DE102015119517B4 - Fermenter und Verfahren zur Erzeugung von entschwefeltem Biogas - Google Patents

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Abstract

Fermenter (01) zur Erzeugung von entschwefeltem Biogas, mit einem Fermentationsbereich (02) und einem Gasbereich (03), dadurch gekennzeichnet, dass im Gasbereich (03) ein durch eine semipermeable Membran (05) abgetrennter Entschwefelungsbereich besteht, in welchem Sulfurikanten (06) angesiedelt sind, wobei die semipermeable Membran (05) für Schwefelwasserstoff gasdurchlässig ist, und dass der Entschwefelungsbereich mit einer Nährstofflösung für die Sulfurikanten (06) befüllbar ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Elimination von Schwefelwasserstoff aus Biogas innerhalb eines Fermenters. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Fermenter zur Erzeugung von entschwefeltem Biogas.
  • Im Allgemeinen versteht man unter einem Fermenter (auch Bioreaktor genannt) einen Behälter, der geeignet konfiguriert ist, um bestimmte Mikroorganismen oder Zellen zu kultivieren und dafür optimale Bedingungen bereitzustellen. Der Fermenter umfasst dazu regelmäßig einen Fermentationsbereich sowie in den hier betrachteten Fällen einen Gasbereich, in welchem sich Gase sammeln, die ein Reaktionsprodukt der im Fermentationsbereich ablaufenden Prozesse darstellen. Dem Fermenter sind in bekannter Art und Weise Einheiten zugeordnet, mit denen Medien zu- bzw. abgeführt werden können und/oder die Prozessbedingungen im Fermenter steuerbar sind, beispielsweise durch Sauerstoffzufuhr, Beeinflussung der Temperatur, Veränderung des pH-Wertes oder sonstiger Parameter.
  • Bei der Erzeugung von Biogas in einem Fermenter enthalten die gasförmigen Reaktionsprodukte neben den gewünschten brennbaren Bestandteilen (vor allem Methan) auch Schwefelwasserstoff, welcher vor der energetischen Verwertung des Biogases weitgehend entfernt werden muss, um einerseits Gefährdungen zu vermeiden und andererseits die im nachfolgenden Verwertungsprozess verwendeten technischen Komponenten zu schonen.
  • Für die Elimination von Schwefelwasserstoff in Biogas sind generell unterschiedliche Ab- und Adsorptionsverfahren sowie Verfahren der biologischen Entschwefelung bekannt geworden. Insbesondere die biologischen Entschwefelungsverfahren werden unter ökonomischen Gesichtspunkten bevorzugt und bieten darüber hinaus verschiedene technologische Vorteile, beispielsweise einen vereinfachten Anlagenaufbau und das weitgehende Fehlen schädlicher Reaktionsprodukte.
  • Besonders einfach gestaltet sich der Anlagenaufbau, wenn die Entschwefelung des Biogases innerhalb des Fermenters ausgeführt wird, unter Nutzung von autochthon vorhandenen Mikroorganismen, die den Schwefelwasserstoff unter Anwesenheit von Sauerstoff zu elementarem Schwefel aufoxidieren, so dass dieser im Fermentationsmedium abgeschieden wird. Die Effizienz solcher internen Entschwefelungsverfahren ist bisher allerdings nicht immer betriebssicher.
  • In der DE 10 2014 222 703 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entschwefelung von Biogas mittels Funktionsstoffen sowie schwefelwasserstoffabbauenden Mikroorganismen im Biogasfermenter sowie ein Biogasfermenter beschrieben. Um die Biogasqualität zu erhöhen, den Methanbildungsprozess zu unterstützen und die Standzeit des Biogasfermenters zu verlängern, wird während der anaeroben Fermentation von Biomasse in einem Gasraum oberhalb eines Substratraums ein Aufnahmesystem angeordnet. Dieses ist mit biologisch abbaubaren Trägerkörpern befüllt, welche mit schwefelwasserstoffabbauenden Mikroorganismen geimpft sind und/oder zur Ansiedlung schwefelwasserstoffabbauenden Mikroorganismen geeignet sind. Das durch die Fermentation gebildete Biogas durchströmt ein Aufnahmesystem mit den Trägerkörpern. Das Biogas wird dabei durch die Mikroorganismen entschwefelt.
