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August Otto
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1 Ergebnisse zur Erittlung der optialen aubelastung ETI rbeitsgruppe Biogas, ietz-neuendorf, OT Sauen 1. Einführung 2. Sstee zur Biogasgewinnung g g 3. Entwicklung eines einfachen Modells 4. Untersuchte Substrate und Versuchsanlagen 5. Versuchsergebnisse Batch-Versuche Belastungssteigerungsversuche 6. Nachgärung 7. Fazit Bernd Linke, Pia Mähnert, Jan Mue Leibniz-Institut für grartechnik Borni (TB BTN Nordhausen

2 Biogasausbeuten verschiedener Stoffgruppen Stoffgruppen Molgewicht Molanteile CO 2 und CH 4 i Biogas Molvoluen des Biogases ögliche Biogasausbeute [g. ol -1 ] [ol] [l. ol -1 ] [l. g -1 ] Kohlenhdrate C 6 H 12 O oder CO 2 + 3CH 4 6 x 22,4 134,4 134,4/18,746 (CH 2 O n Fette (z.b. Palitin C 16 H 32 O ,5CO ,5 CH 4 16 x 22,4 358,4 358,4/256 1,39 Proteine it 21 inosäuren C 13 H 25 O 7 (N 3 S 367 5,125CO 2 + 7,857CH 4 13 x 22, /367,79 Pflanzliche Bioasse CO CH 4 38 x 22, /932,91 C 38 H 6 O 26 BUSSWELL Forel a b n a b n a b C H O ( n H 2 O ( CO 2 ( CH n a b

ufbau und Charakteristik pflanzlicher Bioasse C Cellulose fibres L Lignin H Heicellulose X Xlane Quellen: www.tucows.vc-graz.ac.at www.kennadsen.

3 ufbau und Charakteristik pflanzlicher Bioasse C Cellulose fibres L Lignin H Heicellulose X Xlane Quellen: dk Cellulose und Heicellulose Hauptbestandteile pflanzlicher Zellwände glcosidische Bindungen zwischen Glucose-Einheiten leicht hdrolisierbar für bbau jedoch viele Enze erforderlich (sbiotische Wirkung, Widerkäuer Bei Verholzung Bildung aorphes Netz phenolischer Polere, Schutz vor enzatische nagriff usnahe: Pilze und ctinoceten haben Strategie zu bbau entwickelt, Grundlagenforschung an Terieten, sbiotische Wirkung vieler Mikroorganisen

Sbiotische Mischkulturen bei der Biogasbildung Probe aus Teritendar Wasserstoff produzierenden Protozoen (B sind eng it Wasserstoff verbrauchenden ethanogenen rchäen vergesellschaftet, die an ihrer

4 Sbiotische Mischkulturen bei der Biogasbildung Probe aus Teritendar Wasserstoff produzierenden Protozoen (B sind eng it Wasserstoff verbrauchenden ethanogenen rchäen vergesellschaftet, die an ihrer grünen Eigenfluoreszenz ( C zu erkennen sind Quelle: Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie, Marburg Probe aus Biogasanlage (indergülle, Maissilage, Getreidekörner, esophil Methanogene rchäen (ot sind von Wasserstoff-und cetat bildenden Eubakterien (grün ugeben Quelle: TB, Potsda

5 Sstee zur Biogasgewinnung aus Nawaos und Gülle (vereinfacht Biogas Biogas ührkessel (CST Nawaos Gülle Gärrest, pupfähig Pfropfenstroreaktor (horizontal/vertikal Nawaos Gülle Biogas Gärrest, pupfähig Biogas Bioleachingsste Nawaos, Stallist Gärrest (fest Prozessflüssigkeit (gering

6 Belastungs- und Leistungsparaeter des Ferenters Grundparaeter Zl Zulaufasse Zulaufkonzentration Zulaufdichte c ρ 1 ( t d 1 ( kg t 3 ( t Ferentervoluen Biogasengeg g blaufasse blaufkonzentration V 3 ( Q c B 3 1 ( d 1 ( t d 1 ( kg t Belastungsparaeter aubelastung B V V c B t c 3 1 ( kg d Mittlere hdraulische Verweilzeit ρ ρ B t ( d Leistungsparaeter Biogasausbeute QB c Q r V B QB B V Biogasbildungsrate r B 3 1 ( kg ( d

