WO2007104418A1 - Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von biogas - Google Patents

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WO2007104418A1
WO2007104418A1 PCT/EP2007/001644 EP2007001644W WO2007104418A1 WO 2007104418 A1 WO2007104418 A1 WO 2007104418A1 EP 2007001644 W EP2007001644 W EP 2007001644W WO 2007104418 A1 WO2007104418 A1 WO 2007104418A1
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process solution
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biogas
fermentation substrate
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Michael Strecker
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Michael Strecker
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    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/58—Reaction vessels connected in series or in parallel
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the invention relates to a method for obtaining biogas from a fermentation substrate, in which a reactor containing microorganisms, a substrate and a liquid are placed, wherein during a hydrolysis occurring in the reactor, a splitting of the fermentation substrate takes place to form intermediates, wherein the Intermedimaschine area are degraded substantially to short-chain fatty acids and in which the fatty acids are degraded to biogas, and to an apparatus for performing the method.
  • biogas is predominantly obtained by wet fermentation.
  • excrements of animal origin are fermented either alone or together with a cosubstrate in a reactor unit consisting of a reactor.
  • cosubstrate By using cosubstrate, the biogas yield can be significantly increased in some cases.
  • co-substrates are mainly biowaste, such as food and slaughterhouse waste, as well as waste from food production, or plant materials, such as corn silage, rye whole plant silage and grass silage used.
  • the manure and the cosubstrate are mixed together and fed to a fermenter of the reactor.
  • the solids content of this mixture is basically limited, since the same must remain pumpable overall.
  • the liquid manure provides the microorganisms required for the process of biogas production (DE-book "Guidelines on Biogas Production and Use", ed .: austician Nachengagede Rohscher eV, 2nd ed., Gülzow, 2005, pages 50 and 86 bis 95).
  • the fermentation substrate in this known method is predominantly composed of long-chain molecules (macromolecules)
  • the mixture is first during the Hydrolysis split into monomeric units.
  • the enzymes required for this purpose are provided by the microorganisms contained in the fermenter.
  • the process of hydrolysis is the decisive time factor of the entire fermentation process.
  • Intermediate products formed during the hydrolysis are subsequently degraded during the so-called acidification phase by further microorganisms as part of their metabolism, mainly to short-chain fatty acids.
  • These are then in turn degraded by special microorganisms (Archea) within the so-called methanogenesis to biogas, which consists mainly of methane and carbon dioxide.
  • the invention has for its object to provide a method and a device working after the same, with or the cellulose-containing substrate can be digested for the production of biogas.
  • the reactor unit two interconnected reactors are used as the reactor unit.
  • the amount of the cellulosic substrate supplied to the first reactor during the process can be relatively high all the time. This amount is for example 200 kg / m 3 d.
  • the hydraulic residence time of the fermentation substrate in the first reactor can be significantly reduced over known methods. Thus, a residence time of about three days in the first reactor is sufficient. Degraded to the bottom of the first reactor, fermented parts of the fermentation substrate can be pumped from there and used for example directly agricultural.
  • the moisture content of the fermentation substrates plays no role in this process. Since only ecologically harmless cellulose-containing materials are used and no liquid manure is required, working by this method Biog ⁇ s ⁇ nl ⁇ gen be built in close proximity to commercial or private energy consumers. This makes it easier to realize interesting energy utilization concepts, such as a cogeneration or local heating networks. From an ecological point of view, large numbers of usable fermentation substrates are available, which can be produced within the framework of extensive agriculture. The targeted cultivation of so-called renewable raw materials by means of intensive farming can therefore be dispensed with.
  • the solid fermentation substrate remains in the first reactor for about 72 hours and is fermented by microorganisms therein. During this fermentation process, which takes place under anaerobic conditions, a considerable proportion of the cellulose is hydrolyzed.
  • the monomers formed by the hydrolysis of the cell wall components of the fermentation substrate are converted to pyruvate by anaerobic glycolysis (Embden-Meyerhof-Weg) and in the pentose-phosphate cycle.
  • Pyruvate is the central intermediate product of microbial carbohydrate metabolism, which is converted at high speed into short chain fatty acids such as acetic acid, propionic acid and butyric acid.
  • the process solution ie the liquid phase
  • the process solution can be completely exchanged continuously, for example within about 12 hours become.
  • the short chain fatty acids formed there by corresponding microbial activities are continuously withdrawn from the first reactor, thereby effectively preventing acidification of the microbial process.
  • the individual controls of the different speeds with which the fermentation substrate or the process solution flow through the first reactor can be achieved by using a mesh fabric in the first reactor in conjunction with a special inner container.
  • the screen fabric effectively prevents fermentation substrate from leaking from the first reactor, whereas the process solution can leave it unhindered.
  • the process solution emerging from the first reactor and enriched with short-chain fatty acids then passes into the gas-tight and also anaerobically operated second reactor.
  • the short-chain fatty acids are degraded to methane and carbon dioxide within about 24 hours by the microorganisms contained therein and specialized thereon.
  • the process solution which leaves the second reactor after about 24 hours again, can then be filtered, optionally mixed with fresh fermentation substrate and fed to the first reactor, whereby a circuit for the process solution is closed.
  • substrate-specific microorganisms u. a. be obtained from the rumen of ruminants, from the actively degrading sludge from wastewater treatment plants or from water sediments and then selectively selected and propagated (enrichment culture) to serve as inoculum in the two reactors.
