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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Biogas durch
mikrobielle Umsetzung von pumpfähiger Biomasse, umfassend
einen Fermenter zur Aufnahme der Biomasse, wobei der Fermenter mindestens
eine Vorrichtung zur Durchmischung der im Fermenter enthaltenen
Biomasse sowie Mittel zur Temperierung der Biomasse umfasst. Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Biogas
durch mikrobielle Umsetzung von Biomasse in einem Fermenter.
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Zur
Herstellung von Biogas wird üblicherweise Biomasse in pumpfähiger
Konsistenz eingesetzt. Hierzu werden die eingesetzten Substrate,
beispielsweise Maissilage oder Grassilage, zerkleinert und mit Wasser
zersetzt. Zur mikrobiellen Umsetzung des Substrates zu Biogas ist
es notwendig, die Temperatur im Fermenter konstant zu halten. Im
mesophilen Betrieb liegt die Temperatur dabei bei circa 35°C.
Zur Versorgung der Mikroorganismen mit frischen Nährstoffen
ist gleichzeitig eine Umwälzung der im Fermenter enthaltenen
Biomasse notwendig.
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Eine
Anlage zur Herstellung von Biogas durch Vergärung von dickflüssigen
Medien in einem zylindrischen Behälter zum Vergären
des Gärmediums ist zum Beispiel aus
DE-A 41 13 000 bekannt. Der
Behälter ist durch Trennwände in mehrere Gärkammern
unterteilt und die Trennwände sind teilweise doppelwandig
ausgebildet, sodass über diese ein Wärmeaustausch
stattfinden oder eine Erwärmung des Gärmediums
erfolgen kann. Mit einer Reinigungseinrichtung, die bei der Bewegung
der Mischkörper im Behälter in axialer Richtung
an der Wandung des Wärmetauschers entlang bewegt wird,
wird erreicht, dass die Wärmetauscherflächen kontinuierlich
von Verunreinigungen gesäubert werden.
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Aus
DE-B 10 2004 027 077 ist
ein beheizbares Rührwerk für Fermentationsbehälter
bekannt. Mit Hilfe des Rührwerkes wird mechanische und
thermische Energie in stehend angeordnete Fermentationsbehälter
eingetragen. Das beheizbare Rührwerk umfasst eine beheizbare
Rührwelle, an der Rührwelle befestigte Wärmeleitfläche,
an den Wärmeleitflächen befestigte Rührblätter,
ein flexibles oberes Wellenlager zur Aufnahme von Längendehnung
und Biegekräften sowie ein zumindest bei der Montage im Anstellwinkel
variables unteres Wellenlager. Die beheizbare Rührwelle
ist ein doppelwandiges Rohrsystem, bei der das innere Rohr als eine
am Heizungsvorlauf angeschlossene Kunststoffleitung ausgebildet
ist und das äußere Rohr ein Metallrohr ist. Nachteil
des Rührwerks ist jedoch zum Einen, dass nur die Rührwelle
beheizt wird und so nur eine kleine Wärmetauscherfläche
zur Verfügung steht, zum Anderen, dass die Einleitung und
Ausleitung eines flüssigen Heizmediums in eine rotierende
Welle aufwändig und verschleißanfällig
ist.
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Eine
Fermenterheizung, mit der die Biomasse im Fermenter beheizt werden
kann, ist beispielsweise auch in
DE-U 203 00 794 beschrieben.
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Üblicherweise
eingesetzte Fermenter weisen derzeit von heißem Wasser
durchströmte Rohre auf, die im Allgemeinen als Ringleitung
mit einem gewissen Abstand an der Innenwand des Fermenters befestigt
sind. Hierbei handelt es sich oft um teure Wellrohre, die infolge
ihrer Biegsamkeit nahtlos ohne zu schweißen bei der Fermentermontage
verlegt werden.
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Nachteil
der bekannten Fermenter ist jedoch, dass die Heizeinrichtungen,
beispielsweise Wärmetauscher außerhalb der Strömungswege
der im Fermenter enthaltenen Biomasse sind. Aufgrund der außerhalb
der Strömungswege positionierten Wärmetauscher
ist eine gleichmäßige Temperierung nicht erzielbar.
Zudem ist der Wärmeübergang vergleichsweise schlecht
und zur Erzielung der notwendigen Temperaturen müssen hohe
Vorlauftemperaturen des Temperiermediums verwendet werden. Die Positionierung
der Wärmetauscherrohre entlang der Wandung des Fermenters
und das dadurch bedingte Auftreten der höchsten Temperaturen
im Fermenter in der Nähe der Wandung führen zu
einem hohen Wärmeverlust durch die Fermenterwand. Auch
werden aufgrund der hohen notwendigen Vorlauftemperatur die Mikroorganismen
im Bereich der Wandung Temperaturen ausgesetzt, die keine optimalen
Bedingungen darstellen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein
Verfahren zur Herstellung von Biogas bereitzustellen, in der eine gleichmäßige
Durchmischung der Bio masse und eine gleichmäßige
Temperierung mit einem verbesserten Wärmeübergang
erfolgen.
