WO2011079925A2 - Verfahren zur erhöhung der gasausbeute in einer gärvorrichtung, insbesondere einer biogasanlage oder einem fermenter, sowie verwendung einer vorrichtung zur durchführung eines solchen verfahrens - Google Patents

Verfahren zur erhöhung der gasausbeute in einer gärvorrichtung, insbesondere einer biogasanlage oder einem fermenter, sowie verwendung einer vorrichtung zur durchführung eines solchen verfahrens Download PDF

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Michael Richter
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    • C12P5/00—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • 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
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the present invention relates to a method for increasing the gas yield from organic biomass in a fermentation device, in particular a biogas plant or a fermenter according to the preamble of claim 1, the use of a device for carrying out such a method and a fermentation device.
  • biogas In a biogas plant biogas is produced by fermentation of biomass.
  • the biogas produced is used in power engineering plants to generate energy.
  • the resulting fermentation residues from biogas production are considered agricultural
  • organic biomass such as manure, silage or biowaste is used. These substrates are readily accessible to microbial degradation (fermentation) under anaerobic conditions. Lignin-containing substrates such as wood or dry grasses are difficult to decompose under anaerobic conditions and are therefore generally less preferred as a substrate for biogas production.
  • the main decomposition product is the high-energy methane (CH) and carbon dioxide (C0 2 ). These gaseous products constitute the major components of the biogas.
  • the degradation process in the fermentation proceeds in several stages and can be subdivided in the individual stages as hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis.
  • fermentation residue remains an aqueous mixture of poorly degradable organic material, in particular lignin and cellulosic products and inorganic materials such as minerals. Due to the high concentration of trace elements (especially nitrogen, phosphorus), these fermentation residues are used as fertilizer in agriculture.
  • Dry fermentation In wet fermentation, a high proportion of water makes the substrate stir and flowable.
  • the dry fermentation is usually done with stackable organic biomass.
  • the efficiency of a biogas plant is determined by its efficiency, which in turn depends on the substrates used (their nature and form) and the conditions in the fermentation processes that take place.
  • a storage container is still provided in many plants, which is sealed airtight and in which a secondary fermentation of hard fermentable biomass. During secondary fermentation, hard-to-decompose substrates are also converted. The Nachgärreste be partially returned to the fermenter again.
  • DE 10 2004 054 468 A1 describes a process for the anaerobic fermentation of vegetable substrates and their pretreatment with thermomechanical digestion in a reactor.
  • the fermentation process is preceded by a treatment-technical precursor outside the reactor by extrusion of the plant substrates.
  • a treatment-technical precursor outside the reactor by extrusion of the plant substrates.
  • the use of an extruder does not achieve complete destruction of the lignin structures and disruption of cellular structures for the biogas production process.
  • a further disadvantage is the fact that, if the extruder is placed in front of the fermenter, foreign substances such as e.g. Metal parts and stones get into the extruder and may damage it.
  • Solid phase is fed to a fermenter. A complete cell disruption can not be achieved here either.
  • Desintegrationstress is provided, which is between the hydrolysis and the Methane level is located. This should reduce the overall C0 2 balance.
  • the thermal disintegration stage consists of a container with a stirrer.
  • the device consists of an extruder which has at least one compression screw for the swollen solids of the organic biomass. Due to the pressure, the temperature and a subsequent strong reduction in the volume tension of the swollen solids, the effect of cavitation and implosion of the cells of the swollen solids should be greater than that of cells not swollen biomass as raw material for the biogas plant.
  • the extruder is arranged between a separator for separating liquid and solid substrates to a container with a stirrer. The device described therefore requires a separator and a separate extruder, which operates as a continuous
  • DE 103 43 748 A1 discloses a process for comminuting particulate organic substances in suspensions of microorganisms in a carrier medium, in particular in waste waters or sludges of biological sewage treatment plants, in which the organic substances in an active space are inertial forces due to short-term extreme
  • the used for the biogas production biomass is used as a suspension in a
  • Flow velocity reached is done via a constriction of the cross section of the flow channel, which preferably comprises a conical constriction, wherein the diameter at the entry point of the active space and the diameter at the exit point of the active space is greater than the diameter at the narrowest point of the taper.
  • the flow velocity reached at the end of the convergent duct part must be greater than the critical velocity for a phase change (ie the liquid phase to vapor phase transition).
  • the critical speed is in turn dependent on the density of the carrier medium and the atmospheric pressure. In the limiting case, ie when the flow velocity corresponds to the critical velocity, a discontinuity surface forms in the narrowest channel cross-section, via which the phase change of water into water vapor takes place.
  • the reaction space comprises a convergent channel part with a narrowest channel cross-section.
  • the effective space is a nozzle.
  • the diameter (d) and the length (I) of the nozzle in a ratio of 1: 4 to 1: 6, preferably in a ratio of 1: 5 to each other. The flow velocity is increased so much in the inlet region of the active space that the carrier medium of the treated suspension in the active space completely from the liquid phase in the
  • Vapor phase (i.e., to water vapor) passes and no cavitation bubbles are formed.
  • the vapor flow is subjected to strong deceleration forces due to the increasing diameter in the exit region, and condensation of the water vapor takes place.
