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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum effizienten Betrieb von Biomasse-Vergärungsanlagen durch
Verwertung der anfallenden Gärrückstände und
den verbesserten Aufschluss der Gärsubstrate.
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Als
Inputmaterial dienen pflanzliche und/oder tierische Stoffe, vorzugsweise
wässrige Gärreste und Gärsubstrate, die
zum Teil mit Schleimanteilen belastet sind und hohe Stickstoff-
und Phosphatbelastungen aufweisen.
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Das
Endprodukt ist eine Biomasse, die weitestgehend frei von pathogen
wirkenden Mikroorganismen ist. Sie weist gegenüber dem
Ausgangsmaterial reduzierte Ammonium- und Phosphatgehalte auf und
verfügt über hohe Proteingehalte.
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Das
durch Phasentrennung entstehende Retentat wird zur Effizientsteigerung
des Biogasreaktors oder zur Verbesserung des Substrataufschlusses eingesetzt.
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Somit
wird erreicht, dass das Gesamtverfahren effizienter wird.
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Rückstandswässer
(Permeat) sind einleitefähig oder als Dünger in
der Landwirtschaft verwendbar.
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Gärrückstände
fallen vorwiegend in Vergärungsverfahren der Landwirtschaft,
der Lebensmittelindustrie und der Abfallwirtschaft in großen
Mengen an, wobei eine rückstandsfreie Verwertung bisher nicht
gegeben ist.
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Stand der Technik
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In
Anbetracht stetig steigender Energiepreise, der endlichen Verfügbarkeit
fossiler Energieträger und der zunehmenden Knappheit von
Rohstoffen sowie der Forderung nach Ressourcenschonung und Klimaschutz
gewinnt die Nutzung regenerativer Energiequellen stetig an ökonomischer, ökologischer und
gesellschaftspolitischer Relevanz.
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Die
Energieerzeugung aus Biomasse nimmt dabei insofern eine energiepolitische
Sonderstellung ein, als dass sie im Gegensatz zur Nutzung von Wind-
und Sonnenenergie grundlastfähig ist.
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Die
Vergärung landwirtschaftlicher Produkte, Abfallstoffe sowie
nachwachsender Rohstoffe mit dem Ziel der Erzeugung von Biogas und
dessen direkte Nutzung zur Energieerzeugung in Blockheizkraftwerken,
Brennstoffzellen und dgl. bzw. zur Substitution fossiler Rohstoffe,
beispielsweise durch Aufbereitung zu Biomethan und Einspeisung in
das Erdgasnetz, gewinnt daher zunehmend an Bedeutung.
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Die
begrenzte Verfügbarkeit von geeigneten Einsatzstoffen,
insbesondere auch vor dem Hintergrund der Konkurrenz zwischen Nahrungsgüter-
und Energiewirtschaft, bedingt die Notwendigkeit der stetigen Optimierung
der Prozesse, nämlich der Maximierung des Gasertrages und
der Steigerung des Methananteils, sowie der Erweiterung der Palette möglicher
Einsatzstoffe. Die Zunahme der Anlagenzahl sowie insbesondere der
Anlagengröße und -leistung und deren Konzentration
an bestimmten Standorten stellt die Branche zudem vor neue Herausforderungen
im Hinblick auf die Nutzung bzw. Entsorgung der anfallenden Abprodukte.
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Die
Entsorgung der bei der Biogaserzeugung anfallenden Gärreste
erfolgt bei dezentralen landwirtschaftlichen Biogasanlagen traditionell
durch Ausbringen auf die Anbauflächen der Umgebung. Die
Nährstoffgehalte sowie die vorliegenden Bindungsformen,
die eine hohe Pflanzenverfügbarkeit gewährleisten,
prädestinieren die Gärreste für eine derartige
Anwendung. Nähr- und Kohlenstoffkreislauf werden dadurch
nahezu geschlossen. Allerdings hat diese Vorgehensweise ökologische
und zunehmend auch ökonomische Nachteile.