  • the microorganism populations in the two reactors are kept in equilibrium (steady-state condition).
  • the plant for carrying out the method according to the invention consists of a first reactor Rl and a second reactor R2, which together form a reactor unit and are connected to one another via at least one pipeline. Both reactors Rl and R2 operate under anaerobic conditions.
  • the first reactor Rl consists of a gas-tight, preferably cylindrical container 1, in which at a distance from its walls and to its bottom a likewise preferably cylindrical, inner container 2 is arranged, which is open in working position upwards.
  • the inner container 2 extends substantially over the entire height of the container 1. In the working position in the lower region of the inner container 2 is provided its wall all around with openings or holes. This area is shown in dashed lines in the drawing.
  • the inner container 2 is lined with a voltage applied to its wall, shown by dots screen mesh 3, the openings are so small that only the process solution can pass.
  • the screen cloth 3 is advantageously made of polyamide fibers, such as nylon, which have a high mechanical strength and a good rot resistance.
  • An advantageous mesh size of the screen fabric 3 is in a range between 45 microns and 150 microns.
  • two pumps namely a delivery pump 4 at its bottom and a circulating pump 5 at about half of the same height.
  • a pump 7 Outside the first reactor Rl, but connected by a pipe 6 to the same, a pump 7, a platform 8 for cellulose-containing substrate 9 and a device 10 are arranged for preheating, which is designed with preference as a heat exchanger.
  • the pipe 6 is connected at its other end to a reservoir 1 1, in which there is a process solution containing electrolytes.
  • the second reactor R2 is also a gas-tight, preferably cylindrical container 12.
  • a frame 13 and pumps 14, 15, 16 and 17 are arranged in the container 12.
  • the frame 13 may be present with advantage wire baskets that are filled with particles of porous plastic materials, such as polyamide foam.
  • a settlement area for microorganisms present therein is present in the container 12. It is also possible for two or more such racks to be arranged in the container 12.
  • the containers 1 and 12 of the two reactors Rl and R2 are preferably made of steel. But it can also be used other materials, such as plastic and concrete.
  • the method according to the invention is carried out, for example, as follows: First, in the containers 1 and 12 of the two reactors Rl and R2, an electrolyte and liquid containing speciic microorganisms are introduced. Likewise, in the reservoir 1 1, an aqueous process solution is filled in which certain electrolytes are contained.
  • An advantageous embodiment of the process solution with a pH of about 7.0 may contain, inter alia, the following electrolytes:
  • the storage container 1 1 is removed by means of the pump 7 process solution and fed together with cellulosic substrate 9 as a mixture of the device 10 for preheating.
  • the mixture is heated therein to a temperature which is advantageously in the range between 36 ° C and 41 ° C.
  • the mixture of substrate and process solution then passes via the pipe 6 into the inner container 2 of the first reactor Rl.
  • the mixture or the process solution and the fermentation substrate are kept permanently at a temperature lying between 36 ° C and 41 ° C.
  • Part of the mixture of fermentation substrate and process solution present in the inner container 2 is advantageously pumped up at specific time intervals with the aid of the pump 5, which can be designed as substrate incubation and circulation pump, as indicated by the arrow 18.
  • the pump 5 can be designed as substrate incubation and circulation pump, as indicated by the arrow 18.
  • the first reactor Rl hydrolysis of the cellulose-containing fermentation substrate takes place first.
  • This can be advantageously carried out by special cellulolytically active microorganisms, eg. From Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus albus, Butyrivibro fibrisolvens, Clostridium lockheadii, Ruminococcus flavefaciens or Bacteroides succinogenes.
  • certain protozoa such as the genera Isotricha, Dasytricha, Eutodinium or Diplodinium
  • certain fungi such as the species Neocallimastix, Piromonas or Sphaermonas.
  • the process solution should advantageously have a redox potential in the range of -250 mV to -300 mV.
  • the process solution flows through the first reactor R1 at the simple rate of the fermentation substrate stream. It is advantageous to consider a ratio of 1/6 for the residence time of the process solution to the residence time of the fermentation substrate, for. For example 12 hours to 72 hours.
  • the process solution accumulates in the inner container 2 of the first reactor Rl with short-chain fatty acids and leaves the same through the openings located in the lower region and covered by the sieve cloth 3.
  • an entire lining of the inner container 2 with the screen fabric 3 because thereby only those particles can leave the inner container 2, which are small enough to pass through the screen mesh 3.
  • the density of the mixture increases.
  • Largely fermented fermentation substrate which accumulates due to the existing in the inner container 2 density differences at the bottom thereof, can advantageously taken at certain time intervals using the pump 4 from the first reactor Rl and a device 20 for solid-liquid separation be supplied.
  • the solid components obtained in this way can be supplied directly to an agricultural use, for example.
  • Process solution is withdrawn from the intermediate space between the outer wall of the inner container 2 and the inner wall of the container 1, continuously or at certain time intervals, and supplied to the second reactor R2. Due to the openings (holes) present in the lower region of the inner container 2, the liquid level in the entire first reactor R1 is in the hydrostatic equilibrium (identical filling level in the entire reactor R1). It can be easily reacted to the supply of process solution and fermentation substrates or the removal of fermentation residues.
  • the use of a pump 21 for transferring a defined amount of process solution from the first reactor R1 into the second reactor R2 proves advantageous.
  • the degradation of the short-chain fatty acids formed in the first reactor Rl to methane and carbon dioxide takes place.