  • Die DE 196 10 056 B4 zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Biogasgewinnung. Bei dem Verfahren, welches unter anaeroben Bedingungen stattfindet, wird das aus organischen Substanzen gewonnene Biogas in einem über dem Bioreaktor liegenden Kopfraum aufgefangen und abgezogen. Dabei wird das Biogas im Kopfraum durch ein mit zur H2S-Oxidation befähigter Biomasse besiedeltes Festbett hindurchgeleitet, welches direkt mit einem Elektronenakzeptor versorgt wird.
  • Die DE 10 2007 058 548 A1 beschreibt ein Verfahren zum Aufreinigen von Biogas. Aus einer Biomasse in einem Fermenter wird Biogas erzeugt, indem das Biogas mittels einer Trennstufe in einen Methangasstrom und in einen Schwachgasstrom aufgeteilt wird. Die Trennstufe weist eine Membran auf, die so eingestellt ist, dass der Schwachgasstrom einen erheblichen Anteil an Methan aufweist. Der Schwachgasstrom wird in einem Blockheizkraftwerk in Wärme und elektrischen Strom umgesetzt.
  • In der DE 10 2007 013 190 A1 ist ein Verfahren zum Abbau von Schwefelwasserstoff in einem Biogasfermenter mittels Zuführen von Sauerstoff beschrieben. Oberhalb des Gärsubstrats wird dazu ein Gas mit gegenüber Luft erhöhtem Sauerstoffgehalt in den Biogasfermenter eingebracht.
  • Die DE 102 60 968 B4 offenbart ein Verfahren zur Entfernung von Schwefelwasserstoff aus Biogas, welches in einem anaeroben Gärbehälter aus Biomasse gewonnen wird. Zur Verringerung des Schwefelwasserstoffgehalts wird der Biomasse Natriumalginat zugesetzt.
  • Die DE 196 10 056 B4 zeigt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Biogasgewinnung, die speziell auf die Verringerung des Schwefelwasserstoffgehalts im Biogas ausgerichtet sind.
  • Das erzeugte Biogas wird im Kopfraum des Bioreaktors durch ein mit Biomasse besiedeltes Festbett hindurchgeleitet, wobei die dort vorgesehene Biomasse speziell für eine Schwefelwasserstoff-Oxidation befähigt ist. Zur Effizienzerhöhung wird das Festbett mit Sauerstoff, Nitrat und/oder Nitrit versorgt, wobei sichergestellt werden muss, dass diese Substanzen nicht in den eigentlichen Bioreaktorbereich eindringen, in welchem anaerobe Bedingungen aufrechterhalten werden müssen. Beispielsweise wird dafür unter dem Festbett eine Auffangeinrichtung angeordnet, um überschüssige Flüssigkeiten abführen zu können. Der anlagentechnische Aufwand dieser Gestaltung ist hoch und es verbleibt das Restrisiko, dass die im anaeroben Abschnitt des Bioreaktors optimierten Bedingungen gestört werden.
  • Die DE 10 2009 014 221 B4 beschreibt ein Verfahren zur biologischen Entschwefelung von Gasen. Dazu wird schwefelwasserstoffhaltiges Rohgas in einem Biowäscher mit einer wässrigen Waschflüssigkeit gewaschen, welche Schwefelwasserstoff oxidierende Mikroorganismen aufweist. Dieser Waschvorgang findet außerhalb des Bioreaktors statt, wenngleich die Waschflüssigkeit nach dem Waschen des Rohgases dem Bioreaktor wieder zugeführt wird. Der anlagentechnische Aufwand ist dementsprechend hoch.