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So
wird bereits seit mehreren Jahren die Problematik der vermehrten
Ammoniak-Emission diskutiert. Der durch den Abbau der organischen
Säuren während des Gärprozesses bedingte
Anstieg des pH-Wertes führt zu einer Verschiebung des Gleichgewichtes
vom gelösten Ammonium-Stickstoff hin zum Ammoniak, der
als Gas entweicht.
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Besagten
Emissionen, muss mit speziellen Ausbringtechniken entgegengewirkt
werden. Des Weiteren muss eine entsprechende Düngebedarfsermittlung
erfolgen, die eine bedarfsgerechte Ausbringung der Nährstoffe
sicherstellt und die Belastung von Gewässern durch den
Austrag von Nährstoffen verhindert.
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Als
zusätzlich problematisch gilt der Eintrag unerwünschter
Stoffe. Zu nennen sind dabei insbesondere Schwermetalle, häufig
Kupfer und Zink, sowie infektiöse Keime, wie Salmonellen,
Clostridien, phytopathogene Viren, oder auch keimfähige
Unkrautsamen.
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Die
zeitliche Anpassung der Ausbringung an den Bedarf der landwirtschaftlichen
Kulturen und die vorgeschriebene Reduktion der Emission von Klimagasen
bedingt eine Lagerung der Gärreste, wobei eine Lagerkapazität
von mindestens 6 Monaten empfohlen wird.
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In
dem Zusammenhang ist besonders zu beachten, dass unbehandelte Gärreste
häufig zu mehr als 90% aus Wasser bestehen.
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Erhebliche
Probleme aus den vorgenannten Einschränkungen und Randbedingungen
ergeben sich daher insbesondere für die zunehmende Anzahl größerer,
industrieller Biogasanlagen.
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Einem
Teil dieser Problematiken wird durch die Gärrestaufbereitung
begegnet. Ziele sind die Reduzierung der Mengen und damit der Lagerungs-
und Ausbringungskosten, weiterhin die Reduzierung der Umweltbelastungen,
nämlich der Freisetzung klimarelevanter Gase etc., sowie
die Abtrennung von Nährstoffen einschließlich
deren Überführung in eine transport- und verkaufsfähige
Form.
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Typischerweise
einzeln oder auch in Kombination eingesetzte Verfahren sind die
mechanische Separation, thermische Verfahren (Trocknung, Eindampfen)
und Verfahren zur Behandlung flüssiger Phasen (Membranverfahren,
aerobe Abwasserbehandlung).
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Die
genannten Verfahren sind mit teils aufwendiger Technik verbunden
und können erhebliche Investitions- und Betriebskosten
verursachen. Zudem führen einige der Verfahren, beispielsweise
der Einsatz getrockneter Gärreste als Ersatzbrennstoff, zum
Entzug von Roh- und Nährstoffen aus dem Stoffkreislauf.
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In
einem Verfahren zur Aufbereitung organischer Reststoffe aus Biogasanlagen
nach
DE 10 2007 004 892 werden
Selbige einer mechanischen Aufbereitung unterzogen. Ein erster Teil
des Gärrestes wird nachfolgend einer Eindampfung zur Produktion
von Kopfdünger, während ein zweiter Teil des eingedickten
Gärrestes zur Produktion von Fußdünger
getrocknet wird.
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In
einem weiteren Verfahren zur Konversion von Biomasse zu Biogas in
anaeroben Fermentern nach
DE
10 2007 037 202 wird der Gärrest einer Fest-Flüssig-Phasentrennung
unterzogen und die abgetrennte Feststoffphase einer Thermodruckhydrolyse
unterworfen. Die so behandelte Feststoffphase wird einem weiteren
Gärprozess unterworfen.
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In
einem Verfahren zur Umwandlung von hochbelasteten stickstoffhaltigen
Wässern aus Vergärungsanlagen in protein- und
fetthaltige Biomasse auf mikrobieller Basis nach
DE 10 2008 045 214.9 , werden
aus Vergärungsprozessen stammende energieabgereicherte
Wässer mit hohen Stickstoffkonzentrationen mittels aerober
Assimilation in eine proteinhaltige Biomasse umgewandelt. Gegebenenfalls
vorhandene schleimige Bestandteile sind dabei auflösbar.
