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Unter
Biogas versteht man das beim anaeroben Abbau von organischen Stoffen
durch Methangärung
gebildete brennbare Gasgemisch, das vorwiegend aus Methan und Kohlendioxid
besteht.
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Biogasanlagen
haben eine gewisse Verbreitung in der Landwirtschaft gefunden. Dort
wird als Substrat ein Gemisch verwendet, das vorwiegend aus Abfallprodukten
der Tierhaltung (Gülle
und dgl.) sowie aus Pflanzenresten und sonstigen organischen Abfällen besteht.
Dabei entstehen aufgrund des Eintrags von schwefel- und stickstoffhaltigen Massen
(z. B. Gülle)
erhebliche Emissionen aufgrund der Bildung von Ammoniak und Schwefelwasserstoff. Ferner
führt die
Bildung von atomarem Schwefel zu einem erhöhten Reinigungsaufwand in der
Anlage. Die dabei in größerem Umfang
anfallenden Gärreste müssen auf
landwirtschaftlichen Flächen
oder in kommunalen Kläranlagen
ausgetragen werden. Dabei ergibt sich häufig eine Eutrophierung und
Versalzung von Böden
bzw. eine erhebliche Belastung der Kläranlagen.
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Sofern
bei landwirtschaftlich genutzten Biogasanlagen die nach der Gasentwicklung
verbleibenden Restflüssigkeiten
als Düngemittel
auf landwirtschaftlichen Flächen
ausgebracht werden, ist ein Zusatz von Additiven, die zielgerichtet
die Fermentation unterstützen,
nach der Düngemittelverordnung
und dem Biomassegesetz nicht erlaubt.
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Ferner
ist ersichtlich, dass die Verwendung von derartigen Mischsubstraten
häufig
zu Schwankungen in der Verfahrensführung und somit zu einer geringeren
Effizienz des Verfahrens führt.
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Das
Problem der Beseitigung von organischen Abfallprodukten tritt aber
nicht nur in der Landwirtschaft, sondern auch in verschiedenen anderen Betriebszweigen
auf, beispielsweise in der Backindustrie, in Brauereien, in Weinkellereien,
in der Zuckerindustrie und dgl. In derartigen Betrieben fallen häufig Abfallprodukte
mit relativ einseitiger Zusammensetzung an, d. h. Produkte, denen
eventuell bestimmte Substanzen fehlen, um eine erfolgreiche Fermentation
unter Erzeugung von Biogas vorzunehmen. Insbesondere gilt dies für Bäckereibetriebe,
in denen erhebliche Mengen an Altbrot und Backrückständen anfallen, die in der Regel
einen hohen Anteil an Kohlenhydraten enthalten, denen aber häufig ein entsprechender
Stickstoffanteil fehlt. Produkte mit einer derartigen relativ einheitlichen
und einseitigen Zusammensetzung werden hier als Monosubstrate bezeichnet.
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Bei
der Fermentation von derartigen Monosubstraten macht sich das Problem
der Rückstandsbeseitigung
besonders schwerwiegend bemerkbar. Für eine erfolgreiche Vergärung ist
in der Regel ein Zusatz von Additiven erforderlich, was, wie vorstehend
erwähnt,
zur Folge hat, dass ein Ausbringen der Fermentationsrückstände auf
landwirtschaftliche Flächen
nicht gestattet ist. Die Entsorgung der großen Flüssigkeitsmengen in Kläranlagen
ist aber mit erheblichen Kosten verbunden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung
von Biogas bereitzustellen, das sich kontinuierlich und automatisch
mit einem hohen Wirkungsgrad durchführen lässt, wobei Emissionen in Luft,
Wasser und Böden
weitgehend vermieden werden sollen und der Entsorgungsaufwand für Gärreste und
Abwasser auf ein Minimum beschränkt
wird. Außerdem
soll eine Vorrichtung vorgeschlagen werden zur Durchführung des
Verfahrens.
