MOST und mehr. aktuelle Entwicklungen und Forschungsprojekte zu Biogas und Bioenergie

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "MOST und mehr. aktuelle Entwicklungen und Forschungsprojekte zu Biogas und Bioenergie"

Alexandra Waldfogel
vor 8 Jahren
Abrufe

1 MOST und mehr aktuelle Entwicklungen und Forschungsprojekte zu Biogas und Bioenergie

2 MOST BioProFi Verbundprojekt: MOST Modellbasierte Prozesssteuerung von Biogasanlagen Vorhabensbeschreibung Eingereicht für die Förderinitiative BioProFi Bioenergie Prozessorientierte Forschung und Innovation Im Rahmen des Förderkonzepts Grundlagenforschung und des 6. Energieforschungsprogramms der Bundesregierung Prof. Dr. Dieter Bryniok

Prozessorientierte Forschung und Innovation Im Rahmen des Förderkonzepts

3 Biogas Supplemente Substrat Substratzufuhr? ph-wert Biogas Gärreste Temperatur Prof. Dr. Dieter Bryniok

4 Biogas Biologische Grundlagen Ausgangsmaterial (Kohlenhydrate, Proteine, Lipide) Hydrolyse Einfache organische Bausteine (Zucker, Aminosäuren, Fettsäuren) Säurebildung (Acidogenese) Organische Säuren und Alkohole Essigsäure, H 2 und CO 2 Biogas CH 4 und CO 2 Essigsäurebildung (Acetogenese) Methanbildung (Methanogenese) Prof. Dr. Dieter Bryniok

(Acidogenese) Organische Säuren und Alkohole Essigsäure, H 2 und CO 2 Biogas CH 4 und CO

5 Biogas biologische Grundlagen Prof. Dr. Dieter Bryniok

6 Schlüsselverbindung H 2 Glycolyse: Glucose + 2ADP + 2P i + 2 NAD + -> 2 Pyruvat + 2NADH + 2H + + 2ATP Oxidative Decarboxylierung: 2 Pyruvat + 2CoA + 2 NAD + -> 2 Acetyl-CoA + 2CO 2 + 2NADH + 2H + Regeneration von NADH 2 2NADH + 2H + -> H 2 + NAD + Voraussetzung: H 2 -Partialdruck <0,4 bar Acetogenese: Ethanol zu Acetat: CH 3 -CH 2 OH + H 2 O CH 3 COO - + H H 2 Buttersäure zu Acetat: CH 3 -CH 2 -CH 2 -COO H 2 O 2 CH 3 COO - + H + + 2H 2 Voraussetzung: H 2 -Partialdruck 10-2 bar Prof. Dr. Dieter Bryniok

2 -Partialdruck <0,4 bar Acetogenese: Ethanol zu Acetat: CH 3 -CH 2 OH + H 2 O CH 3 COO - + H + + 2 H 2 Buttersäure zu Acetat: CH 3

7 Fermentation Anaerobe Oxidation Organische Polymere (Kohlenhydrate, Proteine, Lipide) Hydrolyse Hydrolysephase Organische Monomere (Zucker, Aminosäuren, Fettsäuren) Acidogenese Acidogene Phase (Säurebildung) Organische Säuren und Alkohole Acetogenese Acetat H 2 und CO Homoacetogenese 2 Acetoklastische Methanogenese CH 4 und CO Reduktive Methanogenese Acetogene Phase (Essigsäurebildung) Methanogene Phase Prof. Dr. Dieter Bryniok

und Alkohole Acetogenese Acetat H 2 und CO Homoacetogenese 2 Acetoklastische Methanogenese CH 4 und CO 2 16.12.