  • the inventive method has the advantage that in addition to a high gas yield Kavitationserscheinonne be avoided. Cavitation is the local formation and dissolution of bubbles or voids in liquids due to pressure fluctuations. Cavitation bubbles are created by the static pressure below the
  • Vapor pressure of the liquid is lowered, whereby individual vapor or gas bubbles form.
  • the higher the velocity the lower the pressure in a liquid.
  • the gases dissolved in the liquid diffuse into the resulting bubbles or cavities.
  • the gas in the bladder is ionized, creating radicals that may be chemically reactive.
  • the collapse of the bubble creates extreme local shock and pressure waves which result in a flow of fluid through the negative pressure of the collapsed bubble.
  • Such liquid streams are often referred to as microjets or liquid jets.
  • the formation of such cavitation events is disadvantageous, since they too
  • Cavitation bubbles will be the surface material due to the high mechanical
  • the hydrodynamic disintegration of the organic biomass results in breakage of the timbers or poorly degradable lignin and cellulose structures of the biomass substrates, thereby increasing the area of fermentation attack.
  • the metabolism is more effective and increases the
  • the biomass can be repeatedly pumped through the same effective space.
  • the flow rate is between 40 and 50 m / sec, but at least 20 m / sec.
  • a disintegration step is arranged between the fermentation and the secondary fermentation. In a further embodiment, a disintegration step is arranged between the secondary fermentation and the remaining storage.
  • one or more disintegration steps can take place either before the fermentation, after the fermentation and the secondary fermentation or in the return of the substrate from the secondary fermentation into the fermentation or in the continuation of the fermentation
  • Substrates between the secondary fermentation and the rest warehouse are arranged.
  • the process according to the invention leads to an improvement in the viscosity in the fermenter.
  • the substrate used is less viscous, causing the agitators to do less work. This leads to significant power and energy savings.
  • the entire system is therefore more economical, which represents a significant advantage over known systems.
  • the efficiency could also be increased by additionally homogenizing the biomass before disintegration.
  • the invention further includes the use of a device consisting of a reaction space in the biomass inertial forces due to short-term extreme acceleration and immediately subsequent deceleration of flowing in a closed flow channel support medium is exposed, the reaction space consists of a convergent channel part and a constriction, so that the carrier medium when entering the effective space for evaporation and when leaving the effective space for
  • Condensation is brought to increase the gas yield from organic biomass in a fermentation device, in particular a biogas plant or a fermenter.
  • the invention comprises a fermentation device, in particular biogas plant or
  • the effective space consists of a convergent channel part and a constriction, so that the
  • Carrier medium is brought to the entry into the effective space for evaporation and when leaving the active space for condensing.
  • Fig. 2 is a schematic representation of an active space of an inventive
  • FIG. 1 shows a simplified scheme for integrating the method according to the invention into an existing biogas plant.
  • the treatment of the organic biomass can be carried out either before the fermentation, after the fermentation or after the secondary fermentation.
  • one or more disintegration steps as shown in FIG. 1, can be provided.
  • the organic biomass used before the fermentation in an independent disintegration device unlocked and then transferred to the fermenter.
  • the disintegration between the fermentation and the secondary fermentation can take place. This increases the efficiency in the post-fermentation stage.
  • an additional disintegration device unlocked and then transferred to the fermenter.
  • the disintegration between the fermentation and the secondary fermentation can take place. This increases the efficiency in the post-fermentation stage.
  • an additional disintegration device unlocked and then transferred to the fermenter.
  • the disintegration between the fermentation and the secondary fermentation can take place. This increases the efficiency in the post-fermentation stage.
  • an additional disintegration device unlocked and then transferred to the fermenter.
  • the disintegration between the fermentation and the secondary fermentation can take
  • Disintegration step between the secondary fermentation and the fermentation provided.
  • Biomass such as liquid manure, silage, in particular corn silage, is fed before the fermentation of the disintegration device according to the invention.
  • the biomass is pumped through a nozzle at a flow rate of about 50 m / sec.
  • the nozzle has a central conical constriction.
  • the liquid carrier medium is completely transferred from the liquid phase to the vapor phase, i. There is an aggregate state change.
  • Fig. 2 shows a schematically shown effective space. Exceeds the
  • Flow velocity (u) the critical flow velocity (u> u crit ) with a span of active space with a length l w > 0, there is a transition of the liquid phase into the vapor phase.
  • Microorganisms evaporate surrounding water.
  • a velocity u ⁇ u crit must be reached, which is characterized solely by the density of the water and the atmospheric pressure.
  • u u kri t formed in the narrowest channel cross-section of a discontinuity surface , via which takes place the phase change of water into water vapor.
  • a usable effective space is only at speeds u> Ukrit spanned.
  • the length of the effective space l w > 0 can also be influenced by the selection of the cross-sectional distribution A (x) of the divergent channel part (dA / dx> 0) following the narrowest point and ends when the critical velocity u kr in the divergent channel part again it is achieved.
  • Microorganisms and the release of the cell constituents by cell disruption range are mainly caused by the mass forces that act on the organic components of the biomass when passing through the active active space.
  • a selective selection of the microorganisms can be made.
  • Biogas plants have a gas yield of about 600 l / kg of organic dry matter. With the help of optimized processes in which the gas yield is increased, an increase to about 700 l / kg of organic dry matter can be achieved. However, a drastic increase can be seen when using the method according to the invention in biogas plants, where the efficiency and thus the efficiency of the system could be increased by 33% compared to a standard system.
