Mikrobiologische Prozesse in einer Biogasanlage und deren Störungen

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Mikrobiologische Prozesse in einer Biogasanlage und deren Störungen"

Kurt Kohler
vor 8 Jahren
Abrufe

1 Mikrobiologische Prozesse in einer Biogasanlage und deren Störungen Dr. Harald Lindorfer, Schaumann BioEnergy GmbH Forschungsmöglichkeiten Schaumann BioEnergy Kontinuierliche Versuche Hemmstofftests Praxis Versuchsanlage (750 kw) Batch Versuche

2 Inhalt Grundlagen der Fermenterbiologie Stoffumsatz, Wachstum Elementare Prozessparameter Typische Störungen Rolle von Hemmstoffen Art der Hemmstoffe Wirkungsorte Hydrolytische Bakterien Acidogene Bakterien (Acetogene Bakterien) Stoffumsatz vom Substrat bis zum Biogas Methanogene Archaeen hydrogenotroph Komplexe organische Substrate Kohlenhydrate, Eiweißstoffe, Fette Einfachere organische Komponenten Zucker, Aminosäuren Fettsäuren Propion-, i-butter, i-val. H 2, CO 2 CH 4, CO 2 Acetat acetoklastisch Hydrolyse Versäuerung (Acetogenese) Methanogenese

Methanogene Archaeen hydrogenotroph Komplexe organische Substrate Kohlenhydrate, Eiweißstoffe, Fette Einfachere organische Komponenten

3 Klassen Clostridium Firmicutes Bacteroides Spirochaetes Chlamydiae Arcobacter Mollicutes Acidobacteria Actinobacteria Pseudomonas Heliobacter Rhizobiales Lactobacillus Acidaminococcus Methanococcus Methanobacterium Methanomikrobiales Methanosarcina Beteiligte Mikroorganismen Komplexe organische Substrate Syntrophobacter Kohlenhydrate, Eiweißstoffe, Fette Einfachere organische Komponenten Zucker, Aminosäuren Fettsäuren Propion-, i-butter, i-val. H 2, CO 2 Syntrophe Bakterien z.b. Syntrophomonas Syntrophobacter 1 Acetobacterium woodii Clostridium aceticum 1 Acetat Moorella Quellen: Lexikon d. Biologie Lebuhn Hydrolyse Versäuerung (Acetogenese) Methanosarcina barkeri Methanosaeta CH Methanogenese hydrogenotroph 30 % >90 % 4, CO 2 acetoklastisch 70 % <10 % Stoffumsatz vom Substrat bis zum Biogas Einfachere organische Komponenten Zucker, Aminosäuren Fettsäuren CH 3 CH 2 COO - + H H 2 O CH 3 COO - + H + + CO H 2 Propion-, CH 3 (CH 2 ) 2 COO H 2 O 2 CH 3 COO - + H H 2 i-butter, i-val. H 2, CO 2 Homo- Acetogenese 4 H CO 2 CH 3 COO - + H H 2 O Acetat Syntrophe Acetogenese C 6 H 12 O H 2 O 2 CH 3 COO CO 2 + H H 2 Hydrogenotrophe Methanogenese CH 3 COO - + H H 2 O 4 H CO 2 Syntrophe Acetatoxidation Acetoklastische Methanogenese 4 H 2 + CO 2 CH H 2 O CH 3 COO - + H + CH4 + CO 2 CH 4, CO 2 4 H 2 + SO H + HS H 2 O Sulfatreduktion CH 3 COO - + SO 2-4 HS - + HCO - 3 Quellen: Calli, Schlegel

Zucker, Aminosäuren Fettsäuren Propion-, i-butter, i-val. H 2, CO 2 Syntrophe Bakterien z.b. Syntrophomonas Syntrophobacter 1 Acetobacterium woodii Clostridium aceticum 1 Acetat Moorella Quellen: Lexikon d.

4 Warum müssen speziell die acetogenen und methanogenen Mikroorganismen gefördert werden? Hydrolytische Bakterien Versäuernde Bakterien Acetogene Bakterien 240 Methanogene Archaeen Nach Weiland 2006 Wertebereiche für Biogasanlagen Einheit Wertebereiche Grün Gelb Rot ph [-] 7,5 8,1 7,1 7,4 < 7,1; > 8,3 FOS : TAC [-] 0,2 0,5 0,5 1,0 > 1,0 TS [%] 3 9 < 3 > 12 NH 4 -N [g/l] < 4,0 4,0-5,5 > 5,5 NH3-N * [mg/l] < > 800 Essigsäure [mg/l] > Propionsäure [mg/l] > Langkettige VFA [mg/l] > 300 VFA gesamt [mg/l] > Propion : Essig [-] 0 0,2 0,3 1,0 > 1,0 El. Leitfähigkeit [ms/cm] < > 40 * abhängig von der Konzentration von NH 4 -N, der Temperatur und dem ph-wert Einteilung im Ampelsystem: Grün: alles bestens, kein Handlungsbedarf Gelb: überhöhte Gehalte, Ursache sollte ermittelt werden Rot: stark überhöhte Werte, akuter Handlungsbedarf

