WO2019094995A1 - Vefahren zur verwertung von biomasse - Google Patents

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WO2019094995A1
WO2019094995A1 PCT/AT2018/000092 AT2018000092W WO2019094995A1 WO 2019094995 A1 WO2019094995 A1 WO 2019094995A1 AT 2018000092 W AT2018000092 W AT 2018000092W WO 2019094995 A1 WO2019094995 A1 WO 2019094995A1
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bioreactor
digestion
biomass
microorganisms
reactor
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PCT/AT2018/000092
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Philippe LATHAN
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STIMPFL, Georg
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    • C12P5/00—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons
    • C12P5/02—Preparation of hydrocarbons or halogenated hydrocarbons acyclic
    • C12P5/023—Methane
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    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
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    • C12M45/09—Means for pre-treatment of biological substances by enzymatic treatment
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • 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 process for the utilization of cellulosic biomass, e.g. Wood
  • renewable raw materials Making fuel and raw material supply more sustainable and based on renewable raw materials.
  • a key problem in the use of renewable raw materials is the efficient and cost-effective digestion of vegetable, especially cellulosic and
  • lignocellulosic (“lignified”) raw materials.
  • Plant raw materials are conceivably unsuitable for recovery, since they are the bacterial anaerobic hydrolysis, as for example in a biogas digester
  • Lignocellulosic raw materials essentially consist of bundled cellulose fibers embedded in a matrix of lignin molecules.
  • the lignin is responsible as a support material and hardened polymer essential for the strength of the raw material, while the embedded cellulose fibers, the tensile strength guarantee.
  • lignin serves as protection against the penetration of Nasser into the cell wall material.
  • the lignin matrix has to be dissolved and the cellulose has to be exposed accordingly
  • ingredients are decomposed or split to make this for various, subsequent to the digestion
  • organic solvents e.g., organosolv methods
  • acids e.g., digest and
  • the present invention therefore aims to a
  • the invention consists in a method of the type mentioned essentially in that used for the digestion of biomass enzymes
  • Microorganisms are microbiologically produced in situ in the at least one reactor in situ.
  • a multiplicity of vegetable and maritime raw materials can be used economically by the process according to the invention, in particular fractions in which energy recovery has hitherto not made sense.
  • the process according to the invention is preferably further developed such that in the at least one reactor aerobic, wood-degrading, cellulase-producing
  • Microorganisms in particular Fusarium solani, Trichoderma viride or Talarorayces emersonii be used.
  • the aforementioned fungi use cellulosic biomass as a substrate and synthesize, inter alia, the enzyme
  • the process according to the invention is preferably further developed such that aerobic, nitrogen-fixing microorganisms, in particular microorganisms of the genus Azomonas or Azotobacter, are used in the at least one reactor.
  • Nitrogen-fixing bacteria reduce elemental, molecular nitrogen (N2) to ammonium (NH4 +) or, depending on the prevailing vapor pressure in the process, to ammonia (NH3).
  • N2 molecular nitrogen
  • NH4 + ammonium
  • NH3 ammonia
  • Nitrogen-fixing bacteria offer accordingly compared to the prior art AFEX digestion process, in which
  • Lignocellulose is leached in liquid ammonia at high pressure and then the pressure is released explosively, a non-pressurized alternative without external handling chemicals.
  • Nitrogen is for microbiological growth
  • the lack of nitrogen in the utilization of pure vegetable raw materials can be remedied and a nitrogen fraction promoting the growth of wood-degrading, cellulase-producing microorganisms can be provided.
  • Microorganisms formed ammonium has the advantage that it stabilizes the pH, especially in the digestion bioreactor, causing the growth of wood degrading, cellulase
  • microorganisms further favors and keeps stable.
  • humic acid is released, which without the side of the nitrogen-fixing microorganisms
  • an acidic pH in the reactor would be a hindrance to microbiological growth.
  • an acidic pH is buffered and the pH in the reactor kept in an optimal range for microorganisms (optimum pH for
  • Microorganisms in the reactor is 7 ⁇ .
  • the pH stabilization provided by microorganisms makes the process inherently stable and dispenses with the addition of external chemicals.
  • the method according to the invention is further developed such that the biomass before the microbiological insole of a thermal
  • thermal pretreatment takes place without pressure.
  • the biomass is in the course of the thermal pretreatment at high humidity above the
  • Fiber saturation point repeatedly heated rapidly to a temperature of about 60 ° C, in particular to 60-100 ° C, causing a destruction of the fibers contained in the biomass
  • Hygienization in the broader sense is achieved. This is a separate procedural step to potentially disruptive
  • the thermal pretreatment thus ensures a
  • the inventive method can in particular
  • the at least one reactor comprises a digestion bioreactor and a bioreactor and the digestion of the biomass by the aerobic, wood degrading, cellulase-producing microorganisms is carried out in digestion bioreactor and the digestion of the biomass by the aerobic, nitrogen-fixing
  • the cellulosic biomass becomes one
  • microorganisms located in the downstream bioreactor benefit from those in the digestion bioreactor
  • the cellulosic cellulose cellulase cellulose is broken down into glucose, cellobiose and cello-oligosaccharides by cellulase-producing wood-degrading microorganisms, which in turn are used as energy source for the bioreactor
  • Bacteria and in particular for the microorganisms in a bioreactor downstream biogas digester can be used.
  • the digestion bioreactor a Preferably, the digestion bioreactor a
  • the digestion of the biomass by the aerobic, nitrogen-fixing microorganisms may also be preferred in a digestion bioreactor
  • the digestion bioreactor is preferably as
  • Shaft reactor executed in the lowest area directly on the support grid, filled with packing, i. the lower part of the digestion bioreactor is as
  • fractionated raw material for example shrub chips, is in the upper
  • Bioreactors can each be used as their own devices be educated. Preferably, however, these are summarized in a single apparatus.
  • the method according to the invention can be further developed such that at least part of the microbiologically digested biomass and / or some of the microorganisms from the digestion bioreactor and / or part of the microorganisms from the bioreactor are fed to a biogas fermenter.
  • biomass is transformed into one
  • Microorganisms converted into biogas mixture of CHi and CO2.
  • microbiological digestion is a conversion of biogenic raw materials in biogas allows, the microbiologically digested biomass requires a lower residence time of the substrate in Biogasfermenter, since the biomass through the microorganisms in the fermenter
  • the microorganisms used In addition to the actual digestion of the biomass used, the microorganisms used also have the function and the great advantage that their intracellular
  • Biogas fermenters are.
  • the separation of the excess biomass by means of solid-liquid separation with (partial) filtrate recirculation is advantageous in that the fementation broth remains in the process and the process water requirement decreases or the disposal of the digestate is reduced. This is particularly advantageous in municipal installations and wherever there are no sufficient agricultural areas available for spreading the digestate.
  • the inventive method is advantageously developed such that nutrients are recirculated from the bioreactor in liquid, dissolved and suspended form in the digestion bioreactor, wherein at least some of the nutrients from the digestion bioreactor tapers.
  • the resulting ammonium which is fixed in the bioreactor from atmospheric nitrogen, has a stabilizing effect on the pH in the digestion bioreactor.
  • the microorganisms present in the bioreactor benefit from the
  • the process according to the invention is advantageously developed in such a way that the temperature in the thermal pretreatment is between 60 ° C. and 100 ° C.
  • the temperature in the thermal pretreatment is maintained at about 80 ° C on average.
  • the method may preferably be further developed such that the temperature in the digestion bioreactor is maintained at about 20 ° C to 40 ° C.
  • the temperature in the digestion bioreactor is maintained at about 20 ° C to 40 ° C.
  • the temperature in the bioreactor is maintained at about 30 ° C.
  • the digestive bioreactor colonizing aerobic
  • Wood degrading, cellulase-producing microorganisms have an optimum at about 20 ° C to 40 ° C.
  • Talaromyces emersonii for example, has an optimal at about 40 ° C.
  • Microorganisms a biological lawn, which is the suspended biomass from the above
  • the optimum temperature for the nitrogen fixers in the bioreactor is about 30 e C.
  • the digestive bioreactor is also highly mobile
  • Penetration rate of biomass is extremely effective. By condensing vapors and sprinkling with suspension is further ensured that a perpetual
  • the digestion bioreactor and the bioreactor can be any suitable digestion bioreactor and the bioreactor.
