Effizienzkontrolle der Biogasproduktion durch Massenbilanzierung anhand der FoTS. Prof. Dr. agr. habil. Friedrich Weißbach Elmenhorst.

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Minna Sachs
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1 Effizienzkontrolle der Biogasproduktion durch Massenbilanzierung anhand der FoTS Prof. Dr. agr. habil. Friedrich Weißbach Elmenhorst Aufgabe Entwicklung und Erprobung einer praxistauglichen Methode zur Bestimmung des Methanbildungspotenzials

2 Zwei notwendige Größen zur Abschätzung des Methanbildungspotenzials Die unter anaeroben Bedingungen mikrobiell umsetzbare Stoffmenge x Die Methanbildung je Mengeneinheit des umsetzbaren Stoffes = Methanbildungspotenzial des Substrats

3 Biochemische Prozesse im Wiederkäuer und im Fermenter - Beispiel Kohlenhydrate - anaerober Stoffabbau bis zur Bildung von FFS: Hydrolyse Glykolyse Acidogenese FFS Acetogenese anaerober Stoffabbau bis zur Bildung von FFS Hydrolyse Glykolyse Acidogenese FFS Acetogenese aerober Abbau der FFS nach der Resorption durch die Pansenwand, Nutzung des anfallenden Wasserstoffs: Acetyl-CoA-Bildung Citrat-Zyklus Atmungskette anaerober Abbau der FFS und Entsorgung des anfallenden Wasserstoffs: Weiterführung der Acetogenese Methanogenese aus Acetat Methanogenese aus H2 und CO2 Ermittlung der mikrobiell umsetzbaren Nährstoffmenge

4 Ergebnisse der Methodenentwicklung Die Gasbildungspotenzial kann anhand der Fermentierbaren ots (FoTS) bewertet werden. FoTS ist die Differenz zwischen ots und ihrem nicht nutzbaren Anteil. Dieser nicht nutzbare Anteil der ots ist mit der wahr unverdaulichen OS identisch. Der nicht nutzbare Anteil der ots lässt sich mittels einfacher Parameter der Futtermittelanalyse schätzen. Um von der ots zur FoTS zu kommen, muss der nicht nutzbare Anteil der ots geschätzt werden: ots = TS XA FoTS = TS XA (nicht nutzbare ots) XA = Rohasche

5 Modell zur Schätzung der nicht nutzbaren Nährstoffe anhand der tierischen Exkretion Nährstoffausscheidung des Tieres mit dem Kot [g/kg Futter-TS] Y y = a + b x b x Die um den endogenen Anteil korrigierte Exkretion b x ist die nicht nutzbare Nährstoffmenge. a Hydrolyserückstand im Labor* [g/kg Futter-TS] x *z.b. Rohfaser (XF) Gleichungen zur Schätzung von FoTS Substrate Getreidekorn Gleichungen, alle Parameter in g/kg TS FoTS = 991 (XA) 1,53 (XF) Maissilage FoTS = 984 (XA) 0,47 (XF) 0,00104 (XF) 2 Getreideganzpfl.silage Grassilage, intensiv * FoTS = 982 (XA) 0,75 (XF) 0,00036 (XF) 2 FoTS = 969 (XA) + 0,26 (XF) 0,00300 (XF) 2 Grassilage, allgemein ** FoTS = 1000 (XA) 0.62 (EulOS) (EulOS) 2 * Intensivgras, nur 1. und 2. Schnitt; ** alle Intensitätsstufen und Schnitte EulOS = Enzym-unlösliche Organische Substanz

6 Ermittlung der Methanbildung je kg umgesetzten Nährstoffes Gleichung zur Berechnung der potenziellen Gasbildung aus N-freien chemischen Verbindungen (Buswell & Mueller, 1952) b c a b c a b c CHO a HO CH CO a b c 2 4 2