< 7,1; > 8,3 FOS : TAC [-] 0,2 0,5 0,5 1,0 > 1,0 TS [%] 3 9 < 3 > 12 NH 4 -N [g/l] < 4,0 4,0-5,5 > 5,5 NH3-N * [mg/l] < 500 500 800 > 800 Essigsäure [mg/l] 0 1.000 1.000 3.000 > 3.

5 Essigsäure Propionsäure [mg/l] Juni 07 August 07 Dezember 07 Februar 08 Juli 08 November 08 März 09 März 09 Mai 09 Juni 09 August 09 März 10 Unterschiede in der Prozessführung (Bsp. Organ. Säuren) Essigsäure Propionsäure [mg/l] Januar 08 März 08 Mai 08 Juli 08 September 08 November 08 Januar 09 März 09 Mai 09 Juli 09 September 09 November 09 Januar 10 März 10 Effekte von Prozessschwankungen Beispiel: Bakterienpopulation vor und nach Fermenter-Übersäuerung Stabiler Betrieb Nach Übersäuerung Abbildung: Dahlhoff 2008

Prozessführung (Bsp. Organ. Säuren) 3.000 2.500 2.000 Essigsäure Propionsäure [mg/l] 1.500 1.

6 Wichtige Prozessparameter ph-wert Leitfähigkeit Hemmstoffe Viskosität Temperatur Stabiler Prozess Nährstoffversorgung Raumbelastung Prozessführung Der Einfluss der Temperatur auf die Fermentation (alte Lehrmeinung) Most methane forming bacteria are active in two temperature ranges. These ranges are the mesophilic range from 30 to 35 C and the thermophilic range from 50 to 60 C. At temperatures between 40 and 50 C, methane forming bacteria are inhibited. Gerardi (2003) The microbiology of anaerobic digesters, Wiley Interscience.

temperature ranges. These ranges are the mesophilic range from 30 to 35 C and the thermophilic range from 50 to 60 C.

7 Kann man die Selbsterwärmung einfach zulassen? Besonders wichtig ist die Grenze des mesophilen Temperaturbereichs, die etwa bei 42 C liegt und die im Betrieb jedenfalls nicht kurzzeitig überschritten werden darf ohne den gesamten anaeroben Abbauprozess zu gefährden. Bischofsberger et al. (2005) Anaerobtechnik, Springer Verlag Der Einfluss der Temperatur auf den Prozess Psychrophil C Mesophil 35-42/45 C Thermophil C Hyper- Thermophil C relative Aktivität 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 mikrobielle Aktivität Temperatur [ C] Die Temperatur selber hat keinen Einfluss auf die Gasausbeute. Allerdings steigt die Aktivität biologischer Prozesse mit höheren Temperaturen. Dadurch kann es bei Anlagen mit kurzer Verweilzeit zu höheren Gasausbeuten kommen.

Abbauprozess zu gefährden. Bischofsberger et al.

8 Wirkungsorte von Prozessstörungen Komplexe organische Substrate Kohlenhydrate, Eiweißstoffe, Fette Einfachere organische Komponenten Zucker, Aminosäuren Fettsäuren Temperaturwechsel Propion-, i-butter, i-val. H 2, CO 2 Acetat CH 4, CO 2 Spurenelementversorgung 110,00 Defizit Normbereich Überschuss 60,00 10,00 40,00 90,00 110,00 Defizit Normbereich Überschuss 60,00 10,00 40,00 90,00 NH4 P K Mg Na Ca S Cu Ni Zn Fe B Co Mn Mo Se W NH4 P K Mg Na Ca S Cu Ni Zn Fe B Co Mn Mo Se W Substrate: Silomais, Rindergülle Substrat: Speisereste

H 2, CO 2 Acetat CH 4, CO 2 Spurenelementversorgung 110,00 Defizit Normbereich Überschuss 60,00 10,00 40,00 90,00 110,00 Defizit