  • the temperatures in the upper digestion bioreactor part e.g. for Talaromyces emersonii be maintained at about 40 ° C and in the lower bioreactor section to about 30 ° C.
  • the method according to the invention is further developed such that biogas produced in the biogas fermenter of a firing unit, in particular a burner of a
  • Cogeneration plant is supplied.
  • the inventive method is developed to the effect that exhaust air from the
  • Burning unit flows through the thermal pre-treatment.
  • the exhaust air from the digestion bioreactor is supplied to the burner device, in particular for thermal pretreatment.
  • the exhaust air serves as supply air for the burner.
  • Pre-treatment and heat required for the microorganisms withdrawn from other components associated with the process and introduced into the pretreatment.
  • the inventive method is advantageously developed such that exhaust air from the thermal pretreatment is subjected to condensation and the condensate is fed to the bioreactor, wherein preferably a partial trity is recycled to the thermal pretreatment.
  • the biomass bed of pretreatment with its large surface area in combination with the condenser serves
  • the condenser is equipped with high surface area contact surfaces (packing, mist collectors), thereby simultaneously performing a scrubber function. This will create odors that are slightly in the exhaust
  • Biomass brought into the aqueous phase and recycled. This also applies to ammonia / which is also partially bound in the Biomasseschuttung with the carbon dioxide combustion.
  • the present ammonium forms with carbon dioxide of
  • Nitrogen compounds enriched biofertilizer can be partially recycled into the process.
  • Biogas production a significant nitrogen content and thus has a higher fertilizer quality.
  • the inventive method can in particular
  • essential oils are extracted from the biomass, which are discharged via the exhaust air and transferred in the condenser in the condensate and separated from the condensate.
  • phytonutrients essential oils, e.g., terpenes
  • Flue gas stream ie the exhaust air from the combustion unit, which flows through the thermal pre-treatment, discharged and transferred to the condensate. These can be through
  • pine oils for example, (pine) pine oils, spruce oils, fir oils or mixtures are produced. Also the production of citrus oils, orange oils, sandalwood oils or oils
  • the oil mixtures can be used as flavorings or fragrances for example in the
  • Digestion bioreactor and the digestion bioreactor downstream bioreactor air is supplied from below.
  • Inferior woodchips with a high proportion of green are discontinuously introduced from above into a silo bunker
  • Container format filled. This is equipped with a sliding floor and underlying slotted sheets.
  • Digestion bioreactor dosed The screw conveyors are used as a cooling zone.
  • the biomass is cooled down to the digestion bioreactor temperature of about 40 ° C.
  • the digestion bioreactor is a thermally insulated one
  • Standstill (discontinuous burner guide) is guided below the slot bottoms in the silo bunker.
  • effluent suspension has a pH of 7 +/- 0.5.
  • a partial stream is returned to the digestion bioreactor.
  • the second partial stream is submerged as a substrate in the
  • the inoculum is carried out for Talaromyces emersonii via the recirculation line and for Azotobacter beijerinkcii via the condensate return.
  • the biogas digester is operated according to the state of the art and for the application example mesophilic in the temperature range of the microbiological digestion.
  • mesophilic in the temperature range of the microbiological digestion.
  • methanogens cultured according to the prior art eg yeasts, Clostridia, Zymomonas, Hethanogene.
  • the biogas is burned in the application example with atmospheric oxygen in a burner.
  • the exhaust gas is after the
  • the condensation is carried out in two stages.
  • the exhaust gas of the pretreatment is cooled in countercurrent with the exhaust air of the digestion bioreactor.
  • the secondary condenser is cooled on the secondary side with ambient air, which is used in the digestion bioreactor.
  • the condensate from both stages is siphoned into one
  • Decanters passed.
  • the heavy, aqueous phase is withdrawn below and returned to the process.
  • the lighter organic phase is stripped off and used as a co-product.
  • the temperature in the thermal pretreatment can also be at the boiling point of water.
  • Process and apparatus for biogas production include auxiliary equipment, control and
  • Safety equipment and the recooler are mounted on the outside of the container.
  • the comminuted biomass is drawn in discontinuously into a 2m a large silo bunker. At the bunker floor warm combustion exhaust gases are supplied, which the
  • the exhaust air is drawn off and led into a condenser, which is preferably located on the container roof and is passively cooled by the ambient temperature.
  • the resulting condensate is returned to the process.
  • Digestion bioreactor dosed The screw conveyor is used as a cooling zone.
  • the biomass is cooled down to the bioreactor temperature of about 40 ° C.
  • the digestion bioreactor is a thermally insulated one
  • the lower area is with a
  • Filled packing which rests on the bottom of a grate.
  • the biomass listed above forms an air-permeable layer on the bed.
  • Bioreactor supplied which leaves the container above and is fed as supply air into the burner or at its standstill (discontinuous burner management) in the
  • Microorganisms of the genus Talaromyces emersonii cultured They gradually decompose the biomass layer.
  • the resulting degradation products, including excess biomass, are suspended and dissolved via the
  • condensate from the condenser and optionally supernatant water from the solid-liquid separation of the biogas production are introduced into the bioreactor.
  • Bioreactor are cultivated at 30 ° C aerobic microorganisms of the genus Azotobacter beijerinkcii. Air is supplied to the bioreactor via a distributor tube in the lower region, which passes through the liquid and is conducted from the vapor space into the digestion bioreactor.
  • the effluent suspension has a pH of 7 + 7-0.5.
  • a partial flow is recycled to the biomass layer.
  • the second partial stream is submerged as a substrate in the
  • biogas produces state-of-the-art biogas, which is energetically utilized in a combined heat and power plant. The latter stops with one
  • Bioreactor and the fermenter to operating temperature.
  • the flue gas is fed into the silo bunker.
  • Biogas production is based on the
  • the comminuted biomass is discontinuously charged via a feeding device into a rectangular silo bunker made of cast-in-place concrete - similar to bunker technology for wood chips.
  • a feeding device into a rectangular silo bunker made of cast-in-place concrete - similar to bunker technology for wood chips.
  • warm combustion exhaust gases are fed through slotted plates, which flow through the biomass bed upwards.
  • the biomass is kept in a temperature window between 60 * C and 95 ° C, on average around 80 ° C.
  • Ambient temperature is preferably cooled passively.
  • the resulting condensate is returned to the process.
  • Hit a grate floor and a discharge screw, the biomass is dosed into the digestion bioreactor.
  • Auger is used as a cooling zone.
  • the biomass is cooled down to the digestion bioreactor temperature of about 40 ° C.
  • the digestion bioreactor is a thermally insulated one
  • Biomass bedding is located in the first third of a grate on which random packing and forms an air-permeable layer from the bottom with air the bioreactor is flowed through.
  • the air is circulated in the silo in recirculating air mode via packed bed and biomass bed and thermostated at 40 ° C.
  • the suspension from the digestion bioreactor runs over the support shelf into the bioreactor. From below it is blown through a distribution ring to 30 * C thermostatically controlled air.
  • Digestion bioreactor recirculated.
  • a partial stream is fed as substrate into the biogas reactor (fermenter).
  • the effluent suspension has a pH of 7 +/- 0.5.
  • condensate of the condenser and optionally supernatant water from the solid-liquid separation of biogas production are introduced into the bioreactor.
  • biogas produces state-of-the-art biogas, which is energetically utilized in a combined heat and power plant. The latter stops with one
  • FIG. 1 shows a method sequence according to a first embodiment
  • Embodiment of the present invention and Fig. 2 shows a process flow according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a digestion bioreactor 2, as well as a bioreactor 3 downstream of the digestion bioreactor 2, a fermenter 4 connected downstream of the bioreactor, and a
  • Burner device 5 wherein the combustion device may alternatively also be an internal combustion engine.
  • Digestion bioreactor 2 is preferably designed as a shaft reactor.
  • the bioreactor 3 is designed as gassed stirred tank, with good gas distribution by means of
  • Stimulating bioreactor 2 promoted and forms a steadily migrating down bed.