  • This can advantageously be carried out, inter alia, by the following microorganisms: Methanothrix, Methanosarcina, Methanobrevibacter ruminantium, Methanomicrobium mobile, Syntrophobacter wolinii, Syntrophomonas, Propionibacterium, Clostridium propionicum and Propionigenium modestum.
  • the reaction of simultaneously formed hydrogen and carbon dioxide to methane and water can be advantageously carried out by the aforementioned methanogens.
  • the process solution in the second reactor R2 to have a near neutral pH of about 7.0 and a temperature between 35 ° C and 41 0 C.
  • An additional mixing of the process solution can be carried out in the container 12 of the second reactor R2 by an agitator consisting of pumps.
  • This task can advantageously be carried out by the pumps 14, 15 and 16, which are designed as submersible pumps and which are positioned at different positions in the interior of the container 12.
  • the biogas formed in the second reactor R2 can leave the same via an outlet 22.
  • sludge settling over time can be removed with the aid of the pump 17 designed as a sludge discharge pump.
  • the biogas leaving the two reactors R1 and R2 or from their containers I and 12 is supplied to use via connected pipelines or containers. It can be supplied, for example, directly or via intermediate container a block heating plant for power generation. It could, like natural gas, also be used for heat production by combustion, with a prior gas purification should be carried out for quality improvement.
  • process solution is fed to a filter 24 to withdraw the process solution finer particles.
  • the sludge-loaded process solution taken from the second reactor R2 by means of the pump 17 is advantageously cleaned by a prefilter 25 before it is subsequently fed to the filter 24.
  • the resulting solids can be returned directly to agricultural use.
  • the filters 24 and 25 can be advantageously carried out from a fine-pore rot-proof plastic foam.
  • Unavoidable losses of electrolytes in the process solution can advantageously be compensated for by adding fresh process solution (arrow 26) into the reservoir 1 1.
  • the fresh process solution should advantageously have the aforementioned material composition with respect to the electrolytes contained in it and the indicated pH.

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Abstract

Es wird ein Verfahren mit zugehöriger Vorrichtung zur Gewinnung von Biogas aus einem Gärsubstrat angegeben, bei welchem zunächst in einen ersten Reaktor (R1) und in einen über mindestens eine Rohrleitung mit demselben verbundenen zweiten Reaktor (R1) geeignete Mikroorganismen enthaltende Flüssigkeiten eingefüllt werden. Danach wird dem ersten Reaktor (R1) cellulosehaltiges Substrat (9) als Gärsubstrat zusammen mit einer Elektrolyte enthaltenden Prozeßlösung aufgegeben. Der Inhalt des ersten Reaktors (R1) wird ständig bei einer zwischen 35 °C und 41 °C liegenden Temperatur gehalten. Aus dem unter anaeroben Bedingungen arbeitenden ersten Reaktor (R1) wird die Fettsäuren enthaltende Prozeßlösung abgezogen und dem ebenfalls unter anaeroben Bedingungen arbeitenden zweiten Reaktor (R2) aufgegeben, in welchem die Fettsäuren zu Biogas abgebaut werden. Aus beiden Reaktoren (R1,R2) werden Biogas entnommen und am Boden des ersten Reaktors (R1) angesammeltes, vergorenes Gärsubstrat abgepumpt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Biogas
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus einem Gärsubstrat, bei welchem einer Mikroorganismen enthaltenden Reaktoreinheit ein Substrat und eine Flüssigkeit aufgegeben werden, bei welchem während einer im Reaktor ablaufenden Hydrolyse eine Aufspaltung des Gärsubstrats unter Bildung von Intermediärprodukten erfolgt, bei welchem die Intermediärprodukte im wesentlichen zu kurzkettigen Fettsäuren abgebaut werden und bei welchem die Fettsäuren zu Biogas abgebaut werden, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Biogas wird derzeit überwiegend im Wege der so genannten Nassfermentation gewonnen. Dazu werden in einer aus einem Reaktor bestehenden Reaktoreinheit Exkremente tierischer Herkunft (Gülle) entweder allein oder zusammen mit einem Kosubstrat vergoren. Durch den Einsatz von Kosubstrat kann die Biogasausbeute zum Teil deutlich gesteigert werden. Als Kosubstrate kommen hauptsächlich Bioabfälle, wie Speise- und Schlachtabfälle, sowie Abfälle aus der Nahrungsmittelproduktion, oder pflanzliche Materialien, wie Maissilage, Roggen-Ganzpflanzensilage und Grassilage, zum Einsatz. Die Gülle und das Kosubstrat werden miteinander vermischt und einem Fermenter des Reaktors zugeführt. Der Feststoffanteil dieses Gemisches ist dabei grundsätzlich begrenzt, da dasselbe insgesamt noch pumpfähig bleiben muß. Durch die Gülle werden die für den Prozeß der Biogaserzeugung erforderlichen Mikroorganismen bereitgestellt (DE-Buch „Handreichung Biogasgewinnung und - nutzung", Hrsg.: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V., 2. Aufl., Gülzow, 2005, Seiten 50 und 86 bis 95).