  • the method according to the invention is suitable for drastically increasing the gas yield from organic biomass in a fermentation device, in particular in a biogas plant or any fermenter. Such an effect was unpredictable and unexpected to the inventors.
  • the method according to the invention is expected to find use primarily in biogas plants, it is generally suitable for any fermentation process in which the formation of biogas is in the foreground.
  • the invention is not limited to biogas plants, but covers all fermentation devices and

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Gasausbeute in einer Gärvorrichtung, insbesondere einer Biogasanlage oder einem Fermenter, bei dem Biomasse vor und/oder nach der Fermentation in einem Wirkraum Trägheitskräften infolge kurzzeitiger extremer Beschleunigung und unmittelbar darauffolgender Verzögerung des in einem geschlossenen Strömungskanal strömendenden Trägermediums ausgesetzt wird, wobei die auf die Biomasse wirkenden Trägheitskräfte über eine Änderung des Aggregatzustandes erzeugt werden, indem das Trägermedium beim Eintritt in den Wirkraum zum Verdampfen und beim Verlassen des Wirkraums zum Kondensieren gebracht wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Gärvorrichtung, insbesondere Biogasanlage oder Fermenter, bei der in einem Wirkraum Biomasse infolge kurzzeitiger extremer Beschleunigung und unmittelbar darauf folgender Verzögerung desintegriert wird.

Description

Beschreibung:
"Verfahren zur Erhöhung der Gasausbeute in einer Gärvorrichtung, insbesondere einer Biogasanlage oder einem Fermenter, sowie Verwendung einer Vorrichtung
zur Durchführung eines solchen Verfahrens"
Technisches Gebiet:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Gasausbeute aus organischer Biomasse in einer Gärvorrichtung, insbesondere einer Biogasanlage oder einem Fermenter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , die Verwendung einer Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens sowie eine Gärvorrichtung.
Stand der Technik:
In einer Biogasanlage wird Biogas durch Vergärung von Biomasse erzeugt. Das erzeugte Biogas wird in energietechnischen Anlagen zur Erzeugung von Energie genutzt. Die anfallenden Gärrückstände aus der Biogasproduktion werden als landwirtschaftliche
Düngemittel verwendet.
Als Substrate zur Biogaserzeugung wird organische Biomasse wie Gülle, Silage oder Bioabfall eingesetzt. Diese Substrate sind unter anaeroben Bedingungen dem mikrobiellen Abbau (Vergärung) leicht zugänglich. Ligninhaltige Substrate wie Holz oder trockene Gräser sind unter anaeroben Bedingungen nur schwer abbaubar und werden daher als Substrat zur Biogaserzeugung zumeist weniger bevorzugt. Bei der Fermentation der Biomasse entsteht als Hauptabbauprodukt das energiereiche Methan (CH ) sowie Kohlendioxid (C02). Diese gasförmigen Produkte bilden die Hauptkomponenten des Biogases.
Der Abbauprozess in der Fermentation läuft mehrstufig ab und kann in den einzelnen Stufen als Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese sowie Methanogenese unterteilt werden.
Während der Fermentation wird ein Großteil der eingesetzten organischen Trockensubstanz in Biogas umgesetzt. Als Gärrückstand bleibt ein wässriges Gemisch aus schwer abbaubarem organischen Material, insbesondere lignin- und zellulosehaltigen Produkten sowie anorganischen Stoffen wie Mineralien zurück. Aufgrund der hohen Konzentration von Spurenelementen (insbesondere Stickstoff, Phosphor) werden diese Gärrückstände in der Landwirtschaft als Dünger eingesetzt.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Je nach Art des eingesetzten Substrates unterscheidet man zwischen einer
Nassfermentation und einer Trockenfermentation bzw. Nassvergärung und
Trockenvergärung. Bei der Nassfermentation macht ein hoher Wasseranteil das Substrat rühr- und fließfähig. Die Trockenfermentation erfolgt normalerweise mit stapelbarer organischer Biomasse.
Die Leistungsfähigkeit einer Biogasanlage wird durch deren Wirkungsgrad bestimmt, welcher wiederum abhängig ist von den eingesetzten Substraten (deren Art und Form) und den Bedingungen in den ablaufenden Fermentationsprozessen.
Nach der Fermentation ist bei vielen Anlagen noch ein Lagerbehälter vorgesehen, der luftdicht abgeschlossen ist und in dem eine Nachgärung von schwer vergärbarer Biomasse erfolgt. Bei der Nachgärung werden auch schwer abbaubare Substrate umgesetzt. Die Nachgärreste werden teilweise erneut dem Fermenter zurückgeführt.
Da die Vergärung von lignin- und zellulosehaltigen Substraten problematisch ist, wird in der DE 10 2004 054 468 A1 ein Verfahren zur anaeroben Vergärung pflanzlicher Substrate und deren Vorbehandlung mit thermomechanischem Aufschluss in einem Reaktor beschrieben. Bei diesem Verfahren wird zur Erzielung einer nachweislich höheren Gasbildungsrate dem Vergärungsprozess eine aufbereitungstechnische Vorstufe außerhalb des Reaktors durch Extrusion der pflanzlichen Substrate vorgeschaltet. Allerdings wird in einer solchen Anlage durch die Verwendung eines Extruders keine vollständige Zerstörung der Ligninstrukturen und Aufbruch zellulärer Strukturen für den Biogasbildungsprozess erreicht. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass bei einer Platzierung des Extruders vor dem Fermenter auch Fremdstoffe wie z.B. Metallteile und Steine in den Extruder gelangen und diesen unter Umständen beschädigen können.
