Abfalltechnische Erweiterung von Bioabfallbehandlungsanlagen für die Herstellung biobasierter Produkte

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1 Abfalltechnische Erweiterung von Bioabfallbehandlungsanlagen für die Herstellung biobasierter Produkte Datum: Kontakt: Universitätsklinikum Jena, Stabstelle Umweltschutz Umweltschutz-, Abfall-, Gefahrgutbeauftragter Dr.-Ing. Marc Hoffmann Botzstraße 3, Jena 1

2 Aufbau Einleitung Zielstellung der Arbeit Mazeration, Mazerat Produktion Potentialabschätzung Mazeration zur Gewinnung biobasierter Produkte Eignungsprüfung über Erweiterungsoptionen am Beispiel einer Kompostierungsanlage 2

3 Einleitung - BRD: Energiewende und Senkung der Treibhausgasemissionen : 10,9 %-Anteil (275 TWh) an Erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch BRD - Biomasse ist ein vielseitiger Erneuerbarer Energieträger zur Strom- und Wärmeerzeugung - die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einem Teil der Biomasse: den biologisch abbaubaren Siedlungsabfällen Bioabfall - Behandlung in ca Kompostierungs- und ca. 100 Bioabfallvergärungsanlagen - Anschluss von ca. 60 % der Haushalte an die getrennte Sammlung von Bioabfällen Biotonne - Ausbau der getrennten Sammlung von Bioabfällen bis Erweiterung: Anlage mit Vergärung als Vorschaltanlagen Konzept der Arbeit: Weiterentwicklung der Bioabfallbehandlungsverfahren und der Produktverwertung für getrennt erfasste Bioabfälle Implementierung einer Bypass-Technologie in das Verwertungsverfahren Kompostierung durch Mazeration und Mazerat-Fermentation mit zusätzlicher Gewinnung von biobasierten Produkten Quelle: 3

4 Einleitung - Potential durch die Gewinnung von biobasierten Produkten aus biogenen Quellen Wertschöpfung durch Stoffumwandlung in Chemikalien vor einer Biogasgewinnung - Biokonversion - Ein innovatives Produkt der flüssigen Gärphase ist die Gewinnung von Milchsäureprodukten - Unterdrückung der Methanbildung Quelle: 4

5 Einleitung - Milchsäure (MS) Summenformel: C 3 H 6 O 3 - Stoffwechsel durch Milchsäurebakterien: + homofermentative MS-Bakterien bilden zu 90 % Lactat + heterofermentative MS-Bakterien bilden Milchsäure und CO 2 sowie Essigsäure - Vorkommen: rechtsdrehende L(+)-MS, linksdrehende D( )-MS, DL-Milchsäure (Racemat) - MS-Anwendung: Chemikalien-, Lebensmittel-, Kosmetikindustrie und ist Vorstufe und Produkt zur Herstellung des Biopolymers Polymilchsäure (PLA) - MS-Produktion weltweit: ca Mg in VDI: Untersuchung zu Potenzialen einer biobasierten Chemie-Wirtschaft - Biobasierte Plattformchemikalien werden als Ausgangsstoff für chemische Produkte genutzt - VDI: 26 Plattformchemikalien mit besonderem Substitutionspotenzial 5

6 Zielstellung der Arbeit - Herausarbeitung der wissenschaftlich-technischen und technologischen Grundlagen zur Generierung biobasierter Produkte aus Bioabfall - Erweiterung einer konventionellen Bioabfallverwertungsanlage mit Bypass-Reaktor, Entwurfsgedanke Bioraffinerie biobasierte Produkte 6

7 Zielstellung der Arbeit - Herausarbeitung der wissenschaftlich-technischen und technologischen Grundlagen zur Generierung biobasierter Produkte aus Bioabfall - Erweiterung einer konventionellen Bioabfallverwertungsanlage mit Bypass-Reaktor, Entwurfsgedanke Bioraffinerie - energetische Potenzialabschätzungen am Beispiel der Kompostierungsanlage in Darmstadt-Kranichstein - Mazerat-Charakterisierung: verschiedenen Versuchsreihen (VR) - Untersuchungen im Labor-, Technikums- und Großmaßstab - Technikumsmaßstab: Erkenntnisgewinn für Reaktionsverläufe der freien Mazeratversäuerung - Versuche zur Säurebildung unter aerotoleranten und mikroaerophilen Bedingungen - Elektrodialyse (ED) als Demonstration eines Bypass-Reaktors zur Generierung der Säure-Produkte - Analyse der Säure-Produkte zuzüglich der Syntheseprodukte durch Schnelltest (photometrischer Küvettentest) und externer HPLC- und GC-MS-Laboranalysen 7

8 Mazeration, Versuchsanlage mit Waschspirale - Mazeration: lat. macerare einweichen - Transferiert in die Abfalltechnik beschreibt Mazeration das physikalische Verfahren, wobei Bioabfall einige Zeit der Einwirkung von Wasser ausgesetzt wird - Wasser dient als Lösungsmittel für leicht lösliche Stoffe - Bioabfall wird nicht vollständig aufgelöst, sondern nur bestimmte Bestandteile davon gehen in das Wasser über Da das Bioabfallmaterial lebt und enzymatische und damit chemische Vorgänge auch in kurzen Zeitabschnitten ablaufen, wird der Begriff der Mazeration verwendet - Versuchsanlage mit Waschspirale ca. 2,00 m ca. 1,20 m ca. 2,20 m 2,60 m Aufgabebunker Antrieb (FU) ca. 2,2 kw Überlauf Pumpe Brauchwasser zum Fermenter Brauchwasser ca. 1,00 m Waschspirale Ø = 0,3-0,35 m Länge ca. 6,00 m Brauchwasser Berieselungszone ca. 2,00 m Frischwasser Berieselungszone ca. 1,00 m ca. 2,00 m Bunkerauswurf U 300 Brauchwasserbehälter Filter Entwässerungszone Austrag 8 Antrieb (FU) ca. 2,5 kw 8-12 U/min