  • the bioraass is submerged in the thermal pretreatment 1, the digestion bioreactor 2 and the bioreactor 3
  • the necessary air for the aerobic microbiology is supplied in the bioreactor 3 via the line 8 from below, flows through the bioreactor 3 from bottom to top and reached via the line 9 the
  • Digestion bioreactor 2 which is also flowed through from bottom to top with air. If necessary, the air can be preheated with (waste) heat from the burner device 5 to the optimum growth temperature of the microorganisms.
  • the exhaust air from the digestion bioreactor 2 is supplied as supply air to the burner device (in Fig.l not
  • the pretreatment 1 which is also a biofilter for vapors / gases from the bioreactors.
  • the moist exhaust gases from the pretreatment 1 is also a biofilter for vapors / gases from the bioreactors.
  • Pretreatment 1 are withdrawn via line 11 from the process.
  • the Digestion bioreactor 2 recirculated (circulation designated 17).
  • a portion of the digested biomass and the microorganisms is passed via the line 12 in the biogas fermenter 4, where they serve as a substrate for the fermentation taking place there.
  • Supernatant liquid from the biogas fermenter 4 can be optionally and partially recycled via the line 13 into the bioreactor 3 and excess biomass is withdrawn via the line 14.
  • Fig. 2 also shows a thermal pretreatment 1, a digestion bioreactor 2, a bioreactor 3, a fermenter 4 and a burner device 5, wherein the
  • Execution form are integrally formed.
  • the exhaust air from the digestion bioreactor 2 is passed via the line 10 in the pretreatment 1 (or optionally first passed through the burner device), the
  • Bioreactors is.
  • the moist exhaust air from the pretreatment 1 is - in contrast to the one shown in Fig. 1
  • Embodiment - passed through the line 11 'in a condenser 21, there condensed out and returned via the line 18 in the process.
  • the exhaust air from the condenser 21 is withdrawn via the line 19.
  • the condenser 21 is equipped with high-surface-area (high-surface-area) condenser (packing, mist collectors), thereby simultaneously performing a scrubber function.
  • pretreatment 1 both thermal and extractive and distillative processes take place. As a result, phytonutrients are released and in the case of

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Verwertung von zellulosehaltiger Biomasse, wie z.B. Hackschnitzel,, Strauchschnitzel, Seetang oder Bambus, umfassend das Aufschließen der zellulosehaltigen Biomasse in wenigstens einem Reaktor, werden zum Aufschluss der Biomasse eingesetzte Enzyme und/oder chemische Verbindungen durch aerobe Mikroorganismen in dem wenigstens einen Reaktor in situ mikrobiologisch hergestellt.

Description

Verfahren zur Verwertung von Biomasse
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwertung von zellulosehaltiger Biomasse, wie z.B. Hackschnitzel,
Strauchschnitzel', Seetang oder Bambus, umfassend das
Aufschließen der zellulosehaltigen Biomasse in wenigstens einem Reaktor.
Weltweit wird intensiv nach Lösungen gesucht, die
Treibstoff- und Rohstoffversorgung nachhaltiger und basierend auf nachwachsenden Rohstoffen zu gestalten. Ein Schlüsselproblem bei der Nutzung nachwachsender Rohstoffe ist der effiziente und kostengünstige Aufschluss von pflanzlichen, insbesondere zellulosehaltigen und
lignozellulosehaltigen („verholzten") Rohstoffen.
Pflanzliche Rohstoffe sind für die Verwertung denkbar ungeeignet, da sie der bakteriellen anaeroben Hydrolyse, wie sie beispielsweise in einem Biogasfermenter
stattfindet, nur sehr schwer zugänglich sind. Durch einen vorangestellten Aufschluss können die polymeren Naturstoffe erheblich rascher hydrolysiert und verwertet werden. Die Effektivität und Effizienz des Aufschlusses haben
erhebliche Auswirkungen auf die Verweilzeit der Biomasse im Reaktor und die Ausbeute an beispielsweise Biogas und damit auf Investitions- und Betriebskosten.
Lignozellulosehaltige Rohstoffe bestehen im Wesentlichen aus in Bündeln angeordneten Zellulosefasern, die in einer Matrix aus Ligninmolekülen eingelagert sind. Das Lignin ist als Stutzmaterial und verhärtetes Polymer wesentlich für die Festigkeit des Rohstoffes zuständig, während die eingelagerten Zellulosefasern die Zugfestigkeit gewährleisten. Außerdem dient Lignin als Schutz gegen das Eindringen von Nasser in das Zellwandmaterial.
Lignozellulosehaltige Rohstoffe müssen demgemäß
aufgeschlossen werden, d.h. die Ligninmatrix muss aufgelöst und die 2ellulose entsprechend freigelegt und in ihre
Bestandteile (Glucose, Cellobiose und Cello- Oligosaccharide) zersetzt bzw. aufgespalten werden, um diese für diverse, an den Aufschluss anschließende
Prozesse, z.B. in Verfahren zur Biogasherstellung, nutzbar zu machen.
Zum Aufschluss pflanzlicher Rohstoffe werden gemäß Stand der Technik beispielsweise organische Lösungsmittel (z.B. Organosolv Verfahren), Säuren (z.B. Aufschluss und
Verzuckerung mittels Schwefelsäure), Ammoniak (z.B. AFEX Verfahren, Ammonia Fiber Explosion), Energie (Dampf, Druck) aber auch Enzyme eingesetzt.
Die oben genannten Aufschlussverfahren haben ihren Ursprung im Wesentlichen in der Papier- und ZellstoffIndustrie.
Nachteilig bei diesen Verfahren sind hohe Betriebs- und Installationskosten, die darin begründet liegen, dass eine Reihe von Chemikalien eingesetzt wird und demgemäß Technik zur Chemikalienregeneration bzw. Abwasser- und
Abluftreinigung von Nöten ist bzw. ein hoher Energieeintrag nötig ist, da das Verfahren unter Dampf bzw. Druck
stattfindet. Zudem kann die Zugabe von Enzymen, welche den Aufschluss der pflanzlichen Rohstoffe beschleunigen, nötig sein.
Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, ein
Verfahren zu schaffen, bei welchem auf die Zugabe von dem Aufschluss dienenden Chemikalien und dgl. verzichtet und mit moderatem Energieeintrag gearbeitet werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art im Wesentlichen darin, dass zum Aufschluss der Biomasse eingesetzte Enzyme
und/oder chemische Verbindungen durch aerobe
Mikroorganismen in dem wenigstens einen Reaktor in situ mikrobiologisch hergestellt werden.
Der Aufschluss von pflanzlichen und maritimen Roh-, Wert- und Abfallstoffen findet erfindungsgemäß in einfacher
Betriebsweise, ohne großen technischen Aufwand und unter moderatem Energieeintrag statt. Da die zum Aufschluss der Biomasse eingesetzten Enzyme und/oder chemischen
Verbindungen durch aerobe Mikroorganismen direkt innerhalb des Reaktors, in welchem der Aufschluss stattfindet, d.h. in situ, synthetisiert werden, und daher die Zugabe von Aufschluss-Chemikalien bzw. die Zugabe von den Aufschluss begünstigenden Enzymen obsolet ist, ist ein
energieeffizienter Aufschluss ohne Druck oder Dampf oder die Zugabe von Chemikalien/Enzymen möglich.
Eine Vielzahl von pflanzlichen und maritimen Rohstoffen wird durch das erfindungsgemäße Verfahren wirtschaftlich einsetzbar, insbesondere Fraktionen, bei welchen eine energetische Verwertung bisher nicht sinnvoll war.
Durch den mikrobiellen Aufschluss wird ein autarker Prozess realisiert, wobei lediglich die Biomasse von außerhalb des Prozesses zugeführt werden muss. Weiters kann die für den Biomasseaufschluss zur Anwendung gelangende Anlage
apparativ sehr kompakt angeordnet werden und beinhaltet keine drucktragenden Bauteile. Die Korabination mit bestehenden Biogasanlagen ist möglich und ermöglicht die Verwertung eines breiteren und
saisonunabhägigeren Biomassespektrums (Revamp, Resource Value Mapping) .
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt dahingehend weitergebildet, dass in dem wenigstens einen Reaktor aerobe, holzabbauende, Cellulase produzierende
Mikroorganismen, insbesondere Fusarium solani, Trichoderma viride oder Talarorayces emersonii eingesetzt werden.