In der DE 10 2007 037 202 A1 wird ein Verfahren zur Umwandlung von Biomasse
beschrieben, wobei der Gärrest eines Fermenterreaktors einer Fest-Flüssig-Phasentrennung mit anschließender Thermodruckhydrolyse unterworfen wird. Die so behandelte
Feststoffphase wird einem Fermenter zugeführt. Ein vollständiger Zellaufschluss ist auch hier nicht zu erreichen.
In der DE 10 2008 030 653 A1 wird ein Verfahren und eine Anlage zur Steigerung der Biogasausbeute eines abbaubaren Substrates beschrieben, bei dem eine thermische
Desintegrationsstufe vorgesehen ist, die sich zwischen der Hydrolysestufe und der Methanstufe befindet. Dadurch soll die C02-Gesamtbilanz verringert werden. Die thermische Desintegrationsstufe besteht aus einem Behältnis mit einem Rührwerk.
Im nächsten Stand der Technik, der DE 20 2009 002 537 U1 , wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten Gasausbeute durch weiteren Aufschluss von organischer Biomasse in Biogasanlagen beschrieben. Die Vorrichtung besteht aus einem Extruder, welcher wenigstens eine Verdichtungsschnecke für die gequollenen Feststoffe der organischen Biomasse besitzt. Durch den Druck, die Temperatur und eine nachfolgende starke Herabsetzung der Volumenspannung der gequollenen Feststoffe soll die Wirkung der Kavitation und Implosion der Zellen der gequollenen Feststoffe größer sein als die von Zellen nicht gequollener Biomasse als Ausgangsstoff für die Biogasanlage. Der Extruder ist zwischen einem Separator zum Trennen von flüssigen und festen Substraten zu einem Behältnis mit einem Rührwerk angeordnet. Die beschriebene Einrichtung bedarf demnach eines Separators sowie eines getrennten Extruders, die als kontinuierlich arbeitende
Baueinheiten vorhanden sein müssen. Auch bezüglich des damit zu erreichenden
Zellaufschlusses kann diese Einrichtung nicht befriedigen. Ferner führt die Kavitation zu Materialabrasionen. Dies ist unbefriedigend.
Aus der DE 103 43 748 A1 ist ein Verfahren zum Zerkleinern partikulärer organischer Substanzen in Suspensionen von Mikroorganismen in einem Trägermedium, insbesondere in Abwässern oder Schlämmen biologischer Kläranlagen bekannt, bei dem die organischen Substanzen in einem Wirkraum Trägheitskräften infolge kurzzeitiger extremer
Beschleunigung und unmittelbar darauffolgender Verzögerung des in einem geschlossenen Strömungskanal strömenden Trägermediums ausgesetzt werden. Dass das Verfahren für eine Erhöhung der Gasausbeute in einer Gärvorrichtung eingesetzt werden kann, ist in dem Verfahren weder beschrieben noch nahegelegt.
Darstellung der Erfindung: Es ist daher im Hinblick auf den bekannten Stand der Technik Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem/der die Gasausbeute in einer Gärvorrichtung, insbesondere einer Biogasanlage oder einem Fermenter, erhöht werden kann, um so den Wirkungsgrad solcher Anlagen bei der Fermentation organischer Biomasse durch höhere Ausbeuten an Biogas zu steigern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Erfinder haben überraschenderweise festgestellt, dass die Gasausbeute aus organischer Biomasse in einer Biogasanlage dadurch erhöht werden kann, indem die Biomasse vor der Fermentation in einem Wirkraum Trägheitskräften infolge kurzzeitiger extremer
Beschleunigung und unmittelbar darauffolgender Verzögerung des in einem geschlossenen Strömungskanal strömenden Trägermediums ausgesetzt wird. Erfindungsgemäß werden dabei die auf die Biomasse wirkenden Trägheitskräfte über eine Änderung des
Aggregatzustandes erzeugt, indem das Trägermedium beim Eintritt in den Wirkraum zum Verdampfen und beim Verlassen des Wirkraums zum Kondensieren gebracht wird. Ein solches Verfahren ist bereits im Bereich von Kläranlagen bekannt, um den chemischen Sauerstoffbedarf (CSB-Wert) zu erhöhen. Der CSB-Wert ist ein Maß für die Summe aller im Wasser vorhandenen, unter bestimmten Bedingungen oxidierbaren Stoffe. Man vergleiche hierzu die DE 103 43 748 B4. Die Erfinder haben nun festgestellt, dass sich das Verfahren auch dafür eignet, die Gasausbeute aus organischer Biomasse in einer Gärvorrichtung, insbesondere einer Biogasanlage oder einem Fermenter, zu erhöhen.
Die für die Biogasgewinnung eingesetzte Biomasse wird als Suspension in einem
geschlossenen Strömungskanal mit einem Wirkraum über eine entsprechend dimensionierte Pumpe einer kurzzeitigen Extrembeschleunigung ausgesetzt, wodurch der Dampfdruck des Trägermediums gegenüber dem Druck in dem Wirkraum stark abgesenkt wird und das Trägermedium von seiner Flüssigphase vollständig in die Dampfphase überführt wird.