Da das Gärsubstrat bei diesem bekannten Verfahren überwiegend aus langkettigen Molekülen (Makromolekülen) aufgebaut ist, wird das Gemisch zunächst während der Hydrolyse in monomere Einheiten aufgespalten. Die hierzu erforderlichen Enzyme werden von den im Fermenter enthaltenden Mikroorganismen bereitgestellt. Dabei stellt der Vorgang der Hydrolyse den entscheidenden Zeitfaktor des gesamten Fermentationsprozesses dar. Während der Hydrolyse gebildete Intermediärprodukte werden anschließend während der so genannten Versäuerungsphase von weiteren Mikroorganismen im Rahmen ihres Stoffwechsels hauptsächlich zu kurzkettigen Fettsäuren abgebaut. Diese werden dann ihrerseits von speziellen Mikroorganismen (Archea) innerhalb der so genannten Methanogenese zu Biogas abgebaut, welches hauptsächlich aus Methan und Kohlendioxid besteht.
Mit diesem bekannten Verfahren ist aufgrund des konstruktiven Aufbaus des Reaktors und der zum Einsatz gelangenden Mikroorganismen lediglich ein stofflicher Abbau der im Gärsubstrat enthaltenen, leicht abbaubaren Stoffe möglich, insbesondere der Zucker und der Stärke sowie der Proteine und Fette. Pflanzliche Biomasse sowie andere cellulosehaltige Substrate können mit diesem und anderen bekannten Verfahren nicht zur effektiven Gewinnung von Biogas eingesetzt werden, da der Hauptteil pflanzlicher Gärsubstrate den Reaktor nahezu unvergoren durchströmt und dabei keinen Beitrag zum Biogasertrag liefert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine nach demselben arbeitende Vorrichtung anzugeben, mit dem bzw. der cellulosehaltiges Substrat zur Gewinnung von Biogas aufgeschlossen werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst,
- daß zunächst in einen ersten Reaktor und in einen über mindestens eine Rohrleitung mit demselben verbundenen zweiten Reaktor, die zusammen die Reaktoreinheit bilden, geeignete Mikroorganismen enthaltende Flüssigkeiten eingefüllt werden,
- daß danach dem ersten Reaktor cellulosehaltiges Substrat als Gärsubstrat zusammen mit einer Elektrolyte enthaltenden Prozeßlösung aufgegeben wird,
- daß der Inhalt des ersten Reaktors ständig bei einer zwischen 35 0C und 41 °C liegenden Temperatur gehalten wird,
- daß aus dem unter anaeroben Bedingungen arbeitenden ersten Reaktor die Fettsäuren enthaltende Prozeßlösung abgezogen und dem ebenfalls unter αnαeroben Bedingungen arbeitenden zweiten Reaktor aufgegeben wird, in welchem die Fettsäuren zu Biogas abgebaut werden, und
- daß aus beiden Reaktoren Biogas entnommen und am Boden des ersten Reaktors angesammeltes vergorenes Gärsubstrat abgepumpt werden.
Bei diesem Verfahren werden als Reaktoreinheit zwei miteinander verbundene Reaktoren verwendet. Durch den Einsatz dieses Verfahrens kann die Menge des dem ersten Reaktor während des Verfahrens zugeführten cellulosehaltigen Substrats dauernd relativ hoch sein. Diese Menge liegt beispielsweise bei 200 kg/m3d. Außerdem kann die hydraulische Verweilzeit des Gärsubstrats im ersten Reaktor gegenüber bekannten Verfahren erheblich verringert werden. So reicht eine Verweilzeit von etwa drei Tagen im ersten Reaktor aus. Zum Boden des ersten Reaktors abgesunkene, vergorene Teile des Gärsubstrats können von dort abgepumpt und beispielsweise direkt landwirtschaftlich genutzt werden.
Die große Zufuhrmenge an Substrat und die kurze Verweilzeit des Gärsubstrats im ersten Reaktor erlauben relativ kleine Volumina der Reaktoren und damit eine deutliche Kosteneinsparung beim Bau und Betrieb einer entsprechenden Anlage. Des weiteren wird bei diesem Verfahren keine Gülle benötigt, wodurch die Biogaserzeugung von dem Vorhandensein entsprechend hoher Viehbestände entkoppelt wird. Dadurch kann eine mit diesem Verfahren arbeitende Biogasanlage praktisch überall errichtet werden. Der entscheidende Vorteil dieses Verfahrens liegt jedoch in der Möglichkeit des Einsatzes primär cellulosehaltiger Materialien als Gärsubstrat zur Biogasgewinnung. Cellulose ist der weltweit am häufigsten vorkommende Naturstoff. Jedes Jahr wachsen weltweit allein 101 ' Tonnen nach. Damit steht ein nicht versiegender Vorrat potentieller Gärsubstrate zur Verfügung. Als Gärsubstrate können grundsätzlich auch alle anderen cellulosehaltigen Materialien eingesetzt werden, wie Altpapier, Pappe, Blätter, Pflanzenstengel, Halmgut, Gras und Stroh sowie Rückstände aus der Papier- und Zellstoffindustrie, der pharmazeutischen Industrie oder der chemischen Industrie.
Der Feuchtigkeitsgehalt der Gärsubstrate spielt bei diesem Verfahren keine Rolle. Da lediglich ökologisch unbedenkliche cellulosehaltige Materialien zum Einsatz gelangen und auch keine Gülle erforderlich ist, können nach diesem Verfahren arbeitende Biogαsαnlαgen in unmittelbarer Nähe zu gewerblichen oder privaten Energieverbrauchern errichtet werden. Dadurch lassen sich interessante Energienutzungskonzepte leichter realisieren, wie beispielsweise eine Kraft-Wärme- Kopplung oder Nahwärmenetze. In ökologischer Hinsicht stehen große Vorkommen nutzbarer Gärsubstrate zur Verfügung, welche im Rahmen einer extensiven Landwirtschaft erzeugt werden können. Auf den gezielten Anbau so genannter nachwachsender Rohstoffe im Wege einer Intensivlandwirtschaft kann daher verzichtet werden.
