WO2012062850A1 - Prozessintensivierung einer biogasanlage durch zugabe von c3 - c6 carbonsäuren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessintensivierung einer Biogasanlage durch Erhöhung der Raumbelastung (B_Rmax, alt [kg_oTS/(m3*d]), wobei adaptionsauslösende Substrate (a.S.) zur gezielten Vermehrung acetogener Mikroorganismen zudosiert werden, die den Abbau inhibierender Carbonsäuren (C3-C6) bewirken und somit eine frühzeitige Anpassung der Biozönose an diese Substrate einleiten, bevor ein Fermenter in einem hohen Raumbelastungsbereich (B_Rmax, _neu) betrieben wird, in dem die Bildung dieser Säuren deutlich zunehmen kann.

Description

PROZESSINTENSIVIERUNG EINER BIOGASANLAGE DURCH ZUGABE VON C3 - C6 CARBONSÄUREN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessintensivierung einer Biogasanlage durch Erhöhung der Raumbelastung mittels prozessinterner Manipulation der anaeroben Biozönose für Verfahren der Nass- und Trockenfermentation zur Erzeugung von Biogas aus biogenen Stoffen beliebiger Provenienz. Das Verfahren ist besonders gut für Biogasanlagen geeignet, die über keine verfahrenstechnisch unterstützte Bioschlammrückhaltung verfügen.

Stand der Technik

Es ist bekannt, dass organische Stoffe mikrobiologisch unter anaeroben Bedingungen zu hochwertigem und brennbarem Biogas umgewandelt werden können. Dabei erfolgt der Abbau von Kohlenhydraten, Eiweißen und Fetten in folgenden vier primären Abbauschritten:

1 . Hydrolyse (Aufspaltung polymerer Verbindungen in Monomere mit Hilfe von fermentativen Bakterien bzw. von diesen erzeugten extrazellulären Enzymen; die Hydrolysekinetik wird hauptsächlich, neben der Temperatur sowie dem pH-Wert, durch die Substratzerkleinerung bzw. durch die reaktive Oberfläche bestimmt).

2. Versäuerungsphase (Vergärung der Spaltprodukte zu organischen Säuren, Alkohol sowie Wasserstoff und Kohlendioxid; Generationszeiten der versäuernden Bakterien: Kohlenhydrate -> 1 -24 h; Eiweiße -> 12-36 h; Fette -> bis 48 h).

3. Essigsäurebildung (Umsetzung der Carbonsäuren und Alkohol zu Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid; Generationszeiten der Acetogenen Bakterien: Propionsäure -> 60-120 h; Buttersäure -> 60-80 h; Fettsäuren -> 2-10 Tage).

4. Methanogenese (Methanerzeugung, acetogenotroph aus Essigsäure sowie hydrogenotroph aus Wasserstoff und Kohlendioxid; Generationszeiten der methanogenen Bakterien: Mischkulturen zum H₂-Abbau - 6-18 h; Mischkulturen zum Acetat-Abbau -> 48-72 h; Reinkulturen zum Acetat-Abbau -> 3-5 Tage).

Für einen sicheren und störungsfreien Betrieb einer Biogasanlage ist die Prozessstabilität entscheidend. Bei der Betriebsweise ist zwischen stationärem Dauerbetrieb, Anfahrbetrieb und Änderungen in der Betriebsweise zu unterscheiden. Unter Prozessstabilität ist zu verstehen, dass alle einzelnen biologischen Schritte die im Biogasfermenter ablaufen, wie Hydrolyse, Versäuerung, Essigsäurebildung und Methanbildung miteinander im Gleichgewicht stehen. Die Stoffumsatzleistung der Mikroorganismen bestimmt im entscheidenden Maße die Effizienz und Stabilität einer Biogasanlage. Es ist bekannt, dass die Gasproduktion durch bestimmte Hemmstoffe gestört wird. Hemmstoffe wirken unter Umständen schon in geringen Konzentrationen toxisch auf die an der Biogasbildung beteiligten Bakterien und verlangsamen oder stoppen so den Abbau des Gärsubstrates. Beispiele für Hemmstoffe sind: Natrium (hemmend ab 6 bis 30 g/l; in adaptierten Kulturen ab 60 g/l); Kalium (hemmend ab 3 g/l); Calcium (hemmend ab 2,8 g/l CaCI₂); Magnesium (hemmend ab 2,4 g/l MgCI₂); Schwefelwasserstoff in Konzentrationen von ca. 50 mg/l; gelöster Ammoniak (hemmend ab ca. 0, 15 g/l); einige Schwermetalle oder auch verzweigte Fettsäuren (z. B. Iso-Buttersäure, hemmend schon ab 50 mg/l).

