DE10116144A1

DE10116144A1 - Verfahren zum Vergären von Biomasse

Info

Publication number: DE10116144A1
Application number: DE10116144A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kremb
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2002-10-17
Also published as: WO2002079484A2; EP1373538A2; WO2002079484A3; AU2002302453A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergären von Biomasse in Fermentern, bei welchem man erfindungsgemäß in einem ersten Schritt die Biomasse homogenisiert, in einen Fermenter verbringt und aerob hydrolysiert oder bis auf einen Feststoffgehalt von etwa 20% entwässert und anschließend durch pH-Wert-Erhöhung inertisiert, wobei man parallel in einem zweiten anaeroben Fermenter die benötigte Menge und Population anaerober Bakterien, um die inertisierte Biomasse unmittelbar in anaerobe Gärung zu versetzen, separat züchtet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergären von Biomasse unter Bildung von Biogas. Dabei wird in einer ersten Phase das gegebenenfalls zerklei nerte Material zunächst aerob von ubiquitären oder gezüchteten Bakterien durch Aufspalten der organischen Substanz in kurzkettige Moleküle wie z. B. Alkohol und Säuren etc. zerlegt, wonach die anaerobe Gärung durch Essigsäure- und Me thanobacter einsetzt, was über die Bildung von Essigsäure letztlich zu CO₂ und Methan führt (Schlegel, Fischer "Allgemeine Mikrobiologie", Springerverlag).

Der Anfall von Biomasse ist jedoch oft saisonbedingt stoßweise, so daß sehr große Mengen zu bewältigen sind, was die Kapazität der zur Verfügung stehen den Fermenter bei weitem übersteigt. Andererseits geht die anaerobe Gärung sehr viel langsamer vor sich, so daß die Mengen nicht gleichmäßig bewältigt wer den können. Lagert man das Produkt der aeroben Gärung zwischen, so geht die ses spontan in die anaerobe Gärung über und das Material wird unbrauchbar, ab gesehen von der damit verbundenen Geruchsbelästigung.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu finden, mit dem sich auch stoßweise anfallende Biomasse problemlos aufarbeiten läßt und eine Geruchsbelästigung durch spontane aerobe Gärung weitestgehend vermieden wird.

Diese Aufgabe gelingt durch ein Verfahren zum Vergären von Biomasse in Fer mentern, bei welchem man erfindungsgemäß in einem ersten Schritt die Biomasse homogenisiert, in einen Fermenter verbringt und aerob hydrolysiert oder bis auf einen Feststoffgehalt von etwa 10-20% entwässert und anschließend durch pH- Wert-Erhöhung inertisiert, wobei man parallel in einem zweiten anaeroben Fer menter die benötigte Menge und Population anaerober Bakterien, um die inertisierte Biomasse unmittelbar in anaerobe Gärung zu versetzen, separat züchtet und dieser chargenweise hinzufügt.

Dieses Verfahren weist somit zwei wesentliche Merkmale auf. Einmal wird die aerob vergorene Biomasse absatzweise inertisiert, d. h. gegen Angriff von Me thanobacter und Essigbakterien geschützt, so daß diese bequem zwischen gelagert und ebenso absatzweise anaerob behandelt werden kann.

Dieses Inertisieren geschieht durch pH-Erhöhung, oder durch teilweise Ent wässerung, da Methanobacter-Bazillen und Essigbakterien bei Restwasser gehalten von etwa unter 10% nicht aktiv sein können. Ebenso führt die pH-Er höhung auf Werte von über etwa 7,2 zu einem für Methanobacter schädlichen Milieu.

Wie oben gesagt, benötigt die anaerobe Gärung deutlich mehr Zeit als die an aerobe. Ebenso startet diese langsamer.

Die zweite erfindungswesentliche Maßnahme besteht daher darin, daß man in einem separaten Fermenter Bakterienpopulation aus Essigsäurebakterien und Methanobacter in Nährlösung herstellt und bevorratet. Aktiviert man nunmehr eine geeignete Teilmenge des inertisierten Zwischenprodukts durch pH-Wert-Anhe bung und/oder Wasserzugabe, so führt das Vermischen mit der separat erzeugten Bakterienpopulationsnährlösung sofort zu einem Start der Fermentation, wobei diese aufgrund der genau anpaßbaren Bakterienmenge auch deutlich schneller verläuft.

Die Wasserzugabe kann dabei natürlich durch die Nährlösung selbst geschehen.

Die Behandlung mit Aceto- und Methanobacter kann grundsätzlich im selben Faulturm vorgenommen werden, in welchem auch die aerobe Gärung stattfindet. Vorgezogen wird ein dritter Reaktor, so daß der Faulturm frei wird für einen neuen Teilansatz der Biomasse.

Insbesondere wird vorgeschlagen, auf das Substrat spezifizierte Methano bacterspezies im zweiten Fermenter zu züchten.

Vorteilhaft ist dabei natürlich, den Wassergehalt der inertisierten Biomasse bis zur Zugabe der Aceto- und Methanobacterlösung konstant zu halten.

Im zweiten Fermenter, dem Anzuchtfermenter, werden natürlich vorkommende und/oder gentechnologisch hergestellte Methanobacterspezies vermehrt. Dies geschieht in sauerstofffreier Nährlösung, welche der Biomasse zugefügt wird.

In besonders einfacher Weise lassen sich die Methanobacter aus zerkleinertem Pansen gewinnen.

