WO2014087025A1 - Biogaserzeugung durch mehrstufige fermentation in einem monobehälter - Google Patents

Biogaserzeugung durch mehrstufige fermentation in einem monobehälter Download PDF

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WO2014087025A1
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container
fermentation
tank
substrate
sonotrodes
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PCT/EP2013/075994
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Norbert Rossow
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Planungsbüro Rossow - Gesellschaft Für Erneuerbare Energien Mbh
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    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the invention relates to the production of biogas by multi-stage fermentation in a mono container.
  • Biogas plants in view of increased raw material prices and in the context of enforceable conditions with regard to plant safety and environmental compatibility.
  • biogas plants consist of one or more insulated and heated fermenter tanks, in which by wet fermentation process for the generation of biogas from suitable substrates organic dry matter is implemented by microbial methanogens.
  • the fermenters are more containers or lagoons for
  • Gas storage container or they are formed on one or more roofs of the aforementioned container. Otherwise, all containers are covered gas-tight.
  • the individual containers are provided with stirrers or other options of mixing.
  • the Feeding or treatment, collection or removal of digestate, gas, condensate, water and electricity requires various piping systems, pumps, fittings, etc., which will allow the individual components to become a complex constituting a functioning biogas plant. Furthermore, measuring, control, and control devices are essential for this.
  • the method described with the publication DE 10 2007 029 700 includes a
  • Biomass power plant comprising a plurality of fermenters of the garage type, but also expressly not for wet, but for dry fermentation.
  • Gas is removed without first collecting the gas in a flexible diaphragm accumulator.
  • the fluid is discharged without the sections can be filled or emptied independently.
  • the writings mentioned also include no gas spaces, which are independent of the sections in individual or collective gas storage, which are connected directly to the container wall, designed as a gas membrane memory.
  • the invention has for its object to further simplify the technical conditions in containers for the fermentation processes and to limit the number of containers to be used for each specific process steps to a mono container.
  • the effort has been reduced to a necessary minimum to make the multi-stage operation of biogas plants more cost-effective and, moreover, to make the ongoing operation economically more effective.
  • Various stages of fermentation are concentrated according to the invention and take place in a single container. Process steps such as hydrolysis, fermentation to acetic acid, C0 2 and H 2 , fermentation to methane are separated. Due to the multiple stages of fermentation, there is a high material utilization of the feeds. There is an optimization of the fermentation conditions in spatially separated container segments. Depending on the reaction progress, the residence time in the respective
  • the container body as shown in Figure 1 consisting of the bottom (1), at its edge immediately adjacent or on this, the upright and self-contained container outer wall (2), also formed cylindrical with a vertical cylinder axis, inside provided with additional separations (3), with their arrangement, the total volume of the container body can be divided variably into at least two or more sub-volumes.
  • additional separations are not standalone containers nor are they made of such.
  • the container sectors are self-contained
  • the height of the inner partitions is usually identical to that of the outer wall, but may also be smaller or vary with each other. Like the other parts of the mono container, they can be made of concrete, metal, stainless steel, plastic or composites, but they do not have to be identical in composition or in terms of material. The prerequisite is that the seams between the inner walls and with the outer wall are liquid-tight. The outer wall is insulated against heat loss.
  • the container body is provided via individual reaction chambers according to the prior art variable with a solid or membrane-like cover (4-6), which may be gas-tight or odor-inhibiting.
  • Biogas plants the investment costs for the construction by 30 to 40 percent lower. Due to a reduction of soil sealants, better compatibility with nature and landscape and due to smaller area requirements, the monobloc container can show further positive aspects compared to a multi-tank biogas plant.
  • Tank section independent levels, reaction liquids, temperatures and flow rates can be realized.
  • the biogas plant can optionally be used for the fermentation of only one substrate (mono-fermentation) or a substrate mixture.
  • the substrate is fed prior to introduction into the mono container by means of screw systems or other suitable conveyors in the mono container, or optionally homogenized by means of technical devices and added by adding liquid in a pumpable state and further fed to the mono container.
  • Organisms that are unable to directly absorb the macromolecules of carbohydrates, proteins and fats, for example, the polysaccharides of starch to oligo- and monosaccharides, proteins to peptides and amino acids, fats in glycerol and fatty acids hydrolyzed. If required and advantageous, several hydrolysis spaces can also be designed which accommodate different inputs with variable temperature and residence time.
  • the substrate provided with the products of the hydrolysis reaches the next stage of the fermentation, the actual fermentation, for what in the
  • Mono efforter structurally one chamber (8) or more container sectors (8, 9) of the same or differentiated volume can be provided.
  • acidification takes place via various compounds, at the end of which acetic acid predominates.
  • This is the basis for metabolic processes of certain strains from the group of archaea, in the result of which, in addition to other products, methane is also formed as a constituent of biogas, which accumulates in the gas store.
  • Fermentation rooms either with a common or with individual heaters (10) on or in the ground or on or in the outer walls equipped.
  • the fermenter residence time of the substrate and the associated space load vary depending on the composition of the substrate. It is desirable that as much as possible of the organic dry matter available to the metabolism be converted within the shortest possible time in the biogas production process. This is not linear, and the yield drops sharply towards the end of the process.
