8. Biomassetagung Rheinland-Pfalz 6. Und 7. November 2008 Umweltcampus-Birkenfeld

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1 8. Biomassetagung Rheinland-Pfalz 6. Und 7. November 2008 Umweltcampus-Birkenfeld Optimierung der Gasausbeute durch Beeinflussung der Fermenterbiologie Benjamin Pacan 1

2 Kurzvorstellung PFI Chemisches Labor Technikum Mikrobiologisches Labor Gegründet 1956 als Prüfund Forschungsinstitut für die Schuhindustrie. Seit 2001 Aufbau neuer Forschungsschwerpunkte im Bereich der Mikrobiologie und Biotechnologie. Umzug 2003 zum Technopol Pirmasens in einen Neubau mit modernen Laboratorien für Chemische Prüfungen (900 m3), Physikalische Prüfungen (900 m 3 ), Mikrobiologische Prüfungen (400 m 3 ) und einem Technikum für Versuchsanlagen (300 m 3 ), sowie einer Werkstatt (600 m 3 ). Physikalisches Labor Werkstatt 2

3 Kurzvorstellung Abteilung Technikum Einrichtung des Technikums zur Analytik von Substraten, Hydrolysaten, Fermentationsflüssigkeiten und Biogasen. Aufbau von Versuchsanlagen zur Durchführung von Forschungsprojekten und Realisierung von Pilotanlagen zur Umsetzung der Ergebnisse in die Praxis. Beschäftigung von z. Z. sieben Mitarbeitern (2 Wissenschaftler, 3 Dipl.- Ingenieure, 1 Laboranten und 1 Diplomand) 3

4 Kernkompetenz PFI Optimierung des Aufschluss von Biomasse durch hydrothermale, enzymatische und mikrobiologische Vorbehandlungsverfahren. Durchführung von dynamischen und statischen Gärtests zur Bestimmung des Biogaspotentials und der Prozessparameter. Überwachung der Prozessbiologie in rheinlandpfälzischen Biogasanlagen und Unterstützung bei Optimierungsmaßnahmen und Störfällen (z. B. bei Spurenelementemangel, Substratwechsel, etc.) 4

5 Vortragsgliederung 1) Übersicht von Fermentationshilfsstoffen 2) Grundlagen der Fermenterbiologie in Biogasanlagen 3) Vorstellung von Vorbehandlungsverfahren zum beschleunigten Biomasseaufschluss 4) Gezielter Einsatz von essentiellen Spurenelementen zur Verbesserung der Prozessstabilität 5) Zusammenfassung und Handlungsbedarf PFI Pirmasens e.v., Marie-Curie-Straße 19, D Pirmasens, Phone: +49 (0) , 5

6 Fermentationshilfsstoffe für Biogasanlagen Silierhilfsmittel (spezielle fermentative Bakterien) Nutzen: Vermeidung von Fehlgärungen, Nachteil: Verlust von Wasserstoff bei Abbau zur Essigsäure Absorbermaterial (z. B. Zeolithe) Nutzen: Fixierung von Hemmstoffen, Nachteil: In der Regel hohe Einsatzmenge für messbare Wirkung Fällungsmittel (z. B. Eisensalze) Nutzen: Ausfällung von Schwefel, Nachteil: Möglicher Eintrag von unerwünschten Anionen (z. B. Chlorid) Spurenelemente (Kobalt, Nickel, Molybdän, etc.) Nutzen: Wiederherstellung der Enzymaktivität bei Mangelerscheinungen, Nachteil: Hohe Kosten für Dauerversorgung mit Spurenelementen bei fehlender analytischer Überwachung Enzyme (z. B. Cellulasen) Nutzen: Beschleunigung und Verbesserung des Abbaus von Cellulose und Lignocellulose, Nachteil: Hohe Kosten für Dauereinsatz von Pilzenzymen unter ungünstigen Milieubedingungen (ph > 6, T < 50 C) 6

7 Grundlagen der Fermenterbiologie Biomasse Polysaccharide Proteine, Fette Zucker hydrolytische Bakterien 1. Hydrolytische Phase Aminosäuren Fettsäuren fermentative Bakterien 2. Primäre Gärung Carbonsäuren Alkohole syntrophe Bakterien Wasserstoff Kohlendioxid 3. Sekundäre Gärung Essigsäure Biogas methanogene Bakterien Mikrobiologische Abbauprozesse von Biomasse zur Gewinnung von Biogas CH 4 / CO 2 Spurengase (H 2 S) 4. Methanogene Phase PFI Pirmasens e.v., Marie-Curie-Straße 19, D Pirmasens, Phone: +49 (0) , 7