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Gelöst
wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Herstellung von Biogas
durch mikrobielle Umsetzung von pumpfähiger Biomasse, umfassend einen
Fermenter zur Aufnahme der Biomasse, wobei der Fermenter mindestens
eine Vorrichtung zur Durchmischung der im Fermenter enthaltenen
Biomasse sowie Mittel zur Temperierung der Biomasse umfasst. Die
Vorrichtung zur Durchmischung der im Fermenter enthaltenen Biomasse
weist mindestens einen Rührer auf, und die Mittel zur Temperierung
der Biomasse sind so im durch den Rührer erzeugten Strömungsweg
der Biomasse angeordnet, dass zumindest ein Teil der Biomasse die
Mittel zur Temperierung durchströmen und umströmen
kann.
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Umströmen
der Mittel der Temperierung im Sinne der vorliegenden Erfindung
bedeutet, dass jeweils einzelne Wärmetauscherelemente,
im Allgemeinen Rohre, die von einem Temperiermittel durchströmt
werden, von der Biomasse umströmt werden. Da der Wärmetauscher
im Strömungsweg der Biomasse positioniert ist, strömt
die Biomasse dabei durch Kanäle und Öffnungen
zwischen den einzelnen Wärmetauscherelementen. Der Wärmetauscher
wird vorzugsweise so ausgebildet, dass die Hauptströmungsrichtung
der Biomasse durch den Wärmetauscher nicht geändert
wird. Eine Umlenkung der Strömung am Wärmetauscher
soll nicht erfolgen.
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Durch
den erfindungsgemäßen Fermenter wird Wärme
zügig verteilt und ins Innere transportiert. Dies ermöglicht
niedrigere Vorlauftemperaturen des Temperiermediums. Dies hat weiterhin
den Vorteil, dass die im Fermenter enthaltenen Mikroorganismen auch
in der Nähe des Wärmetauschers nicht so hohen
Temperaturen ausgesetzt werden, wie in den aus dem Stand der Technik
bekannten Fermentern. Auch sind durch die Anordnung der Mittel zur
Temperierung die Temperaturen an der Wandung des Fermenters geringer
als bei Fermentern gemäß dem Stand der Technik.
Hierdurch wird der Wärmeverlust reduziert.
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Neben
der gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Temperierung
der Biomasse werden mit dem erfindungsgemäßen
Fermenter auch die Investitionskosten für den Bau deutlich
reduziert. Dies ist insbesondere auch darauf zurückzuführen, dass
keine teuren Wellrohre für die Temperierung verbaut werden
müssen.
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Als
Fermenter kann ein beliebiger Rührbehälter oder
Tank mit Rühreinrichtung eingesetzt werden. Bevorzugt ist
es, wenn die Wandungen des Rührbehälters oder
Tanks keine Kanten aufweisen, in denen Totzonen beim Umwälzen
der Biomasse entstehen können und in denen sich Biomasse
festsetzen kann. Insbesondere bevorzugt sind Behälter oder
Tanks mit einem kreisförmigen Querschnitt. Um das Biogas
gewinnen zu können, ist der Behälter mit einem
Deckel verschlossen. Zur Entnahme des Gases ist im Gasraum im oberen
Bereich des Fermenters eine Entnahmeöffnung ausgebildet.
Durch die Entnahmeöffnung kann das bei der Fermentation entstandene
Biogas abgezogen werden. Als Material für den Tank beziehungsweise
Behälter eignet sich jedes beliebige Material, das gegenüber
der im Behälter enthaltenen Biomasse inert ist. So eignen
sich zum Beispiel Metalle oder Kunststoffe, besonders bevorzugt
ist jedoch kunststoffbeschichteter Beton.
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Der
Behälter beziehungsweise Tank, in dem das Biogas hergestellt
wird, kann jede beliebige Größe aufweisen. Bevorzugt
werden jedoch Behälter mit einem Fassungsvermögen
von mehr als 100 m3, mehr bevorzugt von
mehr als 200 m3, insbesondere von mehr als
400 m3 eingesetzt, wobei das Fassungsvermögen
vorzugsweise bis zu 1000 m3 betragen kann.
