Optimierung des Fermentationsprozesses bei der Vergärung nachwachsender Rohstoffe

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1 ptimierung des Fermentationsprozesses bei der Vergärung nachwachsender Rohstoffe Dr.rer.nat. Hubert Zellmann Dr.-Ing. Hans Friedmann Energieerzeugung aus Biogas derzeit: ca. 450 MW installierte Leistung und eine tromerzeugung von ca. 0,5 % des Verbrauchs in Deutschland Ausbauziel 2020: MW (10 große KKW) und 17 % der tromerzeugung Biogasanlage zur Wärmeversorgung eines Klosters ersetzt über l Heizöl pro Jahr Positiver Nebeneffekt: Dezentrale Nutzung der BHKW- Abwärme! 1

2 Biogasanlage Fürstenwalde / pree Inbetriebnahme 1998 Gasmotoren mit 1340 kw el. Abfallverarbeitung (Bioabfall, TNP, Marktabfälle, Fettabscheider usw. Kapazität: t/a Dünger zur landwirtschaftlichen Nutzung Flüssigdünger Feststoffdünger 2

3 Biogasanlage Redingen Inbetriebnahme: 2003 Leistung: 700 kw el. Abwärmenutzung in öffentlichen Gebäuden ubstrate: Festmist Gülle ilage Besonderheit: Düngemanagement und Trinkwasserschutz Wärmeabnehmer chwimmbad 3

4 NaWaRo-ilo für die BGA Redingen Produkte der NaWaRo-Vergärung Mineraldüngerersatz durch Flüssigdüngernutzung Feststoffdünger aus Maissilagevergärung 4

5 Prozessoptimierung tufenmodell der Methangärung Ib Wasserstoff Kohlendioxid Essigsäure Biomasse: Protein Kohlenhydrate Fette Nukleinsäuren Ia Aminosäuren Zucker Glycerin Fettsäuren Nucleotide Ib IIIa IIIb Methan Kohlendioxid chwefelwasserstoff Propionsäure Buttersäure Alkohole u. a. II Wasserstoff Kohlendioxid Essigsäure äurebildung Ib: fermentative Bakterien (anaerob, fakultativ anaerob, II: acetogene Bakterien, Aktivität Hydrolyse Ia: fermentative Bakterien extrazelluläre Enzyme) Biogas: nur in ymbiose mit methanogenen Bakterien (III) III Methanbildung III: methanogene Bakterien IIIa: hydrogenotrophe Bakterien IIIb: acetoklastische Methanbakterien 5

6 Methanbakterien Generationszeiten verschiedener Mikroorganismen Mikroorganismen Generationszei t aber: Aerobe rganismen Escherichia coli 20 min Belebtschlamm 2h Bodenbakterien 1-5h äurebildende rganismen Bacterioides <1d Clostridien 1,5 d Acetogene Bakterien 3,5 d die Hydrolyse Hydrolyse wird wird bestimmt durch die Aktivität von den Biokatalysatoren (Enzymen), die von den Bakterien in die Medium abgegeben werden Methanogene Bakterien Methanosarcina 5-15 d Methanococcus ca. 10 d 6

7 Raumbelastung und Verweilzeit Gasproduktion (cbm/mg ot) 800 typischer Gärversuch (hier: Maissilage) - nach 28 Tagen ist der Abbau passiert! Biogasertrag nach 28 Tagen 700 Raumbelastung bei der Industrieabwasservergärung : 2 kg CB/cbm/d heute: 40 kg CB/cbm/d 720 cbm/mg ot entsprechen 225 cbm/mg FM nach 28 Tagen kw aus 800 cbm Fermenter: Versuchstage bei 200 cbm/t Gasertrag 9,6 kg Raumbelastung und 34 (43) d VWZ bei 250 cbm/t Gasertrag 7,7 kg Raumbelastung und 43 (58) d VWZ Einflussfaktor Nährstoffe Makroelemente: Kohlenstoff, auerstoff, Wasserstoff, tickstoff, chwefel, Phosphor, Kalium, Calcium Magnesium, Eisen ( C,, H, N,, P, K, Na, Ca, Mg, Fe) Mikro- oder purenelemente: Mangan, Molybdän, Zink, Kupfer, Cobalt, Nickel, Vanadium, Bor, Chlor, elen, ilicium, Wolfram Zusammensetzung der Methanbakterien: Kohlenstoff Wasserstoff tickstoff Phosphor Kalium chwefel Natrium Magnesium Kalzium Eisen 42,0 Gew. % 11,3 Gew. % 6,3 Gew. % 1,7 Gew. % 1,6 Gew. % 1,0 Gew. % 1,0 Gew. % 0,31 Gew. % 0,25 Gew. % 0,15 Gew. % Zink Nickel Cobalt Molybdän Mangan 244 ppm 101 ppm 50 ppm 38 ppm 11 ppm 7