8 Vielfalt mikrobieller Gärungen Cellulose Stärke Milchsäure Ethanol Hydrolyse Milchsäuregärung CO 2 (Silierung) H 2 Hemicellulosen Ameisensäure Zucker Hydrolyse Essigsäure Primäre Gärung Propionsäure Buttersäure Ethanol 8

9 Buttersäure Propionsäure Essigsäure Sekundäre Gärungen CO 2 Sekundäre Gärer Syntrophe Bakterien Essigsäure H 2 Prozessstörung X Verbrauch durch methanbildende Bakterien 9

10 Forschungsprojekt Fehlgärungen Thema Früherkennung und Behebung von Fehlgärungen zur Erhöhung der Prozesssicherheit und Schadensverhütung in Biogasanlagen unter besonderer Berücksichtigung der Propionsäurebildung Projektlaufzeit: Beteiligte Institutionen: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. (FNR) Universität Mainz, Institut für Mikrobiologie und Weinforschung Ziele: Charakterisierung von propionsäurebildenen und abbauenden Bakterien und Mischkulturen, Ermittlung von Parametern die zu Fehlgärungen in Biogasanlagen führen Innovationscharakter: Erhöhung der Prozesssicherheit und stabilität in landwirtschaftlichen Biogasanlagen Status / geplante Aktivitäten: Isolierung und Charakterisierung von propionsäurebildenden Bakterien in Praxisanlagen Gewinnung von propionsäureabbauenden Mischkulturen aus Biogasanlagen Entwicklung von molekularbiologischen Fingerprint-Methoden zur Früherkennung von Fehlgärungen 10

11 CO 2 H 2 Essigsäure Methanbildung Hydrogenotrophe methanbildende Bakterien Kobalt Nickel Molybdän u.a. Essigsäureabauende methanbildende Bakterien Methan Methan H 2 O CO 2 11

12 Kobalt für acetoklastische Methanogene Vitamin B 12 Acetat CH 4 + CO

13 Nickel für hydrogenotrophe Methanogene CO H 2 CH H 2 O 13

14 Isolierung methanogener Bakterien Anreicherungskultur Wmt1 (Methanosarcina) mit Autofluoreszenz (Coenzym F420) 14

15 Forschungsprojekt Methanbakterien Thema Charakterisierung der methanogenen Archaebakterien in landwirtschaftlichen NawaRo-Biogasanlagen Projektlaufzeit: Beteiligte Institutionen: Stiftung Rheinland-Pfalz für Innovation Universität Mainz, Institut für Mikrobiologie und Weinforschung Ziele: Diversitätsanalysen auf Basis molekularbiologischer Methoden, Charakterisierung methanbildender Bakterien aus landwirtschaftlichen Biogasanlagen Innovationscharakter: Neue Erkenntnisse über die Artenzusammensetzung maßgeblicher mikrobieller Gruppen in Biogasanlagen, Entwicklung von Starterkulturen für den Biogasprozess Status / geplante Aktivitäten: Anreicherung, Isolierung und Charakterisierung methanbildender Bakterien Identifizierung und Quantifizierung relevanter Arten in Praxisanlagen Untersuchungen zur Eignung von neuen Isolaten als Starterkulturen 15

16 Argumente für 2-stufige Biogasanlagen Hydrolyse Primäre Gärung Substrat CH 4 + CO 2 Sekundäre Gärung Methanogenese Trennung der Prozessstufen durch eine vorgeschaltete Hydrolyse Organismen Generationszeit Primäre Gärer < 24 h Sekundäre Gärer 3 5 d Methanogene 1 - >10 d 16

17 Thermodruckhydrolyse (TDH) Thermodruckhydrolyse ist ein Verfahren zum Aufschluss von Biomasse in Druckbehältern bei Temperaturen von über 100 C (in der Regel über 140 C) unter Einwirkung von flüssigem Wasser als Lösungsmittel. Mit der Thermodruckhydrolyse können Pektine und Hemicellulosen im Pflanzenmaterial in Zucker gespalten werden. Darüber hinaus kann Lignin teilweise aus Lignocellulosen herausgelöst werden. Mit dem gleichen Verfahren kann auch bakterielle Biomasse (z. B. Belebtschlamm aus der Kläranlage) schneller und vollständiger aufgeschlossen werden. 17

