Messungen zur Abbaukinetik von Einzelsubstraten und Substratmischungen

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1 Nils Engler, Michael Nelles Messungen zur Abbaukinetik von Einzelsubstraten und Substratmischungen Fachtagung Prozessmesstechnik an Biogasanlagen 25. und 26. März 2014 / Leipzig UNIVERSITÄT ROSTOCK AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTLICHE FAKULTÄT 1 Inhalt 1. Motivation / Zielstellung 2. Material und Methoden Experimenteller Aufbau Durchgeführte Versuche Auswertung und Ergebnisdarstellung 3. Ergebnisse 4. Mögliche Anwendungen 5. Zusammenfassung und Ausblick UNIVERSITÄT ROSTOCK FAKULTÄT AGRAR- UND UMWELTWISSENSCHAFTEN 2

2 Einführung Motivation / Zielstellung Verteuerung der Substrate für BGA (insbesondere NawaRo) NawaRo- Monokulturen werden immer weniger toleriert Einsatzstoffbezogene Vergütung ermöglich Nutzung bisher nicht erschlossener Substrate Der zukünftige Betrieb von BGA wird daher gekennzeichnet sein durch größere Vielfalt verschiedener Substrate als bisher kurzfristige Akquise von einzelnen Chargen zeitlich schnell schwankende Substratverfügbarkeiten Ziel: stabiler Vergärungsprozess bei gleichzeitig maximaler Substratausnutzung Prognosen zum zeitlichen Verhalten der verschiedenen Substrate und zu eventuell erwartenden Überlagerungseffekten sind notwendig. 3 Einführung Versuchsfragen Im Rahmen der nachfolgend beschriebenen Experimente sollten folgende Fragen geklärt werden: 1. Ist bei einer Kovergärung verschiedener Substrate mit Überlagerungseffekten zu rechnen? 2. Bezüglich des Biogas- und Methanertrags wird i.allg. von einer einfachen additiven Überlagerung ausgegangen (z.b. Inokulum beim Batch-Versuch), gilt dies auch für die Kinetik? 3. Wenn Sondereffekte beobachtet werden: welchen Einfluss haben weitere Randbedingungen (Inokulum, S/I- Verhältnis ) auf die Versuchsergebnisse? 4

3 Material und Methoden Batch-Tests mit zeitlich hoch aufgelöster Volumenmessung ANKOM Gas Production System Gärgefäße 500 ml Volumenbestimmung über Messung des kumulierten Druckanstiegs konst. Volumen, konst. Temp. Begrenzung des Maximaldrucks im Gärgefäß. Automatische Berücksichtigung von Luftdruckschwankungen. Zeitliche Auflösung: 30 min. 5 Material und Methoden Batch-Tests mit zeitlich hoch aufgelöster Volumenmessung Gesamtansicht ANKOM Gas Production System 6

4 Material und Methoden Versuchsansatz und Darstellung der Ergebnisse (I) Messung des zeitlichen Verlaufs der Biogasbildung von Einzelsubstraten und Substratmischungen 1. Bestimmung des spezifischen Biogasertrags V * BG der Einkomponenten- Versuche 2. Für die Mehrkomponenten-Versuche: Berechnung des absoluten Biogasertrags in ml(n) aus dem spezif. Ertrag V* der Einzelkomponenten i, der jeweiligen Konzentration c i der Komponente i in der Gesamtmischung und der Gesamtmasse Substrat m(s). Dabei wird eine einfache additive Überlagerung angenommen: 3. Vergleich der nach (2) berechneten Gassummenkurve mit der tatsächlich gemessenen Summenkurve des entsprechenden Mehrkomponenten-Versuchs. 7 Material und Methoden Versuchsansatz und Darstellung der Ergebnisse (II) Messung des zeitlichen Verlaufs der Biogasbildung von Einzelsubstraten und Substratmischungen 4. Berechnung der relativen Abweichung r(t) zwischen der gemessenen und der aus den Einkomponenten- Versuchen berechneten Gassummenkurve: 5. Alle dargestellten Ergebnisse sind Mittelwerte einer Dreifachwiederholung 8

5 Überlagerungsversuche Untersuchung des Einflusses verschiedener Parameter auf das Gesamtergebnis Nr. untersuchte Einflussgröße Varianten 1 Einfluss der Herkunft des Inokulums 2 Einfluss der Heterogenität der Substratmischung 3 Einfluss des Ausfaulungsgrades Fermenterinhalt aus landw. BGA Faulschlamm aus Anaerobstufe einer kommunalen KA Mischung aus Komponenten etwa gleicher Verdaulichkeit (Cellulose, Stärke, Glucose) Mischung von Komponenten mit extrem unterschiedlicher Verdaulichkeit (Stroh, Glucose) Inokulum frisch Ausfaulung 2 d Ausfaulung 6 d 4 S/I- Verhältnis S/I ca. 0,25 g otm (S) / g otm (I) S/I ca. 0,45 g otm (S) / g otm (I) Untersuchte Varianten 9 Versuchsergebnisse Einfluss der Herkunft des Inokulums Substrat: Cellulose, Glucose, Stärke als Einzelkomponenten und in Mischung S/I Verhältnis: 0,2 g otm (S) /g otm (I) Inokulum: Fermenterinhalt landw. BGA Inokulum: Faulschlamm aus kommunaler KA 10