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Die
zu Biogas umzusetzende Biomasse wird beispielsweise über
Rohrleitungen zugeführt, die in den Behälter beziehungsweise
Tank münden. Die Rohrleitungen können dabei zum
Beispiel seitlich, vorzugsweise im oberen Bereich des Tanks angeordnet
sein. Auch ist es möglich, die umzusetzende Biomasse über
den Deckel in den Tank zuzuführen. Die Entnahme der umgesetzten
Biomasse erfolgt beispielsweise am Sumpf beziehungsweise im unteren Bereich
des Behälters beziehungsweise Tanks. Die Umsetzung der
Biomasse kann dabei kontinuierlich oder batchweise erfolgen. Bei
einer kontinuierlichen Umsetzung ist es bevorzugt, Biomasse aus
dem Behälter umzupumpen und einen Teil der umgepumpten
Biomasse aus dem Prozess zu entnehmen und in gleichem Maße
frische Biomasse zuzufügen.
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Die
Umsetzung der Biomasse zu Biogas erfolgt in Gegenwart von anaeroben
Mikroorganismen.
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Um
die Mikroorganismen, die die Biomasse umsetzen, gleichmäßig
mit Nährstoffen zu versorgen, wird die im Tank beziehungsweise
Behälter enthaltene Biomasse, der die Mikroorganismen beigefügt
sind, umgewälzt. Zum Umwälzen werden geeignete
Vorrichtungen zur Durchmischung eingesetzt, die im Allgemeinen mindestens
einen Rührer aufweisen. Der Rührer wird über
einen geeigneten Antrieb, beispielsweise einen Elektromotor angetrieben.
Der Antrieb kann dabei im Behälter oder außerhalb
des Behälters angeordnet sein. Wenn der Antrieb im Behälter
angeordnet ist, so ist dieser gegenüber der Umgebung gekapselt,
damit keine Biomasse in den Antrieb eindringen kann und diesen so
beschädigen kann. Bei einer Anordnung außerhalb
des Behälters wird über geeignete Kraftübertragungsmittel,
beispielsweise Kettentriebe oder beliebige andere dem Fachmann bekannte
Getriebe, das vom Antrieb erzeugte Drehmoment an den Rührer übertragen.
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Um
optimale Betriebsbedingungen für die Umsetzung der Biomasse
zu Biogas zu erhalten, ist weiterhin eine konstante Temperatur im
Behälter beziehungsweise Tank erforderlich. Die konstante
Temperatur wird durch geeignete Temperiereinrichtungen, üblicherweise
Wärmetauscherrohre, in die Biomasse eingebracht. Erfindungsgemäß sind
die Mittel der Temperierung, die vorzugsweise als Heizregister ausgebildet
sind, in dem durch den Rührer erzeugten Strömungsweg
der Biomasse angeordnet. Durch diese Anordnung werden die Mittel
zur Temperierung, beispielsweise Wärmetauscherrohre, direkt
von der zu temperierenden Biomasse umströmt. Hierdurch wird
der Wärmeübergang erheblich verbessert. Dies hat
den weiteren Vorteil, dass aufgrund des erheblich verbesserten Wärmeübergangs
die Wärmeübertragungsfläche deutlich
verkleinert werden kann.
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Um
die Möglichkeit bereitzustellen, bereits bestehende Fermenter
oder Nachgärbehälter nachzurüsten oder
auch eine einfachere Montage eines Fermenters vor Ort zu ermöglichen,
betrifft die Erfindung auch ein kombiniertes Heiz- und Rührregister zur
Temperierung von Biomasse in einem Fermenter, mindestens eine Vorrichtung
zur Durchmischung sowie Mittel zur Temperierung umfassend, wobei
die Vorrichtung zur Durchmischung mindestens einen Rührer
aufweist und die Mittel zur Temperierung so zum Rührer
positioniert sind, dass eine vom Rührer erzeugte Strömung
die Mittel zur Temperierung zumindest teilweise durchströmen
und umströmen kann.
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Durch
die Verwendung des kombinierten Heiz- und Rührregisters
ist es weiterhin auch möglich, die Vorrichtung zur Durchmischung
oder die Mittel zur Temperierung zu ersetzen oder zu reparieren ohne
den Fermenter zu entleeren, indem nämlich das kombinierte
Heiz- und Rührregister hierzu aus dem Fermenter entnommen
wird. Auch bei Montage des kombinierten Heiz- und Rührregisters
in einen bereits bestehenden Fermenter ist eine Entleerung nicht
notwendig. Das Heiz- und Rührregister lässt sich
auf einfache Weise auch in den bereits befüllten Fermenter
einsetzen.
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In
einer Ausführungsform umfassen die Mittel zur Temperierung
mindestens ein von einem Temperiermedium durchströmtes
Rohr, das von der Biomasse umströmt wird. Das Rohr kann
dabei jede beliebige Form annehmen. Wenn das Rohr Krümmungen
aufweist, so liegen diese in einer Ausführungsform alle
in einer Ebene, da sich das so gebogene Rohr in einer Ebene quer
zur Strömungsrichtung der Biomasse positionieren lässt.