18 Vorteile Thermodruckhydrolyse (TDH) Durch die Vorbehandlung mit der Thermodruckhydrolyse können zukünftig bisher für die Biogaserzeugung kaum genutzte Substrate, wie Stroh, kommunaler Grünschnitt und Straßenbegleitgrün für die Biogaserzeugung genutzt werden. Dadurch wird die Konkurrenz zwischen der Lebensmittel- und Energieproduktion aus Biomasse verringert. Durch den Einsatz der Thermodruckhydrolyse wird auch eine wichtige Grundlage für die stoffliche Nutzung von Biomasse gelegt. Die bis dahin weiterentwickelte Thermodruckhydrolyse wird in Verbindung mit der prozessgesteuerten enzymatischen Hydrolyse (PEH) ein wichtiger Prozessschritt zur biotechnologischen Erzeugung von Grundchemikalien (z. B. Milchsäure, Bernsteinsäure, Polyhydroxibuttersäure, Ethanol, etc.) aus verholzter Biomasse darstellen. 18

19 TDH-Anlage an der Kläranlage Pirmasens Technische Daten: Einsatzstoff: Belebtschlamm Durchsatzleistung: t/a Behandlungstemperatur: bis 200 C BHKW 2 x 80 kw el, 2 x 150 kw th. 19

20 TDH-Effekte an der Kläranlage Blümeltal Senkung der Schlammviskosität um das 3 bis 4-fache Erhöhung der Biogasausbeute um ca. 20 % nach einer Behandlung des Belebtschlammes bei einer Temperatur von 140 C Zählwert Durchfluss THD Zählwert Durchfluss Dickschlamm (ÜSS-Vorentwässerung) [m³] Zählwert Durchfluss Rohschlamm [m³] Zählwert Rohschlamm + Austrag THD in FB normal Betrieb [m³] Zählwert Durchfluss Überschuss-Schlamm [m³] Zählwert Menge Gasanfall [m³] Apr 0:00 23.Apr 0:00 24.Apr 0:00 25.Apr 0:00 26.Apr 0:00 Biogasanstieg um 250 m 3 /d

21 Prozessgesteuerte enzymatische Hydrolyse (PEH) Die prozessgesteuerte enzymatische Hydrolyse (PEH) ist ein Verfahren zum Aufschluss von Biomasse, dass bei Temperaturen zwischen C unter Einwirkung von Enzymen in prozessüberwachten Fermentern im günstigen Temperatur- und ph-wert-optimum durchgeführt wird. Beim Einsatz der PEH im sauren Milieu (ph-wert 4 6) können Hemicellulosen und Pektine in ca. drei Tagen zu organischen Säuren, Alkoholen und Hydrolysegas umgesetzt werden. In einer weiteren PEH-Stufe kann die Cellulose aus verholzter Biomasse in weiteren sechs Tagen weitestgehend zu organischen Säuren, Alkoholen und Hydrolysegas abgebaut werden. 21

22 Vorteile PEH Durch die prozessgesteuerte enzymatische Hydrolyse (PEH) kann die Umwandlung von Biomasse zu Biogas auf unter 20 Tagen gesenkt werden. Dadurch können zukünftig kleinere Methanfermenter eingesetzt und der Energieeintrag zum Aufrühren und Temperieren der Biomasse deutlich gesenkt werden. Bei erfolgreicher technischer Umsetzung werden zukünftig der Feststoffdosierer und der bisher bei größeren Anlagen eingesetzter Nachgärer nicht mehr erforderlich sein. Mit der PEH können auch Substrate mit höherem TS- Gehalt (bis 40 %) verarbeitet werden. Dadurch kann der Erntezeitpunkt nach hinten verschoben und die Pflanzen mit höheren Biomasseerträgen geerntet werden ohne dass die Verdaulichkeit beeinträchtigt wird. Dadurch können die hektarbezogenen Erträge an Biogas gesteigert werden. 22

