Einsatz von Spurenelementmischungen in Biogasanlagen Neueste Forschungsergebnisse und Anwendungsempfehlungen
Voraussetzung einer effektiven Biogasanlage Neben passender, technischer Ausstattung: Optimale biologische Prozess
Lebensbedingungen der Bakterien w anaerobes Milieu - kein Sauerstoff w wässriges Milieu w konstante Temperatur w ph-wert (optimal 7,0 bis 8,0) w kontinuierliche Substratzufuhr w Raumbelastung w ausreichend lange Verweilzeiten w große Stoffoberflächen w keine Hemmstoffe (zu hoher N-Gehalt, Desinfektionsmittel, Antibiotika u.ä.) w Nährstoffe (Mineralstoffe wie NPK, Mg, Ca ) w Spurenelemente w Eisen Konstante Bedingungen
Mikronährstoffe Mikroelemente (Spurenelemente) Mangan Molybdän Zink Kupfer Kobalt Nickel Vanadium Bor Chlor Selen Silizium Wolfram Und andere
Spurenelementversorgung Bakterien produzieren Enzyme (Werkzeuge bzw. Biokatalysatoren) zur Beschleunigung biochemischer Reaktionen, die die Aufspaltung/Umwandlung von Substraten und der eigenen Vervielfältigung ermöglichen. Verschiedene Enzyme (Metalloenzyme) benötigen Spurenelemente als Cofaktor. Optimaler Spurenelementgehalt ist eine Voraussetzung zur optimalen prozesseigenen Enzymbildung g/kg mg/kg mg/kg mg/kg mg/kg
Funktionales Spektrum der Spurenelemente Element Chrom Kobalt Kupfer Mangan Molybdän Nickel Selen Wolfram Vanadium Zink Eisen Bor Silicium Symbol Cr Co Cu Mn Mo Ni Se W V Zn Fe B Si Funktion der Zelle Glucosestoffwechsel als Cofaktor in Vitamin B12 enthalten Pigmente Cofaktor für viele Enzyme Cofaktor in zahlreichen flavinhaltigen Enzymen Cofaktor in Kohlenmonoxiddehydrogenasen und Ureasen Cofaktor für Hydrogenasen Cofaktor für einige Formiat-Dehydrogenasen Cofaktor für Nitrogenasen Cofaktor für RNA- und DANN- Polymerase Cofaktor für Cytochrome, Katalasen, Peroxidasen u.a. Cofaktor für Enzyme Strukturstoff in Schalen von Kieselalgen
Enzyme Enzyme können Reinproteine oder Holoenzyme (Proteinanteil+Kofaktor) sein, welche biochemische Reaktionen katalysieren Als Katalysatoren beschleunigen Enzyme biochemische Reaktionen in Form von Monomeren, Oligomeren oder Multienzymkomplexen. Häufig benötigten Enzyme Kofaktoren, die in den meisten Fällen ein oder mehrere Spurenelemente enthalten d.h. ohne Spurenelemente sind diese betreffenden Enzyme unwirksam
Auftreten wichtiger Enzyme Wo kommen z.b. eisenhaltige Enzyme zur Wirkung? 1.Stufe 2.Stufe 3.Stufe 4.Stufe Gülle Stallmist Bioabfälle Aufspaltung der Makromoleküle Vergärung der Spaltprodukte Bildung von methanogenen Substraten Biogasbildung Kohlenhydrate Fette Eiweiße Zucker Fettsäuren Aminosäuren Basen Carbonsäuren Gase Alkohole Essigsäure Wasserstoff Kohlendioxid Methan Kohlendioxid Z.B. ist Eisen ein Bestandteil von Iron-Sulphur-Cluster. Dieser ist in verschiedenen Enzymen als Cofaktor enthalten; beispielsweise Nitrogenasen und Hydrogenasen. Quelle: www.atb-potsdam.de hydrolytische fermentative/ Versäuerung acetogene methanogene
Eisen w Eisen ist ein essentielles "Spurenelement" w Eisen ist ein Bestandteil von Iron-Sulphur-Cluster in vielen Enzymen w Metallionen wie Eisen dienen z.b. als strukturstabilisierendes Koordinationszentrum oder Redox-Partner w Können Wassermoleküle aktivieren w Ohne Eisen-Schwefel-Proteine können viele Lebewesen nicht existieren w Bestandteil von Methan- Monooxygenase, Ribonukleotid- Reduktase und Hämerythrin Abb.: Struktur des Eisen-Schwefel-Enzyms 4-Hydroxybutyryl- CoA-Dehydratase (4-BUDH). Dieses besteht aus vier Untereinheiten, wobei jede davon ein aktives Zentrum mit einem Eisen-Schwefel-Cluster (bestehend aus vier Schwefel- und vier Eisen-Atomen) und Flavin enthält Quelle: Max-Planck-Institut
Hydrolyse Bei der Hydrolyse werden biopolymere Stoffe durch Reaktion mit Wasser in monomere Grundbausteine zerlegt z. B.: Fette in Fettsäuren Polysaccharide in Mono- oder Oligodaccharide (z.b. Glykosidase) Proteine in Peptide/Aminosäuren (z.b. Urease mit Nickel) Weiterer wichtiger Hydrolyse- Vorgang ist die Spaltung von ATP in ADP und einem Phospatrest: direkte Energiegewinnung