Es ist weiterhin bekannt, dass eine ganze Reihe von Bakterien Carbonsäuren als Produkt verschiedenster Stoffwechselprozesse erzeugen.

Herkömmliche Fermenter haben permanent insbesondere mit der Aufkonzentration von Metaboliten wie Propionsäure aber auch weiterer höhermolekularer Carbonsäuren zu kämpfen, die ab einer bestimmten Konzentration bakteriostatische Wirkung haben. Das Verhindern einer Übersäuerung bei der Prozessführung ist deshalb besonders wichtig. Es werden hohe Konzentrationen an organischen Säuren gebildet, welche zu einer Verringerung des pH-Wertes führen bzw. das Dissoziationsgleichgewicht der organischen Säuren verschieben. Es ist demzufolge notwendig, einer Übersäuerung im Bioreaktor frühzeitig entgegen zu wirken.

Eine strikte Einhaltung des Säurespektrums ist im Ablauf der Versäuerungsstufen bei hoher Raumbelastung bzw. bei inhomogenen Substraten (Zusammensetzung: Kohlehydrate, Proteine, Fett; Korngröße) nicht möglich, ohne Substratverschleppungen hinzunehmen. Ein Anzeichen für eine überlastete Biogasanlage ist neben dem Anstieg von Propionsäure und anderen längerkettigen Carbonsäuren auch der Rückgang der spezifischen Biogasausbeute (sBG in m³n/kg_oTs)- Will man eine nahezu vollständige biologische Hydrolyse, erfordert dies eine entsprechend groß dimensionierte Anlage, die auf die langsamsten Stoffwechselreaktionen Rücksicht nimmt und/oder zusätzliche Verfahrenstechnik zur mechanischen/chemischen/physikalischen Substrataufbereitung erfordert. Die höchstmögliche Raumbelastung bleibt somit in vielen Fällen weit hinter ihren theoretischen Möglichkeiten zurück.

Verfahren, die Stoffwechselvorgänge zu beeinflussen versuchen, sind bekannt, z.B. aus DD 287 709 A5. Dort ist eine 2-stufige Anlage beschrieben, wobei mit Hilfe von Lactobacillen Milchsäure erzeugt, die dann fermentativ zu Biogas verarbeitet wird. Gemäß DE 10 2008 055490 A1 werden kontinuierlich Bakterien der Gattung Clostridium Sartagoformum einer Biogasanlage zugeführt, die eine Verdopplung der möglichen Faulraumbelastung bewirkt. Bekannt sind auch Verfahren, in denen oberflächenchemisch aktive Substanzen aus dem biologischen Abbau von Fetten/Ölen der Fermentation zugesetzt werden, oder Biokatalysatoren sowie Spurenelementlösungen, um beispielsweise die Abbaugeschwindigkeit zu verbessern.

Aus dem Stand der Technik bekannte Biogasreaktoren können ein- oder mehrstufig betrieben werden, wobei naturgemäß in einem einstufigen Prozess alle Abbaureaktionen in einem einzigen Reaktorsystem simultan ablaufen. Dabei können die Reaktionsbedingungen nicht an die individuellen biochemischen Milieuansprüche der verschiedenen am Substratabbau beteiligten Mikroorganismen angepasst werden. Ein derart betriebener Fermenter ist deshalb ein verfahrenstechnischer Kompromiss, bei dem die biochemische Optimierung auf die eigentliche Methanbildung ausgerichtet ist. In mehrstufigen Prozessen laufen einzelne der beschriebenen Schritte in getrennten Reaktionsgefäßen ab (Hydrolyse und Methanogenese), was eine Optimierung der einzelnen Reaktionen ermöglicht, wobei die Hydrolyse biologisch und/oder thermisch herbeigeführt werden kann, wie z.B. in DE 10 2008 030653 A1 beschrieben. Ein weiterer Schwerpunkt der Verfahrensoptimierung liegt in Verfahren zur mechanisch, chemisch/physikalischen Substratspaltung bzw. -aufbereitung, z. B. DE 10 2008 024388 A1.

