Biogas aus Reststoffen der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie

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Willi Baumann
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1 Biogas aus Reststoffen der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie (AiF-FV N) FEI Jahrestagung 2007

2 Bedeutung für die Industrie Entsorgung v.nebenprodukten und Energieeinsparung Brauereien Treber, Hefe, Trub Mälzereien Mühlen Fremdsamen, Abputz, Keime, Bruch, Spelzen, Staub, Kleien Landwirtschaft Spreu, Abfallgetreide

3 Bedeutung für die Industrie Nutzung v. Energieressourcen

4 Biertreber - Mühlennebenprodukte Biertreber Menge t/a in Bayern Mio t/a in Deutschland 2006 Verfütterung rückläufige Viehbestände Deponierung nach TA-Siedlungsabfall verboten Kompostierung Emissionsprobleme, lange Verweilzeiten frischer Biertreber Mühlennebenprodukte C : N Verhältnis im Treber ungünstig Zugabe C- reicher Mühlennebenprodukte Mühlennebenprodukt: Kleie

TA-Siedlungsabfall verboten Kompostierung Emissionsprobleme, lange Verweilzeiten frischer

5 Biertreber Zusammensetzung Hemicellulose [29,0 ± 5,4] g/100g Cellulose [20,0 ± 3,7] g/100g Asche [3,7 ± 0,9] g/100g Lignin [13,8 ± 9,6] g/100g Fett [9,4 ± 4,9] g/100g Protein [22,6 ± 4,0] g/100g

6 Lignocellulose: Schematische Darstellung Kristalline Bereiche der Cellulose Mikrofibrillen Cellulose-Ketten Hemicellulose β -1,4-Glucose

7 Biogaserzeugung im Vergleich zur Wiederkäuerverdauung Zerkleinern Suspendieren Hydrolyse von leicht abbaubaren Substanzen Hydrolyse der Lignocellulose Alkalische Methanisierung Vorbehandlung Kauen Speichel Pansen Dünndarm Dickdarm Resorption Ausscheidung

Substanzen Hydrolyse der Lignocellulose Alkalische

8 Kosten Natürliche Biogasproduktion Cellulose Hämicellulose Lignin Augenblicklicher Stand Kuh Energiepreisniveau Verweilzeit/Tage

9 Vorarbeiten Scharf, P. (1988) Biogasgewinnung aus Malztrebern (Diplomarbeit) Schulz, K. (1989) Anaerober Abbau von Malztrebern, (Diplomarbeit) Scharf, P. (1993) Energieversorgung eines Brauereibetriebes aus Reststoffen, Diss. Möller, M. (1992) Chem.-phys. Aufschluss v. Biertreber Diss. Behmel (1993) Mehrstufige Methanisierung von Brauereireststoffen, Dissertation Rieker, C. (Dissertation) Viehweger, S. (1993) Optimierung der Hydrolyse bei der Biogaserzeugung bei Lignocellulose (Diplomarbeit) Kretschmer, S. (1997):; Untersuchungen zur Verkürzung der Verweilzeit bei der Hydrolyse von Cellulose und bei der anaeroben Fermentation lignocellulosehaltigen Lebensmittelreststoffen am Beispiel von Biertrebern, Dissertation Sommer, K.; Schäfer, W.(1997): Abschlußbericht DFG Vorhaben So 118/13, Nasszerkleinerung von cellulose- und lignocellulosehaltiger Stoffe in Rührwerkskugelmühlen

Behmel (1993) Mehrstufige Methanisierung von Brauereireststoffen, Dissertation Rieker, C. (Dissertation) Viehweger, S.

10 Idee: Verringerung der Verweilzeit durch a) Verfahrenstechnik: Vergrößerung der Oberfläche durch Zerkleinerung b) Biotechnologie: Einsatz von Pansenflora

11 Kosten Natürliche Biogasproduktion Cellulose Hämicellulose Lignin Augenblicklicher Stand Kuh Energiepreisniveau Verweilzeit/Tage

12 Weitere Verringerung der Verweilzeit durch a) Verfahrenstechnik: Vergrößerung der Oberfläche durch Zerkleinerung b) Biotechnologie: Einsatz von neuen Mikroorganismen und Enzymen

13 Ziel: Biogas mit reduzierter Verweilzeit Wissenschaftszentrum Straubing Lehrstuhl Technologie Biogener Rohstoffe Mikrobiologische Hydrolyse Biozönosen Enzym. Aufschluss Definition d. Fermentationsprozesses Wissenschaftszentrum Weihenstephan Lehrstuhl für Maschinen- u. Apparatekunde Verfahrenstechnik - Nassvermahlung von Biomasse - Mehrstufige Prozesse - Pansenflora, neue Biozönosen Ziel: Verweilzeit T < 7 Tage

Fermentationsprozesses Wissenschaftszentrum Weihenstephan Lehrstuhl für Maschinen- u.