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Gelöst wird
die Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen von Anspruch
1, wobei zweckmäßige Ausgestaltungen
in den Ansprüchen
2 bis 9 angegeben werden. Anspruch 10 gibt die Lösung für die gesuchte Vorrichtung
an, wobei Weiterbildungen in den Ansprüchen 11 bis 14 genannt sind.
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Erfindungsgemäß wurde
festgestellt, dass sich die vorgenannten Ziele erreichen lassen,
indem man die Biogasanlage mit einem Monosubstrat oder einer Monofraktion
betreibt, d. h. mit einem Substrat, das eine relativ einheitliche
Zusammensetzung aufweist, die insbesondere im zeitlichen Verlauf
der Beschickung keinen größeren Schwankungen
unterliegt. Um ein derartiges Monosubstrat überhaupt mit Erfolg vergären zu können, ist
es in der Regel notwendig, Additive zuzusetzen, die für die Entwicklung der
das Substrat verarbeitenden Mikroorganismen erforderlich sind. Ferner
dient eine Reinigung des im Verfahren zurückzuführenden Prozesswassers dazu, eine
einwandfreie und gleichbleibende Vergärung des Monosubstrats zu gewährleisten,
was letztlich auch zu einer Verringerung der Bildung von Rückständen führt.
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Gegenstand
der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von Biogas
in einem wässrigen
Medium mit folgenden Merkmalen:
- a) als zu vergärender Ausgangsstoff
wird ein Monosubstrat gewählt,
- b) es wird mindestens ein Additiv, das für die Entwicklung der das Substrat
verarbeitenden Mikroorganismen erforderlich ist, zugesetzt,
- c) das Prozesswasser wird gereinigt und einer Volumenverringerung
unterzogen und
- d) das gereinigte und im Volumen verringerte Prozesswasser wird
im Kreislauf zurückgeführt.
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Ein
bevorzugtes Beispiel für
ein auf diese Weise zu verarbeitendes Monosubstrat sind Abfallprodukte,
die in Bäckereibetrieben
anfallen, z. B. alte und nicht mehr verkaufsfähige Backwaren, Teigreste, zuckerhaltige
Abfallprodukte, bei der Reinigung von Öfen, Backblechen und dgl. anfallende
Feststoffe. Diese Produkte, die hier zusammenfassend als Backnebenprodukte
bezeichnet werden, weisen im allgemeinen einen sehr hohen Gehalt
an Kohlenhydraten auf, besitzen einen geringen Stickstoffgehalt und
sind im wesentlichen frei von Schwefel.
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Als
Monosubstrate kommen aber auch Abfallprodukte anderer Betriebszweige
in Frage, deren Zusammensetzung relativ einheitlich ist, z. B. Abfälle in der
Brauereiwirtschaft, Rückstände bei
der Weinerzeugung, in der Zuckerindustrie anfallende Rückstände und
Grüngut,
das nicht als Tierfutter geeignet ist, z. B. Rasenschnitt in Sport-
und Grünanlagen
und entlang von Straßen.
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Die
nachstehenden Ausführungen
beziehen sich großenteils
auf die Verwendung von Backnebenprodukten als Monosubstrat, gelten
aber sinngemäß auch für andere
Monosubstrate.
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Um
bei Verwendung von Backnebenprodukten als Monosubstrat den Energiestoffwechsel
der Mikroorganismen sowie deren Zellstoffwechsel (Vermehrung) sicherzustellen,
werden als Additive in der Regel stickstoffhaltige Produkte und
gegebenenfalls bestimmte Mineralstoffe, die in Backnebenprodukten nur
in unzureichenden Mengen enthalten sind, zugesetzt.
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Vorzugsweise
handelt es sich beim Stickstoffadditiv um eine Lösung von Ammoniumnitrat (NH4NO3), die untergeordnete
Anteile an Ammoniumphosphat ((NH4)3PO4) enthalten kann.
Ferner kann der Zusatz von Spurenelementen, wie Molybdän oder Strontium,
angezeigt sein.