Das feste Gärsubstrat verbleibt beispielsweise für etwa 72 Stunden im ersten Reaktor und wird von in demselben befindlichen Mikroorganismen vergoren. Während dieses unter anaeroben Bedingungen ablaufenden Vergärungsprozesses wird ein erheblicher Anteil der Cellulose hydrolysiert. Die durch die Hydrolyse der Zellwandbestandteile des Gärsubstrats gebildeten Monomere werden durch anaerobe Glykolyse (Embden- Meyerhof-Weg) und im Pentose-Phosphat-Zyklus zu Pyruvat umgesetzt. Pyruvat ist das zentrale Intermediärprodukt des mikrobiellen Kohlenhydratstoffwechsels, welches mit hoher Geschwindigkeit in kurzkettige Fettsäuren umgesetzt wird, wie Essigsäure, Propionsäure und Buttersäure.
Während das Gärsubstrat für etwa 72 Stunden im ersten Reaktor verbleibt, bevor es mit Hilfe einer Pumpe, welche sich am Boden des Reaktors befindet, aus demselben entfernt wird, kann die Prozeßlösung, also die flüssige Phase, kontinuierlich beispielsweise innerhalb von etwa 12 Stunden komplett ausgetauscht werden.
Dadurch werden dem ersten Reaktor die dort durch entsprechende mikrobielle Aktivitäten entstandenen kurzkettigen Fettsäuren kontinuierlich entzogen, wodurch eine Versäuerung des mikrobiellen Prozesses wirksam verhindert wird. Die individuellen Steuerungen der unterschiedlichen Geschwindigkeiten, mit denen das Gärsubstrat bzw. die Prozeßlösung den ersten Reaktor durchströmen, kann durch den Einsatz eines Siebgewebes im ersten Reaktor in Verbindung mit einem speziellen inneren Behälter erreicht werden. Das Siebgewebe verhindert wirksam ein Austreten von Gärsubstrat aus dem ersten Reaktor, wohingegen die Prozeßlösung denselben ungehindert verlassen kann. Die aus dem ersten Reaktor austretende und mit kurzkettigen Fettsäuren angereicherte Prozeßlösung gelangt anschließend in den gasdichten und ebenfalls anaerob betriebenen zweiten Reaktor. In diesem zweiten Reaktor werden die kurzkettigen Fettsäuren innerhalb von etwa 24 Stunden von den in demselben befindlichen und hierauf spezialisierten Mikroorganismen zu Methan und Kohlendioxid abgebaut. Die Prozeßlösung, welche den zweiten Reaktor nach etwa 24 Stunden wieder verläßt, kann anschließend gefiltert, gegebenenfalls mit frischem Gärsubstrat durchmischt und dem ersten Reaktor zugeführt werden, wodurch ein Kreislauf für die Prozeßlösung geschlossen wird.
Die zum Einsatz in den beiden Reaktoren gelangenden substratspezifischen Mikroorganismen können u. a. aus dem Pansen von Wiederkäuern, aus dem aktiv abbauenden Schlamm von Abwasserreinigungsanlagen oder aus Gewässersedimenten gewonnen und anschließend gezielt selektiert und vermehrt werden (Anreicherungskultur), um in den beiden Reaktoren als Inokulum zu dienen. Während des kontinuierlich ablaufenden Verfahrens werden die in den beiden Reaktoren befindlichen Mikroorganismenpopulationen im Gleichgewicht gehalten (Steady-State-Zustand) .
Das Verfahren nach der Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand einer in der Zeichnung schematisch dargestellten Anlage erläutert.
Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung besteht aus einem ersten Reaktor Rl und einem zweiten Reaktor R2, die zusammen eine Reaktoreinheit bilden und über mindestens eine Rohrleitung miteinander verbunden sind. Beide Reaktoren Rl und R2 arbeiten unter anaeroben Bedingungen.
Der erste Reaktor Rl besteht aus einem gasdichten, vorzugsweise zylindrischen Behälter 1 , in dem mit Abstand zu seinen Wandungen und zu seinem Boden ein ebenfalls vorzugsweise zylindrischer, Innenbehälter 2 angeordnet ist, der in Arbeitsposition nach oben offen ist. Der Innenbehälter 2 erstreckt sich im wesentlichen über die gesamte Höhe des Behälters 1. In dem in Arbeitsposition unteren Bereich des Innenbehälters 2 ist seine Wandung rundum mit Durchbrechungen bzw. Löchern versehen. Dieser Bereich ist in der Zeichnung gestrichelt dargestellt.
Der Innenbehälter 2 ist mit einem an seiner Wandung anliegenden, durch Punkte dargestellten Siebgewebe 3 ausgekleidet, dessen Öffnungen so klein sind, daß nur die Prozeßlösung hindurchtreten kann. Das Siebgewebe 3 besteht mit Vorteil aus Polyamidfasern, wie Nylon, welche eine hohe mechanische Festigkeit und eine gute Fäulnisbeständigkeit haben. Eine vorteilhafte Maschengröße des Siebgewebes 3 liegt in einem Bereich zwischen 45 μm und 150 μm. Im Innenbehälter 2 befinden sich im dargestellten Ausführungsbeispiel noch zwei Pumpen, und zwar eine Förderpumpe 4 an seinem Boden und eine Umwälzpumpe 5 etwa in halber Höhe desselben.