6 Versuchsergebnisse Einfluss der Heterogenität der Substratmischung Substratmischung 1: Cellulose, Glucose, Stärke als Einzelkomponenten und in Mischung Substratmischung 2: Stroh (< 1 mm), Glucose Inokulum: Faulschlamm aus kommunaler KA S/I Verhältnis: 0,25 g otm (S) /g otm (I) Substratmischung 1 Substratmischung 2 11 Versuchsergebnisse Einfluss des Ausfaulungsgrades des Inokulums Substratmischung : Stroh (< 1 mm), Maissilage, getrocknet und gemahlen Inokulum: Fermenterinhalt aus landw. BGA Ausfaulungsgrade: frisch / 2 d / 6 d S/I Verhältnis: 0,22 g otm (S) /g otm (I) Inokulum ohne Ausfaulung Inokulum: 6 d Ausfaulung 12

7 Versuchsergebnisse Einfluss des Substrat-Inokulum-Verhältnis Substratmischung : Stroh (< 1 mm), Maissilage, getrocknet und gemahlen Inokulum: Fermenterinhalt aus landw. BGA S/I Verhältnis: 0,25 g otm (S) /g otm (I) und 0,45 g otm (S) /g otm (I) S/I = 0,25 S/I = 0,45 13 Fazit der experimentellen Untersuchungen Die Versuchsergebnisse führen zu folgenden Aussagen: Zusammenfassung der experimentellen Untersuchungen 1. Ein aus mehreren Komponenten mit ähnlicher Verdaulichkeit bestehendes Mischsubstrat wird im Batchversuch umgesetzt, ohne dass sich die Komponenten hinsichtlich Biogasertrag und Abbaukinetik gegenseitig beeinflussen. (Ausnahme: Hemmwirkung einer der beteiligten Komponenten.) 2. Auch bei Mischungen von Komponenten mit extrem unterschiedlicher Umsetzungsgeschwindigkeit konnte keine gegenseitige Beeinflussung festgestellt werden. 3. sowohl der Biogasertrag der Mischung als auch dessen zeitlicher Verlauf kann aus den Zeitkurven der Einzelkomponenten geschlossen werden. 4. Die Herkunft und der Ausfaulungsgrad des Inokulums sowie das S/I- Verhältnis beeinflussen deutlich die Gasbildungskinetik, die Aussagen in Punkt 1 bis 3 gelten jedoch unabhängig von diesen Parametern. 14

8 Ausblick: mögliche Anwendungen Optimierung der Fütterungsrationen für BGA Kinetische Kennzahlen, ermittelt aus Versuchen mit Einzelkomponenten, können herangezogen werden um optimierte Fütterungsrationen beim Einsatz mehrerer, zeitlich unterschiedlich verfügbarer Substrate zu berechnen. Gassummenkurve unter Annahme einer Reaktion 1.Ordnung: 1 (Gleichung 1) mit V(t): gebildetes Volumen Biogas V max : Endwert der Gassummenkurve k: Geschwindigkeitskonstante c: Exponent zur Modellierung einer lag-phase 15 Ausblick: mögliche Anwendungen Approximation der aufgezeichneten Gassummenkurven: Beispiel Cellulose Approximation nach Gleichung 1 mit folgenden Werten für die Parameter: k=1,37 c=6,42 R 2 =0,997 16

9 Ausblick: mögliche Anwendungen Approximation der aufgezeichneten Gassummenkurven: Beispiel Maissilage, getrocknet, gemahlen Approximation nach Gleichung 1 mit folgenden Werten für die Parameter: k= 0,63 c= 1,3 R 2 =0, Ausblick: mögliche Anwendungen Mit den Ergebnissen der Regressionsrechnung kann der zu erwartende Biogas- Volumenstrom durch Ableitung der Gleichung 1 berechnet werden: 1 (Gleichung 2) Berechneter und gemessener Biogas-Volumenstrom: Maissilage, getrocknet, gemahlen 18

10 Ausblick: mögliche Anwendungen Berechneter und gemessener Biogas-Volumenstrom: Stroh Berechneter und gemessener Biogas-Volumenstrom: Cellulose 19 Ausblick: mögliche Anwendungen kontinuierlicher Betrieb lässt sich als Summe von Einzelfütterungen mit jeweils konstanten Eigenschaften der einzelnen Fütterungen darstellen Volumenstrom Einzelfütterung Volumenstrom Summe 20

11 Ausblick: mögliche Anwendungen Aber auch durch gezielte Überlagerung von Einzelfütterungen mit unterschiedlichen Substraten (schematische Darstellung) Volumenstrom Einzelfütterung Volumenstrom Summe ,50 3,50 4,50 5,50 6,50 7,50 8, Zusammenfassung Fazit der vorliegenden Erkenntnisse 1. Die Messung von Gasbildungskinetiken einzelner Substrate ermöglicht es, mit Hilfe von mathematischen Modellen den zu erwartenden Verlauf der Biogasbildung von Substratmischungen zu berechnen. 2. Schon mit vergleichsweise einfachen mathematischen Ansätzen lassen sich gute Übereinstimmungen mit den Messdaten erzielen. 3. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Einzelsubstrate sich in ihrer Abbaukinetik nicht gegenseitig beeinflussen. 4. Dies ermöglicht bei einem großen Substratspektrum mit sehr verschiedenen Eigenschaften die Berechnung von Fütterungsmengen und zeitpunkten. 5. Perspektivisch ist auch eine Anwendung der Methode zur bedarfsgesteuerten Biogasproduktion denkbar. 22

12 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Universität Rostock, Agrar- und umweltwissenschaftliche Fakultät Lehrstuhl für Abfall- und Stoffstromwirtschaft Nils Engler Technikum Abfallwirtschaft und Bioenergie Tannenweg 22/ Halle Rostock Tel / nils.engler@uni-rostock.de