Enzym: Hydrogenase Fe- Hydrogenasen H2 NiFe-Hydrogenasen Hydrogenasen 2H + + 2e - NiFeSe-Hydrogenasen Hydrogenasen katalysieren eine einfache reversible Oxidation von Wasserstoff zu Protonen; sehr heterogene Enzymgruppe mit einer Gemeinsamkeit: Fe-S-Proteine
Gegenüberstellung Mais/Gülle Inhaltsstoffe 100 90 80 % SE-Konzentration mg/kgts 70 60 50 40 30 20 10 0 B Co Fe Cu Mn Mo Ni Se V Bi Zn Na W Maissilage 65 6 3 12 3 48 14 6 78 21 12 2 56 Rindergülle 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 Setzt man die SE-Versorgung von Rindergülle als Maßstab an, so sind deutlich die unausgewogene Spurenelement- und insbesondere die niedrige Eisenkonzentration bei Maissilage zu erkennen
Mohrrübe Spurenelementverteilung Spurenelementverteilung in Substraten 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 mg/kg Ro tklee Weißklee Knaulgras Weidelgras Wiesenlieschgras Wieselschwingel Hafer Mais Fütterrübe Substrat Co Mo
Auswirkung von Mangel Das Unterschreiten einer bestimmten Spurenelementkonzentration kann dazu führen, dass: empfindliche Bakteriengattungen ganz fehlen weniger empfindliche Bakteriengattungen langsamer arbeiten Das Fehlen einer Bakteriengattung führt in der Regel nicht zu einem völligen Zusammenbruch sondern nur zu einer Verlangsamung des Prozesses, da andere Bakteriengruppen den Abbau übernehmen
Prozessentwicklung bei Zugabe von Spurenelementen und Eisen
Erfahrungen aus dem Technikum Wirkung Spurenelementzugabe 150 l- Technikumsfermenter 16000 18,00 P r o p io n s ä u re k o n z. [m g /l] 14000 Erste Betriebsphase ohne Spurenelemente 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 14.08.2005 03.09.2005 23.09.2005 13.10.2005 02.11.2005 22.11.2005 12.12.2005 01.01.2006 21.01.2006 10.02.2006 Spurenelemente-Zugabe Zweite Betriebsphase, mit SE 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 R a u m b e la s tu n g [k g o T S /m ³d ] Propionsäure [mg/l] Essigsäureäquivalent GC(mg/l) Raumbelastung [kg ots/m³d] Bei mangelhafter SE- und Eisenversorgung findet eine Anreicherung FS mit nachfolgendem Leistungseinbruch statt Bei optimaler SE/Eisenversorgung können deutl. höhere Raumbelastungen im Technikumsmaßstab als in der Praxis ohne eine FS-Anreicherung erreicht werden
Erfahrungen aus der Inbetriebnahme Nach Inbetriebnahme laufen viele Anlagen über mehrere Wochen sehr stabil auf hohem Niveau, danach fallen sie deutlich ab (vor allem NawaRo-Anlagen), weil dann in der Regel ein Mangel entsteht. Optimale Zusammensetzung (Sollwerte) der Mikronährstoffversorgung des Fermenters ist zur Stabilisierung notwenig Mikronährstoffe sind zwingend notwendig für die Stoffwechselprozesse der Mikroorganismen, das heißt, dass die Mikroorganismen bei einer zu geringen Konzentration der einzelnen Spurenelemente in ihrer Aktivität abnehmen und damit weniger Gas produziere
Vergleich Spurenelementegehalt Gülle hat einen ausgewogenen Nährstoff- und Spurenelementgehalt Maissilage zeigt deutliche Versorgungslücken in der Spurenelement- Konzentration
Fermenterinhalte bei NAWARO-Vergärung In der IBN- Phase werden die Biogasanlagen zu 60-70 % mit Impfgülle befüllt. 120 Tage Kofermentation von Gülle und NAWARO Letztlich Substitution von Gülle durch Wasser
Auslastungsverlauf mit Spurenelemente IBN Spurenelement-Zugaben Leistungsabfall
Erfahrungen Regelbetrieb 20 SE SE SE 100 Fütterung[t/d] 15 10 80 60 40 Auslastung [%] 5 20 0 0 Januar Februar März April Mai Juni Juli Technisches Problem August September Oktober November Dezember Maissilage [t/d] Grassilage [t/d] Auslastung [%] Leistungssteigerung durch SE/Eisen-Einsatz Stabil hohe Auslastung mit weniger Substrateinsatz