Außerhalb des ersten Reaktors Rl , aber durch eine Rohrleitung 6 mit demselben verbunden, sind eine Pumpe 7, ein Aufgabeplatz 8 für cellulosehaltiges Substrat 9 und eine Einrichtung 10 zum Vorwärmen angeordnet, die mit Vorzug als Wärmetauscher ausgeführt ist. Die Rohrleitung 6 ist an ihrem anderen Ende mit einem Vorratsbehälter 1 1 verbunden, in dem sich eine Elektrolyte enthaltende Prozeßlösung befindet.
Der zweite Reaktor R2 ist ebenfalls ein gasdichter, vorzugsweise zylindrischer Behälter 12. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Behälter 12 ein Gestell 13 und Pumpen 14, 15, 16 und 17 angeordnet. Im Gestell 13 können mit Vorteil Drahtkörbe vorhanden sein, die mit Partikeln aus porösen Kunststoffmaterialien gefüllt sind, beispielsweise aus Polyamidschaum. Dadurch ist im Behälter 12 eine Ansiedlungsfläche für in demselben befindliche Mikroorganismen vorhanden. Es können auch zwei oder mehr derartige Gestelle im Behälter 12 angeordnet sein.
Die Behälter 1 und 12 der beiden Reaktoren Rl und R2 bestehen vorzugsweise aus Stahl. Es können aber auch andere Materialien eingesetzt werden, wie beispielsweise Kunststoff und Beton.
Das Verfahren nach der Erfindung wird beispielsweise wie folgt durchgeführt: Zunächst wird in die Behälter 1 und 12 der beiden Reaktoren Rl und R2 eine Elektrolyte und spezitische Mikroorganismen enthaltende Flüssigkeit eingefüllt. Ebenso wird in den Vorratsbehälter 1 1 eine wäßrige Prozeßlösung eingefüllt, in welcher bestimmte Elektrolyte enthalten sind. Eine vorteilhafte Ausführung der Prozeßlösung mit einem pH von etwa 7,0 kann u. a. die nachfolgend benannten Elektrolyte enthalten:
Na+ und K+ mit zusammen 130 - 150 mmol/l, wobei Na+ über 100 mmol/l betragen kann Chlorid 10-20 mmol/l
Hydrogencarbonat 20-60 mmol/l Phosphat 10-15 mmol/l
Mg2+ und Ca2+ 1-10 mmol/l.
Beim Start des Verfahrens und während seines kontinuierlichen Ablaufs wird dem Vorratsbehälter 1 1 mittels der Pumpe 7 Prozeßlösung entnommen und gemeinsam mit cellulosehaltigem Substrat 9 als Gemisch der Einrichtung 10 zum Vorwärmen zugeführt. Das Gemisch wird darin auf eine Temperatur erwärmt, welche vorteilhaft im Bereich zwischen 36 °C und 41 °C liegt. Das Gemisch aus Substrat und Prozeßlösung gelangt anschließend über die Rohrleitung 6 in den inneren Behälter 2 des ersten Reaktors Rl . In demselben werden das Gemisch bzw. die Prozeßlösung und das Gärsubstrat dauernd bei einer zwischen 36 °C und 41 °C liegenden Temperatur gehalten.
Ein Teil des im Innenbehälter 2 befindlichen Gemisches aus Gärsubstrat und Prozeßlösung wird vorteilhaft in bestimmten zeitlichen Intervallen mit Hilfe der Pumpe 5 nach oben gepumpt, welche als Substratinkubations- und Umwälzpumpe ausgeführt sein kann, so wie es durch den Pfeil 18 angedeutet ist. Dadurch werden eine intensive mikrobielle Inkubation von frisch zugeführtem Gärsubstrat sowie eine intensive Durchmischung des Gärsubstrats mit Prozeßlösung erreicht.
Im ersten Reaktor Rl erfolgt zunächst eine Hydrolyse des cellulosehaltigen Gärsubstrats. Das kann vorteilhaft von speziellen cellulolytisch aktiven Mikroorganismen ausgeführt werden, z. B. von Fibrobacter succinogenes, Ruminococcus albus, Butyrivibro fibrisolvens, Clostridium lockheadii, Ruminococcus flavefaciens oder Bacteroides succinogenes. Als vorteilhaft erweist sich ferner der Einsatz bestimmter Protozoen, wie beispielsweise der Gattungen Isotricha, Dasytricha, Eutodinium oder Diplodinium, und bestimmter Pilze, wie beispielsweise der Arten Neocallimastix, Piromonas oder Sphaermonas. Im ersten Reaktor Rl ist ein anaerobes Milieu zu gewährleisten. Die Prozeßlösung sollte vorteilhaft ein Redoxpotential im Bereich von -250 mV bis -300 mV aufweisen.
Als Endprodukte des mikrobiellen Stoffwechsels der zuvor beispielhaft aufgezählten Mikroorganismen entstehen kurzkettige Fettsäuren, u. a. Acetat, Formiat, Propionat, Butyrat, Lactat, Succinat sowie Wasserstoff und Kohlendioxid. Wasserstoff und Kohlendioxid werden bereits im ersten Reaktor Rl von bestimmten Mikroorganismen (Archea) zu Methan und Wasser umgesetzt. Das kann vorteilhaft u. a. von den folgenden Mikroorganismen (Methanogenen) ausgeführt werden: Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanococcus, Methanomicrobium, Methanogenium, Methanospirillium, Methanoplanus, Methanocorpusculum, Methanoculleus oder Methanosarcina. Das dadurch erzeugte Biogas kann den ersten Reaktor Rl über einen Auslaß 19 verlassen.
