Die energieautarke Ethanolanlage

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Jan Burgstaller
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1 Die energieautarke Ethanolanlage Jürgen Kube Leiter Forschung und Entwicklung

2 Gründer der Agraferm Technologies AG Dr.-Ing. Hans Friedmann: Mehr als 20 Jahre Biogaserfahrung in Forschung, Planung, Beratung, Anlagenerrichtung und Anlagenbetrieb, Promotion im Bereich Bioverfahrenstechnik an der TUHH (Mikrobiologische Methanbildung unter erhöhtem Druck, TUHH). Vorstandsvorsitzender Agraferm Technologies AG, Gründungsmitglied Biogasunion, Präsidiumsmitglied des Fachverbandes Biogas Dipl.-Ing. Christian Heck: 10 Jahre Erfahrung im Bereich Biogas, Abwicklung von mehr als 100 Biogasanlagen, Geschäftsführer Agraferm Luxemburg s.àr.l. Franz Böhm: Experte für Marketing und Marktentwicklung, Aufsichtsratsvorsitzender Agraferm Technologies AG

3 Organigramm

4 Massenströme Bioethanol Anlage DDGS Produktion Enzymes Heat Heat Corn Liquefaction, Saccharification Water Sugar solution Yeast Fermentation Aqueous ethanol solution Ethanol Purification DDGS Production Stillage Ethanol Water vapor DDGS

5 Massenströme Bioethanolanlage Biogas + Dünger Enzymes Heat Corn Liquefaction, Saccharification Water Sugar solution Yeast Fermentation Aqueous ethanol solution Ethanol Purification Anaerobic digestion Stillage Ethanol Water Electric energy Fertilizer

6 Massen- und Energiebilanzen einer Ethanol-Anlage (1 kg Ethanol) Input Ethanol-Anlage Energy 3.22 kg Mais (86% TM) (13.4 kwh) 3.33 kg Wasser (teilweise wiederverwendet) 6.5 kbtu Wärme Destillation (1.9 kwh) 11.3 kbtu Wärme DDGS-Produktion (3.3 kwh) 0.4 kwh Strom (0.4 kwh) Output Ethanol-Anlage 1 kg CO2 1 kg DDGS (90% TM) (5.1 kwh) 1 kg Ethanol (8.3 kwh)

7 Massen- und Energiebilanzen einer Ethanol-Anlage mit Biogasproduktion Input Ethanol-Anlage Energy (H s ) 3.22 kg Mais (86% TM) (13.4 kwh) 3.33 kg Wasser (teilweise wiederverwendet) 6.5 kbtu Wärme Destillation (1.9 kwh) Wärme DDGS-Produktion (entfällt) 0.4 kwh Strom (0.4 kwh) Output Ethanol-Anlage 1 kg CO2 445 L Biogas (55% CH4) (2.7 kwh) 1 kg Ethanol (8.3 kwh) 1.6 kg Dünger (30% TS)

8 Biogas Potential von Schlempe eigene Messwerte Methane yield Stillage YCH4 [Nm³/toDM] Rye stillage dry mill Wheat stillage dry mill Corn stillage dry mill Wheat stillage dry mill time [d]

9 Zusammensetzung der Schlempe Fasern aus Mais/Weizen Protein aus Mais/Weizen (Gluten) Öl aus Mais/Weizen Hefezellen aus Ethanol Fermentation Stärkereste gelöste Hemicellulose Ethanol, Glycerin Zucker (Maltose, Glukose) Schwefelsäure Kalium-Phosphat-Puffer (Liquifaction/Saccharifaction Enzyme)

10 Herausforderungen der Schlempefermentation Gemisch aus einfach- und schwerabbaubaren Substraten (Katabolische Repression, Vorversäuerung) Hoher Stickstoffgehalt (Ammoniak-Hemmung) Hoher Schwefelgehalt (H2S-Hemmung) Hoher Kaliumgehalt (Osmotische Hemmung) Hoher Gehalt an Magnesium und Phosphat (MAP-Ausfällungen) Hohe Volumenlast/ niedrige organische Last (Große Fermenter / geringe Beladungsrate) Große Volumina (Wasser-Management) Hohe Temperatur der Schlempe (Wärme-Management)

