Hydrolytische Enzyme zur Erhöhung der Effizienz der Vergärung

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Kristin Ackermann
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1 Hydrolytische Enzyme zur Erhöhung der Effizienz der Vergärung Matthias Gerhardt * & Dorothea Telschow ** * BIOPRACT GmbH ** Cowatec AG Fachtagung Biogas 2008 Entwicklungen und Erfahrungen aus der Praxis 23. Oktober 2008, Potsdam

2 Produktion und Charakteristik von MethaPlus Der Abbau von Karton innerhalb von zwei Wochen: ohne MethaPlus mit MethaPlus (100 mg/kg TM) 2

3 3

4 Die Grundlagen des Biogasprozesses Essigsäure, H 2, Propionsäure, Buttersäure,... Essigsäure, H 2 CH 4 METHANOGENESE ACETOGENESE Fette, Polysaccharide Proteine Fettsäuren, Mono-, Oligozucker Aminosäuren HYDROLYSE ACIDOGENESE dch 4 dt ds dt dfs dac = k 1 = k 2 = k 3 dt dt = k 4 dh 2 dt 4

5 Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess Theoretische / Praktische Biogaserträge für unterschiedliche Substrate Nm3/t Nm3/t Potenzial Tatsächlich 800 Nm3/t 600 Nm3/t 400 Nm3/t 200 Nm3/t 0 Nm3/t 1 Remainin gstochiometric potential for gas/meth ane formation 2 All Refe rence ofpr actical gas/methane yield results, KTBL (Ed.). 05. Gasausbeute in 2 landwirtschaftliche nbiogasanla gen. Kuratorium fr kund Bauwesen Techni inde r Landwirtschaft Darmstadt e.v. 5

6 Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess Beispiel: Zusammensetzung von Maissilage Starch (37%) NSP (51%) Fat (2%) Protein (8%) Lignin (2%)

7 Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess NSP sind Polysaccharide, sie erfordern für ihre Verwertung die (enzymatische) Hydrolyse zu Oligomeren / Monomeren NSP behindern auf Grund ihrer Struktur den Abbau enthaltener leicht abbaubarer Substanzen ( Käfigeffekt ) NSP führen zu einem Anstieg der Viskositäten und begrenzen die möglichen Trockenmassegehalte NSP: Nicht-Stärke-Polysaccharide 7

8 Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess Enzyme sind der Schlüssel der Hydrolyse polymerer Substrate Wird durch den Zusatz von Enzymen der Prozess beeinflusst? Fette Fettsäuren Polysaccharide (Mono) Zucker Essigsäure Methan Proteine Aminosäuren Wasserstoff Enzyme Endogener Mikroben Externe Enzyme 8

9 Der Einsatz von MethaPlus im Biogasprozess Die Antwort ist: Ja! Steigerung der Gesamtgasbildung / Steigerung der Geschwindigkeit Substanzielle Abnahme der Viskosität im Fermenter + 15 % Gas - 50 % in 3 h 9

10 Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess Enzymsynthese im anaeroben System Die Energieausbeute anaerober Reaktionen ist gering Enzyme zur Hydrolyse von Polymeren sind an der Zellwand der Mikroorganismen einzeln oder verbunden als Cellulosom gebunden oder lose an der Zellwand adheriert oder in geringen Mengen in freier Form ausgeschüttet Geringe Effizienz

11 Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess Enzymsynthese im aeroben System Die Induktion der Bildung und Ausschüttung erfolgt bei Mangel an leicht abbaubaren Substraten Die gebildeten Enzyme werden in das Medium ausgeschieden Die Hydrolyse der Polymere erfolgt im freien Medium Die Zellen nehmen die entstandenen Spaltprodukte (Mono- und Oligomere) über die Zellwand auf Die aerobe Enzymsynthese ist die Basis der industriellen Produktion

12 Produktion und Charakteristik von MethaPlus Preserved Strain Shaker Culture Inoculation Culture Fermentation Cell Removal Concentration Stabilisation Drying Fluid Product Solid Product 12

