DE19717965A1 - Co - Fermentationsverfahren zur Verwertung biogener Abfälle mit Biogasgewinnung - Google Patents
Co - Fermentationsverfahren zur Verwertung biogener Abfälle mit BiogasgewinnungInfo
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Description
Das erfindungsgemäße Co-Fermentationsverfahren mit Wertstoffgewinnung kann
sowohl als autonomer Verfahrenszug als auch komplementär zu bereits bestehenden
Anlagen eingesetzt werden.
Im Rahmen des Co-Fermentationsverfahrens erfolgt die mikrobielle Behandlung,
Aufarbeitung und Verwertung biogener Abfall-, Rest-, und Rohstoffe, die im
Zusammenhang mit der Produktion von Wirtschaftsgütern und Dienstleistungen im
Bereich der Landwirtschaft, der Nahrungsgüterwirtschaft und der Industrie an vielen
Standorten entstehen.
Mit bekannten Verfahren und Technologien zur mikrobiellen Behandlung von biogenen
Abfall-, Rest- und Rohstoffen mit Gewinnung fester, flüssiger und/oder gasförmiger
Wertstoffe können eine ganze Reihe von Primäranforderungen erfüllt werden. Dazu
zählen u. a. der mikrobielle Abbau organischer Kohlenstoffverbindungen in Methan und
Kohlendioxid, die Anreicherung des Methangehaltes im Biogas in einer zusätzlichen
Verfahrensstufe, durch die Absorption von Kohlendioxid in Wasser einschließlich der
Steigerung des Kohlendioxidaufnahmevermögens des Wassers durch
löslichkeitsverbessernde Substanzen und/oder durch die Einstellung optimaler
Temperatur- und Druckverhältnisse, durch das Ausstrippen des Kohlendioxides, durch
Fällen des Kohlendioxides und der anschließenden mechanischen Abtrennung der
Fällprodukte.
Weitergehende Anforderungen, die besonders für die Wirtschaftlichkeit solcher
Verfahren und Technologien von Bedeutung sind, wie die gezielte Steigerung der
Methanausbeute, die Erhöhung der Methanproduktivität, die wesentliche Steigerung
des Methangehaltes im Biogas auf natürliche Art und Weise ohne zusätzliche
Verfahrensstufen und bioreaktionstechnische Maßnahmen können nicht mehr erfüllt
werden. Unter Methanproduktivität ist hier die pro Zeiteinheit und Fermentervolumen
gebildete Methanmenge und unter Methanausbeute die pro Gramm organische
Trockensubstanz des Co-Substrates gebildete Methanmenge zu verstehen.
Weiterhin ist bekannt, daß es bei Zugabe zu großer Mengen stark methanogener Co-
Substrate zum "Umkippen" bzw. zur "Versäuerung" des Methanreaktors kommen kann
und dieser Zusammenbruch des Prozesses nur durch eine ganze Reihe aufwendiger
bioverfahrenstechnischer und apparativer Maßnahmen verhindert wird, die
Anreicherung des erzeugten Biogases mit Methan im Regelfall immer erst nach dem
eigentlichen Methangärprozeß mit einem hohen technologischen Aufwand in
nachgeschalteten separaten Verfahrensstufen erfolgt und die Aufrechterhaltung
optimaler Prozeßbedingungen nur mit Hilfe kosten intensiver peripherer Einrichtungen
möglich wird.
Werden in bekannten Methanreaktoren Fermentationsbrühen wie z. B. Gülle verwertet
in denen die methanogenen Substanzen vorwiegend in Form von Salzen (z. B.
Natriumacetat) enthalten sind, stellt sich eine gute Biogasqualität ein. Außerdem ist
bekannt, daß mit steigender Verweilzeit im Methanreaktor der pH-Wert und damit
gekoppelt der Methangehalt im Biogas steigt. Nachteilig ist in diesem Zusammenhang
weiterhin, daß eine gute Biogasqualität mit langen Verweilzeiten der
Fermentationsbrühen im Biogasreaktor jedoch mit geringer Methanproduktivität
verbunden ist.