7 Modellbildung nach eaktion 1. Ordnung ugesetzte Biogasasse ( 1 G V ρ r ( c G ist Produkt aus eaktionsasse und eaktionsgeschwindigkeit eaktion 1. Ordnung (2 r ( c k c V aus Faulraubelastung (2 und (3 in (1 einsetzen Definition Biogasausbeute (3 c V B c (4 G ρ k c B QG G / ρg (5 c c (5 ( nach G ustellen (6 G c ρ G (4 und (6 gleichsetzen und nach ustellen (8 und (9 in (7 einsetzen (7 (1 c B k ρ ρ G c c k c k c +,c B c V (8 (9, c c c c, ρ Zeit t (d ρ k k ρ G G Q G ρ G G

8 Linearisierung der Beessungsgleichung (1 k c eziproke Darstellung von ( (11 + k c + B liefert Geradengleichung (11 k c B k ρ ρ k ρ 1 ρ G pch 4 + CH G 16 + p ,4 1 c t B Lineare egressionsgleichung der Wertepaare1/ und B liefert und k k 1 tanα 1 k c k k + / t B

9 ufbau der batch Versuchsanlage

10 Biogasausbeute i Gärtest nach VDI-ichtlinie 463 Spezifisch he Biogasrat te r d -1 s ( 3 kg -1,18,16,14,12 1,1,8,6,4,2, Mi Maissilageil übensilage oggen-gps indergülle r s Maissilage r s übensilage r s oggen-gps r s indergülle,9 97,1 %,8 9,3 %,7,6 865% 86,5 9,3 % 5,5,4,3,2,1, ( 3 kg -1 Biog gas-sue Zeit (d Hill-Funktion Chapan-Funktion b t b t c ax (1 e b b ax c + t

11 ufbau der kontinuierlichen Versuchsanlage

12 Steigung der aubelastung indergülle, Maissilage, übensilage aubelastung (B Propionsäure (PS ph-wert Biogasrate ( Methan (CH4 ots-biogasausbeute 18 6, B (gl -1 d -1 ; (ll d ;PS (gl : ph ( Grundlast 2gl -1 d -1 indergülle Belastungssteigerung durch Maissilage Belastungssteigerung durch Maissilage und übensilage 5, 4, 3, 2, 1, l.%; (lkg -1 ots CH4/1 (Vo, Versuchszeit t (Tage

13 Ssteatische Steigerung der aubelastung eaktor Substrat 1 1% Maissilage 2 67% Maissilage, 33% Gülle 3 33% Maissilage, 67% Gülle 4 1% übensilage 5 67% übensilage, 33% Gülle 1/3 6 33% übensilage, 67% Gülle 7 2/3 1% oggen-gps 8 67% oggen GPS, 33% Gülle 9 33% oggen-gps, 67% Gülle 1 1% inder- bzw. Schweinegülle Beispiel eaktor 2: 1/3 67% der ots-masse i zugegebene Substrat t bestand aus Maissilage il und 33% aus indergülle

14 Maissilage it indergülle i konti-versuch esophil, B f (B 1% Maissilage 67% Maissilage 33% Maissilage 1% indergülle 1, 1, ots-bioga asausbeute B ( 3 kg -1,8,6,4,2,8,6,4,2,,, 1, 2, 3, 4, 5, 6, aubelastung B (kg -3 d -1

15 nalsen i Ferenter bei Vergärung g von Maissilage bei steigender aubelastung (35 C organische Säuren Propionsäure ph NH4-N N Organi sche Säuren (g kg -1 Prop pionsäure (g kg ph-wert (- NH 4 -N (g kg -,,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, aubelastung B

16 Monovergärung von Nawaos und Gülle esophil, B f (B B B Maisslage Maissilage B B übensilage B B oggen-gps B B Gülle 1,2 1 1,,8,6,4,2 a indergülle b Schweinegülle 1,2 1 1,,8,6,4,2 ots- -Biogasausbe eute -1 B ( 3 kg ots- -Biogasausbe eute -1 B ( 3 kg,, 1, 2, 3,, 1, 2, 3, aubelastung B (kg -3 d -1, Gärrest aus indergülle als Ipfaterial Gärrest aus Schweinegülle als Ipfaterial