  • Die DE 10 2006 050 610 B3 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur biologischen Entfernung von Schwefelwasserstoff aus Biogas unter Verwendung eines Biowäschers. Das Biogas und die Waschlösung werden im Gleichstrom bei einer Temperatur von 15 bis 40 °C geführt. Die Waschlösung wird mehrstufig in den Biowäscher eingeleitet, um die biologische Umsetzung des Schwefelwasserstoffs zu verbessern.
  • Aus der DE 10 2011 106 309 A1 ist eine Anordnung zur Entschwefelung von Brenngas bekannt. In einem Reaktionsbehälter ist eine Vielzahl von Füllkörpern angeordnet, auf denen Mikroorganismen angesiedelt sind, die den im Biogas enthaltenen Schwefelwasserstoff abbauen sollen. Die Füllkörper sind streifenförmig ausgestaltet und aufrecht angeordnet, so dass sie mit einer Nährstoffflüssigkeit berieselt werden können. Durch die Nährstoffflüssigkeit werden gleichzeitig die Abbauprodukte ausgespült. Ein solcher Reaktionsbehälter lässt sich nicht ohne weiteres in einen Fermenter integrieren, sondern erfordert einen eigenständigen Aufbau mit entsprechend hohen Kosten.
  • In der DE 10 2005 025 040 B4 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von methanreichem Biogas erläutert. Unter anderem findet dabei eine biochemische Entschwefelung des gewonnenen Rohbiogases statt, wobei in einer ersten Stufe die Prozessflüssigkeit mit Sauerstoff angereichert wird und zumindest ein Teil dieses Sauerstoffs aus dem sauerstoffangereicherten, methanreichen Biogas stammt. Auch bei dieser Vorgehensweise ist eine unmittelbare Integration in den Fermenter nicht zweckmäßig.
  • Die DE 10 2012 205 008 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Nährstoffversorgung eines Flüssigmediums, welches Schwefelwasserstoff abbauende Mikroorganismen enthält. In einer eigenständigen Entschwefelungsanlage erfolgt die Nährstoffversorgung mittels Gärresten aus dem Biogasfermenter. Eine Membran trennt zwei Kammern, in welchen die beiden Medien jeweils eingebracht werden. Über die Membran wird ein Stoff- und Wärmeaustausch realisiert. Ein quasi kontinuierlicher Betrieb kann durch eine wechselseitige Bestückung der Kammern mit den beiden Medien aufrechterhalten werden, wobei während des Wechsels des Betriebsmodus der beiden Kammern eine Unterbrechung des Prozesses erfolgen muss.
  • Die u.a. aus dem zuvor genannten Stand der Technik bekannten biologischen Entschwefelungsverfahren, die außerhalb des Fermenters ausgeführt werden, arbeiten zuverlässig und mit hohen Reinigungsraten, da in den jeweiligen externen Anlagenabschnitten optimale Betriebsbedingungen für die Entschwefelung eingestellt werden können. Im Gegenzug erhöhen sich die Investitions- und Betriebskosten durch den deutlich erhöhten anlagetechnischen Aufwand.
  • Stattdessen arbeiten die bekannten Entschwefelungsverfahren, die direkt im Gasraum des Fermenters ausgeführt werden, vergleichsweise instabil und mit geringeren Reinigungsraten. Die für den Entschwefelungsvorgang erforderlichen Rahmenbedingungen lassen sich nicht optimieren, da andernfalls die Gefahr einer negativen Beeinflussung der Prozessbedingungen im Fermentationsbereich besteht. Praktische Untersuchungen haben sogar gezeigt, dass in Biogasanlagen mit interner Entschwefelung im gereinigten Biogas in 54% der Fälle der Gehalt an Schwefelwasserstoff noch oberhalb von 550 ppm lag, in 15% der untersuchten Fälle sogar oberhalb von 2000 ppm (vgl. Schneider R. L., 2007, Biologische Entschwefelung von Biogas, Dissertation am Lehrstuhl für Energie- und Umwelttechnik der Lebensmittelindustrie, Technische Universität München).