Werden in bekannten Methanreaktoren hingegen Fermentationsbrühen verwertet, in
denen die methanogenen Substanzen vorwiegend in Form von freien Säuren bzw.
reinen Kohlenstoff-Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindungen (z. B. Essigsäure, Zucker,
Stärken) enthalten sind, wie es beim Einsatz von Co-Substraten meist der Fall ist, stellt
sich im Biogas eine Zusammensetzung ein, die der Stöchiometrie für die vollständige
Umwandlung in Methan und Kohlendioxid entspricht, wobei die Atombilanzen durch
Addition oder Abspaltung von Wasser auszugleichen sind. Für die wichtigsten,
genannten Co-Substratbestandteile Essigsäure, Zucker und Stärke bedeutet das
beispielsweise, daß sich ein Biogas mit nur 50 Vol.-% Methan einstellt, was einen
gravierenden Nachteil darstellt, da dieses Biogas an der Luft nicht brennbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines einfachen, wirtschaftlichen,
ökologischen und innovativen Co-Fermentationsverfahrens für die mikrobielle
Behandlung von optimierten Gemischen aus biogenen Co-Substraten (wie z. B. Abfall-,
Rest- und Rohstoffen) mit Basisfermentationsbrühen. Als Wertstoff fällt dabei Biogas
an.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ohne die Verwendung zusätzlicher
konstruktiver und peripherer Einrichtungen sowie ohne die aufgeführten Nachteile
bekannter konventioneller Biogasverfahren gegenüber herkömmlichen Verfahren die
substratspezifische Methanausbeute zu steigern, den Methangehalt im Biogas zu
erhöhen und die Methanproduktivität zu verbessern.
Die Aufgabe das Co-Fermentationsverfahren zu entwickeln, wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß in einem ersten Verfahrensschritt unter definiert vorgegebenen
Prozeß- und Milieubedingungen der Basisfermentationsbrühe in einem optimalen
Verhältnis spezifische Co-Substratmengen zugegeben und vorvergoren werden. Es
wurde gefunden, daß der Vorgärprozeß in einem Temperaturbereich von +0°C bis +30°C
und bei mittleren hydraulischen Verweilzeiten von mehr als einem Tag günstig
abläuft. Weiterhin wurde gefunden, daß ein optimales Mischungsverhältnis von Co-
Substraten und der Basisfermentationsbrühe immer dann erreicht ist, wenn im Abgas
der Vorgärstufe mehr als 90 Vol.-% Kohlendioxid enthalten ist und in der
Gemischfermentationsbrühe noch ein Rest in Höhe von mehr als 5 Vol.-% Kohlendioxid
gelöst verbleibt und dadurch der Methangärungsprozeß ohne "Umzukippen" sehr stabil
abläuft.
Das anschließend im Bedarfsfall von Feststoffen zu entlastende homogenisierte
Gemisch aus Co-Substraten und Basisfermentationsbrühen wird in einem zweiten
Verfahrensschritt der eigentlichen Methangärung unterworfen. Überraschenderweise
wurde bei Anwendung des Co-Fermentationsverfahren zur Verwertung biogener Abfall-
Rest- und Rohstoffe mit Biogasgewinnung auch bei Verwendung von Co-Substraten,
welche die methanogenen Substanzen vorwiegend in Form von freien Säuren bzw.
reinen Kohlenstoff-Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindungen enthalten, gefunden, daß im
Gegensatz zu den bekannten Biogasverfahren bei sehr stabilen Prozeß- und
Milieubedingungen (pH-Wert höher 6,5, Fermentationstemperaturen im mesophilen
Bereich und mittleren hydraulischen Verweilzeiten von größer 2 Tagen) ein Biogas mit
10 Vol.-% bis 25 Vol.-% gesteigertem Methangehalt gegenüber dem stöchiometrisch zu
erwartenden Methangehalt entsteht.
Außerdem wurde gefunden, daß die Methanproduktivität bei Verwendung von
Gemischfermentationsbrühe z. B. aus Rindergülle und Co-Substraten bis auf 700%
gegenüber der Methangärung mit reiner feststoffentlasteter Rindergülle als
Basisfermentationsbrühe ansteigt. Weiterhin wurde festgestellt, daß sich der
Methangehalt, die Methanausbeute und die Methanproduktivität bei Verwendung
anderer Basisfermentationsbrühen verändern.
Außerdem wurde gefunden, daß die den zweiten Verfahrensschritt, die eigentliche
Methangärung, verlassende ausgefaulte Gemischfermentationsbrühe im ersten
Verfahrensschritt, der Vorgärung, als Basisfermentationsbrühe wieder eingesetzt
werden kann, da sich die bioverfahrenstechnischen Eigenschaften und Wirkungen von
Basisfermentationsbrühe und ausgefaulter Gemischfermentationsbrühe annähernd
gleichen. Damit kann die Fermentationsbrühe sowohl im Durchlauf als auch im
Kreislauf gefahren werden.
