Fermentationstechnik zur Erhöhung der Biogasausbeute

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1 Fermentationstechnik zur Erhöhung der Biogasausbeute 1. Einleitung 3. Technische Gestaltungsmöglichkeiten 4. Zusammenfassung Prof. Reinhard Pätz Lehrstuhl für Bioprozesstechnik Fachbereich BWP Hochschule Anhalt (FH) / 1

2 1. Einleitung - Titel = neuer Fermentor? - Vielfalt enorm - In der Landwirtschaft eher flache, großflächige Reaktoren - Für gewerbliche Abfälle eher hohe Formen - Umwälzung meist Rührer Bioreaktionstechnik im Vordergrund 2

3 1. Einleitung 1. Stufe: Hydrolyse 2. Stufe: Acidogenese (Säurebildung) 3. Stufe: Acetogenese (Essigsäurebildung) 4. Stufe: Methanbildung Jede Stufe: besondere Mikroorganismen Jede Stufe: besondere Optima (ph, T, etc) Jede Stufe: unterschiedliche Wachstumsgeschwindigkeiten der Mikroorganismen 3

4 Hydrolyse Methanbildung Substrat methanogenes Substrat Methan NH3, H2 S (CO2,H2 ) Methanogenes Substrat = Nahrung für solche MO, die Methan bilden GH: Geschwindigkeit der Hydrolyse GM: Geschwindigkeit der Methanbildung Stabiler Prozess: GH = GM (GH < GM) Instabiler Prozess: GH > GM (Anreicherung = Hemmung) 4

5 TS ots CSB FOS KN Beschreibung: PO4-P Summenparameter : Trockensubstanzgehalt (Wärme!) : organischer TS (TS Asche) : Chemischer Sauerstoffbedarf :Flüchtige Org. Säuren (wfs) = ΣES+PS+BS : KJELDAHL-Stickstoff (alle -NH2) Eiweiß, Ammoniak (H-NH2), Harnstoff : Phosphat-Phosphor CSB: KN: Po4-P = 300 : 5 : 1 5

6 Verweilzeitverhalten Verweilzeit t = durchschnittliche Aufenthaltszeit eines Teilchens im Fermentor 1. t = mr /mzu mr : Masse im Fermentor in t mzu : Zulaufmassestrom in t pro h (od. d) Zulaufmassestrom = Summe aller Zuläufe in den Fermentor 2. th = VR / Vzu bei Dichten annähernd gleich kg pro kbm (1 g/ml) VR : Füllvolumen des Reaktors in kbm Vzu : Volumenstrom Eintrag in kbm pro h (d) Zulaufvolumenstrom = Summe aller Volumenströme 6

7 Schlammregime Behandlungsstufen Teilrückführung mehrstufig Diskont. (konst.zulauf) zweistufigunterschiedlich Biomasserückhaltung Diskont. (variable Zulauf) Betriebsweise Reaktionstemperatur Durchflussbetrieb Biomasserückführung einstufig kontinuierlich mesophil zweistufig quasikontinuierlich thermophil 7

8 2. th = VR / Vzu Zulaufvolumenstrom = Summe aller Volumenströme a) GH, GM je kürzer Verweilzeit, umso geringer ist Umsatz Umsatz = Menge an verbrauchtem Substrat / Substrat gesamt Modell LINKE: ln [(bmax- b(t)]/bmax = - k1 t bmax = Maximal mögliche Biogasmenge b(t) = Biogasmenge zum Zeitpunkt t bmax aus Abbaukurven k1 spezifische Biogasbildungsrate 8

9 9

10 10

11 Zwei Probleme: Konstanz der Substratzusammensetzung Änderung Verhältnis Kohlenhydrat zu Eiweiß = Änderung in summarischer Biogasbildungsrate Realität: nicht Totalauszehrung d.h. neue Substratzugabe, obwohl vorheriges Substrat noch nicht vergoren Gut für erste Überschlagsrechnungen bezüglich Gesamtgeschwindigkeit GM 11

12 2. th = VR / Vzu Anlagen mit Biomasserückführung bei NawaRos Biomasserückführung verkürzt hydraulische Verweilzeit a) GH, GM je kürzer Verweilzeit, umso geringer ist Umsatz Umsatz = Menge an verbrauchtem Substrat / Substrat gesamt b) Wachstumsgeschwindigkeit der MO wenn hydraulische Verweilzeit kürzer als Verdopplungszeit, dann werden MO ausgetragen 3. Schlammalter = Schlammverweilzeit ts = mr /mab mr : Masse im Fermentor in t mab : Austragmassestrom in t pro h (od. d) 12

13 3. Technische Gestaltungsmöglichkeiten 1. Rückführstrategien: - Totalrückführung Temperierung im Außenkreislauf; Korrekturmittel - Feststoffrückführung Umsatzerhöhung (Senkung der spez. Ausbeute) - Flüssigkeitsrückführung Einmaischen von nicht pumpfähigen Substraten - In jedem Fall: Trennung von hydraulischer Verweilzeit und Schlammverweilzeit 13

14 3. Technische Gestaltungsmöglichkeiten 2. Rückhaltestrategien: - Feststoff/Biomasserückhaltung durch technische Maßnahmen (Austrag über Schrägklärer) - Feststoff/Biomasserückhaltung durch Prozessführung ASBR ZOBES Anaerobic Sequencing Batch Reactor Technology Vergären-Absetzen-Teilentleerung-Substratzugabe - Biomasseimmobilisierung (Trägerbiologie) 14

15 4. Zusammenfassung 1. Verweilzeiten sind wichtige Größen für Erfolg oder Misserfolg der Vergärung 2. Rückführungen sind genau zu überlegen 3. Bei Änderung der Substratzusammensetzung ändert sich optimale hydraulische Verweilzeit und optimales Schlammalter 4. Bei Rückführungen bzw. Rückhaltungen kann es zu Hemmstoffanreicherungen kommen 5. Erhöhung Umsatz nicht gleichbedeutend mit optimaler Ausbeute 6. Jede Technologie kann optimiert werden 15

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