Die vorgenannten Pilze nutzen zellulosehaltige Biomasse als Substrat und synthetisieren unter anderem das Enzym
Cellulase, welches Cellulose in dessen Grundbausteine zerlegt. Durch den Einsatz von holzabbauenden, Cellulase produzierenden Mikroorganismen wird der Aufschluss
zellulosehaltiger Bioraasse induziert und beschleunigt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt dahingehend weitergebildet, dass in dem wenigstens einen Reaktor aerobe, Stickstofffixierende Mikroorganismen, insbesondere Mikroorganismen der Gattung Azomonas oder Azotobacter eingesetzt werden.
Stickstofffixierende Bakterien reduzieren elementaren, molekularen Stickstoff (N2) zu Ammonium (NH4+) bzw. je nach im Verfahren vorherrschendem Dampfdruck zu Ammoniak (NH3) . Durch den Einsatz von Stickstofffixierenden Bakterien wird Ammonium/Ammoniak in situ mikrobiologisch hergestellt.
Ammonium bzw. Ammoniak ist für den Biomasseaufschluss wesentlich. Stickstofffixierende Bakterien bieten demgemäß im Vergleich zum gemäß Stand der Technik zur Anwendung gelangenden AFEX-Aufschlussverfahren, bei welchem
Lignocellulose in flüssigem Ammoniak bei hohem Druck ausgelaugt wird und anschließend der Druck explosionsartig entspannt wird, eine drucklose Alternative ohne externes Chemikalienhandling.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass im Reaktor eine Kombination aus aeroben holzabbauenden, Cellulase
produzierenden Mikroorganismen und aeroben,
stickstofffixierenden Mikroorganismen eingesetzt wird.
Stickstoff ist für das mikrobiologische Wachstum
essentiell. Bekanntlich haben rein pflanzliche Rohstoffe einen sehr geringen Stickstoffanteil. Für das
mikrobiologische Wachstum der holzabbauenden, Cellulase produzierenden Mikroorganismen, z.B. im Biogasfermenter ist jedoch ein Stickstoffanteil von etwa 11% notwendig.
Mit Hilfe Stickstofffixierender Mikroorganismen kann der Mangel an Stickstoff bei der Verwertung rein pflanzlicher Rohstoffe behoben und ein das Wachstum von holzabbauenden, Cellulase produzierenden Mikroorganismen begünstigender Stickstoffanteil bereitgestellt werden.
Weiters hat das von den stickstofffixierenden
Mikroorganismen gebildete Ammonium den Vorteil, dass es den pH-Wert, insbesondere im Aufschlussbioreaktor stabilisiert, was das Wachstum der holzabbauenden, Cellulase
produzierenden Mikroorganismen weiters begünstigt und stabil hält. Beim Abbau zellulosehaltiger Biomasse wird beispielsweise Huminsäure freigesetzt, welche ohne das seitens der stickstofffixierenden Mikroorganismen
produzierte Ammonium, einen sauren pH-Wert im Reaktor bedingen würde, der für das mikrobiologischen Wachstum hinderlich ist. Durch das von den Stickstofffixierern produzierte Ammonium wird ein saurer pH-Wert abgepuffert und der pH-Wert im Reaktor in einem für Mikroorganismen optimalen Bereich gehalten (pH-Wert Optimum für
Mikroorganismen im Reaktor liegt bei 7} . Durch die mittels Mikroorganismen bereitgestellte pH-Wert Stabilisierung kann das Verfahren eigenstabil ablaufen und auf die Zugabe externer Chemikalien verzichtet werden.
In vorteilhafter Weise ist das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend weitergebildet, dass die Biomasse vor dem mikrobiologischen Aufsohluss einer thermischen
Vorbehandlung unterworfen wird, wobei insbesondere
Vorgesehen ist, dass die thermische Vorbehandlung drucklos abläuft .
Durch den/das bei der thermischen Vorbehandlung unter
Temperatureinwirkung entstehende/n Dampf/Kondensat wird der Biomasseabbau beschleunigt. Der mikrobiologische Abbau kann im nächsten Schritt daher wesentlich schneller und
effizienter erfolgen.
Insbesondere wird die Biomasse im Zuge der thermischen Vorbehandlung bei hoher Feuchtigkeit Uber dem
Fasersättigungspunkt immer wieder rasch auf eine Temperatur von über 60°C, insbesondere auf 60-100°C erhitzt, was eine Zerstörung der in der Biomasse enthaltenen Fasern
(sogenannter „Zellkollaps") und somit eine optimale
Vorbereitung für den nachfolgenden mikrobiologischen Abbau bedingt. Durch stetiges Verdampfen und Kondensieren von Feuchtigkeit wird das in der Biomasse enthaltene Lignin und die Lignocellulose von innen her zerstört, d.h. die Biomasse durch Wasser in der Struktur sozusagen von innen her aufgesprengt.
Die bei der Vorbehandlung freigesetzten organischen Stoffe (u.a. Gerbsäuren), die erhöhte Temperatur und das Rauchgas („Räuchern*) haben keiraabtütende Wirkung, wodurch eine Inertisierung (Sanitisierung, Pasteurisierung,
Hygienisierung im weiteren Sinne) erzielt wird. Damit ist ein eigener Verfahrensschritt, um potenziell störende
Mikroorganismen in der Biomasse abzureichern bzw. zu entfernen, nicht notwendig.
Die thermische Vorbehandlung sorgt also für eine
Inaktivierung von nicht im Reaktor gewünschten
Fremdorganismen und ist essentiell für einen schnellen und effizienten mikrobiologischen Abbau von cellulosehaltigen Strukturen im Folgeschritt, wodurch sich wesentlich kürzere Verweilzeiten der Biomasse im Reaktor ergeben und das
Verfahren insgesamt schneller abläuft.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere
dahingehend weitergebildet sein, dass der wenigstens eine Reaktor einen Aufschlussbioreaktor und einen Bioreaktor umfasst und der Aufschluss der Biomasse durch die aeroben, holzabbauenden, Cellulase produzierenden Mikroorganismen im Aufschlussbioreaktor vorgenommen wird und der Aufschluss der Biomasse durch die aeroben, Stickstofffixierenden
Mikroorganismen im dem Aufschlussbioreaktor
nachgeschalteten Bioreaktor vorgenommen wird.
Die zellulosehaltige Biomasse wird hierbei einem
enzymatischen und einem chemischen Aufschluss unterworfen, wobei die Biomasse stetig zersetzt wird. Weiters profitieren die int nachgeschalteten Bioreaktor befindlichen Mikroorganismen von den im Aufschlussbioreaktor
synthetisierten Stoffwechselprodukten der im
Aufschlussbioreaktor befindlichen Mikroorganismen, da stickstofffixierende Bakterien unter Anderem Kohlenhydrate als Energie- und Brennstoffquelle nutzen und eben diese durch den Aufschluss der Biomasse im Aufschlussbioreaktor entstehen. Wie bereits erwähnt wird die Zellulose der zellulosehaltigen Rohstoffe von Cellulase produzierenden, holzabbauenden Mikroorganismen in Glucose, Cellobiose und Cello-Oligosaccharide aufgespalten, welche dann wiederum als Energiequelle für die im Bioreaktor befindlichen
Bakterien und insbesondere auch für die Mikroorganismen in einem dem Bioreaktor nachgeschalteten Biogasfermenter nutzbar sind.
Bevorzugt kann der Aufschlussbioreaktor eine
Tropfkörperkolonne umfassen.
Alternativ zum Bioreaktor kann der Aufschluss der Biomasse durch die aeroben, Stickstofffixierenden Mikroorganismen bevorzugt auch in einer dem Aufschlussbioreaktor
nachgeschalteten Tropfkörperkolonne vorgenommen werden.
Der Aufschlussbioreaktor ist vorzugsweise als
Schachtreaktor ausgeführt, der im untersten Bereich direkt auf dem Auflagerost, mit Füllkörpern gefüllt ist, d.h. der untere Teil des Aufschlussbioreaktors ist als
Füllkörperschüttung ausgeführt. Der fraktionierte Rohstoff, beispielsweise Strauchhackschnitzel, wird in den oberen
Teil des Schachtes gefördert und bildet eine stetig nach unten wandernde Schüttung. Aufschlussbioreaktor und
Bioreaktor können hierbei jeweils als eigene Apparate ausgebildet sein. Vorzugsweise werden diese jedoch in einem einzigen Apparat zusaramengefasst.
In vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend weitergebildet sein, dass zumindest ein Teil der mikrobiologisch aufgeschlossenen Biomasse und/odez ein Teil der Mikroorganismen aus dem Aufschlussbioreaktor und und/oder ein Teil der Mikroorganismen aus dem Bioreaktor einem Biogasfermenter zugeführt wird.
In einem Biogasfermenter wird Biomasse in einem
mehrstufigen Prozess (Hydrolyse, Acidogenese, Actetogenese, Methanogenese) von im Biogasfermenter befindlichen
Mikroorganismen in Biogas (Mischung aus CHi und CO2) umgewandelt .
Durch den vor der Fermentation stattfindenden
mikrobiologischen Aufschluss wird eine Konversion biogener Rohstoffe in Biogas ermöglicht, wobei die mikrobiologisch aufgeschlossene Biomasse eine geringere Verweilzeit des Substrates im Biogasfermenter bedingt, da die Biomasse durch die im Fermenter befindlichen Mikroorganismen
leichter verwertet werden kann.
Neben dem eigentlichen Aufschluss der eingesetzten Biomasse haben die eingesetzten Mikroorganismen auch die Funktion und den großen Vorzug, dass deren intrazelluläre
Speicherstoffe wertvolle Substratbestandteile für den
Biogasfermenter sind.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass
Überschussbiomasse aus dem Biogasfermenter abgezogen und einer Filtration unterworfen wird und das Filtrat dem Aufschlussbioreaktor zugeführt wird.
Die Abtrennung der Überschussbiomasse mittels Fest- Flüssigtrennung mit (partieller) Filtratrückführung ist insofern vorteilhaft, da die Fementationsbrühe im Prozess verbleibt und der Prozesswasserbedarf sinkt bzw. sich die Entsorgung der Gärreste verringert. Dies ist insbesondere bei kommunalen Anlagen von Vorteil und Uberall dort, wo keine ausreichenden landwirtschaftlichen Flächen zur Ausbringung der Gärreste verfügbar sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in vorteilhafter Weise derart weitergebildet, dass Nährstoffe aus dem Bioreaktor in flüssiger, gelöster und suspendierter Form in den Aufschlussbioreaktor rezirkuliert werden, wobei zumindest ein Teil der Nährstoffe aus dem Aufschlussbioreaktor zuläuft.
Das damit zugeführte Ammonium, welches im Bioreaktor aus Luftstickstoff fixiert wird, hat einen stabilisierenden Effekt auf den pH-Wert im Aufschlussbioreaktor.
Wie bereits zuvor erwähnt profitieren die im Bioreaktor befindlichen Mikroorganismen von den im
Aufschlussbioreaktor synthetisierten Stoffwechselprodukten der dort lebenden Mikroorganismen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in vorteilhafter Weise dahingehend weitergebildet, dass die Temperatur in der thermischen Vorbehandlung zwischen 60°C und 100"C,
insbesondere auf 80°C gehalten wird. Durch die hochmobile kondensierende Dampfphase, wie sie in der Vorbehandlung vorherrscht, ergeben sich hohe
Penetrationsraten der Biomasse. Schwankende Temperaturen sind dabei durchaus vorteilhaft, da der induzierte
Phasenwechsel von Dampf/Kondensat (fest/flüssig) den
Biomasseabbau zusätzlich beschleunigt. Insbesondere wird die Temperatur in der thermischen Vorbehandlung im Mittel auf etwa 80°C gehalten.
Das Verfahren kann bevorzugt dahingehend weitergebildet sein, dass die Temperatur im Aufschlussbioreaktor auf ca. 20°C bis 40°C gehalten wird. Insbesondere kann es
vorgesehen sein, dass die Temperatur im Bioreaktor auf ca. 30°C gehalten wird.
Die den Aufschlussbioreaktor besiedelnden aeroben,
holzabbauenden, Cellulase produzierenden Mikroorganismen weisen bei ca. 20°C bis 40°C ein optimales
Wachstumsverhalten auf. Talaromyces emersonii weist beispielsweise bei ca. 40°C ein optimales
Wachstumsverhalten auf, wobei Fusarium solani bei ca. 25°C und Trichoderma viride bei ca. 24°C optimal wächst.
Auf der direkt Ober dem Auflagerost angeordneten
SchUttung/Packung (Tropfkörper/Füllkörper) bilden die
Mikroorgansimen einen biologischen Rasen, welcher die suspendierte Biomasse aus der darUberliegenden
BiomasseschUttung weiter zersetzt. Damit wird der Schlupf von unzersetzter zellulosehaltiger Biomasse in den
Bioreaktor bzw. den anschließenden Fermenter reduziert und die Raumzeitausbeute erhöht. Die optimale Temperatur für die im Bioreaktor befindlichen Stickstofffixierer liegt bei ca. 30eC.
Auch im Aufschlussbioreaktor herrschen hochmobile
kondensierende Dampfphasen vor, wodurch die
Penetrationsrate der Biomasse äußerst effektiv abläuft. Durch kondensierende Dämpfe und Berieselung mit Suspension wird weiters gewährleistet, dass ein immerwährender
Abtransport von mikrobiologischen und chemischen
Reaktionsprodukten stattfindet und ein beschleunigter Stoffumsatz begünstig wird.
Der Aufschlussbioreaktor und der Bioreaktor können
apparativ kombiniert werden, wobei die Temperaturen im oberen Aufschlussbioreaktorteil z.B. für Talaromyces emersonii auf ca. 40°C und im unteren Bioreaktorteil auf ca. 30°C gehalten werden.
Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend weitergebildet, dass im Biogasfermenter produziertes Biogas einer Brenneinheit, insbesondere einem Brenner eines
Blockheizkraftwerks zugeführt wird.
In vorteilhafter Weise ist das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend weitergebildet, dass Abluft aus der
Brenneinheit die thermische Vorbehandlung durchströmt.
Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Abluft aus dem Aufschlussbioreaktor insbesondere zur thermischen Vorbehandlung der Brennereinrichtung zugeführt wird. Die Abluft dient hierbei als Zuluft für den Brenner.
Weitere dient eine derartige Verfahrensführung der
Abreicherung von möglichen Geruchs- und Luftschadstoffen.
Durch die vorgenannten Schritte wird ein autarker Prozess realisiert, der im Sinne der regenerativen Energieerzeugung Wärme respektive Strom abgeben kann, wobei die in der
Vorbehandlung und für die Mikroorganismen benötigte Wärme aus anderen dem Verfahren zugehörigen Komponenten abgezogen und in die Vorbehandlung eingeleitet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in vorteilhafter Weise derart weitergebildet, dass Abluft aus der thermischen Vorbehandlung einer Kondensation unterworfen wird und das Kondensat dem Bioreaktor zugeführt wird, wobei bevorzugt ein Teilstrora in die thermische Vorbehandlung rückgeführt wird.
Die Biomasseschüttung der Vorbehandlung mit ihrer großen Oberfläche in Kombination mit dem Kondensator dient
gleichzeitig als Wäscher/Filter für Geruchsstoffe der mikrobiologischen Verfahrensschritte. Zusätzliche Apparate oder Einrichtungen sind dafür daher nicht notwendig.
Durch Rückführung des Kondensats wird weiters der
notwendige Wasserbedarf minimiert.
Vorzugsweise ist der Kondensator mit Kontaktfächen hoher Oberfläche (Packung, Tropfenabscheidern) ausgestattet, wodurch er gleichzeitig eine Wäscherfunktion ausübt. Damit werden Geruchsstoffe, die in geringem Maße im Abgas
enthalten sind (abhängig von der Art der eingesetzten
Biomasse), in die wässrige Phase gebracht und rückgeführt. Dies gilt ebenfalls für Ammoniak/ welcher auch in der BiomasseschUttung mit dem Kohlendioxid der Verbrennung partiell gebunden wird.
Das vorliegende Ammonium bildet mit Kohlendioxid der
Verbrennung und insbesondere jenem der Methanbildung
Ammoniumsalze (Karbonate) .