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird ausgehend vom Stand der Technik darin gesehen, einen Fermenter (Bioreaktor) zur Erzeugung von entschwefeltem Biogas bereitzustellen, der unter Anwendung einer internen Entschwefelung zuverlässig ein entschwefeltes Biogas abgibt, bei im Vergleich zur externen Entschwefelung geringem anlagentechnischem Aufwand. Weiterhin besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Elimination von Schwefelwasserstoff aus Biogas anzugeben, welches innerhalb eines Fermenters abläuft, einen hohen Reinigungsgrad des Biogases gewährleistet und negative Auswirkungen auf den eigentlichen Fermentationsprozess vermeidet.
  • Die genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch einen Fermenter gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Elimination von Schwefelwasserstoff gemäß dem angefügten Anspruch 8 gelöst.
  • Ein erfindungsgemäßer Fermenter zur Erzeugung von entschwefeltem Biogas umfasst mindestens einen Fermentationsbereich und einen Gasbereich. Darüber hinaus sind übliche weitere anlagentechnische Komponenten vorgesehen, die für den Betrieb des Fermenters und für die Einstellung optimierter Prozessparameter für das Fermentationsmedium erforderlich sind und dem Fachmann insoweit bekannt sind. Erfindungsgemäß ist im Gasbereich des Fermenters ein durch eine semipermeable Membran abgetrennter Entschwefelungsbereich ausgebildet. Innerhalb des abgetrennten Entschwefelungsbereichs sind Sulfurikanten angesiedelt, d. h. autotrophe Bakterien, die Schwefelwasserstoff und ggf. andere reduzierte Schwefelverbindungen zu elementarem Schwefel oder Sulfat oxidieren. Besonders bevorzugt werden Sulfurikanten der Gattungen Beggiatoa und Thiothrix eingesetzt. Durch die Nutzung nicht-phototropher, schwefeloxidierender Bakterien kann auf eine spezifische Anpassung des Gasbereichs des Fermenters verzichtet werden, die andernfalls beim Einsatz von photoautotrophen, schwefeloxidierenden Bakterien erforderlich wäre.
  • Die zur Abtrennung des Entschwefelungsbereichs verwendete semipermeable Membran ist für Schwefelwasserstoff gasdurchlässig, so dass dieser aufgrund des Diffusionsgefälles ohne aktive Förderung in den Entschwefelungsbereich einströmen kann. Innerhalb des Entschwefelungsbereiches sorgen die Sulfurikanten durch ihre Stoffwechselprozesse für die gewünschte Entschwefelung des Rohbiogases. Der Entschwefelungsbereich ist weiterhin an eine Versorgungseinheit angeschlossen, die Nährstofflösung für die Sulfurikanten liefert. Durch Austausch werden so die Stoffwechselprodukte der H2S-Oxidation abgeführt.
  • Bevorzugt ist der Entschwefelungsbereich im Gasbereich unmittelbar oberhalb des Fermentationsbereiches angeordnet. Der entstehende Schwefelwasserstoff muss dann zwangsläufig über die semipermeable Membran in den Entschwefelungsbereich eindringen und das entschwefelte Biogas verlässt den Entschwefelungsbereich nachfolgend in den Abschnitt des Gasbereichs, der oberhalb des Entschwefelungsbereichs liegt.
  • In abgewandelten Ausführungsformen können außer den bereits oben genannten Gattungen Beggiatoa und Thiothrix auch andere, fadenförmige Kulturen ausbildende Sulfurikanten eingesetzt werden.
  • Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist die semipermeable Membran als Teil eines Schlauchs ausgebildet oder sie formt selbst einen entsprechenden Schlauch, welcher im Gasbereich positioniert ist und damit den Entschwefelungsbereich bildet. Besonders bevorzugt wird ein aus Dialysegeräten bekannter Dialyseschlauch verwendet, der die erforderlichen Eigenschaften zur Diffusion des Schwefelwasserstoffs bereits aufweist und in welchem sich die Sulfurikanten einfach ansiedeln lassen.