Es ist weiter die Bedeutung des Wasserstoffpartialdrucks bekannt, der nur in Gegenwart von H₂ - verbrauchenden Methanbakterien auf einem niedrigen Stand gehalten werden kann, so dass die Essigsäure bildenden Bakterien in der Hauptsache die erwünschte Essigsäure und nicht hemmende Carbonsäuren (mit einer Kettenlänge von C3 - C6), oder gar Milchsäure, produzieren. Es ist außerdem bekannt, dass für kontinuierlich bzw. quasikontinuierlich betriebene Biogasanlagen die pro Zeiteinheit gebildete Biomasse größer sein muss als die Biomasse, die aus dem Reaktor abgeführt wird. Ist dies nicht der Fall, wird die aktive Biomasse ausgeschwemmt. Da das Biomassewachstum ebenfalls bei hohen Substratkonzentrationen stark zurückgeht, führen sowohl kurze Verweilzeiten als auch zu hohe Substratkonzentrationen, besonders Konzentrationen an freien Fettsäuren, bei den bisherigen Verfahren zum Zusammenbrechen der Biozönose.

Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt deshalb darin, bestehende Verfahren zur Erzeugung von Biogas, besonders in Biogasanlagen, die über keine verfahrenstechnisch unterstützte Bioschlammrückhaltung verfügen, zu stabilisieren und derart zu verbessern, dass diese bei signifikant höheren Raumbelastungen, als nach dem bisherigen Stand der Technik möglich, betrieben werden können. Es soll eine Prozessoptimierung durch Erhöhung der Raumbelastung einer Biogaslage erfolgen, die die Hochlastfermentation erlaubt, indem ein verminderter Abbau inhibierender Metabolite - besonders im Anfangstadium des Prozesses - vermieden wird. Als Folge einer verbesserten Raum-/Zeitausbeute sollen zukünftige Anlagen entsprechend kleiner dimensioniert werden können.

Beschreibung der Erfindung

Begriffe

Die Raumbelastung (B_R) einer Biogasanlage stellt das Verhältnis von täglich zugeführter organischer Trockensubstanz zum Reaktorvolumen dar und ist ein Maß für die biologische Belastung eines Fermenters. Eine Klärschlammfermentation kann z. B. bis zu einer max. Raumbelastung von 2,5 bis 3kg_oTs/(m³*d)) betrieben werden. Unter einer„Hochlastfermentation" wird im Sinne der Erfindung eine Vergärung verstanden, die bei einer Biogasanlage dann auftritt, wenn diese mit hohen Faulraumbelastungen betrieben wird, welche nach dem Stand der Technik bisher nur risikobehaftet (oder gar nicht) realisierbar ist. Hochlastsituationen aufgrund von hydraulischen Fermenterverweilzeiten, die kleiner als die Generationszeiten der Biozönose sind, werden hiervon nicht betroffen.

Unter einer „Biozönose" ist eine Gemeinschaft von Organismen verschiedener Arten zu verstehen, die in einem abgrenzbaren Lebensraum zusammen existieren. „Inhibierende Metabolite" sind hier Stoffwechselzwischenprodukte, die eine negative Wirkung auf den fermentativen Abbauprozess haben und das Wachstum von abbauenden Mikroorganismen hemmen. Dazu gehören im wesentlichen C3-C6 Carbonsäuren und deren Salze, vorzugsweise Propionsäure und Buttersäuren.

Unter dem Begriff „adaptionsauslösende Substrate" (a.S.), der erfindungsgemäß verwendet wird, sind all jene Substanzen zusammengefasst, die den erfindungsgemäßen biologischen Adaptionsprozess innerhalb einer Biozönose auslösen. Dabei handelt es sich bevorzugt um höhermolekulare, aliphatische, gesättigte Monocarbonsäuren, deren Salze, Milchsäure sowie Mischungen daraus. Höhermolekulare, aliphatische, gesättigte Monocarbonsäuren sind C3-C6 Carbonsäuren, nämlich Propionsäure, Buttersäuren, Pentansäuren und Hexansäure.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen dargestellt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Prozessintensivierung einer Biogasanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass adaptionsauslösende Substrate zur gezielten Vermehrung acetogener Mikroorganismen zudosiert werden, die den Abbau inhibierender, höhermolekularer, aliphatischer Monocarbonsäuren (C3-C6) bewirken und somit eine frühzeitige Adaption der Biozönose einleiten. Erfindungsgemäß werden a.S in einen Fermentor zur Hochlastfermentation gegeben bevor dieser in einem höheren Raumbelastungsbereich betrieben wird, in dem die Bildung dieser Säuren deutlich zunehmen kann. Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einer wesentlichen Erhöhung der Raumbelastung (B_R [kg₀Ts/(m³*d]) einer Biogasanlage und ermöglicht die Einstellung von der bisherigen maximalen Raumbelastung (B_Rmax,ait) auf eine neue maximale Raumbelastung (B_Rmax,neu)-