Dadurch wird ein homogener Dampfstrom erreicht, der beim Eintritt in den Wirkraum auf die in der Suspension vorhandenen organischen zellulären Bestandteile kurzzeitig eine
Extrembeschleunigung ausübt und beim Verlassen des Wirkraums extreme
Verzögerungskräfte freisetzt, wenn die Dampfphase zurück in die Flüssigphase kondensiert.
Die Änderung des Aggregatzustands wird erfindungsgemäß über eine Änderung der
Strömungsgeschwindigkeit erreicht. Dies erfolgt über eine Verengung des Querschnitts des Strömungskanals, der vorzugsweise eine konisch verlaufende Verengung umfasst, bei welcher der Durchmesser an der Eintrittsstelle des Wirkraumes und der Durchmesser an der Austrittsstelle des Wirkraumes größer ist als der Durchmesser an der engsten Stelle der Verjüngung. Die am Ende des konvergenten Kanalteils erreichte Strömungsgeschwindigkeit muss größer sein als die kritische Geschwindigkeit für einen Phasenwechsel (d.h. die Überführung von Flüssigphase in die Dampfphase). Die kritische Geschwindigkeit ist wiederum abhängig von der Dichte des Trägermediums sowie dem atmosphärischen Druck. Im Grenzfall, d.h. wenn die Strömungsgeschwindigkeit der kritischen Geschwindigkeit entspricht, bildet sich im engsten Kanalquerschnitt eine Unstetigkeitsfläche aus, über die der Phasenwechsel von Wasser in Wasserdampf stattfindet. Vorzugsweise umfasst der Wirkraum einen konvergent verlaufenden Kanalteil mit einem engsten Kanalquerschnitt. In einer Ausführungsform ist der Wirkraum eine Düse. Bevorzugt ist der Durchmesser (d) und die Länge (I) der Düse in einem Verhältnis von 1 : 4 bis 1 : 6, vorzugsweise in einem Verhältnis von 1 : 5 zueinander. Die Strömungsgeschwindigkeit wird im Eintrittsbereich des Wirkraums so stark gesteigert, dass das Trägermedium der behandelten Suspension in dem Wirkraum vollständig von der Flüssigphase in die
Dampfphase (d.h. zu Wasserdampf) übergeht und keine Kavitationsblasen gebildet werden. Beim Austritt aus dem Wirkraum wird der Dampfstrom aufgrund des größer werdenden Durchmessers im Austrittsbereich starken Verzögerungskräften ausgesetzt, und es erfolgt eine Kondensation des Wasserdampfes.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass neben einer hohen Gasbausbeute Kavitationserscheinungen vermieden werden. Als Kavitation wird die lokale Entstehung und Auflösung von Blasen oder Hohlräumen in Flüssigkeiten infolge von Druckschwankungen bezeichnet. Kavitationsblasen entstehen, indem der statische Druck unterhalb des
Dampfdrucks der Flüssigkeit abgesenkt wird, wodurch sich einzelne Dampf- oder Gasblasen bilden. Nach dem Gesetz von Bernoulli ist der Druck in einer Flüssigkeit umso geringer, je höher die Geschwindigkeit ist. Mit steigender Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit kommt es zu einer Druckabsenkung. In die so entstandenen Blasen bzw. Hohlräume diffundieren die in der Flüssigkeit gelösten Gase hinein. Steigt der Druck in der Flüssigkeit wieder an, kondensiert der Dampf in den Blasen bzw. Hohlräumen, und die Gasblasen kollabieren durch den äußeren Druck schlagartig. Dadurch entstehen sehr hohe lokale Druck- und Temperaturspitzen. Des Weiteren wird das Gas in der Blase ionisiert, und es entstehen Radikale, die chemisch reaktiv sein können. Ferner werden durch das Kollabieren der Blase extreme lokale Schock- und Druckwellen erzeugt, bei denen es zu einem Flüssigkeitsstrom durch den Unterdruck der kollabierten Blase kommt. Solche Flüssigkeitsströme werden häufig als Mikrojets oder Flüssigkeitsjets bezeichnet. Die Bildung solcher Kavitationsereignisse ist allerdings nachteilig, da sie zu
Materialabrasionen führen, d.h. zu Abrieben an der Oberfläche von Düsen. Solche
Kavitationsphänomene sind beispielsweise bei Schiffspropellern bekannt, wo sie als
Kavitationsfraß bezeichnet werden. Durch die Schockwellen der kollabierenden
Kavitationsblasen wird das Oberflächenmaterial durch die hohen mechanischen
Beanspruchungen langsam herausgelöst. Nach einiger Zeit können aus der Oberfläche sogar größere Bestandteile herausbrechen, bis das Material unbrauchbar ist. Bei einem Verfahren zur Erhöhung der Gasausbeute aus organischer Biomasse in Biogasanlagen ist eine solche Materialabtragung jedoch unerwünscht. Erfindungsgemäß werden Kavitationserscheinungen vermieden, indem die zu behandelnde Suspension im
Strömungskanal des Wirkraumes vollständig in die Dampfphase überführt wird. Die Bildung von Kavitationsblasen wird dadurch vermieden. Die Oberfläche des Wirkraumes bleibt beständig und ist gegenüber einer Materialabtragung resistent.
