliebiger Position am Fermenter 1 angeordnet sein. Bevorzugt ist der Zulauf 11 im oberen Bereich des Fermenters 1 angeordnet. Der Zulauf 11 kann auch über einen Deckel, mit dem der Fermenter 1 verschlossen ist, erfolgen. Bereits umgesetzte Biomasse wird über einen Ablauf 13 aus dem Fermenter 1 entnommen. Der Ablauf 13 befindet sich dabei vorzugsweise am Sumpf des Fermenters 1. Auch kann der Ablauf 13 als Seitenablauf im unte- ren Bereich des Fermenters ausgebildet sein.
Wenn der Fermenter 1 kontinuierlich betrieben wird, wird ein Teil des über den Ablauf 13 entnommenen Massestroms umgepumpt und über den Zulauf 11 erneut in den Fermenter 1 zugeführt. Hierzu zweigt aus dem Ablauf 13 eine Leitung 15 ab, die in den Zulauf 11 mündet. In der Leitung 15 ist eine Pumpe 17 aufgenommen, mit der die Biomasse umgepumpt wird. Ein gleichmäßiger Füllstand der Biomasse im Fermenler 1 wird durch Einstellung der zugeführten Menge an Biomasse über den Zulauf 1 1 und der über den Ablauf 13 entnommenen Biomasse eingestellt. Durch Ausschleusung eines Teils der Biomasse über den Ablauf 13 werden kontinuierliche Bedingungen im Fermenter 1 erhalten. Alternativ ist es jedoch auch möglich, den Fermenter 1 diskontinuierlich zu betreiben, zunächst Biomasse zuzusetzen, diese zu Biogas umzuwandeln und nach der Umwandlung aus dem Fermenter 1 zu entnehmen. In diesem Fall kann auf die Leitung 15, in der die Biomasse umgepumpt wird, verzichtet werden. Auch bei kontinuierlichem Betrieb kann auf die Leitung 15 verzichtet werden. In diesem Fall wird über den Ablauf 13 ein Teil der Biomasse ausgeschleust und über den Zulauf 11 erfolgt die Zugabe frischer Biomasse, wobei die Menge der ausgeschleusten und die Menge der zugefuhrten Biomasse so aufeinander abgestimmt werden, dass der Füllstand im Fermenter 1 einen minimalen vorgegebenen Füllstand nicht unterschreitet und einen maximalen vorgegebenen Füllstand nicht überschreitet.
In den Figuren 2 und 3 ist ein Rührer mit vorgeschaltetem Heizregister einmal in Seitenansicht und einmal in Frontansicht dargestellt.
Ein Rührer 3. wie er in einem Fermenter 1 eingesetzt werden kann, wird mit einer geeigneten Haltevorrichtung 21 am Behälterboden 23 befestigt. In der in den Figuren 2 und 3 dar- gestellten Ausführungsform ist der Antrieb 5 direkt mit dem Rührer 3 verbunden und befindet sich somit im Inneren des Behälters. Im Betrieb saugt der Rührer 3 Biomasse an und schiebt diese durch die Mittel zur Temperierung 9. Die Mittel zur Temperierung 9 sind in der hier dargestellten Ausführungsform als Heizregister 25 ausgebildet. Die Befestigung des Heizregisters 25 erfolgt in der hier dargestellten Ausführungsform mit Holmen 27 an der Haltevorrichtung 2 L an der auch der Rührer 3 befestigt ist Dies hat den Vorteil, dass Rührer 3 und Heizregister 25 eine Einheit bilden und gemeinsam im Fermenter 1 eingesetzt werden können. Es ist jedoch auch möglich, Rührer 3 und Heizregister 25 separat im Fermenter 1 zu montieren. Vorteil deT Baugruppe, einem kombinierten Heiz- und Rührregister, wie es in Figur 2 dargestellt ist, ist jedoch, dass bei der Montage nicht auf den ge- eigneten Abstand zwischen Rührer 3 und Heizregister 25 geachtet werden muss, da dieser bereits durch die Verbindung von Rührer 3 und Heizregister 25 eingestellt ist. Neben der Befestigung des Heizregisters 25 mit Holmen 27 an der Haltevorrichtung 21 ist jedoch auch jede beliebige andere Montage des Heizregisters 25 möglich.