13 Praxis des Einsatzes von Enzymen Bewertung einer Biogasanlage Visuelle Beurteilung der Ausrüstungen und des Hofes Hersteller der Anlage Betriebsführung (Betriebstagebuch, Wartung, Bilanzierungen) Biologische und technische Analytik/Beratung Ableitung des Handlungsbedarfes ready for MethaPlus? Bewertung der Leistung / Funktion Substrateinsatz (Natur, Menge, Fütterungsregime, Messung) Basisverfahren, Fermentervolumina, Rezirkulation Biogas- / Methan- / Stromproduktion Substratbezogene Biogasausbeute Verweilzeit / Faulraumbelastung / Produktivität Ableitung der Leistungsreserven Einsatz MethaPlus 13

14 Der Einsatz von MethaPlus im Biogasprozess Praxiseinsatz

15 Der Einsatz von MethaPlus im Biogasprozess In der Praxis: Steigerung der Biogasbildung g MethaPlus /t odm x d + 19,7 % gas Biogasanlage #10057: 760 m 3 fermentor, 145 kw el. detected gas production: Gemessene Gasproduktion expected gas production: kalkulierter Gasertrag (KTBL) 15

16 Schubspannung (entspr. Kraft) Der Einsatz von MethaPlus im Biogasprozess In der Praxis: Viskositätssenkung BGA Pitschütz / BGA Löbnitz 25 Pa Fließverhalten Fermenterinhalte (Vgl. BGA Pitschütz und BGA Löbnitz) 20 Pa Löbnitz (vor MethaPlus-Einsatz) 15 Pa 10 Pa 5 Pa "Viskosität = 136 mpa.s "Viskosität" = 37 mpa.s Pitschütz (mit MethaPlus-Einsatz) 0 Pa 0 1/s 50 1/s 100 1/s 150 1/s 200 1/s 250 1/s 300 1/s 350 1/s 400 1/s 450 1/s 500 1/s Schergefälle (entspr. Drehgeschwindigkeit) 16

17 Der Einsatz von MethaPlus im Biogasprozess In der Praxis: Steigerung der Biogasbildung t Enzym + 18 % Biogas 30 t Substrat m³ Biogas Bessere Substratumsetzung / schnellere Hydrolyse = mehr Biogas Einsetzbarkeit faserreicher Substrate Verbesserte Wirtschaftlichkeit der Biogasanlage Reduzierte Methanemissionen des Gärrestes

18 Der Einsatz von MethaPlus im Biogasprozess Wirtschaftlichkeit des Enzymeinsatzes Position 100 kw 500 kw Vergütung nach EEG (NaWaRo, TF) 0,175 /kwh 0,159 /kwh Gülle 8,0 t FM/Tag 40,0 t FM/Tag Maissilage 6,7 t FM/Tag 32,0 t FM/Tag ots Zulauf 2,6 t otm/tag 12,6 t otm/tag Gasproduktion standard (KTBL) Gas mit MethaPlus (+18%) MethaPlus Einsatz (100 g/t otm) 85 kg/jahr 427 kg/jahr Erlös Standard /Jahr /Jahr Erlös mit MethaPlus (+18%) /Jahr /Jahr Aufwendungen MethaPlus (32,80 /kg) /Jahr /Jahr Nettoerlös /Jahr /Jahr 18

19 MethaConcept - Erfolg mit Biogas MethaPlus Das Enzymkonzentrat zur Aufspaltung pflanzlicher Fasern. Der Gasertrag steigt, die Viskosität im Fermenter verringert sich. MethaTrace Das Spurenelementekonzentrat zur Stabilisierung des biologischen Prozesses. Optimale Bedingungen für die Mikroorganismen sorgen für eine höhere Effizienz der Biogasanlage. MethaServ Das Servicepaket für Beratung und Laboranalyse. Die Betreuung Ihrer Biogasanlage in erfahrenen Händen. 19

20 BIOPRACT GmbH Dr. Ing. Matthias Gerhardt Magnusstrasse 11 Dipl. Ing. Vincent Pelenc Berlin Dipl. Ing. Torsten Unmack BIOPRACT, Partner der Vertrieb: Salvana Tiernahrung GmbH EnergyPlus Service GmbH (Cowatec AG) Öko Gas Produktions- und Handelsges. M.b.H., Österreich Novaenergo, Tschechien

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