8 Anaerobe Abbauwege und Gärungsprodukte von Glucose Prof. Dr. Dieter Bryniok

9 Erfassung kinetischer Daten Prof. Dr. Dieter Bryniok Ellen Euchner Carolin Griese Jan Mers Sensortechnik, Analytik Prof. Dr. Thomas Kirner Bettina Manns Verfahrenstechnik, Praxistests Prof. Dr. Marcus Kiuntke Husein Beganovic Jean-Maurice Bußhoff Eugen Koslowski Prof. Dr. Dieter Bryniok

10 MOST Konsortium Sensor- Entwicklung Modellierung Populationsanalysen Praxistests Prof. Dr. Dieter Bryniok

11 Fragestellungen für eine modellbasierte Steuerung Datenbasis für ein mathematisches Modell geeignete Parameter zur Prozessteuerung Sensortechnik Validierung des Modells Teilprojekte 1. Erfassung und Bestimmung kinetischer Daten Literaturstudien Laborexperimente (Ellen Euchner, Mittwoch, 14:00) 2. Sensorentwicklung 3. Populationsanalysen 4. Modellierung (Michael Dudzinski, Dienstag, 14:15) 5. Praxistests Prof. Dr. Dieter Bryniok

Erfassung und Bestimmung kinetischer Daten Literaturstudien Laborexperimente (Ellen Euchner, Mittwoch, 14:00) 2.

12 Ermittlung kinetischer Daten Literaturstudie Prof. Dr. Dieter Bryniok

13 Sensorik Gasphase Neue Konditioniereinheit für H 2, H 2 S und NH 3 Prof. Dr. Dieter Bryniok

Sensorik Gasphase Messung von Ansprechverhalten Wiederholbarkeit Temperaturabhängigkeit Druckabhängigkeit Querempfindlichkeiten Zwischenergebnis: H 2 - und H 2 S-Sensoren

14 Sensorik Gasphase Messung von Ansprechverhalten Wiederholbarkeit Temperaturabhängigkeit Druckabhängigkeit Querempfindlichkeiten Zwischenergebnis: H 2 - und H 2 S-Sensoren ausgewählt Messsoftware angepasst hinsichtlich Messdauer und Spüldauer weitere Optimierungen in Arbeit noch kein zufriedenstellender NH 3 -Sensor Prof. Dr. Dieter Bryniok

ausgewählt Messsoftware angepasst hinsichtlich Messdauer und Spüldauer weitere

15 Sensorik - Flüssigphase ausgewählte Messprinzipien Impedanzspektroskopie (Leitwert, Dielektrizitätskonstante) Zyklovoltametrie (Redox-aktive Stoffe) Polarimetrie (Polarisationsdrehwinkel in Abhängigkeit vom Glukosegehalt) Sensorchip Prof. Dr. Dieter Bryniok

Zyklovoltametrie (Redox-aktive Stoffe) Polarimetrie

16 Sensorik - Flüssigphase aktueller Stand Prototypen werden für Praxistests an die HSHL geliefert Polarisationsfilter Laserdiode Küvette Detektoren Blende Umlenkprism a Prof. Dr. Dieter Bryniok

Polarisationsfilter Laserdiode Küvette Detektoren

17 Versuchsanlage Modul1 M112 PIRSA 141 PIRSA 142 D B101 D P111 V121 V122 V123 V121X1 V122X1 V123X1 C Modul5 Druckluft Modul2 Modul3 Modul4 C V521 V522 PIRSA 541 FIR 244 QIR FI FIR I-22 QIR FI FIR I-28 QIR FI K221 V223 P211 PIRCA 243 K321 V323 P311 K421 V423 P411 B201 PIRCA 242 B301 B401 W212 W312 W412 B TIRC 245 V222 TIRC I-25 V322 TIRC I-27 V422 B PIRCA 241 PIRCA I-20 PIRCA I-30 B202 B302 B402 WIR 261 WIR I-19 WIR I-29 A Datum Name Gez. Gepr. Maßstab Projektion 1:1 Benennung Biogasanlage MOST Stand A Vervielfältigung, Weitergabe an Dritte, ist nur mit ausdrücklicher schriftlicher Genehmigung vom Fraunhofer IGB zulässig. 1,2 und 11 ff des Urhg. und des 823 BGB Nr. Änderung Datum Name Zchng.Nr: Format A _MOST Blatt 1 / 1 Prof. Dr. Dieter Bryniok

B302 B402 WIR 261 WIR I-19 WIR I-29 A Datum Name Gez. Gepr. Maßstab Projektion 1:1 Benennung Biogasanlage MOST Stand 27.01.