14 Pilot Anlage Versäuerung

15 Methan Reaktor

16 The Pilot Plant Buffertanks Hydrolysation Solid State Methane Reactor Zerkleinerung

17 Spezifische Oberfläche Sv bei Fasern der Dicke a

18 Vorzerkleinerung Dispax Reactor Inline x 50 = 410 µm Kolloidmühle x 50 = 230 µm

19 Feinzerkleinerung Rührwerkskugelmühle LME 4 Mahlvolumen 4l Mahlscheiben Antrieb 5,5 kw Ansatzgröße l Labormühle scale up fähig

20 100 Summenverteilung Zerkleinerungsversuche in RWKM PE 75 (2mm Stahlkugeln) 90 V6 15min n=1500 x50= 21µm 80 V5 10min n=1500 x50= 22µm V4 5min n=1500 x50= 45µm Summenverteilung Q3 in % μm V3 15min n=1000 x50= 25µm v2 10min n=1000 x50= 42µm V1 5min n= 1000 x50= 65µm 50µm Neues Ziel: Kleinere Mahlkugeln!! Partikel x in µm

% 70 60 50 40 30 20 μm V3 15min n=1000 x50= 25µm v2 10min n=1000 x50= 42µm V1 5min n= 1000

21 The Pilot Plant Buffertanks Hydrolysation Solid State Methane Reactor

22 LS Technologie biogener Rohstoffe Prozessbegleitende Analytik Hydrolyseabbauprodukte mittels HPLC, GC - Flüchtige Fettsäuren (Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, iso-buttersäure, Valeriansäure, iso-valeriansäure) HPLC - Zucker (Glucose, Cellobiose, Xylose, Arabinose) Abbau organischer Trockenmasse Faseranalytik Gaschromatograph

23 LS Technologie biogener Rohstoffe Analyse der Substrate & prozessbegleitende Analytik Optimierung der Mikroflora der Hydrolysestufe Hemmstoffanalytik Enzymatische Hydrolyse Überführung hydrolytischer Kulturen in den Pilotmaßstab Stammhaltung & Identifizierung erfolgreicher Kulturen Hydrolyse Stufe 1 Abbau löslicher Polymere Hydrolyse Stufe 2 Feststoffabbau Acidogenese Bildung von flüchtigen Fettsäuren, Alkoholen Acetogenese (Essigsäure, H 2, CO 2 ) Methanogenese (CH 4, CO 2 )

24 Aufgaben LS Technologie biogener Rohstoffe Optimierung der mikrobiologischen Hydrolyse Aufbau einer Hydrolyse-Stufe 2 im Labormaßstab vergleichende Tests anaerober Kulturen aus verschiedenen Quellen - Rumen - Kompost - Kläranlage - Böden Einsatz von Exoenzymen

25 LS Technologie biogener Rohstoffe Kultivierung von Inokulum für Hydrolyse-Stufe 1 Wachstumsbedingungen: - Temperatur: 37 C - ots-gehalt: 12 % Analysen Parameter: - Gasvolumen - Gehalt flüchtiger Fettsäuren - ph-wert - ots, GV

26 Ergebnisse: Fermentationen bisherige Fermentation Panseninhalt (Rind) als Inokulum organische Fettsäuren [mg/g Biertreber Frischmasse] Essigsäure Propionsäure iso-buttersäure Buttersäure iso-valeriansäure Valeriansäure 0 0 h 72 h 0 h 72 h 0 h 72 h 0 h 72 h Ansatz 1 Ansatz 2 Ansatz 3 Ansatz 4

27 Unterstützung FEI Forschungskreis der Ernährungsindustrie Wissenschaftsförderung der Deutschen Brauwirtschaft e.v., Berlin Deutscher Mälzerbund e.v., Frankfurt Verband Deutscher Mühlen e.v., Bonn

28 Kontaktadressen Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Lehrstuhl für Maschinen- und Apparatekunde Am Forum 2, Freising Dr. Jens Voigt Telefon 08161/ Fax 08161/ Dipl. Ing. (FH) Benjamin Häffner: Lehrstuhl für Technologie Biogener Rohstoffe Petersgasse 18, Straubing Dr. Doris Schieder Telefon / Fax / Dipl.-LM-Ing. Karin Kohler: k.kohler@wz-straubing.de

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