Die Oberschussbiomasse der Biogasproduktion wird nach dem Stand der Technik abgetrennt und bildet einen mit
StickstoffVerbindungen angereicherten Biodünger. Die dabei abgetrennte Flüssigkeit kann partiell in den Prozess rückgeführt werden.
Im Vergleich zu pflanzlicher Kompostierung der eingesetzten Biomasse enthält die Oberschussbiomasse aus der
Biogasproduktion einen nennenswerten Stickstoffanteil und hat somit eine höhere Düngequalität.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere
dahingehend weitergebildet sein, dass während der
thermischen Vorbehandlung Pflanzeninhaltsstoffe bzw.
ätherische öle aus der Biomasse extrahiert werden, die über die Abluft ausgetragen und im Kondensator in das Kondensat überführt und aus dem Kondensat abgetrennt werden.
In der Vorbehandlung laufen neben thermischen auch
extraktive und destillative Vorgänge ab. Dadurch werden Pflanzeninhaltsstoffe (ätherische Öle, z.B. Terpene) freigesetzt und im Falle der Flüchtigkeit analog der
Wasserdampfdestillation und unterstützt durch den
Rauchgasstrom, d.h. die Abluft aus der Brenneinheit, die die thermische Vorbehandlung durchströmt, ausgetragen und in das Kondensat überführt. Diese können durch
Dichtetrennung mit einem Dekanter aus dem Kondensat
abgetrennt werden, wobei das Wasser in den Prozess
zurückgeführt wird.
Interessant ist beim Vorhandensein geeigneter Biomasse die Möglichkeit, neben Strom, Wärme und Biodünger als
Nebenprodukt auch ätherische öle und Hydrolate gewinnen zu können oder umgekehrt bei der Gewinnung von ätherischen ölen auch Strom und Wärme zu erzeugen. Die Co-Produktion von ätherischen ölen und Hydrolaten kann beispielsweise aus Abfallrinden von Sägereien oder Abfallfraktionen beim
Holzschlag (Aste, Nadeln) erfolgen. Es können damit
beispielsweise (Zirbel) Kieferöle, Fichtenöle, Tannenöle oder Gemische erzeugt werden. Auch die Herstellung von Zitrusölen, Orangenölen, Sandelholzölen oder ölen aus
Seetang sind auf diese Weise möglich. Die ölgemische können als Aroma- oder Duftstoffe beispielsweise in der
Kosmetikindustrie, der Medizin, der
Nahrungsmittelindustrie, als Insektizide oder in der
Farbproduktion (Lacke, öle) eingesetzt werden.
Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass dem
Aufschlussbioreaktor und dem dem Aufschlussbioreaktor nachgeschalteten Bioreaktor Luft von unten zugeführt wird.
Da es sich sowohl bei den im Aufschlussbioreaktor als auch bei den im Bioreaktor befindlichen Mikroorganismen um aerobe Mikroorganismen handelt, ist eine Luftzufuhr von unterhalb beider Komponenten vorteilhaft, da dadurch ausreichend Luft in beide Komponenten eingespeist wird, wobei nur eine Zuleitung notwendig ist. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von
Anwendungsbeispielen näher erläutert.
Anwendungabeisplel 1
Strauchschnitt, Gartenabfälle, Bambus, Seetang und
minderwertige Holzhackschnitzel mit hohem Grünanteil werden diskontinuierlich von oben in einen Silobunker im
Containerformat gefüllt. Dieser ist mit einem Schubboden und darunterliegenden Schlitzblechen ausgestattet.
Unterhalb der Bleche werden warme Verbrennungsabgase zugeführt, welche die Biomasseschüttung nach oben hin durchströmen. Dadurch wird die Biomasse in einem
Temperaturfenster zwischen 60*C und 95"C gehalten, im
Mittel um die 80°C.
Oberhalb der Schüttung wird die Abluft seitlich abgezogen und durch einen Kondensator geführt. Der Kondensator wird in Anwendungsbeispiel 1 aufgrund der moderaten
Umgebungstemperatur nicht aktiv, sondern passiv gekühlt. Das dabei anfallende Kondensat wird in den Frozess
rückgeführt .
Im Anschluss an den Schubboden befindet sich eine
Trogschnecke. Die Biomasse wird darüber in eine folgende Steigschnecke geführt, welche wiederum in den
Aufschlussbioreaktor dosiert. Die Förderschnecken werden als Auskühlzone verwendet. Die Biomasse wird dabei auf die Aufschlussbioreaktortemperatur von etwa 40°C abgekühlt.
Der Aufschlussbioreaktor ist ein thermisch isoliertes
Standsilo. Auf dem ersten Drittel ist ein Auflagerost mit einer Füllkörperschüttung angeordnet. Die oben eingetragene Biomasse bildet auf der Schüttung eine luftdurchlässige Schicht aus. Unterhalb der Füllkörperschüttung wird Luft zugeführt, welche das Standsilo oben verläset und als Zuluft in den Brenner geführt wird bzw. bei dessen
Stillstand (diskontinuierliche Brennerführung} unterhalb der Schlitzböden in den Silobunker geführt wird.
In der Biomasseschicht und der darunter liegenden
Tropfkörperkolonne werden bei ca. 40°C aerobe
Mikroorganismen der Gattung Talaromyces emersonii
kultiviert. Sie zersetzen die Biomasseschicht sukzessive. Die dabei entstehenden Abbauprodukte fließen inklusive Überschussbiomasse suspendiert und gelöst in den
darunterliegenden Bioreaktor.
Im Bioreaktor werden bei 30eC aerobe Mikroorganismen der Gattung Azotobacter beijerinkcii kultiviert. Die
abfließende Suspension hat einen pH Wert von 7+/-0,5. Ein Teilstrom wird in den Aufschlussbioreaktor rückgeführt. Der zweite Teilstrom wird als Substrat abgetaucht in den
Biogasreaktor (Fermenter) geführt. Zusätzlich werden
Kondensat des Kondensators und optional überstehendes
Hasser aus der Fest-Flüssigtrennung der Biogasherstellung in den Bioreaktor eingebracht.
Das Inokulum erfolgt für Talaromyces emersonii über die Rezirkulationsleitung und für Azotobacter beijerinkcii über den Kondensatrücklauf.
Der Biogasfermenter wird nach dem Stand der Technik und für das Anwendungsbeispiel mesophil im Temperaturbereich des mikrobiologischen Aufschlusses betrieben. Darin werden anaerobe Methanbildner nach dem Stand der Technik kultiviert (zB Hefen, Clostridia, Zymomonas, Hethanogene) .
Eine Rückführung von Filtrat aus der Abtrennung der
Oberschussbiomasse hat sich per se nicht negativ auf das Verfahren ausgewirkt. Bis dato wurde jedoch kein
vollständiger Kreislaufschluss über längere Zeit
durchgeführt, da sich damit auch Wachstumsinhibitoren aufkonzentrieren könnten.
Das Biogas wird im Anwendungsbeispiel mit Luftsauerstoff in einem Brenner verbrannt. Das Abgas wird nach der
Rauchgaskondensation in den Silobunker geführt. Das heiße Rauchgaskondensat wird in die Biomasseschüttung des
Silobunkers gepumpt.
Im Anwendungsbeispiel ergeben sich folgende
Volumsverhältnisse und Durchsätze:
Aufschlussbioreaktor ca. 8m3
Füllkörperschüttung ca. Im3
Bioreaktor ca. 3m3
Biogas-Fermenter ca. 2m3
Vorbehandlung 50m'
Einsatzmenge Biomasse ca. 10 Schüttmeter pro Tag
Austrag Schlamm ca. 300kg (TS) pro Tag
Leistung 350kW thermisch (Heizwert) , 100kW elektrisch
Weiters kann eine Co-Produktion von ätherischen Ölen stattfinden:
Dazu wird die Kondensation zweistufig durchgeführt. Im Hauptkondensator wird das Abgas der Vorbehandlung mit der Abluft des Aufschlussbioreaktors im Gegenstrom abgekühlt. Der Nachkondensator wird sekundärseitig mit Umgebungsluft gekühlt, die im Aufschlussbioreaktor verwendet wird. Das Kondensat aus beiden Stufen wird sifoniert in einen
Dekanter geleitet. Die schwere, wässrige Phase wird unten abgezogen und in den Prozess rückgeführt. Die leichtere organische Phase wird oben abgezogen und als Co-Produkt verwertet. Die Temperatur in der thermischen Vorbehandlung kann dabei auch am Siedepunkt von Wasser liegen.