Das entwickelte Co-Fermentationsverfahren für die mikrobielle Behandlung von
Gemischen aus biogenem Co-Substraten und Basisfermentationsbrühen zur
Beseitigung von biogenen Abfällen und zur produktiven Erzeugung von qualitativ
hochwertigem Biogas als Wertstoff besitzt gegenüber den bekannten konventionellen
Biogasverfahren folgende wesentliche Vorteile:
- 1. Durch die definierte Zugabe der biogenen Co-Substrate zu den Basisfermentationsbrühen in der Vorgärstufe, die mit der Bildung eines fast vollständig aus Kohlendioxid bestehenden Abgases verbunden ist, kommt es in der Methangärstufe auf natürliche Art und Weise zu einem sehr stabil verlaufenden Methanbildungsprozeß ohne die sonst übliche Gefahr des sogenannten "Umkippens" oder "Übersäuerns". Zur Aufrechterhaltung der stabilen Betriebsweise werden keine zusätzlichen peripheren Einrichtungen, Hilfs- und Nebenstoffe benötigt.
- 2. Durch das Mischen von biogenen Co-Substraten mit Basisfermentationsbrühen und der Vorvergärung des Gemisches kommt es zu einer beachtlichen Erhöhung des Anteils und der mikrobiellen Verfügbarkeit methanogener Substanzen in der Gemischfermentationsbrühe und in Folge in der Methangärstufe simultan zu einer wesentlichen Steigerung der Methanausbeute, der Methanproduktivität des Methangehaltes im Biogas ohne zusätzliche technologische Maßnahmen.
- 3. Die Bildung der mit methanogenen Substanzen angereicherten Gemischfermentationsbrühen läuft in einem weiten Temperaturbereich (von +0°C bis +30°C) und bei mittleren hydraulischen Verweilzeiten von mehr als einem Tag ab. Das führt zu einer wesentlichen Reduzierung des energetischen und apparatetechnischen Aufwandes für den Vorgärprozeß.
- 4. Auch bei Verwertung von Co-Substraten, welche die methanogenen Substanzen vorwiegend in Form von freien Säuren bzw. reinen Kohlenstoff-Wasserstoff- Sauerstoff-Verbindungen enthalten wurde bei Anwendung des Co- Fermentationsverfahren zur Verwertung biogener Abfälle mit Biogasgewinnung ein Biogas mit 10 Vol.-% bis 25 Vol.-% gesteigertem Methangehalt gegenüber dem stöchiometrisch zu erwartenden Methangehalt erreicht, was einen bedeutenden wirtschaftlichen Vorteil darstellt, da dieses Biogas an der Luft brennbar ist und ähnlich wie Erdgas verwertet werden kann.
- 5. Die ausgefaulte Gemischfermentationsbrühe, die die Methanstufe verläßt, kann im ersten Verfahrensschritt, der Vorgärung, als Basisfermentationsbrühe wieder eingesetzt werden, da sich die bioverfahrenstechnischen Eigenschaften und Wirkungen von Basisfermentationsbrühen und ausgefaulten Gemischfermentationsbrühen annähernd gleichen. Damit kann die Fermentationsbrühe sowohl im Durchlauf, wenn viel Basisfermentationsbrühe mit relativ hohem methanogenen Potential behandelt werden soll, als auch im Kreislauf, wenn mehr Co-Substrat und wenig Basisfermentationsbrühe ohne oder fast ohne methanogenes Potential behandelt werden soll, betrieben werden. Der Prozeß ist damit an die örtlichen Gegebenheiten des Co-Substrat- und Basisfermentationsbrüheanfalles gut anpaßbar. Im Falle, daß keine Basisfermentationsbrühe aber geeignetes Co-Substrat vorliegt, muß bei Kreislaufbetrieb kaum Basisfermentationsbrühe beschafft und entsorgt werden, was zu einer erheblichen Kostensenkung und wesentlichen Erweiterung des Einsatzfeldes führt.
- 6. Ein weiterer Vorteil des Co-Fermentationsverfahrens zur Verwertung biogener Abfall-, Rest- und Rohstoffe mit Biogasgewinnung besteht darin, daß bei Verwendung von Gemischfermentationsbrühen z. B. aus Rindergülle und Co- Substraten die Methanproduktivität bis auf 700% gegenüber der Methangärung nur mit der Rindergülle ansteigt.
Feststoffentlastete Rindergülle wurde als Basisfermentationsbrühe eingesetzt.