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Prinzipiell
ist es zwar möglich,
bei Backnebenprodukten als Additiv die bei landwirtschaftlichen Bioreaktoren übliche Gülle zuzusetzen,
um damit die Fermentation zu starten. Bevorzugt wird aber der Zusatz
von güllefreien
Additiven, da dadurch eine mögliche
Geruchsbelastung durch die Gülle
vermieden wird und auch die korrodierende Wirkung von Gülle auf
Teile der Fermentationsanlage (Gummidichtungen, Leitungen und dgl.)
vermieden wird.
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Die
nach beendeter Vergärung
des Monosubstrats im Fermenter anfallende Flüssigkeit wird zunächst einer
an sich üblichen
Entschlammung unterzogen. Der Schlammanteil ist im Vergleich zu
herkömmlichen
Biogas-Erzeugungsanlagen
wesentlich geringer, was vermutlich auf die Verwendung eines Monosubstrats
zurückzuführen ist,
dessen Zusammensetzungsschwankungen im zeitlichen Verlauf deutlich
kleiner als bei einem üblichen
Substratgemisch sind. Anschließend
wird diese Flüssigkeit
gereinigt, einer Volumenverringerung unterzogen und als im wesentlichen
reines Wasser wieder in das Verfahren zurückgeführt, d. h. in einen Wasservorratsbehälter (z.
B. eine Regenzisterne) oder direkt in einen Annahmebehälter, in
dem die zerkleinerten Backnebenprodukte mit dem Wasser aufgeschlämmt werden.
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Die
Bearbeitung des Prozesswassers wird vorzugsweise in den folgenden
drei Stufen durchgeführt.
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In
Stufe 1 werden den weiteren Ablauf störende Schwebeteilchen und Mikroorganismen
entfernt. Dies geschieht vorzugsweise durch eine Ultrafiltration.
Um die Ultrafiltration nicht zu stören, kann ggf. vorher eine
Abtrennung nicht gelöster
Teilchen, wie Saaten, Mineralstoffe und dgl., vorgenommen werden.
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In
Stufe 2 wird ein Großteil
(etwa 70–75
%) des noch mit Salz (NaCl) befrachteten Prozesswassers über Umkehrosmose
gereinigt. Durch die Umkehrosmose lässt sich der Anteil des zu
verdampfenden Wassers somit auf etwa ein Viertel (25–30 %) der ursprünglichen
Menge verringern. Bei einer Anlage mit einer jährlichen Verarbeitung von 1000
Mg (Megagramm) Altbrot müssen
dann täglich
nur 1–2
m3 Wasser über eine Vakuumverdampfung
zurückgeführt werden,
was eine erhebliche Energieeinsparung bedeutet.
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Gemäß einer
fakultativen Ergänzung
der Stufe 2 wird das enthaltene Konzentrat einem weiteren Osmoseschritt
unterworfen, was zu einer zusätzlichen
Volumenverminderung (bis auf etwa 6–7 % des ursprünglichen
Volumens) führt.
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In
Stufe 3 wird das verbleibende Osmosekonzentrat über eine Vakuumdestillation
gereinigt.
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Das
Reinwasser aus der Umkehrosmose kann, wie vorstehend erwähnt, wieder
in den Prozess eingespeist werden. Das dabei anfallende Salz kann einer
Verwertung (Straßenwinterdienst)
zugeführt werden.
Auch das anfallende destillierte Wasser ist wirtschaftlich verwertbar.
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Gegenstand
der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des
vorgenannten Verfahrens, umfassend
- – einen
Annahmebehälter,
in dem das Monosubstrat zerkleinert und unter Bildung einer Aufschlämmung mit
Wasser versetzt wird,
- – einen
Hauptreaktor, in dem das Monosubstrat einer anaeroben Fermentation
unterzogen wird,
- – einen
Nachgärreaktor,
in dem die im Hauptreaktor noch nicht vergorenen Produkte, ggf.
unter anderen Bedingungen, abgebaut werden,
- – mindestens
einen Gasspeicher, in dem die im Hauptreaktor und im Nachgärreaktor
entstandenen Gase gesammelt werden, und
- – eine
Rückführeinrichtung,
mit der die im Nachgärreaktor
anfallende Flüssigkeit
abgezogen, gereinigt, einer Volumenverringerung unterzogen und in
den Annahmebehälter
zurückgeführt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die entsprechende Vorrichtung werden nachstehend beispielhaft
unter Zuhilfenahme einer Zeichnung erläutert. Drin zeigen:
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Darin
zeigen:
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1 ein
Fließdiagramm
zur Erläuterung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
und
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2 eine
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete Vorrichtung in schematischer Darstellung.