Die proteinhaltige Biomasse wird in eine eingedickte und eine Dünnhase
getrennt, wobei die eingedickte Phase einer stofflichen und/oder
energetischen Verwertung zur Verfügung steht und die Dünnphase
ausgeschleust und/oder einem vorgelagerten Vergärungsprozess
als Rezirkulat zugeführt wird. Dabei sind bestimmte Verfahrensbedingungen einzuhalten.
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Dieses
der Erfindung am nächsten liegende Verfahren soll in Würdigung
des übrigen relevanten Standes der Technik weiterentwickelt
werden, und zwar mit Blick auf die Effizienzverbesserung der genannten
Vergärungsverfahren in den einzelnen Industriezweigen und
der Landwirtschaft. Die in den verschiedenen Vergärungsprozessen
anfallenden ammoniumhaltigen Reststoffe sollen einer sinnvollen Verwertung
zugeführt werden. Die problembehaftete Entsorgung, beispielsweise
durch Deponieren, Verdünnen, Strippen oder Verbrennen,
würde damit weitestgehend entfallen.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe
der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur aeroben Behandlung
von stark ammoniumhaltigen Gärrückständen
und Gärsubstraten unter Einsatz von Mikroorganismenpopulationen, die
auf Grund ihrer Fähigkeit, Ammonium bei zusätzlicher
Gabe von externen Kohlenstoffquellen geeignet sind, heterotroph
zu assimilieren. Wesentliche Ziele sind die Verkürzung
der Gesamtprozesses, die Erhöhung des Methangehaltes im
Biogas und die Reduzierung der Gärsubstratmenge.
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Die
Gärrückstände bzw. Gärsubstrate
weisen hohe Restkohlenstoffgehalte auf und/oder sie sind durch ihre
problematische Zusammensetzung und Konsistenz gekennzeichnet, zum
Beispiel durch einen hohen Wasseranteil, einen hohem Anteil an kolloidal
gelösten Stoffen oder hohe Gehalte an Restgasen bzw. strippbaren
Verbindungen, vor allem Ammoniak.
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Somit
sollen biogene Reststoffe, die im Überschuss anfallen und/oder
nicht oder kaum sinnvoll anderweitig verwertet werden können,
verarbeitbar sein. Es handelt sich beispielsweise um Reststoffe aus
der Lebensmittelverarbeitung, der Futtermittelherstellung oder der
Herstellung alternativer Kraftstoffe.
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Gegenstand der Erfindung
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Die
erfinderische Aufgabe ist mit den im Patentanspruch 1 angegeben
Merkmalen gelöst worden. Die untergeordneten Ansprüche
enthalten zweckmäßige Ausgestaltungen.
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Bekannte
Verfahren zur Vergärung von Gärsubstrat beinhalten üblicherweise
die apparativen Bestandteile Mischbehandlung und Hydrolyse, Vergärung
in Biogasanlagen und energetische Nutzung des Biogases, zum Beispiel
in einem Blockheizkraftwerk.
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, das eine Kohlenstoffquelle beinhaltende Gärsubstrat, weiterhin
Luftsauerstoff und Mikroorganismen unter Hinzufügung von
Wärme, einem ersten Bioreaktor zur aeroben Behandlung und
Hydrolyse zuzuführen. Als Kohlenstoffquelle eignen sich
Reststoffe aus der Lebensmittel- bzw. Futtermittelherstellung, weiterhin solche
aus landwirtschaftlichen Betrieben, von Produzenten alternativer
Kraftstoffe, von Abfallentsorgern etc..
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Wärme
wird sinnvollerweise vom Blockheizkraftwerk oder einer Brennstoffzelle
zur Verfügung gestellt wird.
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Durch
die stattfindende Hydrolysereaktionen erhöht sich der Protein-
und Fettgehalt des Gärsubstrats. Das gewonnene vorbehandelte
Gärsubstrat gärt anschließend in einer
Biogasanlage, und zwar im ein- oder zweistufigen Verfahren unter
beschleunigter und erhöhter Methangasbildung.