Das erfindungsgemäße Prinzip beruht darauf, dass die Zugabe der a.S., die im Prinzip inhibierend auf die abbauenden Mikroorganismen wirken, wenn ihre Menge zu hoch ist, eine Impfung und somit Anregung des Wachstums der im Fermentor befindlichen Mikroorganismen bewirkt und so deren Vermehrung beschleunigt, was wiederum den Abbau der inhibierenden Metabolite verbessert. Mit Beginn des Anfahrprozesses der Biogasanlage zur eigentlichen Hochlastfermentation wird die Zugabe gestoppt oder stark reduziert. Das vorliegende Verfahren gestattet die Hochlastfermentation bei der Biogaserzeugung, wobei beliebiges organisches Material unter anaeroben Bedingungen vergoren wird. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet, dass die verwendete Biozönose in einem niedrigen Raumbelastungsbereich (vorzugsweise B_R < Vi- B_Rmax,ait), auf den die Biogasanlage eingestellt ist, auf inhibierende Metabolite bzw. adaptionsauslösende Substrate adaptiert wird.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass die kurzfristig drastisch ansteigende Bildung inhibierender Metabolite (vorzugsweise entstehender C3-C6 Carbonsäuren) in bestehenden Biogasanlagen ohne verfahrenstechnisch unterstützte Bioschlammrückhaltung prinzipiell nicht schädlich für den Biogasprozess ist, sofern zu diesem Zeitpunkt genügend mikrobielles Leben vorhanden ist, welches einen zeitnahen Abbau dieser Metabolite gewährleistet, wobei die benötigten Mikroorganismen präventiv durch die Biozönose im jeweiligen Fermenter zu einem früheren Zeitpunkt selbst gebildet wurden. Bislang sind im Stand der Technik keine verfahrenstechnischen Lösungen bekannt, die den gezielten Eintrag besagter a.S. empfehlen, um eine signifikante Erhöhung der bisher gültigen maximalen Raumbelastung (B_Rmax,ait) auf eine neue maximale Raumbelastung (B_Rmax,neu) zu ermöglichen. Vielmehr wird bislang bei allen technologischen Vorgängen streng darauf geachtet, dass es zu keiner Prozessführung kommt, die verstärkt diese Metabolite im Fermenter bilden. Die Zugabe adaptionsauslösender Substrate in einen Fermenter erfolgt dabei vor dem Einstellen der neuen erhöhten Raumbelastung (B_Rmax,neu)- Der bevorzugte Raumbelastungsbereich für den Beginn der erfindungsgemäßen Adaption beträgt ca. B_R < Vi- B_Rmax,ait (ermittelt nach Stand der Technik; oft spezifisch für jeden Anwendungsfall). Das heißt, die Zudosierung der a.S. muss in einer Ausführungsvariante der Erfindung vor dem Einstellen der erfindungsgemäßen Hochlastfermentation erfolgen und endet in der Regel mit dem Anfahrprozess zur selben. Eine prozessbegleitende Dosierung während der etablierten Hochlastfermentation muss nicht, aber kann erfolgen, wobei eine abweichende Dosierung zu beachten ist. Als besonders geeignet hat sich vor dem Einstellen der erhöhten Raumbelastung (B_Rmax, neu) bzw. zur Adaption eine Dosierung von B_{Ra S.} = 0,3-0,7 kg/(m³*d) erwiesen. Sofern erforderlich, wird während der etablierten Hochlastfermentation eine Zuflusskonzentration von 0,4-3,5 la.s/(m³substra *d) bevorzugt gewählt. Die abgeminderte, kontinuierliche Dosierung an adaptionsauslösenden Substraten kann sinnvoll sein, sofern die Säurespektren und das spezifische Biogasbildungspotenzial keine negativen Entwicklungen ausweisen und ein direktes Springen in den finiten Hochlastbereich nicht möglich oder gewünscht ist. Durch die unterstützende Substratbeigabe wird eine Grundversorgung abgesichert, die einem Verdrängungsprozess sowie einem Auswaschverlust der gewünschten Bakterien entgegenwirkt. Diese Vorgehensweise ist im Besonderen dann sinnvoll, wenn es im späteren Betriebszustand über längere Zeit zu Einbrüchen in der realisierbaren Raumbelastung (B_R < B_Rma neu) kommt.