17 Biogasausbeute von Mischungen Gülle/Nawaos Beispiel: B 3 kg -3 d -1 kg -1 ot TS-Biogasaus sbeute B ( 3 übensilage Maissilage oggen-gps 1, 1, a indergülle b Schweinegülle,9,9,8,8,7,7 6,6 6,6,5,5,4,4,3,3 % 33% 67% 1% % 33% 67% 1% nteil Kosubstrat in der Mischung p E (Masse-% ots ots-biogasaus sbeute B ( 3 kg -1 M G + ( E G pe /1

18 Kinetische Paraeter aus Kurvenanpassung B f (B esophil, nteil in Mischung c [g kg -1 ] ρ g [kg -3 ] indergülle Schweinegülle 2 ax k c ρ g 2 [%] [ 3 kg -1 ] [d -1 ] [g kg -1 ] [kg -3 ] [%] ax [ 3 kg -1 ] 1 % Maissilage 292 1,279 59,7,92, ,286 14,8,82, % Maissilage 147 1,253 8,,81, ,258 31,1,69,31 33 % Maissilage 97 1,224 84,4,74,51 6 1,25 52,5,62,119 1 % übensilage 124 1,258 7,9,93, ,293 4,5 1,8, % übensilage 1 1,245 13,7,8, ,237 47,,89, % übensilage 84 1,221 69,2,73, ,192 49,8,73,15 1 % oggen-gps 198 1,232 58,6,92,4 22 1,237 68,3 1,1,28 67 %oggen-gps ,219 81,9 82,82 52, ,219 8,88 88,88 52,52 33 % oggen-gps 92 1,199 86,5,73, ,181 82,,81,57 1 % Gülle 72 1,175 65,2,61, ,116 51,2,55,57 k [d -1 ]

19 Größe Ferenter zur Größe Nachgärer Quotient t / liefert bbaugrad η Ferenter (F Nachgärer (N k c ( 2 η k c + B Substitution von B durch c / V ustellen nach VF η F ( 3 VF k (1 η nalog B durch c /( V und nach V + V auflösen F N F + V F N ηf + ( 4 VF + VN k (1 η N F + N F und ersetzten Quotient VF /( VF + VN bilden, für V / V q setzen und nach η auflösen N F F + N (1 (6 VF η F + N k c k c + VN B q +1 1 ηf q η + 1 F

20 Biogasausbeuten von Ferenter und Nachgärer Q B, F Q B, N teil η F+N (- n 1, 95,95,9 85,85,8,75 η F,9,85,8,75 7,7,65,6 F η c ax V F V N 1, 95,95,9 85,85,8,75 c,7,65 F F + N η ( q + η F η q + 1 1,7,65, Verhältnis Voluen Nachgärer zu Ferenter q (-,6

21 Wirkungsgrad der Biogasausbeute als Funktion von t bzw. B, zwei Fallbeispiele 1 2/3 indergülle 1/3 Maissilage (ots-masse 2/3 Schweinegülle 1/3 Maissilage (ots-masse,95 c 6, %FM k*99 d -1,9 1,1 c 9,7 %FM,6,85 k*42 d -1 / ax (-,8,75 7,7 41 4,1 2,4 1,3 Gärrestlager 15 C? 23 2,3,65,6,55,5 6,4 3,6 B 5,39 kg -3 d -1 k k + / t ittlere hdraulische Verweilzeit t (Tage

22 Spezifische Strogestehungkosten

23 Fazit ots-faulraubelastung B wichtigster Paraeter für uslegung der Ferentergröße (beheiztes Ferentervoluen Einfluss von B auf Biogasausbeute kann durch eine eaktionskinetik 1. Ordnung beschrieben werden, it steigender B ückgang von Biogasausbeute von Mischungen aus Gülle und Nawaos kann aus Einzelsubstraten berechnet werden, Proportionalität zwischen und ots- nteil der Nawaos i Geisch Geeinsae Vergärung von Nawaos it Gülle erlaubt hinsichtlich i htli h Prozessstabilität deutlich höhere ots- Faulraubelastungen als Monovergärung von Nawaos (ührkessel Für Erittlung der optialen aubelastung sind Substratgestehungskosten, t t t sowie Kosten für Betrieb der nlage zu berücksichtigen Gasdichte Lagerung des Gärrestes bei praxisüblichen Werten für B epfohlen

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