Die auf hydrodynamische Weise erreichte Desintegration der organischen Biomasse hat zur Folge, dass die Zeiistrukturen oder schwer abbaubare Lignin- und Zellulosestrukturen der Biomassesubstrate aufgebrochen werden, wodurch sich die Angriffsfläche für die Vergärung während der Fermentation erhöht. Der Stoffwechsel verläuft effektiver und erhöht die
Gasbildung in der Methanbildungsphase. Durch die Oberflächenvergrößerung und die damit verbundene verbesserte Angriffsfläche können die bei der Vergärung wirkenden
Mikroorganismen und Enzyme ihre Angriffsziele besser erreichen und verstoffwechseln. Zur weiteren Erhöhung der Gasausbeute kann die Biomasse mehrfach durch denselben Wirkraum gefördert werden. Vorzugsweise liegt die Strömungsgeschwindigkeit zwischen 40 und 50 m/sec, mindestens jedoch bei 20 m/sec. Da sich in vielen Anlagen nach der
Fermentation ein Nachgärschritt anschließt, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Desintegration entweder vor dem eigentlichen Fermentationsschritt oder im Anschluss an die Nachgärung anzuordnen. In einer Ausführungsform wird ein Desintegrationsschritt zwischen der Fermentation und der Nachgärung angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform ist ein Desintegrationsschritt zwischen der Nachgärung und dem Restelager angeordnet.
Überraschenderweise konnte festgestellt werden, dass durch den Aufbruch der zellulären Strukturen eine höhere Wirkung der Düngemittel erreicht wird.
Je nach Ausführungsform können ein oder mehrere Desintegrationsschritte entweder vor der Fermentation, nach der Fermentation und der Nachgärung oder bei der Rückführung des Substrates von der Nachgärung in die Fermentation oder bei der Weiterführung des
Substrates zwischen der Nachgärung und dem Restelager angeordnet werden.
Besonders hervorzuheben ist, dass das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Verbesserung der Viskosität im Fermenter führt. Dadurch wird das eingesetzte Substrat dünnflüssiger, wodurch die Rührwerke weniger Arbeit zu verrichten haben. Dies führt zu erhebliche Strom- und Energieeinsparungen. Die gesamte Anlage läuft daher wirtschaftlicher, was einen erheblichen Vorteil gegenüber bekannten Anlagen darstellt. Die Effizienz konnte ferner gesteigert werden, indem die Biomasse vor der Desintegration zusätzlich homogenisiert wird. Die Erfindung umfasst ferner die Verwendung einer Vorrichtung, bestehend aus einem Wirkraum in dem Biomasse Trägheitskräften infolge kurzzeitiger extremer Beschleunigung und unmittelbar darauffolgender Verzögerung des in einem geschlossenen Strömungskanal strömendenden Trägermediums ausgesetzt wird, wobei der Wirkraum aus einem konvergent verlaufenden Kanalteil und einer Verengung besteht, so dass das Trägermedium beim Eintritt in den Wirkraum zum Verdampfen und beim Verlassen des Wirkraums zum
Kondensieren gebracht wird, zur Erhöhung der Gasausbeute aus organischer Biomasse in einer Gärvorrichtung, insbesondere einer Biogasanlage oder einem Fermenter.
Ferner umfasst die Erfindung eine Gärvorrichtung, insbesondere Biogasanlage oder
Fermenter, umfassend
einen Gärraum und
einen Wirkraum, in dem Biomasse Trägheitskräften infolge kurzzeitiger extremer Beschleunigung und unmittelbar darauffolgender Verzögerung des in einem geschlossenen Strömungskanal strömendenden Trägermediums ausgesetzt wird, wobei der Wirkraum aus einem konvergent verlaufenden Kanalteil und einer Verengung besteht, so dass das
Trägermedium beim Eintritt in den Wirkraum zum Verdampfen und beim Verlassen des Wirkraums zum Kondensieren gebracht wird.
Beschreibung der Zeichnungen:
Die Erfindung wird in den nachstehenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein Grundschema zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Wirkraumes einer erfindungsgemäßen
Desintegrationsvorrichtung, Fig. 3 Vergleichsversuche einer Biogasanlage zur Erhöhung der Gasausbeute.
In Fig. 1 ist ein vereinfachtes Schema zur Integration des erfindungsgemäßen Verfahrens in eine bestehende Biogasanlage gezeigt. Die Behandlung der organischen Biomasse kann entweder vor der Fermentation, nach der Fermentation oder nach der Nachgärung erfolgen. Erfindungsgemäß können ein oder mehrere Desintegrationsschritte, wie in der Fig. 1 dargestellt, vorgesehen sein. In einer ersten Variante wird die eingesetzte organische Biomasse vor der Fermentation in einer unabhängigen Desintegrationsvorrichtung aufgeschlossen und dann dem Fermenter überführt. In einer weiteren Variante kann die Desintegration zwischen der Fermentation und der Nachgärung erfolgen. Dies steigert die Effizienz in der Nachgärungsstufe. In einer weiteren Variante ist ein zusätzlicher
Desintegrationsschritt zwischen der Nachgärung und der Fermentation vorgesehen.