23 Biogasanlage Wallhalben Technische Daten: Nachwachsende Rohstoffe (Maissilage, GPS, Grassilage, Getreide) Hydrolysefermenter 2 x 250 m³ und Feststoffdosierer Fermenter: 983 m³ (Nutzvol.) Endlager: 2259 m³ (Nutzvol.) Gasdichte Abdeckung BHKW 190 kw el, 230 kw th. Öffentliches Stromnetz Nahwärmenetz Wallhalben BHKW 190 KW elektr. (später 380 kw) fest Entwässerung Gärrest flüssig Fermenterheizung Feststoffdosierer Biogas zum BHKW Biogas zum BHKW Anmaisch- und Hydrolysereaktor 2 x 250 m³ Austrag Schwerstoffe Fermenter 1 mesophil 40 C 1130 m³ (983 m³ netto) Rezirkulat, mit und ohne Entwässerung Endlager m³ (2259 m³ netto) Pumpstation 23

24 Versäuerung des Substrats während der Vorhydrolyse Mesophile Vorhydrolyse Startbedingungen Hydrolyse (Maissilage) Milchsäure Essigsäure Propionsäure n-buttersäure n-valeriansäure Ethanol Konzentration [mg/l] Thermophile Vorhydrolyse Säurespektrum nach 72h Inkubation [40 C] Milchsäure Essigsäure Propionsäure n-buttersäure n-valeriansäure Ethanol Konzentration [mg/l] Säurespektrum nach 72h Inkubation [50 C] Milchsäure Essigsäure Propionsäure n-buttersäure n-valeriansäure Ethanol Konzentration [mg/l] 24

25 Zunahme der organischen Säuren während der Vorhydrolyse Konz. Gesamtsäu uren*[mg/l] Nettoproduktion organischer Säuren (inkl. Ethanol) % % Silage Mesophile Hydrolyse Thermophile Hydrolyse *Gesamtsäure dargestellt als mg/l Essigsäureaquivalent 25

26 Methanproduktion mit / ohne Vorhydrolyse Methanp produktion [l/d] 200,0 180,0 160,0 140,0 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 Phase 1 Phase 2 ohne Vorhydrolyse mit Vorhydrolyse Raumbelastung Zeit [d] Phase 1: Maissilage mit ~ 28 % TS; Phase 2: Maissilage mit ~ 35 % TS 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 Raum mbelastung 26

27 Methangehalt des produzierten Biogases 60,0 14,00 Phase 1 Phase 2 12,00 55,0 10,00 8,00 50,0 6,00 Methankonzentration [l%] Raumbelastung 45,0 4,00 2,00 ohne Vorhydrolyse mit Vorhydrolyse Raumbelastung 40, ,00 Zeit [d] Phase 1: Maissilage mit ~ 28 % TS; Phase 2: Maissilage mit ~ 35 % TS 27

28 Resümee zur PEH-Vorbehandlung Die PEH-Vorbehandlung trägt zur Erhöhung der Prozessstabilität bei Mit vorgeschalteter Hydrolyse lassen sich hohe Raumbelastungen unter stabilen Bedingungen realisieren Die Methankonzentration im Biogas fällt bis zu 5 Vol. % höher aus als ohne Vorhydrolyse (53 % 58 %) In Abhängigkeit von Prozesssteuerung und Substrat sind höhere Methanerträge von bis zu 10 % erreichbar Effizienz der Versäuerung während der Vorhydrolyse hängt maßgeblich von der Prozesssteuerung und der Substratwahl ab 28

29 Problemstellung zur Prozessbiologie Zahlreiche landwirtschaftliche Biogasanlagen sind immer wieder von biologischen Störungen betroffen. Unzureichende Abbauleistung der mikrobiellen Flora Akkumulation organischer Säuren, insbesondere von Essigsäure und Propionsäure Absinken des ph-werts, weiterer Rückgang der mikrobiellen Aktivität, Rückgang der Gasproduktion, Verschlechterung der Gasqualität Fragestellungen Inwieweit lassen sich Störungen der Prozessbiologie auf eine unzureichende Nährstoffversorgung, insbesondere mit Spurenelementen, zurückführen? Lassen sich Prozessstörungen durch eine gezielte Zugabe von Spurenelementen kurzfristig beheben? Welche Maßnahmen sind geeignet um eine nachhaltige Versorgung mit bioverfügbaren Spurenelemente zu gewährleisten? 29