8 Funktion der purenelemente Element ymbol Funktion in der Zelle Chrom Cr Glucosestoffwechsel Kobalt Co als Cofaktor in Vitamin B12 enthalten Kupfer Cu Pigmente Mangan Mn Cofaktor für viele Enzyme Molybdän Mo Cofaktor in zahlreichen flavinhaltigen Enzymen Nickel Ni Cofaktor in Kohlenmonoxiddehydrogenasen und Ureasen elen e Cofaktor für Hydrogenasen Wolfram W Cofaktor für einige Formiat-Dehydrogenasen Vanadium V Cofaktor für Nitrogenasen Zink Zn Cofaktor für RNA- und DNA-Polymerase Eisen Fe Cofaktor für Cytochrome, Katalasen, Peroxidasen u.a. Bor B Cofaktor für Enzyme ilicium i trukturstoff in chalen von Kieselalgen Enzyme Enzyme sind Proteine, welche chemische Reaktionen katalysierten als Katalysatoren beschleunigen Enzyme chemische Reaktionen häufig benötigen Enzyme Cofaktoren wie Metall-Ionen oder Vitamin-Derivate (Coenzyme), um funktionsfähig zu sein 8

9 Coenzyme Enzyme können ihre Aufgaben nicht immer allein bewältigen. Einigen fehlt ein spezielles Teilstück, das ein Co-Enzym als Bestandteil der Nahrung liefert. Eine Reihe von Vitaminen, Mineralstoffen und purenelementen können als Co-Enzyme fungieren. Dazu gehören vor allem die Vitamine B1, B2, B6 und B12 sowie C, dazu Eisen, Kupfer, Nickel, Magnesium, Mangan, Molybdän, Natrium, elen und Zink. Letzteres ist als CoEnzym an der Bildung von rund 80 Enzymen beteiligt. Co-Enzyme werden im Gegensatz zu den Enzymen bei ihren Aufgaben verbraucht. ie müssen daher ständig regeneriert, erneuert bzw. über die Nahrung zugeführt werden. Methanogenese und Nickelenzyme Methangärer (methanogenen Bakterien) reduzieren C 2 (und auch andere C-Quellen) zu Methan, Reaktion: C2 + 8H+ + 8e- CH 4 + 2H 2 notwendige Coenzyme: 1) Molybdopterin (Molybdän) 2) Faktor F430 der Methyl-Coenzym-M-Reduktase (Nickel) 9

10 Enzymgruppen Abb. 2. Biomoleküle mit Metallzentren Transport- und peicherproteine e-transport (Cu, Fe) Enzyme 2-Transport (Cu, Fe) M-Transport (Fe, Na, K) M-Transport (Fe, Zn) Proteinstruktur (Zn, Ca) Hydrolasen (Zn, Mn) Nicht-Proteine trukturproteine xidoreduktasen (Fe, Cu, Mo, V, Mn, Ni) Energie (Mg) Fotosynthese (Mg) tützfunktion (Ca, Mg) Isomerasen/yntheasen (Co) Eisen-chwefelproteine im Elektronentransport-Zentrum des ulfatreduzierers Desulfuvibrio (Cys ) C N(His) (Glu) Fe CH CH 2 HN X ( Cys) Fe ( Cys) (Glu) Fe Fe Fe + ( Cys) Fe Fe ( Cys) Fe ( Cys) ( Cys) 10

11 Molybdopterin-Enzyme Mo das zentrale Metall in den Molybdopterin -Cofaktoren X X - VI H N Mo Y N N H + + 2e + 2H HN H2N P P IV Mo Y + H 2 Cyt/Gua H modulare Biogasanlage 360 kw 11

12 Technikbausteine der Anlagen Pumpen- und Zerkleinerungstechnik Rührwerkstechnik Innenansicht Trockenfermenter 12

13 Anlagenlängsschnitt BGA Zittau A-A Entnahme H H Fermenterbeschickung H H Feststoffabtrennung Inputlager B Gärproduktlager (fest) B H H Fermenter TF 1900 C P vollautomatisches Inputlager, ubstrateinbringung Fermenter B Gärproduktseparation und lagerung Feststoffeintrag in den Fermenter 13

14 ptimal gesteuerte ubstratdosierung Erfolg einer optimalen prozessbiologischen Betreuung durchschnittliche elektrische Monatsleistung Beginn ptimierung im April 2005 Monate Januar bis ktober

15 Energie aus Biogas - Kennzahlen Um 1,0 MW dauerhaft zu erzeugen sind ca t/a Maissilage und etwa 400 ha Ackerland nötig Mit 1,0 MW können bis zu 2000 Familien mit el. trom und 1000 Familien mit Wärme versorgt werden Je ha Ackerland können derzeit mit Biogasanlagen über kwh el. trom erzeugt oder fünf Familien mit el. trom versorgt werden Vielen Dank für Ihr Interesse 15

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