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Das
Fließdiagramm
ist mit seinen ausgewiesenen Verfahrenssstufen und deren Verknüpfungen im
wesentlichen selbsterklärend
und braucht daher nicht mehr weitergehend erläutert zu werden.
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In 2 sind
in schematischer Darstellung ein Annahmebehälter 1, ein Hauptreaktor
(erster Fermenter) 2 zur Durchführung der ersten Vergärungsstufe,
ein Nachgärreaktor
(zweiter Fermenter) 3 zur Durchführung einer zweiten Vergärungsstufe,
ein Gassammelbehälter 4 und
eine Rückführvorrichtung 5 dargestellt.
Die Rückführvorrichtung 5 umfasst
eine Ultrafiltrationseinrichtung 6, eine erste Umkehrosmoseeinrichtung 7,
eine zweite Umkehrosmoseeinrichtung 8 und eine Vakuumdestillationseinrichtung 9.
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Wie
die 1 und 2 zeigen, lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren
in kontinuierlicher und automatischer Weise durchführen. Dabei
werden hohe Ausbeuten an Biogas erzielt und Umweltbelastungen weitgehendst
vermieden.
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Durch
die Tatsache, dass das zurückgeführte Prozesswasser
einer Reinigung unterworfen wird, wird gewährleistet, dass etwaige, sich
ansammelnde Schadstoffe, die die Fermentation stören könnten, dem Kreislauf entzogen
werden und nicht mehr in den Hauptreaktor 2 gelangen.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es möglich,
die in Bäckereibetrieben
in erheblichen Mengen anfallenden Abfallprodukte einer umweltfreundlichen
und wirtschaftlich interessanten Nutzung zuzuführen. Bei Installation einer
entsprechenden Anlage in einem Bäckereibetrieb
ergibt sich der Vorteil, dass die Abfallprodukte nicht mehr abtransportiert
und einer Entsorgung durch eine übliche Müllbeseitigung
zugeführt
werden müssen.
Vielmehr kann die Entsorgung direkt im Bäckereibetrieb erfolgen. Die
dabei in Form von Biogas anfallende Energie kann direkt wieder im
Betrieb eingesetzt werden.
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Dabei
können
die bei Biogasanlagen üblichen
gasförmigen
Emissionen in Form von H2S und NH3 weitgehend vermieden werden, da aufgrund
der Beschaffenheit des Substrats kaum Schwefel enthalten ist und
somit kein H2S entsteht und durch eine sorgfältige Steuerung
der Additive der Stickstoffeintrag nur soweit erfolgt, dass die
Leistungsfähigkeit der
Mikroorganismen gewährleistet
wird, jedoch keine NH3-Entwicklung eintritt.
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Ein
besonderer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass das Prozesswasser
nach der vorgesehenen Reinigung und Volumenverminderung in den Annahmebehälter zurückgeführt werden
kann und somit der Entsorgungsaufwand erheblich verringert wird.
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Nachstehend
werden einzelne Aspekte bei der praktischen Durchführung des
Verfahrens bei Verwendung von Backnebenprodukten als Monosubstrat
näher erläutert.
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Die
einzelnen Verfahrensschritte der Biogasanlage werden vorzugsweise
räumlich
getrennt, so dass der gesamte Behandlungsprozess in eine so genannte
Input-Aufbereitungsseite, eine Vergärungsstufe, eine Output-Aufbereitungsseite
und die Energieerzeugung bzw. -nutzung unterteilt wird.