18 Populationsanalysen Genomanalysen Microarrays qpcr Next Generation Sequencing Proteomanalysen SDS-PAGE 2D-Gelelektrophorese Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) Prof. Dr. Dieter Bryniok

19 Danke für die gute Zusammenarbeit Dieter Bryniok Ellen Euchner Marcus Kiuntke Husein Beganovic Thomas Kirner Marcus Stiemer Michael Dudzinski Werner Sternad Barbara Waelkens Arndt Steinke Thomas Frank Udo Schmale Daniel Wehmeyer Anja Grohmann Heribert Insam Andreas Walter Barbara Pohl Thomas Dory Maximilian Vogl Prof. Dr. Dieter Bryniok

Arndt Steinke Thomas Frank Udo Schmale Daniel Wehmeyer Anja Grohmann Heribert Insam

20 MOST und mehr aktuelle Entwicklungen und Forschungsprojekte zu Biogas und Bioenergie

21 Abwasser- und Abfallwirtschaftskonzept größter Fleischproduzent Ecuadors v. a. Schweine und Geflügel hohe Produktqualität vollständige Produktionskette in eigener Hand von Futterherstellung bis zu Schlachtung und Vertrieb 95 Produktionsstätten Prof. Dr. Dieter Bryniok

22 Arbeitsprogramm Analyse der neuen nationalen Umweltgesetzgebung Besuch von 15 Produktionsstätten Bewertung bestehender Abwasserreinigungsanlagen Charakterisierung aller Abwässer und Reststoffe Ermittlung des Energiebedarfs aller Produktionsstandorte Prof. Dr. Dieter Bryniok

23 Arbeitsprogramm Laborversuche zur Bestimmung der Biogas- und Methanausbeute aus verschiedenen Abfällen in Stuttgart und Ecuador Erarbeitung einer umfassenden Abwasser- und Abfallwirtschaftsstrategie für den ganzen Konzern Kosten-Nutzen-Kalkulationen für vier verschiedene Szenarios Prof. Dr. Dieter Bryniok

24 Ergebnisse 75% des gesamten Energieverbrauchs in 17 Produktionsstätten 50% in sechs Produktionstätten ca. 50% des gesamten Energiebedarfs könnten theoretisch aus eigenen Reststoffen gedeckt werden Strom und Wärmebedarf von drei Schlachthäusern kann mit Biogas aus eigenen Abwässern und Reststoffen gedeckt werden Amortisation der Anlagen in 4-7 Jahren Verwertung der Gärreste als organischer Dünger Prof. Dr. Dieter Bryniok

25 Verwertung von Abwässern und Abfällen aus der Olivenöl-Produktion Olivenöl-Produzenten aus Spanien, Italien, Griechenland Extraktion von Polyphenolen (Antioxidantien) Biogasproduktion von Abwässern und Abfällen aus der Olivenöl-Produktion bis zu 720 L Biogas /kg otr, Methangehalt bis zu 70 % Covergärung von Olivenöl-Abwässern mit Molkereiabwässern Covergärung von Olivenöl-Abfällen mit Rindergülle Prof. Dr. Dieter Bryniok

26 PERSEO - Bioethanol aus Müll Prof. Dr. Dieter Bryniok

27 Projekt BioEnergie 2021: Bioraffinerie der Zukunft Substrat Biogas Strom BHKW Wärme Gasnetz Kompression (CNG) Wertstoffe (Lignin) Gärreste Wirtschaftsdünger Oxygenate (Formaldehyd) Organischer Dünger Prof. Dr. Dieter Bryniok