30 Ausgewählte Spurenelemente und ihre Funktion Spurenelement Funktion in der Zelle Konzentrationen Kobalt Vitamin B 12 bzw. Corrinoid 0,05 0,4 mg/l Mangan Cofaktor zahlreicher Enzyme 0,03 1 mg/l Nickel Hydrogenasen, F 430 0,005 0,1 mg/l Wolfram Dehydrogenasen 0,001 0,005 mg/l Molybdän Cofaktor zahlreicher Enzyme 0,01 0,1 mg/l Selen Hydrogenasen 0,05 0,5 mg/l Eisen Cytochrome, Katalasen, Eisen-Schwefel-Proteine u.a. 0,5 5 mg/l 30

31 Bildung von Schwefelwasserstoff Enstehung von Schwefelwasserstoff in Biogasanlagen durch die Aktivität sulfatreduzierender Bakterien Gruppe-I-Sulfatreduzierer > z.b. Desulfovibrio 2 CH CHOHCOO - + SO CH 3COO CO 2 + H 2S + H2O Milchsäure + Sulfat Essigsäure + Kohlendioxid + Sulfid + Wasser Gruppe-II-Sulfatreduzierer > z.b. Desulfobacter CH 3 COO - + SO H + 2 CO 2 + H 2 S + H 2 O Essigsäure + Sulfat Kohlendioxid + Sulfid + Wasser 31

32 Fällung essentieller Spurenelemente durch Schwefelwasserstoff Fe 2+ + S 2- Fe(II)S schwerlöslich Eisen (II) + Sulfid Eisensulfid Co 2+ + S 2- Co(II)S schwerlöslich Cobalt (II) + Sulfid Cobaltsulfid Ni 2+ + S 2- Ni(II)S schwerlöslich Nickel + Sulfid Nickelsulfid 32

33 Zugabe von Spurenelementen A) Pilotreaktoren Entwicklung FOS Pilot-Reaktoren 3 und Fettsäuren [mg/l] Acetat - R3 Acetat - R4 Propionat - R3 Propionat - R4 Valeriansäure - R3 Valeriansäure - R4 1: Zugabe Spurenelementlösung zu Reaktor 3 2: Zugabe Spurenelementlösung zu Reaktor

34 Zugabe von Spurenelementen A) Pilotreaktoren - Biogasproduktion Biogasprod duktion [l/d] Pilotreaktoren 3 und 4 500,0 9,00 450,0 8,00 400,0 1 7,00 350,0 6,00 300,0 5,00 250,0 4,00 200,0 3,00 150,0 2,00 100,0 1,00 50,0 2 0, Reaktor 3 Reaktor 4 Raumbelastung 1: Zugabe Spurenelementlösung zu Reaktor 3 2: Zugabe Spurenelementlösung zu Reaktor

35 Zugabe von Spurenelementen B) Biogasanlage 1 - Entwicklung FOS Konzentration [mg/l] i-valerian n-valerian i-buttersäure n-buttersäure 1: Zugabe von Eisenhydroxid über mehrere Tage 2: Zugabe einer Cobalt-Lösung 35

36 Resümee zum Einsatz von Spurenelementen Die Untersuchungsergebnisse deuten darauf, dass Störungen der Prozessbiologie häufig ihre Ursache in einen Mangel an (verfügbaren!) Spurenelementen haben. Eine regelmäßige Versorgung der Anlagen mit Eisen verbessert die Verfügbarkeit essentieller Spuren- elemente und erhöht somit die Prozessstabiltät. Gleichzeitig werden die Schwefelwasserstoffkonzentrationen im Biogas gesenkt. Durch gezielte Zugabe einzelner Spurenelemente bei spezifischen Mangelerscheinungen lassen sich Prozessstörungen schnell, und ohne lang anhaltende Reduktion der Substratzufuhr, beheben. 36

37 Handlungsbedarf zur Optimierung der Fermenterbiologie Isolierung und Identifizierung von leistungsfähigen methanogenen Mikroorganismen aus Biogasanlagen zur Herstellung von Impfkulturen. Ermittlung der optimalen Milieubedingungen und des Bedarfs an Nährstoffen und Spurenelementen der Mikroorganismenflora in Biogasanlagen. Einsatz von Vorbehandlungsverfahren zum effizienten Aufschluss von Cellulose und Lignocellulose (z. B. zweistufige Biogasanlage mit PEH) Ermittlung der Rahmenbedingungen zum Einsatz verschiedener Fermentationshilfsstoffe 37

38 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. 38