Schließlich ist auch eine Desintegration zwischen der Nachgärung und dem Restelager möglich, was zu einer Erhöhung der Effizienz der aus den Resten gewonnenen Düngemittel führt. Je nach Ausführungsform können einzelne Desintegrationsschritte in einer Anlage vorgesehen sein. Auch Anlagen mit mehreren Desintegrationsschritten an den aufgezeigten Stufen sind denkbar.
Exemplarisch soll nun ein Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben werden. Biomasse wie Gülle, Silage, insbesondere Maissilage, wird vor der Fermentation der erfindungsgemäßen Desintegrationsvorrichtung zugeführt. Dabei wird die Biomasse durch eine Düse mit einer Strömungsgeschwindigkeit von ca. 50 m/sec gepumpt. Die Düse weist eine zentrale, konisch verlaufende Verengung auf. Bei der angewendeten
Strömungsgeschwindigkeit wird das flüssige Trägermedium vollständig von der Flüssigphase in die Dampfphase überführt, d.h. es findet ein Aggregatszustandswechsel statt.
Zellstrukturen, faserförmige Strukturen und Membrane werden nahezu vollständig aufgebrochen. Beim Austritt des Wirkraumes vergrößert sich der Querschnitt des
Strömungskanals, so dass es zu einem erneuten Phasenwechsel von der Dampfphase in die Flüssigphase kommt, wodurch enorme Verzögerungskräfte auf die partikulären Substanzen in der Suspension wirken und deren Aufschluss fördern.
In Fig. 2 erkennt man einen schematisch dargestellten Wirkraum. Übersteigt die
Strömungsgeschwindigkeit (u) die kritische Strömungsgeschwindigkeit (u > ukrit) bei einem aufgespannten Wirkraum mit einer Länge lw > 0, erfolgt ein Übergang der Flüssigphase in die Dampfphase. In der Skizze unten ist eine Unstetigkeitsfläche als Grenzfall mit u = ukrit gezeigt. Zur Erzeugung des Wirkraumes wird die durch den konvergenten Kanalteil (dA/dx < 0, Kanalquerschnitt A(x)) strömende Biomasse in einen Zustand versetzt, der das die
Mikroorganismen umgebende Wasser verdampfen lässt. Dazu muss am Ende des konvergenten Kanalteils eine Geschwindigkeit u ^ ukrit erreicht werden, die allein von der Dichte des Wassers und dem atmosphärischen Druck geprägt ist. Im Grenzfall u = ukrit bildet sich im engsten Kanalquerschnitt eine Unstetigkeitsfläche aus, über die der Phasenwechsel von Wasser in Wasserdampf stattfindet. In diesem speziellen Fall existiert mit der Länge lw = 0 noch kein endlicher Wirkraum. Ein nutzbarer Wirkraum wird erst mit Geschwindigkeiten u > Ukrit aufgespannt. Die Länge des Wirkraum lw > 0 kann außerdem durch die Wahl der Querschnittsverteilung A(x) des sich hinter der engsten Stelle anschließenden divergenten Kanalteils (dA/dx > 0) beeinflusst werden und endet, wenn im divergenten Kanalteil wieder die kritische Geschwindigkeit ukrit erreicht wird.
Bedingt durch den Phasenwechsel (Wasser verdampft zu Wasserdampf) geraten die Mikroorganismen beim Eintritt in den aktiven Wirkraum sprunghaft in ein Strömungsfeld mit um den Faktor 1000 erhöhten Geschwindigkeiten, die sich beim Verlassen des Wirkraumes genau um diese Erhöhung wieder sprunghaft reduzieren. Mit der Steigerung der
Geschwindigkeit auf werte u > ukrit lassen sich Effekte erzielen, die von der Ablösung bioaktiver Stoffe an der Oberfläche der Mikroorganismen bis hin zum Zerreißen der
Mikroorganismen und dem Freisetzen der Zellinhaltsstoffe durch Zellaufschluss reichen. Bewirkt werden die Effekte im Wesentlichen durch die Massenkräfte, die beim Durchlaufen des aktiven Wirkraumes auf die organischen Bestandteile der Biomasse einwirken. Durch Wahl der Geschwindigkeit u > ukrit der Biomasse, die im engsten Kanalquerschnitt gerade auf den Dampfdruck des Wassers führt, kann gezielt eine Selektierung der Mikroorganismen vorgenommen werden.
Der Prozess des sich in der Zeit permanent auf- und abbauenden Wirkraumes mit einem Aggregatzustand größter Oberfläche führt bei Biomasse mit dem üblichen TS-Gehalt auf hydrodynamisch selbstständig erzeugte hochfrequente Druckspitzen im Bereich von 10 bis 20 kHz, die akustisch durch die dabei entstehenden intensiven Knallgeräusche
wahrgenommen werden. Die Knallgeräusche beginnen beim Erreichen der kritischen Geschwindigkeit u = ukrit und steigen simultan mit der Vergrößerung der Geschwindigkeit auf Werte u > ukrit an.
Anders als bei üblichen Kavitationseffekten, deren lokales Verhalten mit
Werkstoffzerstörungen verknüpft ist, stellt sich in dem mit hohen Geschwindigkeiten u > ukrit erzeugten Wirkraum eine homogene Mikrokavitation ein, die Abriebe und Zerstörungen der Kanalwände ausschließt.