  • the remaining digestate arrives at the appropriate point in time in one or more Gärrestlagersektoren (11) of the monobody. Because the emptying usually seasonal discontinuous, it will have different levels (12) as well as the levels in the other container segments can be quite differentiated. In individual cases, the digestate storage can also be arranged externally or supplemented by such.
  • Substrate components e.g. cellulosic, causes, which otherwise escaped as a result of the too short residence time in the fermenter of a Verstoff Playung as far as possible.
  • a higher gas yield is achieved.
  • the required mass transfer or exchange toward the, between and from the individual reaction chambers is realized by means of pumping systems (13) over the shortest precipitating bushings and connections.
  • Different levels in the individual container sectors are achieved independently of pumping operations by weir-type variably adjustable or fixed overflows (16), if they are container sectors with the same gas pressure.
  • the formation of optimal environments in the reaction chambers can be controlled by agitators (14) and the targeted triggering of intermixing and
  • Multifunctional access shafts allow access to the fermenter compartments during inspections, repair or cleaning, or for the introduction or removal of aggregates and devices.
  • Short transport and pumping paths generate lower design requirements with respect to the required aggregates, reduced operating times, minimize the electrical power consumption and the current demand of the biogas plant.
  • an ultrasound module is integrated into the treatment and hydrolysis system for further optimization of the substance digestion.
  • This ultrasound module is in the simultaneously filed German patent application with the file number
  • a multi-stage self-regulating ultrasonic disintegration system is provided, which is not installed between or not externally in a separate container, but compactly combines the necessary components and required elements in a system for direct attachment or installation to the mono container, without a to require separate building or container placement.
  • the ultrasound module comprises the following elements:
  • the ultrasound module promotes the medium to be disintegrated from the
  • Mono about pipe-like elements with an integrated conveyor. It is mounted on or in the mono container. The liquid is via shut-off devices
  • Piping elements, flow measuring devices and devices for receiving sensors and transducers and the conveyor in preferably vertical flow centric promoted in the pipes sonotrodes.
  • the sonotrodes are coupled with matching reflectors, which are located at a suitable distance parallel to the probe centric in the media stream.
  • the system is designed so that the medium to be disintegrated from the
  • Mono container is promoted to the disintegration probes.
  • the flow is one or more stages. Between the stages of disintegration, the effects of the individual can be achieved via integrated measuring sockets and sensors
  • Disintegration nozzle are determined. These may be the viscosity and or the Temperature, electrical power consumption of the sonotrodes and the conveyor can be measured. Depending on the measurement or evaluation results, the system may activate further stages via the conveyor (preferably a pump), thereby making it possible to increase the intensity (lower flow rate), reduce the intensity or cause backwashing.
  • the frequency and the number of sonotrodes can be adapted to the amount and intensity of disintegration.
  • the integrated conveyor or devices may perform an opposite direction of flow, e.g. backflushings
  • the conveyor may adapt the capacity to the needs / requirements (e.g., speed control).
  • the system is capable of being controlled by a system controller based on
  • Volume measuring device and the communication with a possibly existing subordinate control or the own control the effects and the function increase.
  • this ultrasound module is able to measure the effect of the sound directly through the integrated control, the intensity through
  • volume flow control and or change the flow direction (different passage of the liquid to be treated over different number of sonotrodes) and adapt to the needs.
  • the self-cleaning of the system is by reversing or changing the flow direction and the possibility of increasing the volume flow as the
  • the system is with all commercially available sonotrodes for Inrohr- or
  • Anrohrinstallation (ie both sonotrodes integrated directly in the flow of liquid to be treated as well as on the pipe outer wall or in the pipe outer wall) can be equipped.
  • the waveform according to the invention of the pipe guide of the ultrasound system on the one hand serves to optimize the hydraulic system and on the other hand ensures the achievement of a compact design taking into account the space required for all components to be integrated.
  • the system can different number of sonotrodes or
  • the system can be installed on or in the mono container, also as a bypass system or as an inline system.
  • the advantages of the combination of the monobody with the ultrasound module according to the invention are u.a. in that the investment costs for an ultrasound module are reduced by about 50% compared to currently about costs of about 200T €. In addition, this system also significantly reduces operating costs, since the direct connection to the mono container can reduce the conveying paths many times and can also be installed in a streamlined and clog-proof manner.
  • the ultrasound module needs no building-like enclosure, but it is sufficient for piping installations usual measures for insulation and weather protection.
  • FIG. 4 shows a side view of the ultrasound module.
  • the ultrasound module is attached to the outside of the container inner wall.
  • FIG. 2 shows a plan view of the ultrasound module. It can be seen that the ultrasound treatment takes place directly in the substrate line - so no extra container is necessary - and the sonotrodes are either in or outside the substrate lines. Also visible are the measuring and flushing nozzles and the valves (pipe shut-off elements) as well as the pump (conveyor).
  • Ultrasonic treatment can be switched on.