Das gebogene Rohr kann zum Beispiel schneckenförmig oder
mäandernd gebogen sein. Auch ein u-förmiger Verlauf
des Rohres ist beispielsweise denkbar. Jedoch kann auch jede beliebige
andere Form des Rohres eingesetzt werden. So ist der Wärmetauscher
in einer alternativen Ausführungsform beispielsweise als
Wendelrohr ausgeführt.
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Wenn
das Rohr u-förmig verläuft, wobei Zulauf und Ablauf
auf der gleichen Seite angeordnet sind, so ist es bevorzugt, mehrere
solcher Rohre in einer Ebene quer zur Strömungsrichtung
der Biomasse zu positionieren, um die Wärmeübertragungsfläche
zu vergrößern.
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Bevorzugt
ist es jedoch, wenn als Mittel zur Temperierung ein Heizregister
eingesetzt wird, bei dem ein Zulauf und ein Ablauf für
das Temperiermedium mit mindestens zwei, bevorzugt mehr als zwei Rohren,
die parallel zueinander verlaufen, miteinander verbunden sind. Dies
hat den Vorteil, dass das im Rohr strömende Temperiermedium
jeweils mit im Wesentlichen gleicher Temperatur in die Rohre einströmt
und aufgrund des kürzeren Strömungsweges eine
weniger starke Abkühlung des Temperiermediums erfolgt.
Die maximale Temperaturdifferenz zwischen Temperiermedium und zu
temperierender Biomasse kann so niedriger gehalten werden. Durch
die größere Anzahl an Rohren kann auch ein größerer Massestrom
durch das Heizregister strömen.
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Um
die Wärmeübertragungsfläche weiter zu vergrößern,
um eine optimale Temperierung der Biomasse zu erzielen, ist es weiterhin
möglich, mindestens zwei Heizregister hintereinander im
Strömungsweg der Biomasse zu positionieren. Die jeweiligen Heizregister
werden von der Biomasse umströmt und geben so Wärme
an die Biomasse ab. Das die einzelnen Heizregister durchströmende
Temperiermedium kann dabei jeweils die gleiche Zulauftemperatur
aufweisen oder in jedem Heizregister eine andere. Bevorzugt ist
es jedoch, wenn die Zulauftemperatur des Temperiermediums in allen
Heizregistern gleich ist.
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Der
Abstand der Mittel zur Temperierung vom Rührer und die
Maße der Mittel zur Temperierung quer zur Strömungsrichtung
der Biomasse werden so gewählt, dass die Mittel zur Temperierung vollständig
von der Biomasse umströmt werden, um so einen idealen Wärmeübergang
an die Biomasse zu gewährleisten. Gleichzeitig werden die
Maße der Mittel zur Temperierung quer zur Strömungsrichtung der
Biomasse so gewählt, dass ein möglichst großer Teil,
vorzugsweise mehr als 80 Prozent der durch den Rührer angetriebenen
Biomasse, die Mittel zur Temperierung durchströmen beziehungsweise
umströmen.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die vom Rührer in Bewegung gesetzte
Biomasse die Mittel zur Temperierung turbulent umströmt.
Durch die turbulente Umströmung ist der Wärmeübergang
besonders effektiv und die notwendige Wärmeübertragungsfläche
kann weiter reduziert werden. Um eine turbulente Durchströmung
zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen dem Rührer
und den Mitteln zur Temperierung, insbesondere beim Einsatz mehrerer
Heizregister zwischen dem Rührer und dem ersten Heizregister,
im Bereich von 10 cm bis zu 3 m liegt.
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Als
Rührer kann jeder beliebige, dem Fachmann bekannte Rührer
eingesetzt werden. Bevorzugt ist es, wenn Rührer mit einem
großen Durchmesser eingesetzt werden, die langsam betrieben werden
können. Diese ermöglichen eine gleichmäßige
Durchmischung der Biomasse im Behälter. Insbesondere kann
mit langsam laufenden Rührern mit großem Durchmesser
eine gleichmäßige Durchmischung auch von zähflüssigen
Medien erzielt werden, wie sie üblicherweise in Fermenter
vorliegt. Geeignete Rührer sind zum Beispiel axialfördernde Rührer
verschiedener Bauarten, insbesondere solche mit zwei bis vier Rührerblättern.
Besonders bevorzugt ist der Einsatz eines axialfördernden
Rührers mit zwei Rührerblättern, wobei
die Rührerblätter jeweils gebogen sind. Vorteil
eines solchen Rührers ist, dass mit diesem einen großer
Schub in der Biomasse erzielt werden kann und so ein guter Transport
und eine gute Durchmischung erzielt werden.