Bei der Co-Produktion von ätherischen Ölen hat sich
gezeigt, dass die Zugabe von Lauge (Natronlauge, Kalklauge) bei der Vorbehandlung die Ausbeute durch Erhöhung der
Laugungs-ZExtraktionsrate verbessert und ein pH Wert von 8+/-1 bei der Vorbehandlung den Gesamtprozess nicht negativ beeinflusst .
Anveadungab*iapittl 2
Verfahren und Vorrichtung zur Biogasherstellung sind inklusive Hilfseinrichtungen, Steuerung und
Blockheizkraftwerk in einem 20 Fuss Iso-Container
integriert. Sicherheitstechnische Einrichtungen (Fackel) und der Rückkühler sind außen am Container angebracht.
Ebenfalls außerhalb des Containers befindet sich ein optionaler Gasspeicher.
Betriebsdaten:
Volumen Vorbehandlung 2m3
Aufschlussbioreaktor ca. 300L
Bioreaktor ca. 100L
Biogas-Fermenter ca. 70L
Einsatzmenge Biomasse ca. 0,4 Schüttmeter pro Tag Austrag Schlamm ca. 12kg (TS) pro Tag Leistung BHKW: 15kW thermisch, 4kW elektrisch
Die zerkleinerte Biomasse wird diskontinuierlich in einen 2ma großen Silobunker eingesaugt. Am Bunkerboden werden warme Verbrennungsabgase zugeführt, welche die
Biomasseschüttung nach oben hin durchströmen. Dadurch wird die Biomasse in einem Temperaturfenster zwischen 60°C und 95°C gehalten, im Mittel um die 80°C.
Oberhalb der Schüttung wird die Abluft abgezogen und in einen Kondensator geführt, der sich vorzugsweise auf dem Containerdach befindet und dort von der Umgebungstemperatur passiv gekühlt wird. Das dabei anfallende Kondensat wird in den Prozess rückgeführt.
Mit einer Austragsschnecke wird die Biomasse in den
Aufschlussbioreaktor dosiert. Die Förderschnecke wird als Auskühlzone verwendet. Die Biomasse wird dabei auf die Bioreaktortemperatur von etwa 40°C abgekühlt.
Der Aufschlussbioreaktor ist ein thermisch isolierter
Behälter. Der untere Bereich ist mit einer
Füllkörperschüttung gefüllt, die unten auf einem Rost aufliegt. Die oben eingetragene Biomasse bildet auf der Schüttung eine luftdurchlässige Schicht aus.
Unterhalb der Füllkörperschüttung wird Luft aus dem
Bioreaktor zugeführt, welche den Behälter oben verlässt und als Zuluft in den Brenner geführt wird bzw. bei dessen Stillstand (diskontinuierliche Brennerführung) in den
Bodenbereich des Silobunkers geführt wird.
In der Biomasseschicht werden bei ca. 40°C aerobe
Mikroorganismen der Gattung Talaromyces emersonii kultiviert. Sie zersetzen die Biomasseschicht sukzessive. Die dabei entstehenden Abbauprodukte fließen inklusive Überschussbiomasse suspendiert und gelöst über die
Füllkörperschüttung in den Bioreaktor.
Zusätzlich werden Kondensat des Kondensators und optional überstehendes Wasser aus der Fest-FlUssigtrennung der Biogasherstellung in den Bioreaktor eingebracht. Im
Bioreaktor werden bei 30°C aerobe Mikroorganismen der Gattung Azotobacter beijerinkcii kultiviert. Über ein Verteilrohr wird dem Bioreaktor dazu im unteren Bereich Luft zugeführt, welche durch die Flüssigkeit wandert und aus dem Brüdenraum in den Aufschlussbioreaktor geleitet wird.
Die abfließende Suspension hat einen pH Wert von 7+7-0,5. Ein Teilstrom wird auf die Biomasseschicht rückgeführt. Der zweite Teilstrom wird als Substrat abgetaucht In den
Biogasreaktor (Fermenter) geführt.
Die Biogasherstellung produziert Biogas nach dem Stand der Technik, das in einem Blockheizkraftwerk energetisch verwertet wird. Letzteres hält mit einem
Wärmeträgerkreislauf den Aufschlussbioreaktor, den
Bioreaktor und den Fermenter auf Betriebstemperatur. Das Rauchgas wird in den Silobunker geführt.
Jkaw*ndnngab«iepi«l 3
Die Vorrichtung zum Aufschlussverfahren zur
Biogasherstellung ist in Anlehnung an die
Biogasanlagentechnik als ortsfeste Anlage in Stahlbeton ausgeführt. Betriebsdaten:
Volumen Vorbehandlung 1000m3
Aufschlussreaktor 150m*, Durchmesser 5m, Höhe 10m Bioreaktor 60m3, Durchmesser 5m, Höhe 3m
Biogas-Fermenter 40m3
Einsatzmenge Bioraasse ca. 200 Schattmeter pro Tag Leistung 6,5MW thermisch, 2MW elektrisch
Die zerkleinerte Biomasse wird über eine Aufgabevorrichtung diskontinuierlich in einen rechteckigen Silobunker aus Ortsbeton - analog der Bunkertechnik für Holzhackschnitzel - chargiert. Am Bunkerboden werden über Schlitzbleche warme Verbrennungsabgase zugeführt, welche die Biomasseschüttung nach oben hin durchströmen. Dadurch wird die Biomasse in einem Temperaturfenster zwischen 60*C und 95°C gehalten, im Mittel um die 80°C.
Oberhalb der Schüttung wird die Abluft abgezogen und in einen Kondensator geführt, der dort von der
Umgebungstemperatur vorzugsweise passiv gekühlt wird. Das dabei anfallende Kondensat wird in den Prozess rückgeführt. Hit einem Schubrostboden und einer Austragsschnecke wird die Biomasse in den Aufschlussbioreaktor dosiert. Die
Förderschnecke wird als Auskühlzone verwendet. Die Biomasse wird dabei auf die Aufschlussbioreaktorteroperatur von etwa 40°C abgekühlt.
Der Aufschlussbioreaktor ist ein thermisch isoliertes
Stahlbetonsilo mit rundem Querschnitt. Die
Biomasseschüttung liegt im ersten Drittel auf einem Rost auf welchem Füllkörper angeordnet sind und bildet eine luftdurchlässige Schicht aus, die von unten mit Luft aus den Bioreaktor durchströmt wird. Die Luft wird im Silo in Umluftbetrieb Über Füllkörper- und Biomasseschüttung zirkuliert und dabei auf 40°C thernostatisiert.
In der Biomasseschicht werden bei 40°C aerobe
Mikroorganismen der Gattung Talaronyces emersonii
kultiviert. Sie zersetzen die Biomasseschicht sukzessive. Die dabei entstehenden Abbauprodukte fließen inklusive Oberschussbiomasse suspendiert und gelöst über die
Füllkörperschicht in den Bodensumpf des Silos.
Die Suspension aus dem Aufschlussbioreaktox läuft Uber den Auflagerost in den Bioreaktor. Von unten wird über einen Verteilring auf 30*C thennostatisierte Luft eingeblasen.
Im Bioreaktor werden bei 30"C aerobe Mikroorganismen der Gattung A2otobacter beijerinkcii kultiviert. Die dabei entstehenden Abbauprodukte werden inklusive
Überschussbiomasse suspendiert und gelöst in den
Aufschlussbioreaktor rezirkuliert. Ein Teilstrom wird als Substrat in den Biogasreaktor (Fermenter) geführt. Die abfließende Suspension hat einen pH Wert von 7+/-0,5.
Zusätzlich werden Kondensat des Kondensators und optional überstehendes Wasser aus der Fest-Flüssigtrennung der Biogasherstellung in den Bioreaktor eingebracht.