  • the waveform of the ultrasound module according to the invention is particularly clearly shown in FIG. Reference list for the mono container

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Erzeugung von Biogas durch mehrstufige Fermentation in einem Monobehälter. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Biogaserzeugung durch mehrstufige Fermentation in einem einzigen Behälter ist dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter innen mit zusätzlichen Abtrennungen versehen und diese so angeordnet sind, dass das Gesamtvolumen des Behälters in mindestens zwei oder mehr Teilvolumina gegliedert wird und so abgeteilte Behältersektoren vorhanden sind, in welchen die jeweils verschiedenen Stufen der Fermentation stattfinden und diese nach dem realen Reaktionsverlauf gesteuert werden können. Die Vorrichtung umfasst optional ein Ultraschallmodul zur Behandlung eines Rezirkulats aus einer fortgeschrittenen Vergärungsstufe bzw. aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Description

BIOGASERZEUGUNG DURCH MEHRSTUFIGE FERMENTATION
IN EINEM MONOBEHÄLTER
Beschreibung
[0001] Die Erfindung betrifft die Erzeugung von Biogas durch mehrstufige Fermentation in einem Monobehälter.
Stand der Technik
[0002] Die Biogasgewinnung und -Verwertung durch anaerobe Vergärung organischer Bestandteile in der Biomasse und tierischen Exkrementen als Alternative zur Verwendung endlicher konventioneller Energieträger gewinnt zunehmend an Bedeutung. Allerdings kann deren Vorteil durch gewachsene und wachsende Kosten für die Errichtung von
Biogasanlagen, angesichts gestiegener Rohstoffpreise und im Kontext umzusetzender Auflagen hinsichtlich Anlagensicherheit und Umweltverträglichkeit konterkariert werden.
[0003] In den zumeist praktizierten Fällen bestehen Biogasanlagen aus einem oder mehreren isolierten und beheizten Fermenterbehältern, in welchen per Nassvergärungsverfahren zur Generierung von Biogas aus geeigneten Substraten organische Trockensubstanz durch mikrobakterielle Methanbildner umgesetzt wird.
[0004] Dem können Vorrichtungen zur Zerkleinerung der Input-Materialien und Dosierer zur Durchmischung vorgeschaltet sein. Zunehmend wird dieses Gemisch anschließend in separaten beheizten Hydrolysebehältern über einen bestimmten Zeitraum für eine weitere Vergärung vorbehandelt und erst anschließend in die Fermenter gegeben.
[0005] Je nach Gegebenheit sind den Fermentern weitere Behälter oder Lagunen zur
Nachvergärung bzw. Aufnahme des Gärrestes hintenan gestellt. Das gewonnene Biogas fällt nicht immer kontinuierlich an und wird nicht stets direkt weitergeleitet oder -verarbeitet, weshalb flexible Gasspeicher vorgehalten werden. Dies können sowohl separate
Gaslagerbehälter sein oder sie werden auf einem oder mehreren Dächern der vorgenannten Behälter ausgebildet. Ansonsten sind alle Behälter gasdicht abgedeckt.
[0006] Um die Fermentationsprozesse zu gewährleisten und zu optimieren, sind die einzelnen Behälter mit Rührwerken oder anderen Optionen der Durchmischung versehen. Die Zuführung bzw. Behandlung, Sammlung oder Abführung von Gärgut, Gas, Kondensat, Wasser und Strom erfordert diverse Leitungssysteme, Pumpen, Armaturen usw., welche die Einzelkomponenten erst zu dem eine funktionsfähige Biogasanlage ausmachenden Komplex werden lassen. Dafür sind ferner Mess-, Kontroll-, Steuerungs- und Regeleinrichtungen unerlässlich.
[0007] Im Bemühen um Effektivitätserhöhungen bei der Biogasvergärung wurden vergrößerte Anlagendimensionen vorgeschlagen. So ist mit der Druckschrift WO 2005/054423
Großfermenter zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse vorgeschlagen worden,
nachwachsende Rohstoffe mit hohen Trockensubstratgehalten in eine oder mehrere hallenartige Behälter einzustapeln und mit Perkolat ständig zu durchfeuchten. Ähnlich beinhaltet das mit der Druckschrift DE 10 2007 029 700 beschriebene Verfahren ein
Biomassekraftwerk umfassend eine Mehrzahl von Fermentern des Garagentyps, jedoch ebenfalls ausdrücklich nicht zur Nass-, sondern zur Trockenfermentation.
[0008] In den Druckschriften DE 197 46 636, DE 10 2007 005 069 oder DE 10 2009 059 262 werden Lösungen offeriert, bei welchen jeweils ein oder mehrere kleinere Behälter in einen oder mehrere größere Behälter integriert sind.
[0009] Zum Stand der Technik gehört auch die Patentschrift US 005637219 A. Bei dieser Patentschrift handelt es sich um ein horizontal durchströmtes und genauso horizontal reagierendes Reaktorsystem, welches nicht durch fest mit der Außenwand verbundene Trennwände gegliedert ist. Es handelt sich um ein rotierendes System mit integrierten Rührelementen, welche fest im Rotationskörper befestigt sind. Hier liegt ein für die
Prozessabläufe geschlossener Behälter vor , in dem die Reaktionsflüssigkeit im gesamten Behälter in Verbindung steht und als einheitliche Flüssigkeit zu betrachten ist. Die
Gasabführung erfolgt ohne das Gas vorher in einem flexiblen Membranspeicher zu sammeln. Die Flüssigkeitsabfuhr erfolgt ohne dass die Sektionen unabhängig voneinander gefüllt oder entleert werden können.