Neben einem Heizregister 25, wie es hier dargestellt ist können auch mehrere Heizregister vorgesehen sein. Diese sind dann hintereinander in Strömungsrichtung 7 der Biomasse vor dem Rührer 3 angeordnet. Das Heizregister 25 ist vorzugsweise wie in Figur 3 dargestellt ausgebildet, wobei mehrere Rohre 29 jeweils auf einer Seite mit einem Temperiermediumszulauf 31 und auf der anderen Seile mit einem Temperiermediumsablauf 33 verbunden sind. Die Rohre sind dabei in einer Ebene übereinander angeordnet, wie dies beispielsweise aus Figur 2 in der Seitenan- sieht zu erkennen ist. Neben der dargestellten Ausfuhrurtgsform. bei der die Rohre übereinander angeordnet sind, ist jedoch auch jede andere Anordnung der Rohre denkbar. Auch können neben Rohren 29, die von Temperiermedium durchströmt werden, auch beliebige andere Vorrichtungen, die vom Temperiermedium durchströmt werden können, eingesetzt werden, solange diese ausreichende Freiräume aufweisen, durch die die Biomasse durch- strömen kann. Neben der dargestellten Ausfiihrungsibrm, bei der mehrere Rohre 29 jeweils über einen Temperiermediumszulauf 31 und einen Temperiermediumsablauf 33 mit Tem- periermedium versorgt werden, ist es auch möglich, beispielsweise übereinander mehrere u-formige Rohre, die jeweils mit einem Zulauf und einem Ablauf verbunden sind und vom Temperiermedium durchströmt werden, einzusetzen. Auch kann nur ein Rohr, das bei- spielsweise mäanderförmig ausgebildet ist, eingesetzt werden.
Wenn mehrere Heizregister 25 hintereinander eingesetzt werden, so ist es möglich, dass die Rohre, wie sie hier dargestellt, waagerecht verlaufen, auch können die Rohre beispielsweise senkrecht oder in jedem beliebigen anderen Winkel verlaufen. Bei mehreren Heizregistern ist es insbesondere auch möglich, dass die Rohre der einzelnen Heizregister in unterschiedlicher Richtung verlaufen. Bei Einsatz mehrerer Heizregister 25 ist es auch möglich, dass diese entsprechend dem Strömungsverlauf der Biomasse gegeneinander gedreht angeordnet sind. So ist es bei der Positionierung der Heizregister für einen optimalen Wärmeübergang vorteilhaft, wenn die einzelnen Heizregister hintereinander im Strö- mungsweg der Biomasse positioniert sind. Bei einer Strömung, die zum Beispiel aufgrund von Einbauten oder dem Wandverlauf des Fermenters 1 eine Krümmung beschreibt, folgen die hintereinander angeordneten Heizregister 25 vorteilhafterweise der Krümmung.