Auf die vorbeschriebene Weise läßt sich stoßweise anfallende Biomasse wie Herbstlaub, Frucht- oder Traubentrester etc. abarbeiten, wobei große Mengen vorgegoren und anschließend inertisiert werden, um diese Masse chargenweise aufzuarbeiten, wobei diese Massen natürlich auch mit kontinuierlich anfallenden Substanzen vermischt werden können.

Um auch die Gasabgabe zu vergleichmäßigen, wird ferner vorgeschlagen, die inertisierte Biomasse in mehreren Reaktoren (Faultürmen) und zwar nacheinander abzuarbeiten, wobei die Zahl und/oder Größe der Faultürme auf die Menge des Ausstoßes aus dem ersten Fermenter abgestimmt ist. Ebenso ist es möglich, diese Faultürme kaskadenartig nacheinander zu fahren, wobei im ersten Teil der Kaskade durch Zugabe der Nährlösung die Biomasse pumpfähig wird.

Das anliegende Verfahrensschema erläutert die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher.

In einem Trestersammelbecken 1 wird eine größere, zerkleinerte Biomassen menge vorgehalten. Hier geht sie aufgrund ubiquitärer Bakterien schon in aerobe Gärung über. Von diesem Trestersammelbecken gelangt diese Masse in einen ersten, mit einem Rührwerk 4 ausgestatteten Fermenter 2 und wird hier mit Hilfe von aus einem Vorratsbehälter 3 zudosierten Bakterien aerob hydrolysiert. Dabei entstehen Gase (O₂; CO₂; H₂) und Alkohole sowie Säuren und Aldehyde. Dies dauert etwa vier Tage.

Nach Abschluß dieser Gärung wird das Produkt entweder durch Wasserentzug (Verdampfen) oder durch pH-Wert-Erhöhung (Laugen) inertisiert, d. h. für den An griff von Aceto- oder Methanobacter unempfindlich gemacht. Die Restwasser menge beträgt dabei ≦ etwa 20%, der pH-Wert < 7,2. Diese inertisierte Biomasse wird in ein Zwischenlager (11) verbracht und von hier aus absatzweise in einem oder mehreren Faultürmen (5) weiter verarbeitet. Dazu wird die Masse wieder mit Wasser angemaischt bzw. es wird der pH-Wert auf 6,8-7,2 eingestellt.

In einem zweiten Fermenter (6) wird eine Nährlösung für Methanobacter und Acetobacter vorgehalten. Dabei wird vorzugsweise zerkleinerter (Rinder-)pansen verwendet, der diese Bakterien enthält. Ebenso und mit besonderer Effektivität werden hier auf das Substrat spezialisierte Bakterien vorgehalten, die durch Züchtung oder gentechnisch gewonnen werden. Die Bakterienlösung wird genau auf die Menge und die Art des im Faulturm vorgelegten Materials abgestimmt und zudosiert, so daß die Verweildauer im Faulturm durch schnelles Anspringen der Reaktion kurz gehalten wird. Sie beträgt z. B. etwas über 15 Tage und ist damit grob vier Mal so lang wie die aerobe Gärung, jedoch gegenüber dem Stand der Technik um bis zu über 30% kürzer.

Aus dem Faulturm (5) wird Rohgas über die Leitung (8) abgezogen und über ein Filter (9) geleitet, wo CO₂ und N₂ abgetrennt werden.

Feingas mit einer Reinheit von über 98% gelangt über die Leitung (10) und einen Zähler (11) ins Erdgasnetz oder an einen Gasmotor mit Wärmenutzung (7) mit angeschlossenem Generator (mit Zähler) und von hier ins Stromnetz.

Bezugszeichenliste

1

Trestersammelbecken

2

erster Fermenter

3

Vorratsbehälter

4

Rührwerk

5

Faulturm

6

zweiter Fermenter

7

Gasmotor mit Wärmenutzung

8

Leitung

9

Filter

10

Leitung

11

Zwischenlager

Claims

1. Verfahren zum Vergären von Biomasse in Fermentern, dadurch gekenn zeichnet, daß man in einem ersten Schritt die Biomasse homogenisiert, in einen Fermenter verbringt und aerob hydrolysiert oder bis auf einen Fest stoffgehalt von etwa 20% entwässert oder durch pH-Erhöhung inertisiert, parallel in einem zweiten anaeroben Fermenter die benötigte Menge und Population anaerober Bakterien, um die inertisierte Biomasse unmittelbar in anaerobe Gärung zu versetzen, separat züchtet und diese der inertisierten Biomasse chargenweise hinzufügt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man im zwei ten Fermenter substratspezifische Methanobacterspezies züchtet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Hinzufügen der Methanobacter den pH-Wert der inertisierten Bio masse auf etwa 7,2 bis 6,8 erniedrigt.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassergehalt der inertisierten Biomasse vor der Zugabe der Methano bacter konstant gehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß man im Anzuchtfermenter natürlich vorkommende und/oder gentechnologisch her gestellte Methanobacterspezies in sauerstofffreier Nährflüssigkeit vermehrt und diese der in einem Faulturm vorgelegten Biomasse bedarfsgerecht hin zufügt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man zur An zucht der Methanobacter homogenisierten Pansen verwendet.

7. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß man die anaerobe Fermentierung zum Zwecke einer kontinuierlichen Gasgewinnung in mehreren Reaktoren durchführt, die nacheinander durch Zugaben von Aceto- und Methanobacterlösung gestartet werden.