Biologie der Biogaserzeugung

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

2 Biologie der Biogaserzeugung Mikrobiologie und Biochemie der Vergärung Physikalisch -chemische Einflußgrößen Substrate Verfahrensgestaltung und Prozeßführung Zusammenfassung und Ausblick ZNR Biogastagung, Bad Sassendorf-Ostinghausen,

3 1. Stufe Hydrolyse Makromoleküle (Hydrolytische Phase) 2. Stufe Vergärung Spaltprodukte (Acidogene Phase) 3. Stufe Acetatbildung (Acetogene Phase) 4. Stufe Methanbildung (Methanogene Phase) H/CO 2 2 Biomasse Polysacharide Proteine Fette Zucker Aminosäuren Fettsäuren Biogas CH /CO 4 2 Carbonsäure Alkohole Acetat hydrolytische Bakterien fermentative Bakterien acetogene Bakterien methanogene Bakterien 4 Stufen des anaeroben Abbaus W

4 0 log ph2 [bar] - 2 Methan Propionat Butyrat - 4 Thermodynamisches Fenster G bei ph 7,0 ; 25 C [kj/reaktion] Einfluß des Wasserstoffpartialdrucks (ph ) auf die 2 Änderung der freien Energie ( G ) W

5 aerober Abbau CO2 anaerober Abbau CH /CO 4 2 (Biogas) 50 % 90 % C-Fracht 100 % C-Fracht 100 % 50 % 10 % Biomasse Biomasse Kohlenstoffbilanz bei vollständigem C-Abbau W

6 Anaerobe Mikroorganismen Säurebildende Bakterien Bacterioides Clostridien Acetogene Bakterien < 24 h h h Methanogene Bakterien Methanosarcina barkeri Methanococcus 5-15 d ca. 10 d Aerobe Mikroorganismen Escherichia coli Belebtschlamm 20 min 2 h Generationszeiten verschiedener Mikroorganismen W

7 Feste Substrate Hydrolyse der unlöslichen Polymere geschwindigkeitsbestimmend Lösliche Substrate Methangärung über Acetat geschwindigkeitsbestimmend Acetatbildung geschwindigkeitslimitierend Methangärung geschwindigkeitslimitierend Hinweis Die Anreicherung von Stoffwechselprodukten (Fettsäuren, Ammoniak, Schwefelwasserstoff) führt häufig zu einer Verschiebung des geschwindigkeitsbestimmenden Abbauschritts. FAL-Tec Geschwindigkeitslimitierender Abbauschritt bei der Methangärung W

8 Einflußgröße Hydrolyse/Versäuerung Methangärung Temperatur ph-wert C:N-Verhältnis Feststoffgehalt Redox-Potential Nährstoffbedarf C:N:P:S Spurenelemente C 5,2-6, < 40 %TS mv 500 : 15 : 5 : 3 keine spez. Ansprüche mesophil: C thermophil: C 6,7-7, < 30 % TS < -250 mv 600 : 15 : 5 : 3 essentiell: Ni, Co, Mo, Se Milieuanforderungen für die Vergärung von Roh- und Reststoffen W

9 Methanogene Aktivität [%] 100 Anwendungsbereich C Mesophile Methangärung Anwendungsbereich C Thermophile Methangärung Temperatur [ C] Einfluß der Gärtemperatur auf die Methanbildungsaktivität (Schematische Darstellung) W

10 Einflußgröße Hydrolyse/Versäuerung Methangärung Temperatur ph-wert C:N-Verhältnis Feststoffgehalt Redox-Potential Nährstoffbedarf C:N:P:S Spurenelemente C 5,2-6, < 40 %TS mv 500 : 15 : 5 : 3 keine spez. Ansprüche mesophil: C thermophil: C 6,7-7, < 30 % TS < -250 mv 600 : 15 : 5 : 3 essentiell: Ni, Co, Mo, Se Milieuanforderungen für die Vergärung von Roh- und Reststoffen W

11 spez. Gasertrag Feststoffgehalt [Gew.-%] Einfluß des Feststoffgehaltes auf den spez. Gasertrag W

12 Einflußgröße Hydrolyse/Versäuerung Methangärung Temperatur ph-wert C:N-Verhältnis Feststoffgehalt Redox-Potential Nährstoffbedarf C:N:P:S Spurenelemente C 5,2-6, < 40 %TS mv 500 : 15 : 5 : 3 keine spez. Ansprüche mesophil: C thermophil: C 6,7-7, < 30 % TS < -250 mv 600 : 15 : 5 : 3 essentiell: Ni, Co, Mo, Se Milieuanforderungen für die Vergärung von Roh- und Reststoffen W