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Eine
Besonderheit einer derartigen Vergärungsanlage besteht in der
Rückstandsbehandlung. Das
Verfahren kann als echter Biomassekreislauf angesehen werden, bei
dem die Produkte so weitgehend abgebaut werden, dass der ansonsten
notwendigen Austrag der Gärreste
auf landwirtschaftliche Flächen
oder in kommunale Kläranlagen
entfallen kann. Dadurch werden eine Ansammlung von entsprechenden
Stoffen auf den Feldern sowie eine Eutrophierung und Versalzung
der Böden
vermieden.
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Die
Tatsache, dass ein Monosubstrat verwendet wird, führt dazu,
dass die in Biogasanlagen ansonsten häufig auftretenden Störungen aufgrund von
wechselnden Rezepturen und Diskontinuitäten in der Gasproduktion sowie
aufgrund von Einflüssen weiterer
Parameter, die den Betrieb der Anlage einschränken können, entfallen. Aufgrund dieses
Sachverhalts ist die erfindungsgemäße Anlage speziell für den Betrieb
und Einsatz in der Bäckereibranche,
d. h. für
die Verwertung von Back- und Backnebenprodukten, geeignet und konzipiert.
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Nachstehend
werden kurz die Hauptvorteile, die mit einer derartigen Anlage erzielt
werden können,
zusammengefasst:
- – durch den Verzicht auf schwefel-
und stickstoffhaltige Massen (z. B. Gülle) werden die für Betreiber
und Nachbarn der Anlage unerträglichen Emissionen
von Ammoniak und Schwefelwasserstoff vermieden;
- – es
entsteht kein (atomarer) Schwefel, der zu einem erhöhten Reinigungsaufwand
der Anlage führt;
- – die
Leistungsfähigkeit
der Anlage (Gasausbeute) liegt durch ein steuerbares und damit für die Mikroorganismen
(Archaeen) optimales Nährstoffgemisch
(mittels Nährstoffadditiven)
deutlich höher
als bei herkömmlichen
landwirtschaftlichen Anlagen;
- – bis
auf geringe Mengen anfallender Mineralstoffreste (5 % der eingesetzten
Feststoffmasse), die einer Verwertung zugeführt werden, entstehen keinerlei
Abfallprodukte.
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Nachstehend
werden die einzelnen Verfahrensschritte unter Bezugnahme auf eine
praxisgerechte Situation näher
erläutert,
wobei auf 2 Bezug genommen wird.
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A. Input-Aufbereitung
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Als
Input-Substrat werden Backnebenprodukte und bäckereitypische Vegetabilien
eingesetzt, die unter Zugabe von für Mikroorganismen essentiellen
Stoffen angemaischt und der Fermentation zugeführt werden.
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Der
nachstehend geschilderte konkrete Fall betrifft eine durchschnittliche
Verarbeitung von 1000 Mg (Megagramm) Monosubstrat pro Jahr. Dem
Annahmebehälter 1 mit
einem Fassungsvermögen
von 60 m3 werden täglich etwa 3 Mg Monosubstrat
zugeführt,
das zu 90 % aus Brot, Brötchen
und Kuchen besteht. Beim Rest handelt es sich um Abfälle, die
in Bäckereien,
Konditoreien und Filialbetrieben anfallen, wie Kaffeesatz, Salate,
Kuchenbelagreste, Obst und dgl. Die Zusammensetzung des Monosubstrats und
insbesondere der vorgenannten Reste kann in Abhängigkeit von den Retourenquoten,
die wiederum vom Klima und der Jahreszeit abhängig sind, variieren.
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Die
dem Annahmebehälter 1 zur
Bildung einer Aufschlämmung
zugeführte
Wassermenge beträgt
etwa das 5-fache der Menge des Monosubstrats.
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A.1 Annahmebehälter
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Dieses
Monosubstrat wird in einen geruchsdichten Behälter 1 mit einem Volumen
von ca. 50 m3 gefördert. Unter Zugabe von Wasser
wird das Materialgemisch mit einem Rührwerk 10 zerkleinert,
homogenisiert und auf einen bestimmten TS-Gehalt eingestellt.