28 Projekt BioEnergie 2021: Bioraffinerie der Zukunft - Gießereiharze Prof. Dr. Dieter Bryniok

29 Projekt ECOX 3 CH 4 Methan 1 CO 2 Kohlendioxid Chemokatalyse im Membran- Reaktor bzw. im Rohrreaktor 8 CH 2 O Formaldehyd 4 H 2 O Wasser Enzymreaktor Stofftrennung 4 CH 3 OH Methanol 4 HCOOH Ameisensäure eventuell Reaktion zu 4 H CO 2 Verbrennungsenthalpie Methan: - 890,4 kj/mol Verbrennungsenthalpie Methanol: - 726,4 kj/mol => ,2 kj Mattias Stier, Mittwoch, 14:30 => ,6 kj Prof. Dr. Dieter Bryniok

30 - - Formaldehyd Dismutase aus Pseudomonas sp. Projekt ECOX H - C - = O H H H - C - OH H NADH + H + NAD + H 2 O H - C =O OH H- C H OH OH H - C - =O H Quelle: NCBI Prof. Dr. Dieter Bryniok

31 Mikrobielle Brennstoffzelle Prof. Dr. Dieter Bryniok

32 EU-Projekt MFC4Sludge Ausgangsmaterial (Kohlenhydrate, Proteine, Lipide) Hydrolyse Einfache organische Bausteine (Zucker, Aminosäuren, Fettsäuren) Säurebildung (Acidogenese) Organische Säuren und Alkohole Essigsäure, H 2 und CO 2 Biogas CH 4 und CO 2 Essigsäurebildung (Acetogenese) Stromproduktion Prof. Dr. Dieter Bryniok

33 EU-Projekt MFC4Sludge Klaus Brüderle, Dienstag, 14:45, HAM4 Prof. Dr. Dieter Bryniok

34 Bioraffineriekonzepte Gruppe Bioraffineriekonzept 1 Zucker-Bioraffinerie Stärke-Bioraffinerie 2 Pflanzenöl-Bioraffinerie Algenöl-Bioraffinerie 3 Lignocellolose-Bioraffinerie (Cellulose/ Hemizellulose/Lignin 4 Synthesegas-Bioraffinerie 5 Biogas-Bioraffinerie Quelle: Nationale Politikstrategie Bioökonomie der Bundesregierung Prof. Dr. Dieter Bryniok

35 Biogas-Bioraffinerie Landesgraduiertenförderung Ba.-Wü. Methan als Kohlenstoff- und Energiequelle Produktion von Wertstoffen mit methanotrophen Bakterien. Beispiel: Polyhydroxybuttersäure (PHB) Vision: methanotrophe (Methan verwertende) Bakterien und Hefen als heterologeproduktionsstämme Beispiele: Pharmaproteine (z.b. Insulin), technische Enzyme Prof. Dr. Dieter Bryniok

36 Fazit Zur Steuerung einer Biogasanlage müssen die Reaktionen in einer Biogasanlage noch besser verstanden werden. Für die zuverlässige Prozesssteuerung fehlen (noch) geeignete Frühindikatoren und die passende Sensortechnik. Mit den Werkzeugen der modernen Genomik und Proteomik werden biologische Prozesse besser verstanden und (hoffentlich) neue, interessante Mikroorganismen entdeckt. Die Bioenergiebranche muss sich den jeweiligen Rahmenbedingungen vor Ort anpassen. Die stoffliche Nutzung sollte in Gesamtkonzepte einbezogen werden. Biogas kann auch ein interessantes Substrat sein. Es gibt viel zu tun. Prof. Dr. Dieter Bryniok

37 Vielen Dank für Ihr Interesse

Ähnliche Dokumente

Biologie der Biogaserzeugung

Biologie der Biogaserzeugung Peter Institut für Technologie and Biosystemtechnik Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) ZNR Biogastagung, Bad Sassendorf-Ostinghausen, 02.04. 2003 Biologie der