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Neben
dem Einsatz von nur einem Rührwerk beziehungsweise Rührer
können auch mehrere Rührwerke an unterschiedlichen
Positionen im Behälter oder Tank beziehungsweise ein Rührwerk
mit mehreren Rührern eingesetzt werden. Wenn mehrere Rührwerke
eingesetzt werden, so verteilen sich diese vorzugsweise gleichmäßig
im Behälter beziehungsweise Tank. Bei Einsatz mehrerer
Rührwerke ist es insbesondere bevorzugt, wenn an jedem
Rührer beziehungsweise Rührwerk auch Mittel zur
Temperierung der Biomasse positioniert sind.
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Wenn
mehrere Rührer oder Rührwerke eingesetzt werden,
so können diese gleicher Bauart oder unterschiedlicher
Bauart sein. So ist es zum Beispiel möglich, sowohl schnell
laufende als auch langsam laufende Rührer einzusetzen.
Bevorzugt ist es jedoch mehrere Rührwerke gleicher Bauart,
insbesondere mit langsam laufenden Rührern mit großem Durchmesser,
einzusetzen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform des kombinierten
Heiz- und Rührregisters sind die Mittel zur Durchmischung
und die Mittel zur Temperierung in einer gemeinsamen Rahmenkonstruktion
montiert. Dies ermöglicht es, die Heiz- und Rührregister
als funktionsfertige Module herzustellen und bereits fertig montiert
zum Einsatzort zu transportieren. Hier kann das kombinierte Heiz-
und Rührregister zum Beispiel mit einem Kran von oben in
den Fermenter eingebracht werden. Dies erspart zum Beispiel bei
Neuanlagen eine teure Montage direkt vor Ort. Die Konstruktion als
kombiniertes Heiz- und Rührregister erlaubt auch eine Bauweise
im Baukastensystem mit unterschiedlichen Leistungen. So kann zum
Beispiel die Anzahl der Wärmetauscher oder die Größe
des eingesetzten Rührers variiert werden.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von
Biogas durch mikrobielle Umsetzung von Biomasse in einem Fermenter
wird die Biomasse im Fermenter mit einem Rührer umgewälzt.
Mindestens ein Teil der Biomasse wird beim Umwälzen durch
Mittel zum Temperieren geleitet, in denen die Biomasse auf eine
für die Fermentation erforderliche Temperatur temperiert
wird. Als Mittel zum Temperieren werden insbesondere Heizregister,
wie sie vorstehend beschrieben sind, eingesetzt.
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Neben
dem Einsatz im mesophilen Betrieb eignet sich der erfindungsgemäße
Fermenter beziehungsweise ein Fermenter mit dem erfindungsgemäßen
Heiz- und Rührregister insbesondere auch für den
thermophilen Betrieb. Wenn die Fermentation im mesophilen Bereich
erfolgt, liegt die Temperatur vorzugsweise im in einem Temperaturbereich
von 32 bis 38°C. Bevorzugt erfolgt die Temperierung der
Biomasse auf eine Temperatur im Bereich von 34 bis 37°C,
beispielsweise 35°C. Bei einem thermophilen Betrieb der
Fermenters liegt die Temperatur, auf die die Biomasse temperiert
wird, im Allgemeinen im Bereich 45 bis 70°C, vorzugsweise
im Bereich von 55 bis 60°C.
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Aufgrund
der schnelleren Verteilung der Wärme und die dadurch mögliche
geringere Vorlauftemperatur sowie die Positionierung des Wärmetauschers
weiter im Inneren des Fermenters und nicht entlang der Wandung können
die Wärmeverluste nach außen an die Umgebung reduziert
werden. Dies reduziert auch den Isolationsaufwand bei thermophil betriebenen
Fermentern. Die geringere Vorlauftemperatur hat zusätzlich
den Vorteil, dass die thermische Belastung der Mikroorganismen im
thermophilen Betrieb geringer gehalten werden kann.
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Die
Biomasse, die durch mikrobielle Umsetzung zu Biogas umgesetzt wird,
enthält zum Beispiel landwirtschaftliche Rohstoffe, landwirtschaftliche
Abfälle und/oder industrielle organische Abfalle. Als landwirtschaftliche
Rohstoffe beziehungsweise landwirtschaftliche Abfälle werden
zum Beispiel Maissilage, Grassilage, Kleegras oder Gülle
eingesetzt. Übliche industrielle organische Abfälle
sind beispielsweise Treber oder Schlempe. In Abhängigkeit
von der eingesetzten Biomasse enthält das so hergestellte Biogas üblicherweise
45 bis 70 Vol.-% Methan, 25 bis 55 Vol.-% Kohlendioxid, 0 bis 10
Vol.-% Wasserdampf, 0,01 bis 5 Vol.-% Stickstoff, 0,01 bis 2 Vol.-% Sauerstoff,
0 bis 1 Vol.-% Wasserstoff, 0,01 bis 2,5 mg/m3 Ammoniak
und 10 bis 30.000 mg/m3 Schwefelwasserstoff.