[0010] In den Offenlegungsschriften US 2003/00334300A1 und WO 2008/099227A1 handelt es sich um in sich geschlossene Monoreaktionsräume, in denen die Reaktionsflüssigkeit vom Eingang bis zum Ausgang auf denselben Ursprung zurückzuführen ist und ein horizontaler Medienstrom für die angestrebte Reaktion erfolgen muss. Die Sektionen des Behälters sind zu vollkommen unabhängigen Reaktionen geeignet, ohne, dass eine Sektion zwingend auf den Volumenstrom oder die Reaktion in dem anderen Sektionsraum angewiesen ist.
[0011] Die genannten Schriften beinhalten auch keine Gas Räume, welche unabhängig von den Sektionen in Einzel- oder Sammelgasspeicher, welche direkt mit der Behälterwand verbunden sind, als Gasmembranspeicher ausgeführt sind.
[0012] Die dargestellten technischen Lösungen beschreiben Behälter, in denen ein
Flüssigkeitsstrom von einem Eingang zu einem Ausgang fließt, wobei eine Unabhängigkeit der Sektionen nicht besteht. Darüber hinaus sind in diesen Behältern ein Up- and Downstream für die Funktion erforderlich, der in der später beschriebenen eigenen Erfindung nicht stattfindet und nicht für die Funktion erforderlich ist.
Aufgabe der Erfindung
[0013] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die technischen Rahmenbedingungen in Behältern für die Fermentationsprozesse weiter zu vereinfachen und die Anzahl der einzusetzenden Behältnisse für jeweils spezifische Verfahrensstufen auf einen Monobehälter zu begrenzen.
Lösung der Aufgabe
[0014] Die Aufgabe wurde gemäß den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.
[0015] Erfindungsgemäß wurde der Aufwand auf ein notwendiges Minimum reduziert, um den mehrstufigen Betrieb von Biogasanlagen kostengünstiger zu machen und darüber hinaus die laufende Betreibung betriebswirtschaftlich effektiver zu gestalten. Verschiedene Stufen der Fermentation werden erfindungsgemäß konzentriert und finden in einem einzigen Behälter statt. Prozessstufen wie Hydrolyse, Fermentation zu Essigsäure, C02 und H2, Fermentation zu Methan werden dabei getrennt. Durch die Mehrstufigkeit der Fermentation kommt es zu einer hohen stofflichen Ausnutzung der Einsatzmaterialien. Es findet eine Optimierung der Fermentationsbedingungen in räumlich getrennten Behältersegmenten statt. In Abhängigkeit vom Reaktionsfortschritt wird die Verweildauer im jeweiligen
Reaktionsbehälter gesteuert. [0016] Dazu wird der Behälterkorpus, wie in Figur 1 bestehend aus dem Boden (1), an dessen Rand unmittelbar angrenzend oder auf diesem, die aufrecht stehende und in sich geschlossene Behälteraußenwand (2), durchaus auch zylinderförmig mit vertikaler Zylinderachse ausgebildet, innen mit zusätzlichen Abtrennungen (3) versehen, mit deren Anordnung das Gesamtvolumen des Behälterkorpus in mindestens zwei oder mehr Teilvolumina variabel gegliedert werden kann. Die durch zusätzliche Abtrennungen entstandenen Räume stellen keine eigenständigen Behälter dar und sind auch nicht aus solchen hergestellt.
[0017] In diesen Einzelräumen werden hinsichtlich Beschickung, Beheizung, Durchrührung, Entnahme spezifische Milieus geschaffen, welche verschiedenen, aufeinander abgestimmten Fermentationsstufen entsprechen bzw. solche gestatten. Eine gegenseitige thermische Beeinflussung ist im Einzelfall gewünscht.
[0018] Die Behältersektoren besitzen grundsätzlich zu dem einzigen selbständig
funktionsfähigen Behälter (Monobehälter) einen Außenwandbereich, von dem aus jeder Einzelreaktionsraum beschickt, befahren, temperiert - worunter Heizung oder Kühlung zu verstehen sein soll - überwacht und bedient werden kann.
[0019] Die Höhe der Innenabtrennungen ist in der Regel mit jener der Außenwand identisch, kann aber auch geringer ausfallen oder untereinander variieren. Wie die übrigen Teile des Monobehälters lassen sie sich aus Beton, Metall, Edelstahl, Kunststoff oder Verbundstoffen ausbilden, müssen aber hinsichtlich des Materials mit diesen oder untereinander nicht identisch zusammengesetzt sein. Voraussetzung ist, dass die Nahtstellen zwischen den Innenwänden und mit der Außenwand flüssigkeitsdicht sind. Die Außenwand ist gegen Wärmeverluste isoliert.
[0020] Der Behälterkorpus wird über einzelnen Reaktionsräumen entsprechend dem Stand der Technik variabel mit fester oder membranartiger Abdeckung (4 - 6) versehen, wobei diese gasdicht oder geruchshemmend sein kann.