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A.2 Container/Tanks
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Ein
Teil der Inputsubstrate wird in Containern 11 zwischengelagert.
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Hier
handelt es sich um Zuschlagstoffe, welche essenzielle Funktionen
für die
Mikroorganismen besitzen und die Leistungsmerkmale der Anlage deutlich
positiv beeinflussen.
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Im
vorliegenden Fall ist die Zugabe eines Stickstoff-Additivs erforderlich.
Zur Aufrechterhaltung eines optimalen Zellstoffwechsels soll das
C:N-Verhältnis
etwa 25:1 betragen. Das Substrat weist einen geschätzten Anteil
an Kohlenhydraten, Fetten und Pflanzenproteinen von 90 % auf. Daraus
ergibt sich eine Kohlenstoffmasse von etwa 360 Mg. Somit ist eine
Stickstoffzugabe von 14 Mg erforderlich. Die Stickstoffzugabe erfolgt
durch Einleiten einer Lösung von
Ammoniumnitrat (NH4NO3),
die untergeordnete Anteile an Phosphor in Form von Ammoniumphosphat
((NH4)3PO4) enthält.
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Die
Entnahme aus den Containern erfolgt bedarfsabhängig über ein flexibles Schlauchsystem in
den Annahmebehälter 1.
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A.3 Tanks
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Geringe
Mengen an Substraten zur Prozesssteuerung (pH-Wert-Einstellung)
sollen in Tanks 12 mit angemessenen Volumina zwischengelagert
werden. Von dort gelangen diese mittels eines Leitungssystem in
den Annahmebehälter 1.
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Mit
der Einstellung/Senkung des pH-Wertes des Inputsubstrates ist eine
rasche Hydrolyse der Kohlenhydrate möglich.
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A.4 Pumpstation/Substratbeförderung
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Alle
Vorratstanks und ebenso der Annahmebehälter werden von einer Pumpstation
bedient. Das aufbereitete Substrat wird mittels einer geeigneten Dickstoffpumpe
kontinuierlich aus dem Annahmebehälter über Druckleitungen dem Bioreaktorsystem zugeführt.
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B. Vergärung
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Als
Vergärung
ist ein mikrobiologischer, anaerober Stoffumsatz von Kohlenhydraten,
Eiweißen und
Fetten in den Teilschritten Hydrolyse, Säurebildung, Essigsäurebildung,
Methanbildung zu verstehen. Es handelt sich also um biochemische
Prozesse, welche den Prinzipien der bakteriellen Populationsdynamik
unterliegen.
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Die
Effizienz der Stoffumsetzungen ist von mehreren äußeren Faktoren abhängig. Werden
diese optimal gestaltet, so ist eine maximale Biomasseumsetzung
innerhalb eines exakt definierten, thermodynamischen Fensters möglich.
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Zu
den wesentlichen Bestandteilen der Vergärung zählen: der Hauptreaktor 2,
der Nachgärreaktor 3 mit
integriertem Tragluft Membran-Gasspeicher 4 sowie ein Pumpen-
und Leitungssystem für
den Materialtransport.
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B.1 Hauptreaktor
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Die
bereits aufbereitete Suspension (homogenisiert und z. T. hydrolysiert)
gelangt über
die Leitung 13 in den Hauptreaktor 2 mit einem
Fassungsvermögen
von etwa 1000 m3. Hier werden die aufgrund
der Anaerobiose in Form von Wasserstoff gebildeten Reduktionsäquivalente
unverzüglich
durch die mikrobiellen Lebensgemeinschaften innerhalb einer Biofilmschicht
verarbeitet. Über
eine sukzessive Substitution des Wasserstoffs an C1-Verbindungen während der
Methanogenese entsteht Methan.
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Der
anaerobe Abbau der sequentiellen Nahrungskette erfolgt im Hauptreaktor
unter mesophilen Bedingungen bei Temperaturen bis 38 °C und vorzugsweise
bei 38 °C.
Im Hauptreaktor 2 wird das Monosubstrat zu etwa 80 % umgesetzt.