Das den Fermenter verlassende Biogas wird üblicherweise
aufbereitet, wobei insbesondere Ammoniak und Schwefelwasserstoff
aus dem Biogas entfernt werden. Die Aufbereitung erfolgt dabei durch übliche,
dem Fachmann bekannte Verfahren.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten
Fermenters,
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2 einen
Rührer mit vorgeschaltetem Heizregister in Seitenansicht,
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3 den
Rührer und das Heizregister aus 2 in Frontansicht.
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In 1 ist
schematisch ein Fermenter mit Rührer und Mitteln zur Temperierung
dargestellt.
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In
einem Fermenter 1 ist ein Rührer 3 positioniert,
mit dem im Fermenter 1 enthaltene Biomasse umgerührt
werden kann, um so gleichmäßige Bedingungen im
gesamten Fermenter 1 zu erhalten. Der Rührer 3 wird
durch einen Antrieb 5 angetrieben, der entweder im Fermenter 1 oder
außerhalb des Fermenters 1 angeordnet sein kann.
Wenn der Antrieb 5 im, Fermenter angeordnet ist, ist dieser
vorzugsweise gekapselt, damit keine Biomasse in den Antrieb gelangen
kann und diesen so schädigen kann.
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Zum
Umwälzen wird die Biomasse auf einer Seite vom Rührer 3 angezogen
und auf der anderen Seite von diesem weggeschoben. Hierdurch wird eine
Strömung im Fermenter 1 erzeugt, die durch gestrichelte
Pfeile 7 dargestellt ist. Durch die Strömung 7 wird
die Biomasse im Fermenter 1 umgewälzt und gleichmäßig
durchmischt. Hierdurch wird eine gleichmäßige
Temperaturverteilung im Fermenter 1 erzielt. Auch für
die Umsetzung der Biomasse zu Biogas notwendige Nährstoffe
und Mikroorganismen werden so gleichmäßig im Fermenter 1 verteilt.
Da die eingesetzte Biomasse im Allgemeinen zähflüssig
ist und zudem üblicherweise flüssige und feste
Bestandteile enthält, werden zur Umwälzung vorzugsweise
langsam laufende Rührer mit vergleichsweise großem Durchmesser
eingesetzt. Wie vorstehend beschrieben eignen sich hierzu insbesondere
axialfördernde Rührer verschiedener Bauarten,
insbesondere solche mit zwei bis vier Rührerblättern,
beispielsweise Viscoprop-Rührer oder Isojet-Rührer
der EKATO Rühr- und Mischtechnik GmbH oder FLYGT-Banana-Rührer
der ITT Water & Wastewater
GmbH.
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Erfindungsgemäß schließen
sich an den Rührer 3 in Strömungsrichtung 7 der
Biomasse Mittel zur Temperierung 9 an. Mit den Mitteln
zur Temperierung 9 wird die Biomasse auf die für
die Umsetzung zu Biogas erforderliche Temperatur temperiert, wobei aufgrund
des Wärmeübergangs die Temperatur direkt an den
Mittel zur Temperierung 9 im Allgemeinen etwas oberhalb
der optimalen Temperatur für die Umsetzung liegt. Aufgrund
der Strömung der Biomasse wird hierdurch erzielt, dass
der Gesamtinhalt des Fermenters 1 möglichst gleichmäßig
auf die optimale Temperatur gebracht wird. Als Mittel zur Temperierung 9 werden üblicherweise
Wärmeübertrager eingesetzt. Diese können
in Form von einem oder mehreren Heizregistern ausgebildet sein.
In der hier dargestellten Ausführungsform sind dem Rührer 3 zwei Heizregister
nachgeschaltet. Die Mittel zur Temperierung werden von einem Temperiermedium
durchströmt, von dem Wärme an die im Fermenter 1 enthaltene
Biomasse abgegeben wird. Wenn bei der Umsetzung zu Biogas die Temperatur
zu stark ansteigen sollte, wird durch die Mittel zur Temperierung 9 Wärme
aus dem Fermenter 1 abgeführt. Als Temperiermedium,
das die Mittel zur Temperierung 9 durchströmt,
kann jeder beliebige Wärmeträger eingesetzt werden.