Zusammenfassung: Nutzen von Spurenelemente Optimale, konstante Zusammensetzung (Sollwerte) der Mikronährstoffe im Fermenter ist zur Stabilisierung des biologischen Prozesses notwenig Mikronährstoffe sind zwingend notwendig für die Stoffwechselprozesse der Mikroorganismen, da diese bei einer zu geringen Konzentration der einzelnen Spurenelemente in ihrer Aktivität abnehmen und damit weniger Gas produzieren Bakterien produzieren Enzyme (Werkzeuge bzw. Biokatalysatoren) zur Beschleunigung biochemischer Reaktionen, die die Aufspaltung/Umwandlung von Substraten und der eigenen Vervielfältigung ermöglichen. Optimaler Spurenelementgehalt ist eine Voraussetzung zur optimalen prozesseigenen Enzymbildung Durch regelmäßige optimale Eisenversorgung wird sichergestellt, dass dieses Element im Fermenter jederzeit biologisch voll verfügbar ist und nicht vom gelösten Sulfid gebunden wird Bedarfsgerechte Zufuhr von Spurenelementlösung bzw. - mischung einhergehend mit Zugabe von Eisen-Verbindungen
Was ist novodyn? Wer braucht novodyn und warum? Was unterscheidet novodyn vom Wettbewerb? Das Schlüssel-Prinzip Handling & Lagerung Was kostet novodyn und wie ist die Dosierung?
Was ist novodyn? novo bedeutet neu, dyn bedeutet Kraft Die neue Kraft novodyn Ihr Schlüssel zu mehr Ertrag novodyn ist eine Spurenelementmischung zur Erhöhung der Anlagenauslastung Stabilisierung der Prozessbiologie Steigerung der Substratabbauleistung Unterstützung des Bakterienwachstums Ausgleichung von Mangelerscheinungen» Mehr Power im Fermenter» Mehr Ertrag» Gleiche Leistung bei geringeren Einsatzstoffen
Wer braucht novodyn? Reine NawaRo Anlagen NaWaRo Gülle Anlagen Reine Gülle Anlagen Abfall Anlagen Warum novodyn? Für jedes Spurenelement gibt es eine bestimmte Bedarfsnorm um eine hohe Effizienz im Prozess zu erreichen Stimmt die Spurenelement Versorgung in der Anlage nicht (oder nicht mehr) kommt es zu einem Leistungsabfall novodyn hilft die Mangelerscheinungen zu beseitigen und die Leistung wieder zu steigern
Was unterscheidet novodyn vom Wettbewerb? Über 40.000 Fermenteranalysen in unserem akkreditierten Labor haben ergeben, dass... das Verhältnis der Spurenelemente in den Einsatzstoffen immer gleich ist das Mischungsverhältnis für den Ausgleich der Spurenelemente immer gleich ist sich je nach Betriebsweise und Substrateinsatz lediglich die Dosierung ändert daraus folgt: Keine aufwendige und kostenintensive Individual- Zusammensetzung der Spurenelemente erforderlich, sondern ein Produkt für jede Substratmischung
Das Schlüssel-Prinzip
Handling & Lagerung novodyn ist kein Gefahrenstoff» Beim Umgang mit novodyn müssen keine gesonderten Personenschutz-Maßnahmen (PSA, Atemschutz, säurebeständigen Handschuhe, ) getroffen werden novodyn unterliegt keiner Wassergefährdungsklasse» Keine Gefährdung für die Umwelt novodyn kann problemlos gelagert werden» Es muss kein, für Unbefugte unzugängliches, abschließbares und sickerdichtes Gebäude vorhanden sein
Was kostet novodyn? Listenpreis pro 30kg Sack 42,50 Listenpreis pro Palette (24 Säcke) 1.020,00 und wie ist die Dosierung? NaWaRo - Anlage (70% Mais, 30% GPS) Mischanlage 50% Gülle, 50% Nawaros Gülleanlage Dosierempfehlung pro kw und Tag [g] 20* 1-3* < 1* Beispiel 500kW Menge / Jahr [kg] 3650 200-600 0-200 Anzahl Säcke 122 8-20 0-6 Kosten / Jahr [ ] 5185 350-850 < 300 * hierbei handelt es sich um gemittelte Mengen-Abschätzungen mehrerer hundert verschiedener Fermenter Analysen des jeweiligen Anlagentyps, die lediglich als Richtwert angesehen werden können. Zur exakten Bestimmung der Dosiermenge für Ihren speziellen Fermenter ist eine Vorab-Analyse erforderlich, die Sie beim Kauf von mindestens 150 kg gratis erhalten.
Schmack Biogas AG Bayernwerk 8 D-92421 Schwandorf Tel.: 09431 / 751-0 FAX: 09431 / 751-204 Internet: www.schmack-biogas.com Mail: info@schmack-biogas.com