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Das
entstehende Biogas wird in der Regel einem Blockheizkraftwerk oder
einer Brennstoffzelle zugeführt und dort in Elektroenergie
und Wärme umgewandelt, wobei die Wärme, wie bereits
erwähnt, dem ersten Bioreaktor zugeführt wird.
Weiterhin steht sie nachgeschalteten Verfahrensschritten zur Verfügung.
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In
der Biogasanlage bleibt ein Gärrest zurück, der
Schleimbestandteile, Stickstoff- und Phosphatanteile in relativ
hohen Dosen und pathogen wirkende Mikroorganismen enthält.
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Nach
dem Ausschleusen aus der Biogasanlage wird dieser Gärrest
einem weiteren nachgeschalteten zweiten Bioreaktor zur aeroben Behandlung
als Inputmaterial zugeführt und dort unter Wärmeeinwirkung
weiterverarbeitet. Die Wärme stammt aus dem Blockheizkraftwerk
bzw. der Brennstoffzelle.
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Weiterhin
werden Luftsauerstoff und eine Kohlenstoffquelle als Zuschlagkomponenten
zugesetzt. Die Kohlenstoffquellen können die gleichen wie im
Hauptverfahren sein.
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Durch
die Zuschlagstoffe bilden sich unter aeroben Bedingungen verstärkt
probiotisch und weitestgehend antitoxisch wirkende Mikroorganismen. Diese
neutralisieren die ursprünglich enthaltenen pathogen wirkenden
Mikroorganismen. Weiterhin lösen sich die Schleimanteile
auf. Das genannte Inputmaterial wird bei Abbau von Ammonium und
Phosphat in eine protein- und fetthaltige Biomasse umgewandelt.
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Diese
Biomasse wird in einem weiteren Verfahrensschritt einer Biomasseabtrennung
unterzogen. Geeignete Mittel dafür sind die Mikrofiltration, Sedimentation
und Elektrokoagulation. Das bei der Mikrofiltration entstehende
Permeat wird anschließend wieder dem zweiten Bioreaktor
zugeführt oder ausgeschleust.
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Weitere
Produkte aus der Biomasseabtrennung sind eine wässrige
Restphase und eine stark bakterienhaltige Biomasse. Während
die wässrige Restphase in Abhängigkeit von ihrer
Zusammensetzung und ihrem Nährstoffgehalt in Vorfluter
einleitbar ist oder von landwirtschaftlichen Betrieben genutzt werden
kann, steht die Biomasse als Eingangsstoff dem ersten Bioreaktor
und/oder der Biogasanlage zur Verfügung.
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Die
Bakterienbiomasse kann in einem Separator oder einem Dekanter weiter
aufkonzentriert werden. Die dabei entstehende Flüssigphase
wird wie die wässrige Restphase aus der Biomasseabtrennung
verwendet. Die aufkonzentrierte Bakterienbiomasse dient als Eingangsmaterial
für die Biogasanlage.
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Die
erfindungsgemäß gewonnene Bakterienbiomasse und
die aufkonzentrierte Bakterienbiomasse verbessern somit die Ausgangsbedingungen
für die Reaktionen im ersten Bioreaktor und in der Biogasanlage.
Die Effizienz des Gesamtprozesses erhöht sich merklich.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Blockschaltbildes (1)
näher erläutert. Dieses stellet die verfahrensseitige
Einbindung der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte
in ein Vergärungsverfahren für pflanzliche oder
tierische Gärsubstrate dar, die von landwirtschaftlichen
Betrieben, Unternehmen der Lebensmittelverarbeitung, Futtermittelherstellern,
Produzenten alternativer Kraftstoffe, Abfallentsorgen und dgl. stammen.
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Die
Gärsubstrate 1 werden direkt und/oder indirekt
einer ein oder zweistufig arbeitenden Biogasanlage A zugeführt.