Vorzugsweise werden flüssige Wärmeträger eingesetzt,
insbesondere Wasser oder Thermalöle. Die Eintrittstemperatur
des Temperiermediums in die Mittel zur Temperierung 9 liegt
vorzugsweise bei mindestens 50 bis maximal 90°C, bevorzugt
bei 60°C, die Austrittstemperatur des Temperiermediums
bei 40 bis 60°C, bevorzugt bei 45°C. Die Eintrittstemperatur
ist dabei jedoch auch abhängig vom Volumenstrom des Temperiermediums.
Je größer der Volumenstrom des Temperiermediums
ist, umso kleiner kann die Temperaturdifferenz sein.
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Um
die für die Umsetzung gewünschte Konsistenz der
Biomasse zu erzielen, wird die eingesetzte Biomasse, beispielsweise
landwirtschaftliche Rohstoffe oder Abfalle oder industrielle organische
Abfalle, mit Wasser versetzt. Die Menge des eingesetzten Wassers
wird dabei so gewählt, dass die gewünschte Konsistenz
erzielt wird. Die umzusetzende Biomasse wird dem Fermenter 1 über
einen Zulauf 11 zugeführt. Der Zulauf 11 kann
dabei an beliebiger Position am Fermenter 1 angeordnet
sein. Bevorzugt ist der Zulauf 11 im oberen Bereich des
Fermenters 1 angeordnet. Der Zulauf 11 kann auch über
einen Deckel, mit dem der Fermenter 1 verschlossen ist,
erfolgen. Bereits umgesetzte Biomasse wird über einen Ablauf 13 aus
dem Fermenter 1 entnommen. Der Ablauf 13 befindet
sich dabei vorzugsweise am Sumpf des Fermenters 1. Auch
kann der Ablauf 13 als Seitenablauf im unteren Bereich
des Fermenters ausgebildet sein.
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Wenn
der Fermenter 1 kontinuierlich betrieben wird, wird ein
Teil des über den Ablauf 13 entnommenen Massestroms
umgepumpt und über den Zulauf 11 erneut in den
Fermenter 1 zugeführt. Hierzu zweigt aus dem Ablauf 13 eine
Leitung 15 ab, die in den Zulauf 11 mündet.
In der Leitung 15 ist eine Pumpe 17 aufgenommen,
mit der die Biomasse umgepumpt wird.
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Ein
gleichmäßiger Füllstand der Biomasse im
Fermenter 1 wird durch Einstellung der zugeführten
Menge an Biomasse über den Zulauf 11 und der über
den Ablauf 13 entnommenen Biomasse eingestellt. Durch Ausschleusung
eines Teils der Biomasse über den Ablauf 13 werden
kontinuierliche Bedingungen im Fermenter 1 erhalten. Alternativ
ist es jedoch auch möglich, den Fermenter 1 diskontinuierlich
zu betreiben, zunächst Biomasse zuzusetzen, diese zu Biogas
umzuwandeln und nach der Umwandlung aus dem Fermenter 1 zu
entnehmen. In diesem Fall kann auf die Leitung 15, in der
die Biomasse umgepumpt wird, verzichtet werden. Auch bei kontinuierlichem
Betrieb kann auf die Leitung 15 verzichtet werden. In diesem
Fall wird über den Ablauf 13 ein Teil der Biomasse
ausgeschleust und über den Zulauf 11 erfolgt die
Zugabe frischer Biomasse, wobei die Menge der ausgeschleusten und
die Menge der zugeführten Biomasse so aufeinander abgestimmt
werden, dass der Füllstand im Fermenter 1 einen
minimalen vorgegebenen Füllstand nicht unterschreitet und
einen maximalen vorgegebenen Füllstand nicht überschreitet.
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In
den 2 und 3 ist ein Rührer mit vorgeschaltetem
Heizregister einmal in Seitenansicht und einmal in Frontansicht
dargestellt.
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Ein
Rührer 3, wie er in einem Fermenter 1 eingesetzt
werden kann, wird mit einer geeigneten Haltevorrichtung 21 am
Behälterboden 23 befestigt. In der in den 2 und 3 dargestellten
Ausführungsform ist der Antrieb 5 direkt mit dem
Rührer 3 verbunden und befindet sich somit im
Inneren des Behälters. Im Betrieb saugt der Rührer 3 Biomasse an
und schiebt diese durch die Mittel zur Temperierung 9.
Die Mittel zur Temperierung 9 sind in der hier dargestellten
Ausführungsform als Heizregister 25 ausgebildet.