11 Herausforderungen: Reaktorgröße volumetric loading rate vs. hydraulic retention time 10% Stillage 35 volumetric loading rate [kgodm/(m³ d)] maximal loading rate CSTR 10 kg/(m³ d) CSTR: Biomass is flushed from the fermenter, low biomass concentration in the fermenter. Retention time must be higher than generation time of microorganisms at fermentation conditions (approx. 10 to 15 days) minimal hydraulic retention time CSTR 20 days HRT [d] (proportional to fermenter size)

12 Herausforderungen: Reaktorgröße Hochlastfermenter volumetric loading rate vs. hydraulic retention time 10% Stillage volumetric loading rate [kgodm/(m³ d)] maximal loading rate AHP 30 kg/(m³ d) AHP: (Anaerobic High Performance) Biomass accumulates in the fermenter, high biomass concentration in the fermenter. retention time can be lower than generation time of microorganisms at fermentation conditions (approx. 10 to 15 days) minimal hydraulic retention time AHP 0.25 to 1 day HRT [d] (proportional to fermenter size)

13 Herausforderungen: Stickstofffracht Mittlerer Stickstoffgehalt der Schlempe 5 15% der Trockenmasse Trockenmassegehalt der Schlempe 5 30% Stickstoffgehalt 2,5 45 g/l N Ammoniakgehalt hängt vom Proteinabbau ab

14 Herausforderungen: Stickstofffracht ph-wert des Ammonium-Carbonat Puffers ohne Salze Partialdruck CO 2 0,45 bar; Temperatur 55 C 8,5 8,0 7,5 ph 7,0 6,5 6, NH4-N [g/l]

15 Herausforderungen: Stickstofffracht Auswirkungen der Ammoniakkonzentration auf die Generationszeit NH4-N [g/l] % 125 % 150 % 175 % 200 % µ/µmax 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% NH3-N [mg/l] % % 6,00 6,50 7,00 7,50 8,00 8,50 ph Angelikadi und Ahring (1993) Appl Microbiol Biotech, Gallert und Winter (1997) Appl Microbiol Biotech,

16 Pilotanlage für Schlempefermentation (7 m³ netto)

03/10/08 02/29/08 Letzte Versuchsergebnisse 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 Methane yield [Nm³/toDM] 100 0 12/01/07 12/11/07 12/21/07 12/31/07 01/10/08

17 03/10/08 02/29/08 Letzte Versuchsergebnisse Methane yield [Nm³/toDM] /01/07 12/11/07 12/21/07 12/31/07 01/10/08 01/20/08 01/30/08 02/09/08 02/19/08 time loading rate [kgodm/(m³ d)]; Acetic acid equivalent [g/l] methane yield loading rate acetic acid equivalent

18 03/10/08 Schlempefermentation: Aufenthaltszeit Methane yield [Nm³/toTM] /01/07 12/11/07 12/21/07 12/31/07 01/10/08 01/20/08 01/30/08 02/09/08 02/19/08 02/29/08 time Hydraulic retention time [d]; Acetic acid equivalent [g/l] methane yield Hyraulic retention time acetic acid equivalent

19 Schlempevergärung Gärrestbehandlung (A3) Stabile Membranflüsse bis 200 L/(m² h) im Pilot-Maßstab Umkehrosmose zur Prozesswasserbereitstellung Wasserabtrennung ohne Verdampfung

20 Zusammenfassung Massen- und Energiebilanzen Größter Wärmeverbraucher einer Bioethanolanlage ist die DDGS- Produktion Statt DDGS-Produktion kann die Schlempe in einer Biogasanlage genutzt werden Ohne DDGS-Produktion kann mehr als die Hälfte des Wärmebedarfs der Bioethanolanlage eingespart werden Verstromung des Biogases erzeugt elektrische Energie und Wärme Biogasprozess ist ideal für verdünnte Systeme, da die Energie in Form von Methan aus dem Strom abgetrennt werden kann

21 Zusammenfassung Fermentation Biomasserückhaltung ist der Schlüssel zur Schlempefermentation Raumbelastung von 10 kg/(m³ d) wurde stabil erreicht Hydraulische Aufenthaltszeit von 6,5 d Methanausbeute ist stabil bei hohen Beladungsraten Scale up in der Höhe wird die Biomasserückhaltung noch verbessern

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr.-Ing. Jürgen Kube, Färberstr. 7, Pfaffenhofen/Ilm, 08441/

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