Einführung in das Thema Hydrolyse

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Waltraud Gerhardt
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1 Einführung in das Thema Hydrolyse Dr. Stephan Kabasci

2 Gliederung Grundlagen Hydrolyse Prinzipielle Aufschlussverfahren Untersuchungsergebnisse Zusammenfassung Folie 2

3 Mikrobiologie der Biogaserzeugung Komplexe Reaktionskette Verschiedene Populationen von Mikroorganismen Weitere Produkte: NH 3, H 2 S Folie 3

4 Hydrolyse Hydrolyse allgemein Chemische Reaktion, bei der eine Verbindung durch Einwirkung von Wasser gemäß folgender Gleichung gespalten wird: A B + H OH A H + B OH Hydrolyse bei der Biogasbildung Polymere Substrate (Eiweiße und Kohlehydrate) wie auch Fette werden in Bruchstücke (Monomere wie Glucose, Aminosäuren oder Fettsäuren; Dimere oder Oligomere) gespalten Folie 4

Biogasbildung Polymere Substrate (Eiweiße und Kohlehydrate) wie auch Fette werden in

5 Hydrolyse Zweck Nur niedermolekulare Substanzen können von den Mikroorganismen aufgenommen und weiter abgebaut werden Geschwindigkeit Einfach zu hydrolysierende Substrate werden durch abiotische Hydrolyse und Exoenzyme vergleichsweise schnell gespalten (Stärke, Eiweiße) Bei komplexen Substraten kann Geschwindigkeit der Hydrolyse die Biogasbildungsrate bestimmen Bei komplexen Substraten kann die Unterstützung der Hydrolyse zu höheren Biogasausbeuten und schnellerem Abbau führen Folie 5

schnell gespalten (Stärke, Eiweiße) Bei komplexen Substraten kann Geschwindigkeit der Hydrolyse die Biogasbildungsrate

6 Lignocellulose Ein komplexes Substrat Cellulose liegt in kristallinen Fasern vor, die in einem Netzwerk aus Hemicellulosen und Lignin eingebunden sind Grafik: C. Somervile Folie 6

7 Lignocellulose biologisch aufgebaut und abbaubar Cellulose kann in wässriger Umgebung durch hydrolytische Enzyme (Cellulasen) abgebaut werden, wenn diese Zugang zu den Kristallen bekommen übergeordnete Faserstrukturen, Hemicellulosen und Lignin sind zu entfernen Aufschlussverfahren Grafik: NREL Folie 7

wenn diese Zugang zu den Kristallen bekommen übergeordnete Faserstrukturen,

8 Gliederung Grundlagen Hydrolyse Prinzipielle Aufschlussverfahren Untersuchungsergebnisse Zusammenfassung Folie 8

9 Übersicht Aufschlussprinzipien Mechanische Vorbehandlung Thermische Vorbehandlung Chemische Vorbehandlung Biokatalytische Vorbehandlung Folie 9

10 Mechanische Aufschlussverfahren Standardprinzipien s. rechts Weitere Verfahren: - Bioextrusion - Ultraschalldesintegration Ziele Zerkleinerung des Substrates Vergrößerung der Oberfläche, an der Enzyme angreifen können Folie 10

Ultraschalldesintegration Ziele Zerkleinerung des

11 Thermische Aufschlussverfahren Wärmebehandlung bei Temperaturen bis 200 C (auch bekannt als: Thermodruckhydrolyse - TDH) In wässriger Umgebung werden Hemicellulosen bei höheren Temperaturen gelöst und Cellulosefibrillen quellen auf Bildung inhibierender Substanzen muss vermieden werden (z. B. durch Maillard-Reaktionen von Zuckern und Aminosäuren) Kombination mit mechanischem Aufschluss: steam explosion Folie 11

12 Chemisch-thermische Aufschlussverfahren: Säuren Vorbehandlung mit Mineralsäuren (Salzsäure, Schwefelsäure): Saure Hydrolyse löst Hemicellulosen und Cellulose bis zur Verzuckerung Verfahren mit konzentrierter Säure in der Kälte oder verdünnter Säure bei erhöhter Temperatur Prozesse erprobt ( Holzverzuckerung ) Nachteile: hoher Wasserverbrauch durch Spülkreisläufe Bildung toxischer Nebenprodukte Korrosion Rückgewinnung der Säuren problematisch Neutralisation notwendig Belastung des Gärproduktes mit Salzfracht Folie 12