  • Der Entschwefelungsbereich, der erfindungsgemäß im Gasbereich des Fermenters angeordnet ist, lässt sich durch eine beispielsweise spiralförmige oder mäanderförmige Führung des Dialyseschlauches herstellen.
  • Alternativ kann eine erste scheibenförmige semipermeable Membran den Fermentationsbereich vom Gasbereich trennen und eine zweite scheibenförmige semipermeable Membran befindet sich beabstandet von der ersten Membran und oberhalb dieser ebenfalls im Gasbereich des Fermenters. Der Entschwefelungsbereich ist damit im Raum zwischen den beiden Membranen ausgebildet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Elimination von Schwefelwasserstoff aus Biogas lässt sich bevorzugt in einem Fermenter der oben beschriebenen Bauform ausführen, wobei folgende Schritte ablaufen: Zunächst wird auf herkömmliche Weise durch Ausnutzung von Fermentationsprozessen ein Biogas in einem Fermenter erzeugt. Das erzeugte Biogas (auch als Rohbiogas bezeichnet) wird in einem Gasbereich des Fermenters gesammelt, was ohne weitere Eingriffe erreichbar ist, wenn sich der Gasbereich in Form eines Gasdoms oberhalb des Fermentationsmediums erstreckt. Das Rohbiogas, welches mit Schwefelwasserstoff belastet ist, wird nachfolgend in einen Entschwefelungsbereich eingeleitet, der innerhalb des Gasbereichs angeordnet und in dem eine semipermeable Membran installiert ist. Auch dieser Schritt läuft ohne weiteres Zutun ab, wenn die semipermeable Membran geeignet ausgewählt ist, um das Rohbiogas in den Entschwefelungsbereich einströmen zu lassen und gleichzeitig aber ein Austreten weiterer im Entschwefelungsbereich enthaltener Medien bzw. Biomassen in den Fermentationsbereich verhindert. Das Biogas wird nachfolgend durch den Entschwefelungsbereich hindurchgeleitet, wobei im Entschwefelungsbereich Sulfurikanten angesiedelt sind, welche im Rahmen ihrer Stoffwechselprozesse dem Biogas den Schwefelwasserstoff entziehen. Dadurch erfolgt die Elimination bzw. Umwandlung mindestens eines wesentlichen Anteils des Schwefelwasserstoffs aus dem Biogas innerhalb des Entschwefelungsbereichs. Schließlich wird das derart behandelte Biogas aus dem Entschwefelungsbereich ausgeleitet und als entschwefeltes Biogas zur weiteren Nutzung zur Verfügung gestellt.
  • Das Ausleiten des entschwefelten Biogases erfolgt bevorzugt über ein Gebläse. Es kann sich dabei um einen anderen Abschnitt der Membran handeln, die im Übrigen gleichartig aufgebaut ist, wie die Membran, über welche das Rohbiogas in den Entschwefelungsbereich eintritt. In abgewandelten Ausführungsformen wird eine veränderte semipermeable Membran verwendet, die speziell auf die Zusammensetzung des entschwefelten Biogases angepasst ist.
  • Die sonstigen Stoffwechselprodukte, die innerhalb des Entschwefelungsbereichs anfallen, werden kontinuierlich oder in Abhängigkeit der anfallenden Mengen ebenfalls aus dem Entschwefelungsbereich abgeleitet.