[0021] Als genereller Vorteil der Erfindung leitet sich ab, dass vormals mehrere Behälter einer Biogasanlage durch einen Behälter substituiert werden. Dessen notwendigerweise höher auszubildende Dimensionierung wird durch die eingesparten Kosten für die Materialien der nicht mehr erforderlichen Behälter mehr als ausgeglichen. Geldwerte Vorteile entstehen darüber hinaus von vornherein durch weitaus kürzere Verrohrungen, weniger erforderliche Armaturen, geringere notwendige Pumpleistungen und damit Einsatz kleinerer Pumpen, Reduzierung von Montageleistungen und -zeiten usw. Gegenüber herkömmlichen
Biogasanlagen fallen die Investitionskosten für die Errichtung um 30 bis 40 Prozent geringer aus. Wegen einer Minderung von Bodenversiegelungen, besserer Verträglichkeit mit Natur und Landschaft und durch geringeren Flächenbedarf lassen sich beim Monobehälter weitere positive Aspekte gegenüber einer Mehrbehälter-Biogasanlage ausweisen.
[0022] Weitere Vorteile erschließen sich mit Fokus auf den bestimmungsgetreuen Betrieb der Biogasanlage.
[0023] Im Gegensatz zu den im Stand der Technik beschriebenen Druckschriften
US 005637219 A, US 2003/00334300A1 und WO 2008/099227A1 können in dem
erfindungsgemäßen Behälter in allen Bereichen vollständig von dem benachbarten
Behältersektionsbereich unabhängige Füllstände, Reaktionsflüssigkeiten, Temperaturen und Volumenströme realisiert werden.
[0024] Erfindungsgemäß kann die Biogasanlage wahlweise für die Vergärung nur eines Substrats (Monovergärung) oder einer Substratmixtur verwendet werden. Gegebenenfalls wird das Substrat vor Einbringung in den Monobehälter mittels Schneckensystemen oder anderer geeigneter Fördereinrichtungen in den Monobehälter gespeist, oder gegebenenfalls mittels technischer Vorrichtungen homogenisiert und durch Flüssigkeitszugabe in einen pumpfähigen Zustand versetzt und im Weiteren dem Monobehälter zugeführt.
[0025] Dies ist hier zunächst, wie exemplarisch in Figur 2 und Figur 3 dargestellt, ein Behältersektor für die Hydrolyse (7), welcher hinsichtlich seines Volumens zwar durchaus variabel gestaltbar ist, aus technologischen Gründen aber gegenüber den übrigen
funktionellen Behältersektoren gegenüber in der Regel relativ klein ausfällt. In diesem wird das Gärgut über einen bestimmten Zeitraum eingemaischt und dadurch für den weiteren Vergärungsprozess„aufgeschlossen". Da die den Fermentationsprozess bewirkenden
Organismen die Makromoleküle der Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette nicht direkt aufzunehmen vermögen, werden dabei z.B. die Polysaccharide von Stärke zu Oligo- und Monosacchariden, Proteine zu Peptiden und Aminosäuren, Fette in Glycerin und Fettsäuren hydrolysiert. Nach Bedarf und Vorteil sind auch mehrere Hydrolyseräume gestaltbar, welche unterschiedlichen Input bei variierbarer Temperatur und Verweilzeit aufnehmen.
[0026] Nach hinreichender Dauer gelangt das mit den Produkten der Hydrolyse versehene Substrat zur nächsten Stufe der Vergärung, der eigentlichen Fermentation, wofür im
Monobehälter konstruktiv eine Kammer (8) oder mehrere Behältersektoren (8, 9) gleichen oder differenzierten Volumens vorgesehen sein können. Über mehrere Phasen und verursacht durch jeweils spezielle Stämme von Mikroorganismen vollzieht sich über verschiedene Verbindungen eine Versäuerung, an deren Ende Essigsäure überwiegt. Diese ist wiederum Grundlage für Stoffwechselprozesse von bestimmten Stämmen aus der Gruppe der Archaeen, in dessen Resultat neben anderen Produkten auch Methan als Bestandteil von Biogas gebildet wird, welches sich im Gaslager sammelt.
[0027] Sowohl die Hydrolyse als auch die Fermentation können sich in unterschiedlichen Temperaturbereichen vollziehen, wobei hinsichtlich der Biogasausbeute ein mesophiler oder thermophiler Betrieb vorzuziehen sein wird. Deshalb sind die Hydrolyse- und
Fermentationsräume wahlweise mit einer gemeinsamen oder mit einzelnen Heizungen (10) am oder im Boden bzw. an oder in den Außenwänden ausgestattet.
[0028] Die Fermenterverweilzeit des Substrats und die damit verbundene Raumbelastung schwanken in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Substrats. Anstrebenswert ist, dass von der dem Stoffwechsel zur Verfügung stehenden organischen Trockensubstanz innerhalb kurzer Zeit anteilig möglichst viel im Biogasbildungsprozess umgesetzt wird. Dies verläuft nicht linear, und gegen Prozessende sinkt die Ausbeute stark ab.