Der indirekte Weg führt über einen Bioreaktor
B zur aeroben Behandlung und Hydrolyse. In den Bioreaktor B werden
zusätzlich Luftsauerstoff 2, Mikroorganismen und
Wärmeenergie 3 eingeführt. Die Wärmeenergie 3 wird
vom angeschlossenen Blockheizkraftwerk C zur Verfügung
gestellt. Die Mikroorganismen sind in großer Zahl in einer
aus dem Prozess stammenden Bakterienbiomasse 10 enthalten.
Als Kohlenstoffquelle dienen die eingesetzten Gärsubstrate 1.
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Durch
einen intensiven Mischprozess und die stattfindenden Hydrolysereaktionen
erhöht sich der Protein- und Fettgehalt der Mischung. Den
Bioreaktor B verlässt ein vorbehandeltes Gärsubstrat 4.
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Gemeinsam
mit dem bereits erwähnten Gärsubstrat 1 und
der Bakterienbiomasse 4 bildet dieses das Inputmaterial
für die Biogasanlage A.
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Das
entstehende Biogas 5 wird einem nachgeschalteten Blockheizkraftwerk
C zugeführt und dort in Elektroenergie und Wärmeenergie 3 umgewandelt.
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In
der Biogasanlage A bleibt ein Gärrest 6 zurück,
der Schleimbestandteile, Stickstoff- und Phosphatanteile in relativ
hohen Dosen und pathogen wirkende Mikroorganismen enthält.
Der Gärrest 6 wird in einem weiteren Bioreaktor
D unter Wärmeeinwirkung und Zusatz von Luftsauerstoff 2 und
biogenen Reststoffen 7 als Kohlenstoffquelle weiterverarbeitet.
Die Wärmeenergie 3 stammt aus dem Blockheizkraftwerk
C. Als Kohlenstoffquelle bzw. biogenen Reststoffe 7 finden
die eingangs genannten Verwendung.
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Im
Bioreaktor D bilden sich unter aeroben Bedingungen verstärkt
probiotisch und antitoxisch wirkende Mikroorganismen. Diese neutralisieren
die ursprünglich enthaltenen pathogen wirkenden Mikroorganismen
weitestgehend. Weiterhin lösen sich die Schleimanteile
auf.
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Den
Bioreaktor D verlässt eine protein- und fetthaltige Biomasse.
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Es
schließt sich eine weitere Verarbeitungsstufe an, nämlich
eine Biomasseabtrennung E. Dafür sind die Mikrofiltration,
Sedimentation und Elektrokoagulation nutzbar. Das bei der Mikrofiltration
entstehende Permeat 8 wird wieder in den Bioreaktor D eingeführt.
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Weitere
Produkte aus der Biomasseabtrennung E sind eine wässrige
Restphase 9 und eine Biomasse 10. Die wässrige
Restphase 9 wird in Vorfluter eingeleitet oder landwirtschaftlichen
Betrieben zur Verfügung gestellt. Die Biomasse 10 wird
wieder in den Vergärungsprozess eingeführt, und
zwar in den Bioreaktor B und/oder in die Biogasanlage A.
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Optional
kann die Biomasse 10 einer Aufkonzentration F in einem
Separator oder einem Dekanter unterzogen werden. Die dabei entstehende
Flüssigphase 11 wird wie die wässrige
Restphase 9 aus der Biomasseabtrennung F verwendet. Die
aufkonzentrierte Bakterienbiomasse 12 dient als Eingangsmaterial
für die Biogasanlage A.
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- 1
- Gärsubstrat,
- 2
- Luftsauerstoff,
- 3
- Wärmeenergie,
- 4
- vorbehandeltes
Gärsubstrat,
- 5
- Biogas,
- 6
- Gärrest,
- 7
- biogene
Reststoffe,
- 8
- Permeat,
- 9
- wässrige
Restphase,
- 10
- Biomasse,
- 11
- Flüssigphase,
- 12
- aufkonzentrierte
Bakterienbiomasse,
- A
- Biogasanlage,
- B
- Bioreaktor,
- C
- Blockheizkraftwerk,
- D
- Bioreaktor,
- E
- Biomasseabtrennung,
- F
- Aufkonzentration.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007004892 [0022]
- - DE 102007037202 [0023]
- - DE 102008045214 [0024]