13 Hemmstoff Hemmkonzentation Anmerkungen Sauerstoff Schwefelwasserstoff Flüchtige Fettsäuren Ammoniumstickstoff Schwermetalle Desinfektionsmittel Antibiotika > 0,1 mg/l O > 50 mg/l H S > mg/l HAc (ph = 7,0) > mg/l NH4 (ph = 7,0) Cu > 50 mg/l Zn > 150 mg/l Cr > 100 mg/l k.a Hemmung der obligat anaeroben Methanbakterien. Hemmwirkung steigt mit sinkendem ph-wert. Hemmwirkung steigt mit sinkendem ph-wert. Hohe Adaptionsfähigkeit der Bakterien. Hemmwirkung steigt mit steigendem ph-wert und steigender Temperatur. Hohe Adaptionsfähigkeit der Bakterien. Nur gelöste Metalle wirken inhibierend. Entgiftung durch Sulfidfällung. Hemmwirkung produktspezifisch. Hemmende und toxische Einflußgrößen W

14 Dissoziationsgleichgewicht NH /NH -N Hemmung 3 4 undiss. NH [%] NH 3 10,00 1,00 0,10 -N [%] 4 90,00 99,00 99,90 0,01 99,99 6,0 7,0 8,0 ph-wert der Methanbildung durch NH3 (Methanbildung aus Essigsäure) Hemmung [%] T = 38 C T = 30 C mg/l NH -N 3 Hemmung der Methanbildung durch Ammonium-Stickstoff W

15 - Dissoziationsgleichgewicht von H S/HS HS [%] HS 2 - [%] Hemmung der Methanbildung (Methanbildung aus Essigsäure) Hemmung [%] ph 6,8-7, ,0 6,4 6,8 7,0 7,2 7,6 8, mg/l H S (undiss.) 2 ph-wert Hemmung der Methanbildung durch Schwefelwasserstoff W

16 Dissoziationsgleichgewicht von Fettsäuren Hemmung der Methanbildung Säure undiss. [%] Säure diss. [%] 10,00 90,00 Hemmung [%] 100 1,00 0,10 Essigsäure Propionsäure 99,00 99, Essigsäure Propionsäure 0,01 99,99 6,0 7,0 8,0 ph-wert mg/l Säure (undiss.) Hemmung der Methanbildung durch flüchtige Fettsäuren W

17 Gasertrag Nl/kg ots ca. 0 Fette Cellulose Eiweiß Stärke Lignin Theoretischer Gasertrag verschiedener Stoffgruppen W

18 Stoffgruppe Biogasertrag Methangehalt Heizwert [l/kg ots] [Vol.-%] [kwh/m³] Kohlenhydrate ,0-5,5 Proteine ,0-7,5 Fette ,8-7,3 Bioabfall ,5-6,8 Nachwachsende Rohstoffe ,0-6,2 Biogasqualität in Abhängigkeit vom Gärsubstrat W

19 +4 Mittlere Oxidationsstufe von C Oxalsäure Ameisensäure Citronensäure Kohlenhydrate, Essigsäure Propionsäure Proteine Buttersäure Fette Methanol [Vol.-%] CH4 CO2 Zusammensetzung von Biogas als Funktion der mittleren Oxidationsstufe des Kohlenstoffs W

20 Biogasertrag [m³ Gas/t Substrat] Landwirtschaftliche Abfallstoffe Landwirtschaftliche Rohstoffe Außerlandwirtschaftliche Abfallstoffe FAL-Tec Biogasertrag verschiedener Gärsubstrate W Rindergülle 36 Schweinegülle 95 Futterrüben 190 Silomais 110 Weidelgras 120 Bioabfall 240 Speiseabfälle 400 Fettabscheiderrückstand 800 Altfett

21 Vergärungsverfahren Einstufenprozeß Zweistufenprozeß Reaktorkaskade einphasig zweiphasig mesophil/ thermophil thermophil/ mesophil Perkolation Fest-/Flüssig- Trennung Einteilung von Vergärungsverfahren W

22 Einstufenprozeß Biogas Biogasreaktor Zweiphasiger Zweistufenprozeß a) Perkolationsverfahren Biogas Biogasreaktor Zweistufenprozeß Biogas Hydrolyse/ Versäuerung Hydrolyse/ Versäuerung Biogasreaktor b) Fest-/Flüssig-Trennung Reaktorkaskade Biogas Biogasreaktor Biogas Biogasreaktor Biogasreaktor Hydrolyse/ Versäuerung f fl Schematische Darstellung verschiedener Vergärungsverfahren W

23 Zusammenfassung und Ausblick Die Kenntnis der mikrobiellen Stoffwechselvorgänge ist für Auslegung und Betrieb von Biogasanlagen unerläßlich. Hohe Raum-Zeit-Ausbeuten und stabile Prozeßbedingungen sind nur bei Berücksichtigung der mikrobiellen und biochemischen Einflußgrößen möglich. Eine nachhaltige Produktion von Biogas ist langfristig wirtschaftlich nur dann erreichbar, wenn das Wertschöpfungspotential von Biomasse durch Optimierung der Prozeßbiologie maximal genutzt wird. ZNR Biogastagung, Bad Sassendorf-Ostinghausen,

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

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