[0029] Der verbliebene Gärrest gelangt zum diesbezüglich geeigneten Zeitpunkt in ein oder mehrere Gärrestlagersektoren (11) des Monobehälters. Weil die Entleerung saisonal bedingt zumeist diskontinuierlich erfolgt, wird er unterschiedliche Füllstände (12) aufweisen wie auch die Füllstände in den übrigen Behältersegmenten durchaus differenziert sein können. Im Einzelfall kann das Gärrestlager auch extern angeordnet oder durch ein solches ergänzt werden.
[0030] Die hier zur Disposition stehende, erfinderische Lösung offenbart gegenüber üblichen Gärrestlagern erhebliche Vorteile:
[0031] Auf Grund der nach außen hin vollständigen Isolierung und des prinzipiellen
Entfallens eines Transportweges von den Fermentern liegt ein viel geringeres Temperaturgefälle gegenüber den übrigen funktionalen Räumen der Vergärung vor als gewöhnlich. In der Folge kann die die im Gärrest verbliebene organische Trockensubstanz auch weiterhin unter relativ begünstigten Bedingungen abgebaut werden. Weil der Gärrest in diesem Lager relativ lange verbleibt, kann überdies eine Nachvergärung von
Substratbestandteilen, z.B. zellulosehaltigen, bewirkt werden, die sich ansonsten wegen der zu kurzen Verweilzeit im Fermenter einer Verstoffwechselung weitestgehend entziehen. Durch das erfindungsgemäße Vorgehen wird eine höhere Gasausbeute erreicht.
[0032] Der erforderliche Stofftransport bzw. -austausch hin zu den, zwischen den und von den einzelnen Reaktionsräumen wird vermittels Pumpsystemen (13) über kürzest ausfallende Durchführungen und Verbindungen realisiert. Unterschiedliche Füllstände in den einzelnen Behältersektoren werden unabhängig von Pumpvorgängen durch wehrartige variabel einstellbare oder feste Überläufe (16) erreicht, wenn es sich um Behältersektoren mit gleichem Gasdruck handelt. Die Ausbildung optimaler Milieus in den Reaktionsräumen lässt sich durch Rührwerke (14) und das gezielte Auslösen von Durchmischungen und
-Strömungen gewährleisten. Multifunktionale Befahrschächte (15) gestatten Zugang in die Fermenterinnenräume bei Inspektionen, zur Reparatur oder Reinigung bzw. zur Einbringung oder Entfernung von Aggregaten und Vorrichtungen.
[0033] Die im laufenden Betrieb - über die bereits im Kontext der Errichtung der
Biogasanlage angeführten Kosteneinsparungen hinaus - zu erzielenden Vorteile der erfindungsgemäßen mehrstufige Fermentation in einem Monobehälter lassen sich wie folgt zusammenfassen:
[0034] Durch die komplexe Dämmung nach außen und dem weitestgehenden Entfall eines Wärmegefälles zwischen den Behältersektoren im Inneren wird in bedeutendem Umfang Wärmeenergie eingespart.
[0035] Kurze Transport- und Pumpwege generieren geringere Auslegungserfordernisse bezüglich der erforderlichen Aggregate, verminderte Betriebszeiten, minimieren die elektrische Leistungsaufnahme und den Stromeigenbedarf der Biogasanlage.
[0036] Ohne größeren Zusatzaufwand wird eine effektive Nachvergärung, Weitervergärung des Gärrestes bzw. des abzuführenden Materials aus den zuvor durchströmten
Behältersektoren und/oder Fermentationsstufen unter optimalen Prozessbedingungen gewährleistet. [0037] Optional wird zur weiteren Optimierung des Stoffaufschlusses ein Ultraschall-Modul in das Aufbereitungs- und Hydrolysesystem integriert. Dieses Ultraschall-Modul ist in der zeitgleich hinterlegten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
DE 102013225322.2 ausführlich beschrieben worden und eignet sich für die Behandlung von beliebigen Flüssigkeiten. In einer speziellen Ausführungsform findet es auch Anwendung in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Monobehälter. Erfindungsgemäß wird ein mehrstufiges selbstregulierendes Ultraschall-Desintegrations-System bereitgestellt, welches nicht zwischen bzw. nicht extern in einem separaten Behälter installiert ist, sondern kompakt die notwendigen Bauteile und erforderlichen Elemente in einem System zum Direkt- An- oder Einbau am Monobehälter vereint, ohne eine separate Gebäude- oder Containerplatzierung zu benötigen.
[0038] Das Ultraschall-Modul umfasst folgende Elemente:
• System aus Rohrleitungen, die in Teilbereichen auch quadratisch oder rechteckig sein können
• Rohrleitungselementen, Rohrleitungsabsperrelementen, Messeinrichtungen
• Prüfstutzen mit Einrichtungen zum Prüfen, Messen und Rückspülen
• Sonotroden und integrierten Reflektoren, Flüssigkeitsförder- und
• Rückspüleinrichtung, Halterungen und Durchführ- bzw. Anschlusseinrichtungen
• mindestens eine reversible Pumpe mit Drehzahlregulierung
[0039] Das Ultraschall-Modul fördert das zu desintegrierende Medium aus dem
Monobehälter über rohrleitungsartige Elemente mit einer integrierten Fördereinrichtung. Es ist am oder im Monobehälter montiert. Die Flüssigkeit wird über Absperrorgane
Rohrleitungselemente, Volumenstrom-Messeinrichtungen und Einrichtungen zur Aufnahme von Sensoren und Messwertaufnehmern sowie die Fördereinrichtung in vorzugsweise senkrechter Anströmung zentrisch auf in den Rohrleitungen integrierte Sonotroden gefördert.