Maisstärke diente als Co-Substrat. Nach Mischung der Basisfermentationsbrühe mit
dem Co-Substrat wurde die Gemischfermentationsbrühe 6,8 Tage bei 20°C
vorvergoren. Mit der vorvergorenen Gemischfermentationsbrühe wurde ein auf 35°C
temperierter Methanreaktor quasikontinuierlich beschickt. Im stationären Zustand
wurde der Methangehalt (Abb. 1), die Methanproduktivität (Abb. 2) und die
Methanausbeute (Abb. 3) bestimmt. Zu Vergleichszwecken wurde ein identischer
Reaktor unter gleichen Bedingungen mit Basisfermentationsbrühe, einer
feststoffentlasteten Rindergülle, betrieben.
Claims (11)
1. Co-Fermentationsverfahren mit Wertstoffgewinnung für die mikrobielle
Behandlung, Aufarbeitung und Verwertung biogener Abfall-Rest- und
Rohstoffe, die im Zusammenhang mit der Produktion von Dienstleistungen
und Wirtschaftsgütern im Bereich der Landwirtschaft,
Nahrungsgüterwirtschaft, Abfallwirtschaft, Gewerbe und der Industrie
anfallen, ist gekennzeichnet dadurch, daß in einem ersten Verfahrensschritt,
der Vorgärung, unter definiert vorgegebenen Prozeß- und
Milieubedingungen einer Basisfermentationsbrühe in einem optimalen
Verhältnis spezifische Co-Substratmengen zugegeben und homogenisiert
werden und aus der so entstandenen Gemischfermentationsbrühe, die
einen erhöhten Anteil an methanogenen Substanzen aufweist, spontan auf
natürliche Art und Weise ein kohlendioxidhaltiges Abgas austritt und
dadurch in der feststoffentlasteten Gemischfermentationsbrühe nur noch ein
prozeßtechnisch notwendiger Rest an Kohlendioxid verbleibt. Weiterhin ist
das Verfahren gekennzeichnet dadurch, daß die
Gemischfermentationsbrühe einem zweiten Verfahrensschritt, der
eigentlichen Methangärung bei sich einstellenden sehr stabilen Prozeß- und
Milieubedingungen, unterworfen wird, dabei entsteht kontinuierlich ein höher
mit Methan angereichertes Biogas bei verbesserter Methanausbeute und
gesteigerter Methanproduktivität. Unter Methanproduktivität ist die pro
Zeiteinheit und Fermentervolumen gebildete Methanmenge und unter
Methanausbeute die pro Gramm organische Trockensubstanz des Co-
Substrates gebildete Methanmenge zu verstehen.
2. Co-Fermentationsverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß
als Basisfermentationsbrühen (z. B. Güllen, Gemische von Güllen
Abwässer, andere wäßrige Substrate mit geeigneter Salzfracht, die das
Wachstum der Mikroorganismen stark fördern und ein hohes
Löslichkeitspotential für Kohlendioxid besitzen) und als biogene Co-
Substrate (z. B. Abfall-, Rest-, und Rohstoffe aus der Landwirtschaft,
Abfallwirtschaft, Nahrungsgüterwirtschaft, Gewerbe und Industrie mit hohem
methanogenen Potential) in fester, flüssiger, bzw. pastöser Form mit oder
ohne Vorbehandlung zum Einsatz kommen.
3. Co-Fermentationsverfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die biogenen Co-Substrate in einer Menge zwischen
0,1 und 24 Masse-% den Basisfermentationsbrühen zugegeben werden und
so eine stark mit methanogenen Substanzen angereicherte
Gemischfermentationsbrühe entsteht, die gut von Mikroorganismen
metabolisiert werden kann.
4. Co-Fermentationsverfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, gekennzeichnet
dadurch, daß optimale Prozeß und Milieubedingungen für die Vorvergärung
der Gemischfermentationsbrühe bei Temperaturen von +0°C bis +30°C
und bei mittleren hydraulischen Verweilzeiten von mehr als einem Tag
bestehen.
5. Co-Fermentationsverfahren nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch
gekennzeichnet, daß während der Vorvergärung ein mit mehr als 90 Vol.-%
Kohlendioxid angereichertes Abgas anfällt, in der
Gemischfermentationsbrühe nur noch ein Rest in Höhe von mehr als 5 Vol.-%
gelösten Kohlendioxides verbleibt, so daß der Methangärungsprozeß
ohne "Umzukippen" sehr stabil abläuft.
6. Co-Fermentationsverfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4 und 5,
gekennzeichnet dadurch, daß der Methangärprozeß bei pH-Werten höher
6,5, bei Temperaturen im mesophilen Bereich, bei mittleren hydraulischen
Verweilzeiten von größer 2 Tagen optimal abläuft und z. B. bei der
Verwendung von Gemischfermentationsbrühen aus Rindergülle und Co-
Substraten die Methanproduktivität bis auf 700% gegenüber der
Methangärung nur mit der Rindergülle ansteigt. Der Methangehalt, die
Methanausbeute und die Methanproduktivität können sich bei Verwendung
anderer Basisfermentationsbrühen ändern.