$Nebenprodukte Korrosion Rückgewinnung der Säuren problematisch Neutralisation notwendig Belastung des Gärproduktes mit Salzfracht$

13 Chemisch-thermische Aufschlussverfahren: Laugen Vorbehandlung mit Lauge (Ammoniak, Natronlauge): Alkalische Hydrolyse zerstört Lignin und löst Hemicellulosen, Cellulose bleibt erhalten; Behandlung mit Ammoniak oder wässriger Ammoniumlösung Kombination mit mechanischem Aufschluss: Ammonia Fiber Explosion (AFEX) Ammoniak leicht recycelbar, keine Neutralisation notwendig Nachteile: Verfahren unter höherem Druck Korrosion Folie 13

wässriger Ammoniumlösung Kombination mit mechanischem Aufschluss: Ammonia Fiber Explosion (AFEX) Ammoniak

14 Biochemische Aufschlussverfahren Zugabe von Enzymen vor der Vergärung oder in den Fermenter; Ziel: Beschleunigung der Hydrolyse Separate biologischen Hydrolysestufe bei niedrigem ph-wert: Prozessschritte Hydrolyse und Versauerung laufen hier verbessert ab Mehrstufige Prozesse: künstlicher Pansen Folie 14

Hydrolysestufe bei niedrigem ph-wert: Prozessschritte Hydrolyse und

15 Gliederung Grundlagen Hydrolyse Prinzipielle Aufschlussverfahren Untersuchungsergebnisse Zusammenfassung Folie 15

16 Mechanische Vorbehandlung von Sisalabfall Steigerung des Methanertrags um ca. 22 % Spezifischer Methanertrag nach Partikelgröße Mshandete 2006 Folie 16 Methanertrag [m³/kg] 0,25 0,2 0,15 0,1 0, unbe. Größe [mm]

17 Mechanische Vorbehandlung von Rindermist Hartmann 2000 Folie 17

18 Chemisch-mechanische Behandlung von Biertreber Zugabe von Natronlauge ( 0 20 g/l ) zu Biertreber und Zerkleinerung in einer Rührwerkskugelmühle ( 4 8 min. ) Resultierende Partikelgrößen ca. 50 μm, ph der Proben Nachgeschaltete zweistufige Vergärung (Hydrolyse und Methanisierung) Gesamtfeststoffabbau stieg von 70 % auf 83 % ABER: Energiebedarf der Mühle ca. 50 % der Gesamtbiogasausbeute Möller 1982 Folie 18

50 μm, ph der Proben 10-12 Nachgeschaltete zweistufige Vergärung (Hydrolyse und Methanisierung)

19 Thermisch-mechanische Behandlung von Silagen Versuche mit Triticale Zugabe von Einsatz der Thermodruckhydrolyse mit schneller Entspannung Steigerung durch TDH ist stoffabhängig (Triticale > Mais) Nm³CH4/kg ots 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 frisch frisch exploded siliert siliert exploded Versuche mit Mais Schon Silierung alleine verbessert Biogasertrag Nm³CH4/kg ots 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 Oechsner 2007 frisch frisch exploded siliert siliert exploded Folie 19

0,15 0,1 0,05 0 frisch frisch exploded siliert siliert exploded Versuche mit Mais Schon Silierung alleine verbessert

20 Einsatz von Enzymen Enzyme Maissilage & Treber 15 Wochen ohne Enzym 15 Wochen mit Enzym Gerhardt 2007 Folie 20

21 Gliederung Grundlagen Hydrolyse Prinzipielle Aufschlussverfahren Untersuchungsergebnisse Zusammenfassung Folie 21

22 Fazit Zugabe von Hydrolyse ist ein notwendiger Prozess, damit Makromoleküle in Biogas umgesetzt werden können - im Biogasprozess durch Exoenzyme Bei komplexen Substraten kann die Unterstützung durch Hydrolyse die Biogasbildung verbessern Unterschiedliche Aufschlussprinzipien sind möglich, einige Verfahren sind marktverfügbar Erzielbare Effekte sind abhängig von Substrat und bestehender Auslastung der Biogasanlage (Raumbelastung, Verweilzeit) Gesamtwirtschaftlichkeit muss im Einzelfall berechnet werden Folie 22

23 Fraunhofer UMSICHT Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr. Stephan Kabasci Foto: photocase.de Folie 23

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