[0040] Die Sonotroden werden mit passenden Reflektoren gekoppelt, welche sich in geeignetem Abstand parallel zur Sonde zentrisch im Medienstrom befinden.
[0041] Das System ist so gestaltet, dass das zu desintegrierende Medium aus dem
Monobehälter zu den Desintegrationssonden gefördert wird.
[0042] Die Anströmung erfolgt ein- oder mehrstufig. Zwischen den Stufen der Desintegration können über integrierte Mess-Stutzen und Messaufnehmer die Effekte der einzelnen
Desintegrationsstutzen ermittelt werden. Dazu können die Viskosität und oder die Temperatur, elektrische Leistungsaufnahme der Sonotroden und der Fördereinrichtung gemessen werden. In Abhängigkeit der Mess- bzw. Auswertungsergebnisse kann das System weitere Stufen über die Fördereinrichtung (vorzugsweise eine Pumpe) aktivieren, dadurch ist es möglich, die Intensität zu erhöhen (geringere Strömungsgeschwindigkeit), die Intensität zu verringern oder eine Rückspülung zu veranlassen.
[0043] Die Stufigkeit und die Anzahl der Sonotroden kann der Menge und der Intensität der Desintegration angepasst werden. Die integrierte Fördereinrichtung oder Einrichtungen können eine gegenläufige Förderstromrichtung ausüben, um z.B. Rückspülungen
durchzuführen. Im Bedarfsfall kann sich die Fördereinrichtung die Förderleistung den Bedürfnissen/Erfordernissen anpassen ( z.B. Drehzahlregelung).
[0044] Die Ansaug- und Ausspülöffnungen werden vor gegenseitiger Beeinflussung durch strömungsleitende Einrichtungen bzw. systemräumliche Anordnung abgesichert.
[0045] Das System ist in der Lage, durch eine Systemsteuerung auf Basis der
Kommunikation zwischen den Stell- und Schließelementen, der Fördereinrichtung den Messelementen und den damit verbundenen Auswertungselementen, der
Volumenmesseinrichtung und der Kommunikation mit einer eventuell vorhandenen untergeordneten Steuerung oder der eigenen Steuerung die Effekte und die Funktion erhöhen.
[0046] Es ist sogar möglich, diese Anlage - mit Ausnahme der Fördereinrichtung - innerhalb des Flüssigkeitsbehälters zu installieren. Alle o.g. Bauteile und erforderlichen Elemente sind in einem System zum Direkt- An-bzw. Einbau am Monobehälter vereint, es ist keine separate Gebäude- oder Containerplatzierung notwendig.
[0047] Durch seine Gestaltung ist dieses Ultraschall-Modul durch die integrierte Steuerung in der Lage, die Wirkung der Beschallung direkt zu messen, die Intensität durch
Volumenstromregelung und oder die Strömungsrichtungsänderung (unterschiedliche Passage der zu behandelnden Flüssigkeit über unterschiedliche Anzahl von Sonotroden) zu verändern und dem Bedarf anzupassen.
[0048] Auch die Selbstreinigung des Systems ist durch die Umkehr bzw. Änderung der Fließrichtung und die Möglichkeit der Volumenstromerhöhung wie der
Fleißgeschwindigkeitserhöhung im Verhältnis 1 :10 möglich und kann regelmäßig
prophylaktisch in das Beschallungsprogramm eingefügt werden.
[0049] Das System ist mit allen handelsüblichen Sonotroden für Inrohr- oder
Anrohrinstallation (also sowohl Sonotroden direkt im Volumenstrom der zu behandelnden Flüssigkeit als auch an der Rohraußenwand oder in die Rohraußenwand integriert) ausrüstbar. [0050] Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass die erfindungsgemäße Wellenform der Rohrführung des Ultraschallsystems einerseits der hydraulischen Optimierung des Systems dient und andererseits der Erzielung einer kompakten Bauform unter Beachtung des Platzbedarfes für alle zu integrierenden Bauteile gewährleistet. Durch Variation der Anzahl der„Wellen" kann das System unterschiedliche Anzahl von Sonotroden bzw.
Beschallungsbereiche beinhalten und somit für unterschiedliche Beschallungsleistungen ausgelegt und gebaut werden.
[0051] Das System kann an- bzw. in den Monobehälter installiert werden, auch als Bypass System oder als Inlinesystem.
[0052] Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kombination des Monobehälters mit dem Ultraschall-Modul liegen u.a. darin, dass die Investitionskosten für ein Ultraschall-Modul um ca. 50% gesenkt werden gegenüber derzeit etwa Kosten in Höhe von ca. 200T€. Darüber hinaus werden durch dieses System die Betriebskosten ebenso erheblich gesenkt, da die direkte Anbindung an den Monobehälter die Förderwege um ein Vielfaches verringern, und außerdem strömungsgünstig und verstopfungssicher installiert werden können.