7. Co-Fermentationsverfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 und 6,
gekennzeichnet dadurch, daß auch bei Verwertung von Co-Substraten,
welche die methanogenen Substanzen vorwiegend in Form von freien
Säuren bzw. reinen Kohlenstoff-Wasserstoff-Sauerstoff-Verbindungen
enthalten, ein Biogas mit 10 Vol.-% bis 25 Vol.-% gesteigertem
Methangehalt gegenüber dem stöchiometrisch zu erwartenden
Methangehalt erhalten wird. Der stöchiometrisch zu erwartende
Methangehalt berechnet sich aus der Zusammensetzung eines Biogases,
das bei der vollständigen Umwandlung der Co-Substrate in Methan und
Kohlendioxid entstehen würde, wobei die Atombilanzen durch Addition oder
Abspaltung von Wasser auszugleichen sind.
8. Co-Fermentationsverfahren nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 und 7,
gekennzeichnet dadurch, daß die den zweiten Verfahrensschritt, die
eigentliche Methangärung, verlassende ausgefaulte
Gemischfermentationsbrühe im ersten Verfahrensschritt, der Vorgärung, als
Basisfermentationsbrühe wieder eingesetzt und damit die
Fermentationsbrühe sowohl im Durchlauf als auch im Kreislauf gefahren
werden kann.
9. Co-Fermentationsverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet
dadurch, daß Vorgärung und Methangärung sowohl in zwei separaten aber
koppelbaren Fermentationsbehältern als auch in einem
Fermentationsbehälter mit zwei vollständig getrennten Gasräumen und zwei
vollständig getrennten oder gekoppelten Flüssigkeitsräumen durchgeführt
werden.
10. Co-Fermentationsverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, gekennzeichnet
dadurch, daß das Verfahren mit seinen Verfahrensschritten separat bzw.
parallel in stationären oder mobilen Anlagen oder in existierenden Anlagen
betrieben werden kann.
11. Co-Fermentationsverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10,
gekennzeichnet dadurch, daß die Bildung der mit methanogenen
Substanzen angereicherten Gemischfermentationsbrühen in einem weiten
Temperaturbereich von +0°C bis +30°C und bei mittleren hydraulischen
Verweilzeiten von mehr als einem Tag bei wesentlicher Reduzierung des
energetischen und apparatetechnischen Aufwandes für den Vorgärprozeß
wirtschaftlich abläuft.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19717965A DE19717965A1 (de) | 1997-04-28 | 1997-04-28 | Co - Fermentationsverfahren zur Verwertung biogener Abfälle mit Biogasgewinnung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19717965A DE19717965A1 (de) | 1997-04-28 | 1997-04-28 | Co - Fermentationsverfahren zur Verwertung biogener Abfälle mit Biogasgewinnung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19717965A1 true DE19717965A1 (de) | 1998-10-29 |
Family
ID=7828025
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19717965A Withdrawn DE19717965A1 (de) | 1997-04-28 | 1997-04-28 | Co - Fermentationsverfahren zur Verwertung biogener Abfälle mit Biogasgewinnung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19717965A1 (de) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012095099A3 (de) * | 2011-01-10 | 2013-05-23 | Dge Dr.-Ing. Günther Engineering Gmbh | Verfahren zur herstellung von biogas aus überwiegend stärkehaltigen rohstoffen als biomasse |
CN103357653A (zh) * | 2013-07-23 | 2013-10-23 | 邓锦新 | 生活垃圾与生活污水同步处理方法 |
US10590439B2 (en) | 2012-01-12 | 2020-03-17 | Blaygow Limited | Anaerobic process |
US11193143B2 (en) | 2012-11-16 | 2021-12-07 | Blaygow Limited | Grain processing |
-
1997
- 1997-04-28 DE DE19717965A patent/DE19717965A1/de not_active Withdrawn
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2012095099A3 (de) * | 2011-01-10 | 2013-05-23 | Dge Dr.-Ing. Günther Engineering Gmbh | Verfahren zur herstellung von biogas aus überwiegend stärkehaltigen rohstoffen als biomasse |
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US11193143B2 (en) | 2012-11-16 | 2021-12-07 | Blaygow Limited | Grain processing |
CN103357653A (zh) * | 2013-07-23 | 2013-10-23 | 邓锦新 | 生活垃圾与生活污水同步处理方法 |
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