Zweistufige Bioreaktoranlage zur Vergärung überwiegend fester Rest-Biomasse

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Hartmut Förstner
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1 Zweistufige Bioreaktoranlage zur Vergärung überwiegend fester Rest-Biomasse vorgestellt von Prof. Dr.- Ing. Marcus Kiuntke Lehrgebiet: Bioenergie-Ingenieurwesen mit Schwerpunkt Biogas 1

2 Zielsetzung Nachhaltige Nutzung biologischer Ressourcen: Energieträger auf der Basis von Biomasse bzw. Restbiomasse energetische Nutzung von Biomasse, ohne Einschränkung der Nahrungsmittelproduktion Vergärung von Rest-Biomasse: Festmist aus der Agrarwirtschaft insbesondere Rinder-, Pferde-, und Geflügelmist aber auch Pflanzenrückstände Co-Vergärung: Flüssigkomponenten z.b. Melasse, Glycerin, Schlempe, 2

3 Zielsetzung und Konzeption Zielsetzung: Optimierung der Biogasausbeute insbesondere bei faserstoffreichen Inputstoffen wie biogenen Abfällen, aber auch Rindermist, Geflügelmist, Zusatz von Flüssigkomponenten Konzeption: Unterschiedliche Reaktionsstufen für biologische Teilschritte mit jeweils ähnliche Optimal- Bedingungen (1) Hydrolyse und Acidogenese und (2) Methanisierung und Acetogenese Prozessparameter separat einstellbar: Temperatur, ph-wert, Substrate, Substratverweilzeiten und getrennt optimierbar 3

4 Prozessparameter Versäuerung Methanisierung Bioverfügbare Stoffe: Kohlenhydrate Fette & Eiweiße Bakterien- Biomasse H 2 CO 2 NH 3 H 2 S Essigsäure Propionsäure Buttersäure Alkohole andere org. Verbindungen Bakterien- Biomasse H 2 CO 2 Essigsäure Bakterien- Biomasse Methan CO 2 Biogas Fermentative Bakterien Acidogene Bakterien Acetogene Bakterien Methanogene Bakterien Optimal Werte: ph < 6, T = C O 2 -Toleranz: Obligat oder fakultativ Generationszeit: 20 min bis 1,5 Tage Optimal Werte: ph 7-8, T = C O 2 -Toleranz: streng obligat Generationszeit: 5 bis 15 Tage 4

5 Verfahrenstechnik Anforderungen: Unterschiedliche optimale Milieubedingungen einstellbar z.b. saures Milieu für Hydrolyse und Versäuerung beteiligten Mikroorganismen, neutrales bis schwach basisches Milieu für Methanbakterien, Verweilzeiten Verfahrenstechnische Lösungsmöglichkeit: 2-stufiger fest-flüssig-biogasprozess Anlage: Versäuerungsstufe: Diskontinuierlich betriebener Perkolator Trockenvergärung Methanisierungsstufe: Kontinuierlich betriebener Gasliftreaktor Nassvergärung 5

6 Warum Trockenvergärung? Vergleich zur Nassvergärung: Kleinere Reaktorvolumina durch höhere Raum-Zeit-Ausbeuten % geringerer Prozessenergiebedarf: Kleine Stoffströme, kein Rühren, geringerer Eigenwärmebedarf Hohe Betriebssicherheit: Stabile Prozessbiologie, relativ unempfindlich gegenüber Störstoffen, keine Schwimm- und Sinkschichten Sehr gute Gasqualität: Erfahrungsgemäß niedrige H 2 S-Gehalte 6

7 Anlagenfließbild Rücklauf versäuertes Perkolat Schlamm Perkolator Ablauf Gasliftreaktor 7

8 Anlagenfließbild Produktgas Gas aus 1. Stufe Beregnung Gasumlauf Perkolator Gasliftreaktor 8

9 Versäuerung Perkolator Gashaube Gasleitung Düsenstock Substratwanne für 150 L Substrat Auffangtrichter Perkolatbehälter Zulaufpumpe 2. Stufe Externer Wärmetauscher 9

10 Methanisierung Gasliftreaktor Überlauf 0,6 m Außenrohr 1,9 m 450 Liter Tauchrohr Heizung doppelwandig Begasung: Möglichst vollständige Durchmischung gasförmiger H 2 Flüssigphase für Methanisierung nutzbar 10

11 Gesamtanlage Perkolatbehälter Zulaufpumpe 2. Stufe Ablauf (Überschuss) 11

12 Geplante Versuche Modularer und transportfähigen Aufbau Versuche im Technikum und im Feld möglich Test mit verschiedene überwiegend festen faserstoffreichen Substraten Zugabe flüssiger Substrate Steuerung der Gasbildungsrate durch gezielte Steuerung des Zulaufs zur Methanisierung Bestimmung reaktionskinetischer Parameter Ableitung von Scale up Kriterien 12

13 Vielen Dank! 13

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