9 Mazeration, Versuchsanlage Funktionsweise Mazerat Bypass-Reaktor 9

10 Mazeration, Herkunft der Bioabfälle 1 Bioabfall Regelsammlung der Stadt Darmstadt, Stichprobenumfang n = 9 2 Bioabfall Darmstadt, Stadttour 22, Stichprobenumfang n = 4 3 Gewerblicher Bioabfall der Stadt Darmstadt, Stichprobenumfang n = WG, MW [%] 54,7 59,7 80,7 GV, MW [%] 51,8 63,6 88,2 Abbauleistung [%] spez. Biogaspotential Nl/kg(FM) ca. 140 ca. 120 Bsp. für 2 Bsp. für 3 - spezifisches Biogaspotential < theoretischer Biogasertrag 10

11 Technikumsmaßstab Mazerat-Versäuerung - Verlauf Milchsäure- und org. Säuren-Konzentration, Schnelltest-Analyseergebnisse - ph-wert-senkung für alle Versuchsreihen dokumentiert - trotz sporadischer Messergebnisse: ein spezifischer Anstieg der Konzentrationen ist erkennbar 11

12 Mazeratuntersuchungen: Großmaßstab Fermenterbetrieb - weitere Gärprodukte für signifikante Fermentationszustände - Headspace-GC-MS-Screenings im Fermentat für die Untersuchungstage 60, 95 und 108 Verbindung Tag 60 Tag 95 Tag 108 Capronsäureethylester Heptansäureethylester Octansäureethylester Bereich [mg/l] Bereich [mg/l] Bereich [mg/l] Octansäure

13 Elektrodialyse Labormaßstab - Elektrodialyse (ED) ist ein elektrochemischer Trennprozess - prinzipielle Erprobung des Verfahrens zur Produktaufreinigung und Produktkonzentration - Untersuchungsmaterial: Mazerate, Fermentat und flüssige Phasen von Bioabfall - Aufbereitung: Zentrifuge, Filter und Kationenaustauscher - Labor Elektrodialyseanlage (FT-EDS2), Firma fumatech - manuelle Batch-Betrieb Versuche im Labormaßstab - Die Probelösungen sowie die Elektrodenspülungen wurden über Prozessbehälter (V = ca. 6 L) mittels Kreiselpumpen über das ED-Modul geleitet - Monopolare-ED und Bipolare-ED 13

14 Elektrodialyse bipolar - HPLC-Analysen der Carbonsäuren und Transfer in der Säurekammer, Versuchsreihe 6 Eine Säureabtrennung lässt sich labortechnisch mit dem Verfahren der Elektrodialyse nachweisen. 14

15 Potentialabschätzung Mazeration Gewinnung biobasierter Produkte - qualitativen Einschätzung und quantitativen Wertung des Mazerationsverfahrens erfolgt auf der Grundlage dieser Arbeit - Potentialabschätzung zur Gewinnung von biobasierten Produkten auf Grundlage der Milchsäure-Gärung und Capronsäure-Gärung - Mazeratproduktion: Bioabfall allgemeiner Qualität am Beispiel der Darmstadt Tour 22 - Kalkulation erfolgt auf Grundlage der Massen- und Energieflüsse - Bioabfalldaten der Stadttour 22: spezifisches Biogaspotential von 143,5 Nl/kg(FM) - Heizwert Biogas: circa 6 kwh/m 3 - spezifische Biogaspotential Mazerat: Grundlage der energetischen Betrachtungen der potentiellen biobasierte Produkte - Potentialabschätzung mit Annahmen im Mazerat: Milchsäure-Generierung: 5,5 g/l Capronsäure-Gärung: 1 g/l Capronsäure und 4 g/l Octansäure 15

16 Potentialabschätzung Mazeration Gewinnung biobasierter Produkte - Potential der Säure-Produkt-Gewinnung durch Mazeration für Bioabfälle, Basis 1 Mg Bioabfall (FM) 16

17 Eignungsprüfung über Erweiterungsoptionen: Kompostierungsanlage DA - Eignungsprüfung: Potentialdarstellung zur Gewinnung von biobasierten Produkten - Nutzung der vorhandenen Infrastruktur und Technik - Bioabfallinput: jährlich circa Mg - Herhof Boxenverfahren in 2 Rottedurchgängen - elektrische Energieverbrauch 2010: circa 40 kwh je Mg Bioabfall (FM) - Vergärung für Teilströme in einer Bypass-Anlage - holzigen Bioabfallanteile: externen thermischen Verwertung Quelle: Quelle: 17

18 Eignungsprüfung über Erweiterungsoptionen: Kompostierungsanlage DA 58,9 TJ/a = = 28 Mg/a = 400 m 3 /d 1 kwh = 3,6 MJ 1 MJ = 0,277 kwh 18

19 Die wissenschaftliche Untersuchung wurde von der Deutsche Gesellschaft für Abfallwirtschaft e.v. gefördert. Herzlichsten Dank! Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 19