Die Prozeßlösung durchströmt den ersten Reaktor Rl mit der einfachen Geschwindigkeit des Gärsubstratstromes. Als vorteilhaft ist ein Verhältnis von 1 /6 für die Verweilzeit der Prozeßlösung zur Verweilzeit des Gärsubstrat anzusehen, z. B. 12 Stunden zu 72 Stunden. Die Prozeßlösung reichert sich im Innenbehälter 2 des ersten Reaktors Rl mit kurzkettigen Fettsäuren an und verläßt denselben durch die in dessen unterem Bereich befindliche und durch das Siebgewebe 3 abgedeckten Öffnungen. Vorteilhaft ist eine gesamte Auskleidung des Innenbehälters 2 mit dem Siebgewebe 3, weil dadurch nur jene Teilchen den Innenbehälter 2 verlassen können, welche klein genug sind, um das Siebgewebe 3 zu passieren.
In Abhängigkeit vom Fortschritt des Vergärungsprozesses erhöht sich die Dichte des Gemisches. Weitestgehend vergorenes Gärsubstrat, welches sich aufgrund der im Innenbehälter 2 bestehenden Dichteunterschiede am Boden desselben ansammelt, kann vorteilhaft in bestimmten zeitlichen Intervallen mit Hilfe der Pumpe 4 aus dem ersten Reaktor Rl entnommen und einer Einrichtung 20 zur Fest-Flüssig-Trennung zugeführt werden. Die dabei gewonnenen festen Bestandteile können beispielsweise direkt einer landwirtschaftlichen Nutzung zugeführt werden.
Aus dem zwischen der Außenwand des Inneπbehälters 2 und der Innenwand des Behälters 1 bestehenden Zwischenraum wird kontinuierlich oder in gewissen zeitlichen Intervallen Prozeßlösung entnommen und dem zweiten Reaktor R2 zugeführt. Aufgrund der im unteren Bereich des Innenbehälters 2 vorhandenen Öffnungen (Löcher) befindet sich der Flüssigkeitsstand im gesamten ersten Reaktor Rl im hydrostatatischen Gleichgewicht (überall gleiche Füllhöhe im gesamten Reaktor Rl ). Es kann dadurch leicht auf die Zufuhr von Prozeßlösung und Gärsubstraten oder die Entnahme von Fermentationsrückständen reagiert werden. Als vorteilhaft erweist sich der Einsatz einer Pumpe 21 zur Übertragung einer definierten Menge von Prozeßlösung aus dem ersten Reaktor Rl in den zweiten Reaktor R2.
Im zweiten Reaktor R2 erfolgt der Abbau der im ersten Reaktor Rl gebildeten kurzkettigen Fettsäuren zu Methan und Kohlendioxid. Vorteilhaft kann dies u. a. von den folgenden Mikroorganismen ausgeführt werden: Methanothrix, Methanosarcina, Methanobrevibacter ruminantium, Methanomicrobium mobile, Syntrophobacter wolinii, Syntrophomonas, Propionibacterium, Clostridium propionicum und Propionigenium modestum. Die Umsetzung von zugleich gebildeten Wasserstoff und Kohlendioxid zu Methan und Wasser kann dabei vorteilhaft von den zuvor benannten Methanogenen ausgeführt werden. Vorteilhaft soll die Prozeßlösung im zweiten Reaktor R2 einen nahezu neutralen pH von etwa 7,0 und eine Temperatur zwischen 35 °C und 41 0C aufweisen.
Eine zusätzliche Durchmischung der Prozeßlösung kann im Behälter 12 des zweiten Reaktors R2 durch ein aus Pumpen bestehendes Rührwerk erfolgen. Vorteilhaft kann diese Aufgabe von den als Tauchpumpen ausgeführten Pumpen 14, 15 und 16 ausgeführt werden, welche an unterschiedlichen Positionen im Innern des Behälters 12 positioniert sind. Das im zweiten Reaktor R2 gebildete Biogas kann denselben über einen Auslaß 22 verlassen. Vorteilhaft können sich am Boden des zweiten Reaktors R2 im Laufe der Zeit absetzende Schlämme mit Hilfe der als Schlammentnahmepumpe ausgeführten Pumpe 17 entnommen werden. Das aus den beiden Reaktoren Rl und R2 bzw. aus deren Behältern I und 12 austretende Biogas wird über angeschlossene Rohrleitungen oder Behälter einer Nutzung zugeführt. Es kann beispielsweise direkt oder über Zwischenbehälter einem Blockheizwerk zur Stromerzeugung zugeführt werden. Es könnte, ähnlich wie Erdgas, auch zur Wärmeerzeugung durch Verbrennung genutzt werden, wobei eine vorherige Gasreinigung zur Qualitätsverbesserung durchgeführt werden sollte.