Der Rührer 3 ist vorzugsweise als axial fordernder Rührer mit zwei bis vier Rührerblättern, wie er beispielsweise in Figur 3 dargestellt ist, ausgeführt Die Rührerblätter sind dabei gebogen, sodass ein optimaler Schub der Biomasse durch den Rührer erzeugt wird. Dies ermöglicht eine größtmögliche Geschwindigkeit der Biomasse bei langsam laufendem Rührer und so eine optimale Durchmischung. Bezugszeichen liste
I Fermenter 3 Rührer 5 Antrieb 7 Strömung 9 Mittel zur Temperierung
I 1 Zulauf 13 Ablauf 15 Leitung
17 Pumpe
21 Haltevorrichtung
23 Behälterboden
25 Heizregister 27 Holm
29 Rohr
31 Temperiermediurnszulauf
33 Temperiermediumsablauf

Claims

Patentstnsprüche
1. Vorrichtung zur Herstellung von Biogas durch mikrobielle Umsetzung von pumpfähiger Biomasse, umfassend einen Fermenter ( 1 ) zur Aufnahme der Biomasse, wobei der Fermenter ( I ) mindestens eine Vorrichtung zur Durchmischung der im Fermenter ( 1) enthaltenen Biomasse sowie Mittel zur Temperierung (9) der Biomasse umfasst dadurch gekennzeichnet, dass jede Vorrichtung zur Durchmischung der im Fermen- ter (1) enthaltenen Biomasse mindestens einen Rührer (3) aufweist und die Mittel zur Temperierung (9) der Biomasse so im durch den Rührer (3) erzeugten Strömungsweg der Biomasse angeordnet sind, dass zumindest ein Teil der Biomasse die Mittel zur Temperierung (9) durchströmen und umströmen kann.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Temperierung (9) als Heizregister (25) ausgebildet sind und mindestens ein von einem Temperiermedium durchströmtes Rohr (29) umfassen, das von der Biomasse umströmt wird.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Temperierung (9) mehrere quer zur Strömungsrichtung der Biomasse nebeneinander liegende Rohre (29) umfassen, wobei jeweils mindestens zwei Rohre (29) aus einem Tem- periermediumszulauf (31) abzweigen und in einen gemeinsamen Temperiermedi- umsablauf (33) münden.
4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Heizregister (25) in Strömungsrichtung (7) hintereinander im Strömungsweg der Biomasse angeordnet sind.
5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Rührer (3) und den Mitteln zur Temperierung (9) im Bereich von 10 cm bis 3 m liegt.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, dass der Rührer (3) ein langsam laufender axial fördernder Rührer mit zwei bis vier Rührerblättern ist
7. Verfahren zur Herstellung von Biogas durch mikrobielle Umsetzung von Biomasse in einem Fermenter (1 ). wobei die Biomasse im Fermenter (1 ) mit einem Rührer (3) umgewälzt wird und mindestens ein Teil der Biomasse beim Umwälzen durch Mittel zur Temperierung (9) geleitet wird, in denen die Biomasse auf eine für die Fer- mentation erforderliche Temperatur temperiert wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse landwirtschaftliche Rohstoffe, landwirtschaftliche Abfalle und/oder industrielle organische Abfälle enthält.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8. dadurch gekennzeichnet, dass die landwirtschaftlichen Rohstoffe bzw. Abfälle Maissilage. Grassilage, Kleegras oder Gülle enthalten.
10. Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die industriellen organi- sehen Abfälle Treber oder Schlempe enthalten.
11. Heiz- und Rührregister zur Temperierung von Biomasse in einem Fermenter, mindestens eine Vorrichtung zur Durchmischung sowie Mittel zur Temperierung (9) umfassend, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Durchmischung mindes- tens einen Rührer (3) aufweist und die Mittel zur Temperierung (9) so zum Rührer
(3) positioniert sind, dass eine vom Rührer (3) erzeugte Strömung die Mittel zur Temperierung (9) zumindest teilweise durchströmen und umströmen kann.
12. Heiz- und Rührregister gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Temperierung (9) mehrere quer zu der durch den Rührer (3) erzeugten Strömungsrichtung und nebeneinander liegende Rohre (29) umfassen, wobei jeweils mindestens zwei Rohre (29) aus einem Temperiermediumszulauf (31 } abzweigen und in einen gemeinsamen Temperieπnediumsablauf (33) münden.
13. Heiz- und Rührregister gemäß Anspruch 1 1 oder 12. dadurch gekennzeichnet dass mehrere Heizregister (25) in Strömungsrichtung (7) hintereinander im durch den Rührer (3) erzeugten Strömungsweg angeordnet sind.
14. Heiz- und Rührregister gemäß einem der Ansprüche I l bis 13, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Abstand zwischen dem Rührer (3) und den Mitteln zur Temperierung (9) im Bereich von 10 cm bis 3 m liegt.
15. Heiz- und Rührregister gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 14. dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Durchmischung und die Mittel zur Temperierung (9) in einer gemeinsamen Rahmenkonstruktion montiert sind.
16. Heiz- und Rührregister gemäß einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Rührer (3) ein langsam laufender axial fördernder Rührer mit zwei bis vier Rührerblättern ist.
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