Bevorzugt erfolgt der Eintrag der a.S. in den methanogenen Reaktorteil einer Biogasanlage, da insbesondere dieser am sensibelsten auf entsprechende Metabolite reagiert. Der Abbau der höhermolekularen C3 bis C6 - Carbonsäuren wie auch der Fettsäureabbau ist, was die Wachstumsgeschwindigkeit der entsprechenden Bakterienkulturen betrifft, allen anderen Kulturen unterlegen. Als langsamstes Glied der Verstoffwechselung ist die Fermentation hierauf vorzubereiten. Kommt es innerhalb des 4-stufigen Fermentationsprozesses zu Prozessverschleppungen bzw. zur Ausbildung von Ungleichgewichten, die im Hochlastbetrieb faktisch nicht mehr zu vermeiden sind, kann ein erfindungsgemäß vorbehandelter Reaktor ohne die langwierige und empfindliche, biologische Adaptionen seine Arbeit nahtlos fortsetzen. Die Biozönose ist keinem willkürlichen Kongruenzwettbewerb ausgesetzt. Sie stellt sich von einem Worst-Case-Szenario, für den Abbau hemmender Carbonsäuren, selbsttätig auf einen optimalen Arbeitsbereich ein. Der Prozess nähert sich dem Optimum von der sicheren Seite (Überschuss an z.B. propionsäureabbauenden Bakterien).

Weiterhin erfolgt die Dosierung der a.S. in das Fermentersystem, wie bereits an anderer Stelle erwähnt, während einer niedrigen Raumbelastung bevorzugt über eine Zeitspanne von ca. 20 bis 40 Tagen. Das „Springen" in den finiten Hochlastbereich (B_R;_max;ne_U: ermittelt in kleintechnischen Versuchen und vernünftigerweise bevorzugt mit einem Sicherheitsbeiwert von ca. 15-20% versehen) kann im Anschluss daran in der Regel ohne die weitere Zugabe von a.S. innerhalb einer hydraulischen Verweilzeit erfolgen, wobei eine gleichmäßige und schrittweise Lasterhöhung verlangt wird. Unter der hydraulischen Verweilzeit (kurz: Verweilzeit) wird in der Regel das Verhältnis des Volumenstroms der in eine Anlage zugeführten Stoffmenge zum Anlagenvolumen verstanden. Die Raumbelastung (B_Rmax,neu) kann durch ca. 2 bis 5 belastungssteigernde Schritte im Abstand von ca. je 1 Woche erhöht werden, wobei dieser Anfahrprozess vorzugsweise in einer hydraulischen Verweilzeit abzuschließen ist.

Wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik ist eine um mindestens den Faktor zwei bis drei höhere Raumbelastung bei konstanter spezifischer Biogasausbeute, was zu einem höheren Substratdurchsatz oder andererseits zu einer entsprechenden Verkleinerung des benötigten Reaktorvolumens um den gleichen Faktor führt. Eine optimale Anlagenwertschöpfung ist somit gewährleistet.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann im Gegensatz zum Stand der Technik unabhängig von den zuvor benannten Unwägbarkeiten betrieben werden. Eine Substrat- bzw. Prozessverschleppung ist unproblematisch, da die Auslösung langsamer Adaptionsprozesse innerhalb der Biozönose an eine„spontan" umschlagende Hochlastsituation durch präventive Zugabe von a.S. (bei bereits niedriger Raumbelastung < Vz B_Rmax,ait) vorweggenommen wurde. Es wird eine verfahrenstechnische bzw. chemisch-biologische Impfung durchgeführt, die ähnlich wie medizinische Impfstoffe eine biologische Lebensgemeinschaft auf Gefahrensituationen vorbereitet, bevor diese Situation tatsächlich eintritt. Eine Zugabe extern gewonnener Bakterienkulturen (siehe z.B. DE10 2008 055490 A1) ist nicht notwendig.