9 Wirkungsorte von Prozessstörungen Komplexe organische Substrate Kohlenhydrate, Eiweißstoffe, Fette Einfachere organische Komponenten Zucker, Aminosäuren Fettsäuren SPE-Mangel Propion-, i-butter, i-val. Temperaturwechsel H 2, CO 2 Acetat CH 4, CO 2 Wichtigste Hemmstoffe Hemmstoff Hemmkonzentration Bemerkungen (in Frischmasse) Ammoniak 600 mg/l Abhängig von Bakterienadaption Chrom 100 mg l Lederindustrie Kupfer 30 mg/l Schweinegülle, Klauenbad Nickel 2,0 mg/l HTK, Additive Zink 100 mg/l Schweinegülle Leitfähigkeit (Na-/K-Salze) 40 ms/cm Speisereste, Schlempe Mykotoxine Spuren Verschimmelte Silagen Antibiotika Spuren Euterbehandlung Milchvieh Chlorverbindungen Spuren Reinigungs-/Desinfektionsmittel Sonstige Hemmstoffe: z. B.: Pestizide, Herbizide, Cyanide, Polyphenole, u.a.

Temperaturwechsel H 2, CO 2 Acetat CH 4, CO 2 Wichtigste Hemmstoffe Hemmstoff Hemmkonzentration Bemerkungen (in Frischmasse) Ammoniak 600 mg/l Abhängig von Bakterienadaption Chrom 100 mg l

10 Wirkungsorte von Hemmstoffen Komplexe organische Substrate Kohlenhydrate, Eiweißstoffe, Fette Einfachere organische Komponenten Zucker, Aminosäuren Fettsäuren Antibiotika Propion-, i-butter, i-val. Mycotoxine H 2, CO 2 Acetat CH 4, CO 2 Fallbeispiel Mykotoxinhemmung [mg/l] Essigsäure Propionsäure

11 Strömungsverhalten im Fermenter m/s Normale Viskosität Überhöhte Viskosität Folgen schlechter Durchmischung

12 Viskosität - Durchmischung Mögliche Folgen hoher Viskosität: Keine optimale Versorgung der Mikroorganismen Verzögerter Abtransport von Reaktionsprodukten - Produkthemmung (CH 4, H 2, ) Kein vollständiger Abbau Inhomogenitäten im Fermenter Schwimm-/Sinkschichten Totzonen Temperaturgradienten Typische Probleme im Prozess Übersäuerung Überfütterung Hemmung der Methanogenen Temperaturwechsel Spurenelementmangel Geringe Ausbeute Geringe Substratqualität Nährstoffmangel Hemmung Hydrolysestörung Mangelhafte Durchmischung Technische Probleme Schaumbildung Gasqualität Wartung/ Reparaturen Schwimm-/ Sinkschichten

Temperaturgradienten Typische Probleme im Prozess Übersäuerung Überfütterung Hemmung der Methanogenen Temperaturwechsel Spurenelementmangel Geringe

13 Prozessstörungen - Symptome Schwefelwasserstoff-/Wasserstoffgehalt im Biogas steigt Redoxpotential im Fermenter steigt Methangehalt im Gas nimmt ab (< 50 %) bzw. Biogasverbrauch am Motor steigt Gasmenge nimmt ab bei gleicher Substratzufuhr FOS/TAC Wert steigt bzw. Pufferkapazität nimmt ab Elektrische Leitfähigkeit steigt ph-wert nimmt kontinuierlich ab Schaumentwicklung Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr. Harald Lindorfer SCHAUMANN BioEnergy GmbH Harald.lindorfer@schaumann-bioenergy.eu

Biogasverbrauch am Motor steigt Gasmenge nimmt ab bei gleicher Substratzufuhr FOS/TAC Wert steigt bzw.

14 Überwachung von Biogasanlagen Fermenterstabilität Produzierte Gasmenge Methangehalt H 2 S-/ H 2 -Konzentration Temperatur ph Wert Redox-Potential FOS/TAC, Pufferkapazität Elektrische Leitfähigkeit Spektrum organischer Säuren Ammoniumstickstoff Spurenelemente und Nährstoffe Substratcharakterisierung Trockensubstanzgehalt ots; FoTS Chemischer Sauerstoffbedarf Gesamtstickstoff Hemmstoffe Gasertrag Viskosität Gasleckage Methanschlupf BHKW Inline Messung Im Test

Ammoniumstickstoff Spurenelemente und Nährstoffe Substratcharakterisierung Trockensubstanzgehalt ots; FoTS

Ähnliche Dokumente

Biologie der Biogaserzeugung

Biologie der Biogaserzeugung Peter Institut für Technologie and Biosystemtechnik Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) ZNR Biogastagung, Bad Sassendorf-Ostinghausen, 02.04. 2003 Biologie der