Die Befestigung des Heizregisters 25 erfolgt in der hier
dargestellten Ausführungsform mit Holmen 27 an
der Haltevorrichtung 21, an der auch der Rührer 3 befestigt
ist. Dies hat den Vorteil, dass Rührer 3 und Heizregister 25 eine
Einheit bilden und gemeinsam im Fermenter 1 eingesetzt
werden können. Es ist jedoch auch möglich, Rührer 3 und
Heizregister 25 separat im Fermenter 1 zu montieren. Vorteil
der Baugruppe, einem kombinierten Heiz- und Rührregister,
wie es in 2 dargestellt ist, ist jedoch,
dass bei der Montage nicht auf den geeigneten Abstand zwischen Rührer 3 und
Heizregister 25 geachtet werden muss, da dieser bereits
durch die Verbindung von Rührer 3 und Heizregister 25 eingestellt ist.
Neben der Befestigung des Heizregisters 25 mit Holmen 27 an
der Haltevorrichtung 21 ist jedoch auch jede beliebige
andere Montage des Heizregisters 25 möglich.
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Neben
einem Heizregister 25, wie es hier dargestellt ist, können
auch mehrere Heizregister vorgesehen sein. Diese sind dann hintereinander
in Strömungsrichtung 7 der Biomasse vor dem Rührer 3 angeordnet.
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Das
Heizregister 25 ist vorzugsweise wie in 3 dargestellt
ausgebildet, wobei mehrere Rohre 29 jeweils auf einer Seite
mit einem Temperiermediumszulauf 31 und auf der anderen
Seite mit einem Temperiermediumsablauf 33 verbunden sind.
Die Rohre sind dabei in einer Ebene übereinander angeordnet,
wie dies beispielsweise aus 2 in der
Seitenansicht zu erkennen ist. Neben der dargestellten Ausführungsform,
bei der die Rohre übereinander angeordnet sind, ist jedoch
auch jede andere Anordnung der Rohre denkbar. Auch können
neben Rohren 29, die von Temperiermedium durchströmt
werden, auch beliebige andere Vorrichtungen, die vom Temperiermedium
durchströmt werden können, eingesetzt werden,
solange diese ausreichende Freiräume aufweisen, durch die
die Biomasse durchströmen kann. Neben der dargestellten
Ausführungsform, bei der mehrere Rohre 29 jeweils über
einen Temperiermediumszulauf 31 und einen Temperiermediumsablauf 33 mit
Temperiermedium versorgt werden, ist es auch möglich, beispielsweise übereinander
mehrere u-förmige Rohre, die jeweils mit einem Zulauf und
einem Ablaufverbunden sind und vom Temperiermedium durchströmt
werden, einzusetzen. Auch kann nur ein Rohr, das beispielsweise
mäanderförmig ausgebildet ist, eingesetzt werden.
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Wenn
mehrere Heizregister 25 hintereinander eingesetzt werden,
so ist es möglich, dass die Rohre, wie sie hier dargestellt,
waagerecht verlaufen, auch können die Rohre beispielsweise
senkrecht oder in jedem beliebigen anderen Winkel verlaufen. Bei
mehreren Heizregistern ist es insbesondere auch möglich,
dass die Rohre der einzelnen Heizregister in unterschiedlicher Richtung
verlaufen. Bei Einsatz mehrerer Heizregister 25 ist es
auch möglich, dass diese entsprechend dem Strömungsverlauf
der Biomasse gegeneinander gedreht angeordnet sind. So ist es bei
der Positionierung der Heizregister für einen optimalen
Wärmeübergang vorteilhaft, wenn die einzelnen
Heizregister hintereinander im Strömungsweg der Biomasse
positioniert sind. Bei einer Strömung, die zum Beispiel
aufgrund von Einbauten oder dem Wandverlauf des Fermenters 1 eine
Krümmung beschreibt, folgen die hintereinander angeordneten Heizregister 25 vorteilhafterweise
der Krümmung.
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Der
Rührer 3 ist vorzugsweise als axial fordernder
Rührer mit zwei bis vier Rührerblättern,
wie er beispielsweise in 3 dargestellt ist, ausgeführt. Die
Rührerblätter sind dabei gebogen, sodass ein optimaler
Schub der Biomasse durch den Rührer erzeugt wird. Dies
ermöglicht eine größtmögliche
Geschwindigkeit der Biomasse bei langsam laufendem Rührer
und so eine optimale Durchmischung.
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- 1
- Fermenter
- 3
- Rührer
- 5
- Antrieb
- 7
- Strömung
- 9
- Mittel
zur Temperierung
- 11
- Zulauf
- 13
- Ablauf
- 15
- Leitung
- 17
- Pumpe
- 21
- Haltevorrichtung
- 23
- Behälterboden
- 25
- Heizregister
- 27
- Holm
- 29
- Rohr
- 31
- Temperiermediumszulauf
- 33
- Temperiermediumsablauf
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4113000
A [0003]
- - DE 102004027077 B [0004]
- - DE 202006004982 U [0005]
- - EP 1394246 A [0005]
- - US 4698310 [0005]
- - DE 20300794 U [0006]