Zusammenfassend ist festzustellen:

1 . Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine allgemeingültige Rezeptur vorgelegt, die jedwede Fermentation zur Biogasbildung, insbesondere ohne verfahrenstechnisch unterstützte Bioschlammrückhaltung, deutlich positiv beeinflussen kann. Ausgangsmaterialien können landwirtschaftliche Abfallstoffe und/oder Rohstoffe sein (z.B. Gülle, Futterrüben, Silomais, Weidegras), aber auch alle außerlandwirtschaftlichen Abfallstoffe (z.B. Bioabfall, Speiseabfälle, Altfett, Klärschlamm).

2. Die Prozessmanipulation unterstützt diverse Mikroorganismenspezies, die störende Stoffwechselzwischenprodukte (höhermolekulare Carbonsäuren) abbauen, wobei es nicht auf eine bestimmte Reinkultur ankommt.

3. Je mehr Ausgangssubstrat, umso mehr hemmende Carbonsäuren können in einem herkömmlichen Prozess entstehen, da (z.B. propion- und butter-) säureabbauende Bakterien zu langsam wachsen, um den durch säurebildende Bakterien erzeugten Metabolitenüberschuss vor dem Erreichen der toxischen Grenzkonzentration abzubauen. Erfindungsgemäß wird diesem biologischen Engpass präventiv begegnet. Dass heißt, Bakterien, die die Stoffwechselzwischenprodukte aus Carbonsäuren abbauen, werden auf Vorrat gezüchtet. Fährt man nun relativ schnell eine Biogasanlage in den zuvor ermittelten Grenzbereich der Raumbelastung, so können die dann „spontan" in Massen gebildeten Stoffwechselzwischenprodukte aus hemmenden Carbonsäuren sofort abgebaut werden. Es kommt nicht zum Umkippen des Reaktors.

4. Die benötigten Bakterienkulturen werden im Vorfeld durch die Zugabe der sogenannten adaptionsauslösenden Substrate (vorzugsweise Carbonsäuren C3-C6, wie Propion- und Buttersäure, deren Salze, Milchsäure sowie Mischungen daraus) bereitgestellt. Dies geschieht in einem Raumbelastungsbereich von idealerweise B_R < Vz B_{R max. att} (ermittelt nach Stand der Technik; oft spezifisch für jeden Anwendungsfall).

5. Ist eine entsprechende Adaption des Fermentationsschlammes durchgeführt (empfohlene minimale Impfzeit ~ 20 d), kann die Beigabe von a.S. eingestellt und der Reaktor in den neuen Hochlastbetrieb überführt werden. Der Prozess des Hochfahrens sollte möglichst gleichmäßig und schnell erfolgen (über ca. eine hydraulische Verweilzeit; Minimum drei Wochen).

Ausführungsbeispiel

Zur besseren Veranschaulichung wird das Verfahren an einem verallgemeinerbaren Beispiel dargelegt:

Das Verfahren ist im Labormaßstab belegt. Es wurden in mehreren Versuchsreihen reproduzierbare Ergebnisse ermittelt, die eine Überführung des Verfahrens in den großtechnischen Maßstab ermöglichen:

• B_{R ; m}ax. an einer bestehenden Biogasanlage: 5 kg₀Ts/(m³*d) ermittelt in kleintechnischen Untersuchungen (Ausgangssubstrat: Mischschlamm einer Kläranlage)

• Hydraulische Verweilzeit (VWZ): 16 Tage Hauptfermenter; 4 Tage Hydrolyse

• Mesophiler Prozess bei 37 °C

• Trockensubstanzgehalt im Fermenter ca. 5,5-6,0 Ma.% • Co-Substrat: Modellsubstrat aus 2 Teilen Hundetrockenfutter, 2 Teilen Kaffeeweißer und einem 1 Teil Rapsöl

B_R;ma)<; neu der adaptierten Biogasanlage: 12 kg₀Ts/(m³*d) ermittelt in kleintechnischen Untersuchungen inkl. Sicherheitsbeiwert (abgemindert um 15%)