  • Für den eigentlichen Entschwefelungsprozess lassen sich im Entschwefelungsbereich bevorzugt fadenförmige Sulfurikanten der Gattung Beggiatoa und/oder Thiothrix ansiedeln.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fermenters sowie einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Elimination von Schwefelwasserstoff aus Biogas, unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
  • Die einzige Figur zeigt einen Abschnitt eines erfindungsgemäßen Fermenters in einer stark vereinfachten Prinzipdarstellung
  • In der Fig. ist der obere Abschnitt eines Fermenters 01 dargestellt. Dieser besitzt einen Fermentationsbereich 02, einen dazu oberhalb angeordneten Gasbereich 03 sowie ein Fermenterrührwerk 04. Im Gasbereich 03 ist eine semipermeable Membran 05 in Form eines Schlauches angeordnet. Innerhalb des Schlauches ist auf dieses Weise ein Entschwefelungsbereich ausgebildet, in welchem fadenförmige Sulfurikanten 06 angesiedelt sind. Der im Biogas enthaltene Schwefelwasserstoff dringt durch die Membran 05 in den Entschwefelungsbereich ein und wird dort von den Sulfurikanten 06 abgebaut. Der Schlauch besitzt weiterhin mindestens einen Anschluss 07 zur Befüllung und Entleerung.
  • Bezugszeichenliste
    • 01
    Fermenter
    02
    Fermentationsbereich
    03
    Gasbereich
    04
    Fermenterrührwerk
    05
    semipermeable Membran
    06
    fadenförmige Sulfurikanten
    07
    Anschluss zur Befüllung und Entleerung

Claims (10)

  1. Fermenter (01) zur Erzeugung von entschwefeltem Biogas, mit einem Fermentationsbereich (02) und einem Gasbereich (03), dadurch gekennzeichnet, dass im Gasbereich (03) ein durch eine semipermeable Membran (05) abgetrennter Entschwefelungsbereich besteht, in welchem Sulfurikanten (06) angesiedelt sind, wobei die semipermeable Membran (05) für Schwefelwasserstoff gasdurchlässig ist, und dass der Entschwefelungsbereich mit einer Nährstofflösung für die Sulfurikanten (06) befüllbar ist.
  2. Fermenter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die semipermeable Membran (05) Teil eines Schlauches ist, welcher im Gasbereich (03) angeordnet ist und den Entschwefelungsbereich bildet.
  3. Fermenter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der den Entschwefelungsbereich bildende Schlauch vollständig aus einem semipermeablen Material besteht.
  4. Fermenter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der den Entschwefelungsbereich bildende Schlauch ein Dialyseschlauch ist.
  5. Fermenter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der den Entschwefelungsabschnitt bildende Schlauch spiralförmig oder in mehreren konzentrischen Kreisen in einem den Gasbereich (03) bildenden Gasdom des Fermenters angeordnet ist.
  6. Fermenter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die im Entschwefelungsbereich angesiedelten Sulfurikanten fadenförmige Sulfurikanten der Gattung Beggiatoa und/oder Thiothrix sind.
  7. Fermenter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fördermittel vorgesehen ist, welches eine Zwangsströmung der Nährstofflösung im Entschwefelungsbereich hervorruft.
  8. Verfahren zur Elimination von Schwefelwasserstoff aus Biogas in einem Fermenter (01), mit folgenden Schritten: - Erzeugen von Biogas in dem Fermenter (01); - Sammeln des Biogases in einem Gasbereich (03) des Fermenters (01); - Eindiffundieren des im Biogas enthaltenen Schwefelwasserstoffs in einen Entschwefelungsbereich, der innerhalb des Gasbereichs (03) angeordnet und von diesem durch einer semipermeable Membran (05) getrennt ist; - Durchleiten des Schwefelwasserstoffs durch den Entschwefelungsbereich, in welchem fadenförmige Sulfurikanten (06) angesiedelt sind; - Elimination mindestens eines Anteils des Schwefelwasserstoffs im Entschwefelungsbereich durch die Stoffwechselprozesse der Sulfurikanten; - Ausleiten des behandelten Biogases aus dem Entschwefelungsbereich.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Entschwefelungsbereich Sulfurikanten der Gattung Beggiatoa und/oder Thiothrix angesiedelt werden.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Entschwefelungsbereich eine Nährstofflösung geführt wird und weitere Stoffwechselprodukte aus dem Entschwefelungsbereich abgeführt werden.
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