Das entstehende Biogas (Methan-Kohlendioxid-Spurengase-Gemisch) wird über die
Leitung 15 zum Gasspeicher 4 (Nachgärreaktor)
geleitet.
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Um
eine Homogenisierung der Suspension und dadurch einen kontinuierlichen
Abbau der Biomasse während
des Gärprozesses
erzielen zu können,
ist ein zentrales Rührwerk 14 in
dem Reaktor 2 vorgesehen. Die Anordnung des Rührwerks 14 erlaubt
eine vertikale Suspensionsbewegung sowohl zur Oberfläche als
auch zum Grund im Reaktor 2.
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Ein
Sumpf im Reaktorboden erlaubt den Austrag von Sedimenten und von
festen Störstoffen.
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Über die
Leitung 16 wird aus dem Hauptreaktor 2 kontinuierlich
Flüssigkeit
abgezogen und dem Nachgärreaktor 3 zugeführt.
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B.2 Nachgärreaktor/Tragluft-Membrangasspeicher
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Im
Nachgärreaktor 3 werden
die noch nicht vergorenen, organischen Anteile des Substrats weitestgehend
abgebaut. Ein Rührwerk 17 im
Nachgärreaktor 3 ist ähnlich wie
das Rührwerk 14 im
Hauptreaktor 2 beschaffen. Auch hier soll die Biologie
unter mesophilen Bedingungen wirksam werden, was die Installation
einer Heizung zur Folge hat (ebenso im Hauptreaktor). Der Nachgärreaktor 3 wird
als Zylinder mit einem Tragluft-Membrandach ausgeführt. Das
mehrschichtige Membrandach dient zugleich als Gasspeicher 4.
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Um
eine vollständige
Ausgasung des Substrats zu erzielen, ist ein Mischen der Suspension
mittels des Einblasens von Biogas aus dem Hauptreaktor 2 möglich.
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Die
Verweilzeit in den Reaktoren 2 und 3 lässt sich
mit jeweils etwa zwei Wochen angeben.
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B.3 Pumpen- und Leitungssystem
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Sowohl
im Hauptreaktor 2 als auch im Nachgärreaktor 3 werden
organische Stoffe abgebaut und Biogas produziert. Beide Behälter sind
deshalb, wie vorstehend zum Teil erläutert, mittels Substrat- und Gasleitungen
verbunden.
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Entsprechend
den Druckverhältnissen
ausgelegte Pumpen und Leitungen ermöglichen die Stofftransporte.
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Die
Ausführung
der Pumpen und der Verrohrung entspricht dem technischen Standard
für Biogasanlagen.
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C. Output-Aufbereitung
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C.1 Gasreinigung
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Das
in den Bioreaktoren 2 und 3 entstehende Biogas
wird einer Gasreinigungseinheit zugeführt. Als Biogas bezeichnet
man ein Gasgemisch, bestehend aus mind. 55–65 % Methan. Weitere Bestandteile
sind im wesentlichen Kohlendioxid und Wasserdampf. Unter Gasreinigung
ist bei diesem Projekt vornehmlich eine Gastrocknung zu verstehen.
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Im
vorstehenden Fall entstehen aus 1 Mg Brot etwa 500 m3 Biogas
(zum Vergleich: aus 1 Mg Gülle
entstehen nur etwa 25 m3 Biogas). Für Altbrot lässt sich
ein Heizwert von 6–7
kWh pro Kubikmeter Biogas angeben. 1 m3 Biogas entspricht etwa 0,6–0,7 Liter
Heizöl.
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C.2 Gärresteaufbereitung
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Die
Aufbereitung des Gärrestes
besteht aus einer mechanischen Vorentwässerung und einer Anlage zur
Trennung von festen und flüssigen
Phasen. Die flüssige
Vorlage und das pastöse
Restkonzentrat werden geordnet zur weiteren Behandlung geführt. Ein
Inverkehrbringen in die Nahrungskette wird somit ausgeschlossen.