In Fig. 3 sind Vergleichsversuche verschiedener Anlagekonzepte gezeigt. Übliche
Biogasanlagen haben eine Gasausbeute von ca. 600 l/kg organischer Trockensubstanz. Mit Hilfe optimierter Verfahren, bei denen die Gasbeute erhöht wird, lässt sich eine Steigerung auf etwa 700 l/kg organischer Trockensubstanz erreichen. Eine drastische Steigerung erkennt man jedoch bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Biogasanlagen, bei dem die Effizienz und somit der Wirkungsgrad der Anlage um 33 % gegenüber einer Standardanlage erhöht werden konnte.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich demnach, um in einer Gärvorrichtung, insbesondere in einer Biogasanlage oder einem beliebigen Fermenter, die Gasausbeute aus organischer Biomasse drastisch zu erhöhen. Eine solche Wirkung war nicht vorhersehbar und für die Erfinder unerwartet. Obgleich das erfindungsgemäße Verfahren vorwiegend in Biogasanlagen Verwendung finden dürfte, eignet es sich generell für jeden Gärprozess, bei dem Bildung von Biogasen im Vordergrund steht. Insofern ist die Erfindung nicht allein auf Biogasanlagen beschränkt, sondern erfasst sämtliche Gärvorrichtungen sowie
Fermentationsanlagen. Ersichtlich ist jedoch im Zusammenhang mit Biogasanlagen, dass die erhöhte Gasausbeute letztendlich zu einer verbesserten Energiebilanz führt. Dadurch werden Kosten gesenkt, der Wirkungsgrad der Anlage erhöht und letztendlich die
Energieausbeute in der nachgeschalteten Energieaufbereitungsanlage erhöht. Durch den Aufschluss der zellulären und holzartigen Substanzen wird ferner eine Freisetzung der in den Rückständen vorhandenen Düngerstoffe erreicht, was zu einer verbesserten Wirkung der Düngemittel führen kann.

Claims

Patentansprüche:
Verfahren zur Erhöhung der Gasausbeute aus organischer Biomasse in einer Gärvorrichtung, insbesondere einer Biogasanlage oder einem Fermenter, bei dem Biomasse vor und/oder nach der Fermentation in einem Wirkraum Trägheitskräften infolge kurzzeitiger extremer Beschleunigung und unmittelbar darauffolgender Verzögerung des in einem geschlossenen Strömungskanal strömendenden
Trägermediums ausgesetzt wird, wobei die auf die Biomasse wirkenden
Trägheitskräfte über eine Änderung des Aggregatzustandes erzeugt werden, indem das Trägermedium beim Eintritt in den Wirkraum zum Verdampfen und beim
Verlassen des Wirkraums zum Kondensieren gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung des Aggregatzustandes über eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Strömungsgeschwindigkeit über eine Verengung des Querschnitts des Strömungskanals erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit über eine konisch verlaufende Verengung des Wirkraumes erfolgt, bei welcher der Durchmesser an der
Eintrittsstelle des Wirkraumes und der Durchmesser an der Austrittsstelle des Wirkraumes größer ist als der Durchmesser an der engsten Stelle der Verengung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Verengung um eine Düse handelt:
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser und die Länge der Düse in einem Verhältnis von 1 :4 bis 1 :6 zueinander stehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsgeschwindigkeit zwischen 40 und 50 m/sec beträgt. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse mehrfach durch den selben Wirkraum gefördert wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Desintegration der Biomasse vor der Fermentation erfolgt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Desintegration der Biomasse nach der Nachgärung erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Desintegration der Biomasse zwischen der Nachgärung und dem
Restelager erfolgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Biomasse vor der Desintegration homogenisiert wird.
13. Verwendung einer Vorrichtung, bestehend aus einem Wirkraum in dem Biomasse Trägheitskräften infolge kurzzeitiger extremer Beschleunigung und unmittelbar darauffolgender Verzögerung des in einem geschlossenen Strömungskanal strömendenden Trägermediums ausgesetzt wird, wobei der Wirkraum aus einem konvergent verlaufenden Kanalteil und einer Verengung besteht, so dass das Trägermedium beim Eintritt in den Wirkraum zum Verdampfen und beim Verlassen des Wirkraums zum Kondensieren gebracht wird, zur Erhöhung der Gasausbeute aus organischer Biomasse in einer Gärvorrichtung, insbesondere einer Biogasanlage oder einem Fermenter.
14. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei der konisch verlaufenden Verengung der Durchmesser an der Eintrittsstelle des Wirkraumes und der Durchmesser an der Austrittsstelle des Wirkraumes größer ist als der
Durchmesser an der engsten Stelle der Verengung.
15. Verwendung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der
Wirkraum eine Düse ist.
16. Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser und die Länge der Düse in einem Verhältnis von 1 :4 bis 1 :6 zueinander stehen.
17. Gärvorrichtung, insbesondere Biogasanlage oder Fermenter, umfassend
einen Gärraum und einen Wirkraum, in dem Biomasse Trägheitskräften infolge kurzzeitiger extremer Beschleunigung und unmittelbar darauffolgender Verzögerung des in einem geschlossenen Strömungskanal strömendenden Trägermediums ausgesetzt wird, wobei der Wirkraum aus einem konvergent verlaufenden Kanalteil und einer Verengung besteht, so dass das Trägermedium beim
Eintritt in den Wirkraum zum Verdampfen und beim Verlassen des Wirkraums zum Kondensieren gebracht wird.
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