Eine vorteilhafte verlustarme Kreislaufführung der Prozeßlösung kann beispielsweise auf folgendem Wege ermöglicht werden:
Aus dem zweiten Reaktor R2 ausströmende bzw. vorteilhaft durch eine Pumpe 23 entnommenen Prozeßlösung wird einem Filter 24 zugeführt, um der Prozeßlösung feinere Partikel zu entziehen. Dem zweiten Reaktor R2 mittels der Pumpe 17 entnommene schlammbelastete Prozeßlösung wird vorteilhaft durch einen Vorfilter 25 gereinigt, bevor sie anschließend dem Filter 24 zugeführt wird. Die hierbei anfallenden Feststoffe können wieder direkt einer landwirtschaftlichen Nutzung zugeführt werden. Die Filter 24 und 25 können vorteilhaft aus einem feinporigen fäulnisbeständigen Kunststoffschaum ausgeführt werden.
Aus dem ersten Reaktor Rl mit Hilfe der Pumpe 4 entnommenes Gemisch aus Fermentationsrückständen und Prozeßlösung wird - wie bereits erwähnt - vorteilhaft in der Einrichtung 19 in eine feste und eine flüssige Komponente getrennt. Die dabei freigesetzte flüssige Komponente kann anschließend als Prozeßlösung ebenfalls dem Filter 24 zugeführt werden. Aus dem Filter 24 gelangt die gefilterte Prozeßlösung in den Vorratsbehälter 1 1.
Unvermeidbare Verluste an Elektrolyten in der Prozeßlösung können vorteilhaft durch Zugabe von frischer Prozeßlösung (Pfeil 26) in den Vorratsbehälter 1 1 ausgeglichen werden. Die frische Prozeßlösung sollte vorteilhaft die zuvor angegebene stoffliche Zusammensetzung bezüglich der in ihr enthaltenden Elektrolyte sowie den angegebenen pH haben.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus einem Gärsubstrat, bei welchem einer Mikroorganismen enthaltenden Reaktoreinheit ein Substrat und eine Flüssigkeit aufgegeben werden, bei welchem während einer Hydrolyse eine Aufspaltung des Gärsubstrats unter Bildung von Intermediärprodukten erfolgt, bei welchem die Intermediärprodukte im wesentlichen zu kurzkettigen Fettsäuren abgebaut werden und bei welchem die Fettsäuren zu Biogas abgebaut werden, dadurch gekennzeichnet,
- daß zunächst in einen ersten Reaktor (Rl ) und in einen über mindestens eine Rohrleitung mit demselben verbundenen zweiten Reaktor (Rl ), die zusammen die Reaktoreinheit bilden, geeignete Mikroorganismen enthaltende Flüssigkeiten eingefüllt werden,
- daß danach dem ersten Reaktor (Rl ) cellulosehaltiges Substrat (9) als Gärsubstrat zusammen mit einer Elektrolyte enthaltenden Prozeßlösung aufgegeben wird,
- daß der Inhalt des ersten Reaktors (R 1 ) ständig bei einer zwischen 35 °C und 41 °C liegenden Temperatur gehalten wird,
- daß aus dem unter anaeroben Bedingungen arbeitenden ersten Reaktor (Rl ) die Fettsäuren enthaltende Prozeßlösung abgezogen und dem ebenfalls unter anaeroben Bedingungen arbeitenden zweiten Reaktor (R2) aufgegeben wird, in welchem die Fettsäuren zu Biogas abgebaut werden, und
- daß aus beiden Reaktoren (Rl ,R2) Biogas entnommen und am Boden des ersten Reaktors (Rl ) angesammeltes, vergorenes Gärsubstrat abgepumpt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das cellulosehaltige Substrat (9) zusammen mit der Prozeßlösung zunächst einer dem ersten Reaktor (Rl ) vorgeschalteten Einrichtung (10) zum Vorwärmen zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Gärsubstrat und Prozeßlösung innerhalb des inneren Behälters (2) in zeitlichen Intervallen nach oben gepumpt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Prozeßlösung im zweiten Reaktor (R2) mittels eines Rührwerks bewegt wird.
5. Vorrichtung zur Gewinnung von Biogas aus einem Gärsubstrat, bestehend aus einer Reaktoreinheit, in welcher aus einem derselben aufgegebenen Substrat in Anwesenheit einer Mikroorganismen enthaltenden Flüssigkeit Biogas erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Reaktoreinheit aus einem ersten Reaktor (Rl ) und einem über mindestens eine Rohrleitung mit demselben verbundenen zweiten Reaktor (R2) besteht,
- daß beide Reaktoren (R 1 ,R2) gasdichte Behälter (1 ,12) aufweisen,
- daß in dem Behälter ( 1 ) des ersten Reaktors (R 1 ) zur Aufnahme von cellulosehaltigem Substrat als Gärsubstrat und von Prozeßlösung ein nach oben offener Innenbehälter (2) mit Abstand zu Boden und Wandung des Behälters (1 ) angeordnet ist und
- daß zur Überleitung von Fettsäure enthaltender Prozeßlösung vom ersten Reaktor (Rl ) zum zweiten Reaktor (R2) in die zwischen den beiden Reaktoren (R1 ,R2) verlaufende Rohrleitung eine Pumpe (21 ) eingebaut ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
- daß die Wandung des Innenbehälters (2) in ihrem unteren Bereich rundum Durchbrechungen bzw. Löcher aufweist und
- daß der Innenbehälter (2) mit einem dicht an seiner inneren Wandung anliegenden Siebgewebe (3) ausgekleidet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zweiten Reaktor (R2) mindestens ein Gestell (13) angeordnet ist, in dem zur Anlagerung der Mikroorganismen poröse Kunststoffmaterialien angebracht sind.
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