Dauer der Impfung/Adaption: 20 Tage; B_R;a.s. mit 0,5 kg_{a S}./(m³*d); a.S. zu je gleichen Volumenanteilen Propion- und Buttersäure

Dauer bis zur stabilen Hochlastfermentation: 20 Tage zur biologischen Adaption + 21 Tage zum schrittweisen Erreichen des Hochlastzustandes (Gesamtdauer hier: 41 Tage)

Schritte der Prozessgestaltung bis zum Erreichen der Hochlastfermentation:

1 . Beginn der Adaption bei B_R;gewähit ~ 2 kg_oTs/(m³*d) mit der Zugabe

adaptionsauslösender Substrate (a.S.) B_R;a.s. = 0,5 kg_{a S}./(m³*d) - B_R;Adaption ~ 2,5 kg_oTs/(m³*d); dies entspricht Vi B_R;max. _a„ mit 5 kg_oTs/(m³*d)

2. Nach einer 20-tägigen Adaption wird das adaptionsauslösende Substrat abgesetzt. Es erfolgt das Hochfahren der Biogasanlage in den neuen Hochlastbereich.

3. Die Raumbelastung (B_R) beträgt bis zu diesem Zeitpunkt, exklusive der

adaptionsauslösenden Substrate, 2 kg_oTs/(m³*d) - Lasterhöhung um 2,5 kg_oTs/(m³*d) auf 4,5 kg_oTs/(m³*d) - nach 7 d erfolgt eine weitere Lasterhöhung auf 7 kg_oTs/(m³*d) - nach 7 d (Tag 14) Erhöhung der Last auf 9,5 kg_oTs/(m³*d) - nach weiteren 7 d (Tag 21 ) wird auf 12 kg_oTs/(m³*d) erhöht.

4. Ein stabiler Hochlastbetrieb ist nach einer weiteren Woche zur Systemberuhigung etabliert.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Prozessintensivierung einer Biogasanlage durch Erhöhung der Raumbelastung (B_Rmax,_ait) auf eine neue Raumbelastung (B_Rmax,neu), dadurch gekennzeichnet, dass adaptionsauslösende Substrate (a.S.) zur gezielten Vermehrung acetogener Mikroorganismen zudosiert werden, die den Abbau inhibierender, höhermolekularer Carbonsäuren (C3-C6) bewirken und somit eine Prozessanpassung der Biozönose für den Hochlastbereich darstellen, wobei die Zugabe vor dem Einstellen der neuen Raumbelastung (B_{Rmax n}eu) für den Hochlastbereich erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als a.S. zur gezielten Vermehrung der acetogenenen Mikroorganismen höhermolekulare Carbonsäuren (C3-C6) zugesetzt werden, vorzugsweise Propionsäure, Buttersäure, deren Salze und/oder Milchsäure.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe der a.S. in einen Fermenter vor dem Einstellen der erhöhten Raumbelastung (B_Rmax, neu) in einem Raumbelastungsbereich von B_R < Vz B_Rmax,_ai_t erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe der a.S. vorzugsweise über 20 Tage (hydraulische Verweilzeit zwischen 20-40 Tage) bzw. 40 Tage (hydraulische Verweilzeit > 40 Tage) im Fermenter aufrechterhalten wird, bevor eine schrittweise Erhöhung der Raumbelastung bis hin zur Hochlastsituation von B_{RmaXi neu} beginnt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe der a.S. in der Phase der biologischen Adaption in einer Dosierung von B_{R a}.s., 0,3- 0,7 kg/(m³*d) erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumbelastung durch vorzugsweise 2 - 5 belastungssteigernde Schritte im Abstand von einer Woche erhöht wird, wobei dieser Prozess zum Erreichen der Raumbelastung B_Rmax, neu in einer hydraulischen Verweilzeit abzuschließen ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe der a.S. (Zuflusskonzentration von 0,4-3,5 l_a.s-/(m³su_bstrat*d) in eine Biogasanlage erfolgt, wenn nach dem Erreichen einer Hochlastfermentation mit B_{RmaXi neu} eine gewollte oder ungewollte Senkung der Raumbelastung eintritt, welche Ausschwemm- und mikrobiologische Verdrängungseffekte begünstigt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es in Biogasanlagen eingesetzt wird, die ohne verfahrenstechnisch unterstützte

Bioschlammrückhaltung arbeiten.