7 Stöchiometrisches Gasbildungspotenzial von fermentierbaren Kohlenhydraten und Gärprodukten Verbindung Liter/kg Methan- Methan Biogas gehalt % Kohlenhydrate Glucose, Fructose ,0 Saccharose ,0 Stärke, Cellulose ,0 Pentosane ,0 Pektine ,4 Gärsäuren Milchsäure ,0 Essigsäure ,0 Propionsäure ,3 Buttersäuren ,5 Alkohole Methanol ,0 Ethanol ,0 Propanole ,0 Butanole ,0 Propandiole ,7 Butandiole ,8 Stöchiometrisch abgeleitetes Gasbildungspotenzial je kg FoTS Methan Biogas Methan Liter/kg FoTS Liter/kg FoTS % Maissilagen ,1 Getreideganz ,3 pflanzensilagen Grassilagen ,3 Getreidekorn ,0 Mittel ,9

8 Vergleich von vorausberechnetem Gasbildungspotenzial mit Fermenterbilanzen Methode der Ermittlung Methan Biogas Methangehalt Liter/kg FoTS** Liter/kg FoTS** im Biogas % Stöchiometrische Berechnung* ,9 ( ) ( ) (51,0 52,3) Messung von Gasvolumen ,7 und Methangehalt ( ) ( ) (48,9 53,2) Berechnung aus der ,6 elektrischen Arbeit (kwh) ( ) (50,6 52,8) Bei bisherigen Kalkulationen ,5 zur Substratbewertung unterstellt * Annahme von 5 % Inkorporation der umsetzbaren FoTS in bakterielle Biomasse **umgesetzte bzw. umsetzbare FoTS Anwendungsbeispiele Beurteilung der Substratausnutzung in der Praxis

9 Substrat TS XA ots FQ nicht nutzbare ots FoTS NQ ungenutzte FoTS mikrobiell umgesetzte FoTS BQ 1- BQ Bakterien- Biomasse FoTS, umgesetzt zu Biogas XA organischer Gärrest (ogr) Gärrest Gleichung zur Berechnung des Ausnutzungsgrades NQ 1000 XA ' FoTS 1 1 BQ XAR S

10 Berechnung des Ausnutzungsgrades der Substrate Fermenter FoTS XA XA Ausnutzung der Ration der Ration des Gärrests der FoTS g/kg TS g/kg TS g/kg TS in % A ,5 B ,4 C ,4 Mittel ,3 110 Ausnutzung (utilzation) % Nummer der Probenahme (sampling number ) Fermenter A Fermenter B Fermenter C Mittel

11 Fazit Der mikrobiell nutzbare Anteil der ots lässt sich aus standardisierten Verdauungsversuchen an Schafen ableiten. Der Gehalt an FoTS eignet sich als Parameter zur Bewertung des Gasbildungspotenzials der Substrate. Das spezifische Gasbildungspotenzial je kg FoTS kann auf stöchiometrischem Wege bestimmt werden. Bei allen Halm- und Körnerfrüchten kann mit rund 800 Litern Biogas und 420 Litern Methan je kg FoTS gerechnet werden. Mithilfe der Ermittlung von FoTS bzw. des Gasbildungspotenzials der Substrate ist es erstmals möglich, die Effizienz des Fermentationsprozesses zu bewerten. Ausblick Das FoTS-Konzept dürfte gute Voraussetzungen bieten, um Beiträge zur Lösung aktueller Probleme zu leisten: Bestimmung des Austauschverhältnisses von Maissilage gegen andere Arten Biomasse Programmierung einer zeitflexiblen Biogaserzeugung aktuelle Aufgaben für Methodenentwicklung

12 Flexible Biogaserzeugung Basismodell für die Programmierung einer zeitabhängige Gaserzeugung (Tenbrink, 2013): Y t = Y max (1 e k t ) Y t Y max f k = Gaserzeugung in der Zeit t = Gasbildungspotential = f (FoTS) = Methan je kg FoTS = kinetische Konstante der Gasbildung Y max, f und k sind substratspezische Parameter, deren Bestimmung das Ziel weiterer Forschung sein muss.

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