[0053] Das Ultraschall-Modul braucht darüber hinaus keine gebäudeähnliche Umhüllung, sondern es reichen die für Rohrleitungsinstallationen üblichen Maßnahmen für Isolierung und Witterungschutz .
[0054] Die Figur 4 zeigt eine Seitenansicht des Ultraschall-Moduls . In diesem Beispiel ist das Ultraschall-Modul an der Außenseite der Behälterinnenwand befestigt. Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf das Ultraschall-Modul. Es ist zu erkennen, dass die Ultraschallbehandlung direkt in der Substratleitung erfolgt - also kein Extra-Behälter notwendig ist - und die Sonotroden sich entweder in oder außerhalb der Substratleitungen befinden. Ebenfalls zu erkennen sind die Mess- und Spülstutzen und die Schieber (Rohrleitungsabsperrelemente) sowie die Pumpe (Fördereinrichtung).
[0055] In Figur 5 ist auch dargestellt, dass bei Bedarf eine zweite Stufe zur
Ultraschallbehandlung zugeschaltet werden kann. Besonders deutlich zeigt sich in Figur 2 die erfindungsgemäße Wellenform des Ultraschall-Moduls. Bezugszeichenliste für den Monobehälter
1 Behälterboden 2 Außenwand
3 Innenabtrennung 4 Inneres Foliendach
5 Äußeres Foliendach 6 Festabdeckung eines Teilraumes
7 Hydrolysesektor 8/9 Fermentationssektor
10 Heizung 11 Gärrestlagersektor
12 Füllstand 13 Pumpsystem
14 Rührwerk 15 Befahrschacht
16 Überlauf
Bezugszeichenliste für das Ultraschallmodul :
1 Behälterwand
2 Gärsubstrat
3 Substratleitung
4 Schieber
5 reversible Pumpe mit Drehzahlregulierung
6 Sonotrode
7 Mess- und Spülstutzen
8 Stütze

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Biogaserzeugung durch mehrstufige Fermentation in einem einzigen Behälter, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter innen mit zusätzlichen Abtrennungen (3) versehen wird und diese so angeordnet sind, dass das Gesamtvolumen des Behälters in mindestens zwei oder mehr Teilvolumina gegliedert wird und so abgeteilte
Behältersektoren entstehen, welche keine eigenständigen Behälter bilden bzw. solche nicht sind und in denen die spezifisch stattfindenden Fermentationsstufen hinsichtlich Reaktionsverlauf und Verweildauer gesteuert werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der einzige Behälter eine Außenwand mit variabel hohen Außenwandbereichen aufweisen kann.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilvolumina des Behälters unterschiedliche Füllstände realisieren lassen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Teilvolumina des Behälters unterschiedliche Temperaturen realisiert werden können.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Nahtstellen zwischen den Innenabtrennungen sowie von diesen mit der Außenwand flüssigkeitsdicht sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Teilvolumina bezüglich des Materials, der Dichtigkeit sowie des Schichtenaufbaus und der Wärmedämmung unterschiedlich abgedeckt und innerhalb der Abdeckung verbunden sein können.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Behältersektoren in Kontakt zum Außenwandbereich stehen, von dem aus jeder
Behältersektor einzeln beschickt, befahren, temperiert, überwacht und bedient werden kann.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Sinne einer Energieersparnis Wärmeströmungen über die Innenabtrennungen bewusst unterstützt und Temperaturdifferenzen zwischen benachbarten Behältersektoren zielgerichtet genutzt werden, die Abläufe der spezifischen Fermentationsstufen zu begünstigen.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Behälter entweder ein oder mehrere Hydrolyseräume integriert sind, welche unterschiedlichen Input bei variierbarer Temperatur, Verweilzeit und Raumbelastung aufnehmen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Behälter entweder ein oder mehrere Fermentationsräume integriert sind, welche unterschiedlichen Input bei variierbarer Temperatur, Verweilzeit und Raumbelastung aufnehmen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie
zusätzlich ein mehrstufiges selbstregulierendes Ultraschallmodul zur Desintegration rezirkulierter Substratflüssigkeit aufweist.
12. Vorrichtung mit Ultraschallmodul nach Anspruch 11, wobei das Ultraschallmodul
folgende Elemente umfasst:
a) mindestens eine Substratleitung
b) mindestens eine Fördereinrichtung
c) ein oder mehrere Sonotroden
d) Einrichtungen zum Prüfen oder Messen von Parametern der Flüssigkeit,
e) Einrichtungen zum Anschluss an einen Behälter,
dadurch gekennzeichnet, dass sich die Sonotroden innerhalb der Substratleitung oder an der Außenseite der Substratleitung befinden.
13. Vorrichtung mit Ultraschallmodul nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ultraschallmodul die Substratleitungen wellenförmig angeordnet sind und als Fördereinrichtung eine reversible Pumpe mit Drehzahlregulierung dient.
14. Vorrichtung mit Ultraschallmodul nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, dass beim Ultraschallmodul neben den Sonotroden noch Reflektoren vorhanden sind und dass es eine Steuerungseinheit enthält, die anhand gemessener Parameter die Pumpe steuert.
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