Strohaufbereitung durch Silierung

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1 Strohaufbereitung durch Silierung Walter Stinner (DBFZ), Harald Wedwitschka (DBFZ), Andreas Zehnsdorf (UFZ), Lucie Möller (UFZ), Vasco Brummer (HfWU), Carsten Herbes (HfWU), Markus Roehl (HfWU), Sandra Roth (HfWU) Anklam Bioethanol GmbH

2 Inhalt 1) Ausgangsituation sowie Stand von Forschung und Technik 2) Durchführung der eigenen Versuche 3) Ergebnisse und Ausblick 2

3 Ausgangssituation/Stand der Forschung - Alleine das Potential an Getreidestroh beträgt pro Jahr über 8 Mio t TM (Deutschland, Mittelwert: ). - Positive Erfahrungen aus dem Projekt Aquamak mit Mischsilagen aus Stroh und Wasserpflanzen - Stroh gilt als eines der für den Biogasprozess am schwersten abbaubaren Substrate (Gasausbeute und Nutzung aktuell weit von theoretischen Potenzialen entfernt Lignozellulosekomplex ) 3

4 Getreidestroh: 8,5 Mio t TM 4

5 Stand der Forschung: Lignozellulose - Lignozellulosekomplex besteht aus Mikrofibrillen (SDM: 435µm). Aufbau (von innen nach außen): Zellulose (kristallin und amorph) - Hemizellulose - Lignin Aufschluss schwierig Lignin wird anaerob nicht umgesetzt - Anteile am Komplex: 44,60-54,51 % Zellulose; 18,50-26,00 % Hemizellulose; 26,99-30,69 % Lignin 5

6 Stand der Technik: Aufschlußverfahren Mechanische Aufbereitung (Häckseln, mahlen, extrudieren, Nasszerkleinerung) (Bio-)chemische Aufbereitung: (z.b. Enzyme oder Pilze >Ertrag +~30 %) Chemische Aufbereitung : Laugen / Säuren (Ertrag +43 %) Thermische Dampfaufbereitung: Ertragsteigerung von 20 % 6

7 Forschungsansatz: Silierung - Verbesserungen der Abbaufähigkeit von Stroh: Durch Quellung bessere Zugänglichkeit für Enzyme und Bakterien Voraufschluss (niedriger ph, ) Siliertes Stroh schwimmt weniger stark auf (höhere Dichte durch Wassereinlagerung) und wird im Fermenter leichter untergerührt 7

8 Versuchsdurchführung: Mechanische Vorbehandlung - Häckseln des Stroh als Minimalvariante Kleinere Partikelgrößen Oberflächenvergrößerung - Strohextrusion (Abb. rechts) Intensivere Zerkleinerung Aufbrechen der Oberfläche Erhöhung Saug- und Verdichtungsfähigkeit Bioextruder der Firma LEHMANN und aufbereitete Strohproben (Fotos Lehmann) 8

9 Versuchsdurchführung: Silagevarianten - Unsiliertes Stroh als Referenz (86 %TS - Silierung bei Trockensubstanzen von 30 bzw. 45% TS - gehäckseltes / gemahlenes Stroh (Weizenstroh) - Kombination mit verschiedenen Silierhilfsmitteln: ohne Behandlung Enzympräparat Chemische Silierhilfsmittel auf Basis von Ameisensäure und Propionsäure Enzyme + Chemische Silierhilfsmittel Chemische Silierhilfsmittel + Biologische Silierhilfsmittel (Milchsäurebakterien) Enzyme + Chemische Silierhilfsmittel + biologische Silierhilfsmittel Enzyme + Biologische Silierhilfsmittel Zuckerlösung+ Biologische Silierhilfsmittel 9

10 Ergebnisse: Methanausbeute (nach VDI 4630) (I) Übersicht 10

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12 Ergebnisse: (II) extrudiert / gehäckselt 12

13 Ergebnisse: Extruieren / häckseln 13

14 Ergebnisse: (III) 30% TS / 45 % TS 14

15 Ergebnisse: 30% TS / 45 % TS 15

16 Ergebnisse Silierung mit positivem Effekt auf den Lignozelluloseaufschluß > 34-53% Mehrertrag ohne Silierhilfsmittel Varianz im Ertrag bei den meisten Ansätzen (noch) hoch. Z.B. gehäckseltes Stroh mit 45% TS (215,6 269,3 ml i.n /g ots ) Höchster Ertrag (> 270 ml i.n /g ots ) aus Proben mit auf 30% TS angefeuchtetem, extrudiertem Stroh. Die höchste Methanausbeute (279,5 ml i.n /g ots ) lag bei 91 % des üblichen Wertes von Maissilage (306 ml i.n /g ots ) 16

17 Ausblick / Potenziale Weitere Aufgaben für Forschung und Entwicklung hohe Varianzen bedürfen weiterer Untersuchungen Effizienzsteigerung über gesamte Prozessketten Weiterentwicklung der Erntetechnik: Komplettes Ernten des Strohs mit Unkrautsamen, Bruch- und Schmachtkorn höhere Gasausbeute pro Hektar bessere Feldhygiene 17

18 Strohaufbereitung durch Silierung Ansprechpartner Dr. Walter Stinner Tel. +49 (0) DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH Torgauer Straße 116 D Leipzig Tel.: +49 (0)

19 Messung der Biogaspotentials mittels Eudiometer Eudiometer-Batchtests zur Bestimmung des Biogasbildungspotentials nach VDI

20 Stand der Technik: Aufschlußverfahren Mechanische Aufbereitung (Häckseln, mahlen, extrudieren, Nasszerkleinerung) (Bio-)chemische Aufbereitung: (z.b. Enzyme oder Pilze >Ertrag +~30 %) Chemische Aufbereitung : Laugen / Säuren (Ertrag +43 %) Thermische Dampfaufbereitung: Ertragsteigerung von 20 % Anwendungsbeispiel: - Vorbehandlung mit Dampf (+Zusätze: z.b. Säure und/oder Enzyme) gängige Praxis. Erträge: Dampf + verdünnte Säure (Phosphor): 250 mli.n/gots; Dampf + verd. Säure + Enzyme: 280 mli.n/gots 20

21 Quellen Glaser, R. (2015b) Enzyme-based lignocellulose hydrolyzation Sauter mean diameterof raw materials as a basis for cellulase performance characterizationand yield prediction - Journal of Biotechnology 214 (2015) 9 16 Longjian Chen, Aiwei Li, Xueqin He, Lujia Han (2015) A multi-scale biomechanical model based on the physiological structure and lignocellulose components of wheat straw - Carbohydrate Polymers 133 (2015) Valentine Nkongndem Nkemka, Marika Murto (2013) Biogas production from wheat straw in batch and UASB reactors: The roles of pretreatment and seaweed hydrolysate as a co-substrate - Bioresource Technology 128 (2013)

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