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C.2.1 Vorlage für Gärresteaufbereitung
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Ein
Vorlagetank für
Gärresteaufbereitung dient
als Puffer und die Möglichkeit
der Flockung der Suspension. Er hat ein Fassungsvermögen von
zu definierender Größe.
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C.2.2 Dekanter/Zentrifuge
(alternativ)
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Die
zu entwässernde
Suspension gelangt über
ein Einlaufrohr in die rotierende Aufgabekammer. Dort wird sie in
Drehrichtung beschleunigt und durch Öffnungen in die ebenfalls rotierende
Trommel geleitet. Der Feststoff bewegt sich unter Fliehkrafteinfluss
zur Trommelwand und wird von einer Förderschnecke zu den Austragsöffnungen
transportiert.
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Die
Flüssigkeit
wird über
eine einstellbare Überlaufkante
aus der Trommel geführt.
In Abhängigkeit
von der Beschaffenheit der Faserstoffe kann das Substrat bis zu
30 % TS enthalten. Sollte der Gärrest ein
TS-Gehalt < 2 aufweisen,
ist eine Dekantierung nicht notwendig.
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C.2.3 Vorlage für Verdampferanlage
(alternativ: nach Entsalzung)
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Die
Flüssigphase
wird in einem Edelstahltank mit einem Volumen von maximal 5 m3 zwischengelagert. Der nachgeschaltete Verdampfer
kann kontinuierlich beschickt und ununterbrochen betrieben werden.
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Hinsichtlich
des energetischen Aufwandes ist auch eine diskontinuierliche Verfahrensweise nach
vorheriger Entsalzung möglich.
Die Destillation würde
in diesem Fall nur bei einer vor- bzw. hochkonzentrierten Brühe zum Einsatz
kommen.
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C.2.4 Lagertank für Destillat
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Das
Reinwasser wird in einem Tank von ca. 30 m3 gesammelt
und steht für
Folgeanwendungen zur Verfügung.
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C.2.5 Mulde für Feststoffe
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Die
nach der Zentrifuge angefallenen Feststoffe werden in einer Mulde
erfasst und stehen für die
Verwertung (z. B. in einem Erdenwerk) zur Verfügung. Der Rückstand setzt sich neben Salz
(etwa 30 Mg pro Jahr), das separat gewonnen wird, vornehmlich aus
Saaten (beispielsweise sind Lein- und
Mohnsamen gegenüber
den Fermentationsbedingungen relativ beständig) (10 Mg pro Jahr) zusammen.
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D. Energieerzeugung/-nutzung
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D.1 Blockheizkraftwerk
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Für die Verbrennung
von Biogas und zugleich Stromerzeugung stehen zwei Blockheizkraftwerke
bereit. Es handelt sich um Gasmotoren mit einer installierten Leistung
von 300 kW. Die Module entsprechen den Grenzwerten der TA-Luft.
Ihnen vorgeschaltet ist nach Bedarf ein Gasspeicher 18.
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D.2 Sonstige Energienutzung
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Die
Abwärme
der Blockheizkraftwerke liegt bei einem Temperaturniveau von ca.
95 °C und
kann damit für
Verwendung in einem Energieverbundsystem der Bäckerei oder für andere
Zwecke genutzt werden.
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- 1
- Annahmebehälter
- 2
- Hauptreaktor,
erster Fermenter
- 3
- Nachgärreaktor,
zweiter Fermenter
- 4
- (Membran-)Gasspeicher,
Gassammelbehälter
- 5
- Rückführvorrichtung
- 6
- Ultrafiltrationseinrichtung
- 7
- erste
Umkehrosmoseeinrichtung
- 8
- zweite
Umkehrosmoseeinrichtung
- 9
- Vakuumdestillationseinrichtung
- 10
- Rührwerk
- 11
- Container,
Additivbehälter
- 12
- (Rohststoff-)Tank
- 13
- (Flüssigkeits-)Leitung
- 14
- Rührwerk
- 15
- (Gas-)Leitung
- 16
- (Flüssigkeits-)Leitung
- 17
- Rührwerk
- 18
- Gasspeicher