Die Biogasherstellung produziert Biogas nach dem Stand der Technik, das in einem Blockheizkraftwerk energetisch verwertet wird. Letzteres hält mit einem
Wärmeträgerkreislauf den Fermenter und die
Silokonstruktionen auf Betriebstemperatur. Das Rauchgas wird in den Silobunker geführt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung Schematisch dargestellten
Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 einen Verfahrensablauf gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und Fig. 2 einen Verfahrensablauf gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 ist die thermische Vorbehandlung mit 1
bezeichnet. Der thermischen Vorbehandlung 1 nachgeschaltet zeigt Fig. 1 einen Aufschlussbioreaktor 2, sowie ein dem Aufschlussbioreaktor 2 nachgeschalteter Bioreaktor 3, einen dem Bioreaktor nachgeschalteten Fermenter 4 und eine
Brennereinrichtung 5, wobei die Brenneinrichtung alternativ auch eine Verbrennungskraftmaschine sein kann.
Ober die Biomasseeingabe 6 wird die aufzuschließende
Biomasse in die thermische Vorbehandlung 1 eingebracht und folgend in den Aufschlussbioreaktor 2 dosiert. Der
Aufschlussbioreaktor 2 ist vorzugsweise als Schachtreaktor ausgeführt. Der Bioreaktor 3 ist als begaster Rührkessel ausgeführt, wobei bei guter Gasverteilung mittels
Verteilrohren ein Rührwerk nicht unbedingt notwendig ist. Die aufzuschließende Biomasse, beispielsweise
Strauchhackschnitzel, wird aus der thermischen
Vorbehandlung 1 in den oberen Teil des
Aufschlussbioreaktors 2 gefördert und bildet eine stetig nach unten wandernde Schüttung.
Die Bioraasse wird in der thermische Vorbehandlung 1, dem Aufschlussbioreaktor 2 und dem Bioreaktor 3 unter
Teraperatureinwirkung und durch die chemisch-physikalische Wirkung von Dämpfen bzw. Kondensat, sowie der enzymatischen und abbauenden Wirkung der im Aufschlussbioreaktor 2 und dem Bioreaktor 3 befindlichen Mikroorganismen stetig zersetzt.
In der Vorbehandlung 1 wird die Biomasse thermisch
behandelt, wobei Abluft aus der Brennereinrichtung 5 über die Leitung 7 in die thermische Vorbehandlung 1 eingeleitet wird und diese durchströmt. So wird die Temperatur in der thermischen Vorbehandlung auf Temperaturen zwischen 60°C und 100 °C erwärmt und auch auf diesem Temperatumiveau gehalten.
Im Aufschlussbioreaktor 2 und im Bioreaktor 3 sind aerobe Mikroorganismen angesiedelt, um die Biomasse
mikrobiologisch aufzuschließen. Die notwendige Luft ftir die aerobe Mikrobiologie wird im Bioreaktor 3 über die Leitung 8 von unten zugeführt, durchströmt den Bioreaktor 3 von unten nach oben und erreicht über die Leitung 9 den
Aufschlussbioreaktor 2, welcher ebenfalls von unten nach oben mit Luft durchströmt wird. Bei Bedarf kann die Luft mit (Ab)Wärme aus der Brennereinrichtung 5 auf die optimale Wachstumstemperatur der Mikroorganismen vorgewärmt werden.
Die Abluft aus dem Aufschlussbioreaktor 2 wird als Zuluft der Brennereinrichtung zugeführt (in Fig.l nicht
dargestellt) oder Uber die Leitung 10 in die Vorbehandlung 1 geleitet, die gleichzeitig ein Biofilter für Dämpfe/Gase aus den Bioreaktoren ist. Die feuchten Abgase aus der
Vorbehandlung 1 werden über Leitung 11 aus dem Prozess abgezogen.
Aus dem Bioreaktor 3 werden laufend Nährstoffe in
flüssiger, gelöster und suspendierter Form in den Aufschlussbioreaktoi 2 rezirkuliert (Kreislaufführung mit 17 bezeichnet) . Aus dem Bioreaktor 3 wird ein Teil der aufgeschlossenen Biomasse und die Mikroorganismen über die Leitung 12 in den Biogasfermenter 4 geführt, wo diese als Substrat für die dort stattfindende Fermentation dienen. Uberstehende Flüssigkeit aus dem Biogasfermenter 4 kann optional und partiell über die Leitung 13 in den Bioreaktor 3 rückgeführt werden und Überschussbiomasse wird über die Leitung 14 abgezogen.
Ober die Leitung 15 gelangt Biogas aus dem Fermenter 4 in die Brennereinrichtung 5, welche über die Leitung 16 mit Luft versorgt wird.
Fig. 2 zeigt ebenfalls eine thermischen Vorbehandlung 1, einen Aufschlussbioreaktor 2, einen Bioreaktor 3, einen Fermenter 4 und eine Brennereinrichtung 5, wobei der
Aufschlussbioreaktor 2 und der Bioreaktor 3 in dieser
AusfUhrungsform einteilig ausgebildet sind.
Baugleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig.l versehen.
Die Abluft aus dem Aufschlussbioreaktor 2 wird über die Leitung 10 in die Vorbehandlung 1 geleitet (bzw. optional zuerst über die Brennereinrichtung geführt), die
gleichzeitig ein Biofilter für Dämpfe/Gase aus den
Bioreaktoren ist. Die feuchte Abluft aus der Vorbehandlung 1 wird - im Unterschied zur in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsform - über die Leitung 11' in einen Kondensator 21 geführt, dort auskondensiert und über die Leitung 18 in den Prozess zurückgeführt. Die Abluft aus dem Kondensator 21 wird über die Leitung 19 abgezogen. Vorzugsweise ist der Kondensator 21 mit Kon.taktfa.chen hoher Oberfläche (Packung, Tropfenabscheidern) ausgestattet, wodurch er gleichzeitig auch eine Wäscherfunktion ausübt. In der Vorbehandlung 1 laufen neben thermischen auch extraktive und destillative Vorgänge ab. Dadurch werden Pflanzeninhaltsstoffe freigesetzt und im Falle der
Flüchtigkeit analog der Wasser- bzw.
Trägerdampfdestillation mit zusätzlichem Gasstrom 7 aus der Brenneinheit 5 in die Flüssigphase und in Folge in die
Dampfphase überführt. Die Dämpfe 11 ' werden im Kondensator 21 auskondensiert. Diese können dann durch Dichtetrennung mit einem Dekanter, der vorzugsweise in den Kondensator 21 integriert ist, aus dem Kondensat abgetrennt werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Verwertung von zellulosehaltiger
Biomasse, wie z.B. Hackschnitzel, Strauchschnitzel, Seetang oder Bambus, umfassend das Aufschließen der
zellulosehaltigen Biomasse in wenigstens einem Reaktor, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufschluss der Biomasse eingesetzte Enzyme und/oder chemische Verbindungen durch aerobe Mikroorganismen in dem wenigstens einen Reaktor in situ mikrobiologisch hergestellt werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem wenigstens einen Reaktor aerobe, holzabbauende, Cellulase produzierende Mikroorganismen, insbesondere
Fusarium solani, Trichoderma viride oder Talaromyces emersonii eingesetzt werden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass in dem wenigstens einen Reaktor aerobe, Stickstofffixierende Mikroorganismen, insbesondere Mikroorganismen der Gattung Azomonas oder Azotobacter eingesetzt werden.
4« Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, dass die Biomasse vor dem mikrobiologischen Aufschluss einer thermischen Vorbehandlung (1) unterworfen wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Reaktor einen Aufschlussbioreaktor (2) und einen Bioreaktor (3) umfasst und der Aufschluss der Biomasse durch die aeroben,
holzabbauenden, Cellulase produzierenden Mikroorganismen im Aufschlussbioreaktor (2) vorgenommen wird und der Aufschluss der Biomasse durch die aeroben,
Stickstofffixierenden Mikroorganismen im dem
Aufschlussbioreaktor (2) nachgeschalteten Bioreaktor (3) vorgenommen wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der mikrobiologisch
aufgeschlossenen Biomasse und/oder ein Teil der
Mikroorganismen aus dem Aufschlussbioreaktor (2) und/oder ein Teil der Mikroorganismen aus dem Bioreaktor (3} einem Biogasfermenter (4) zugeführt wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Oberschussbiomasse aus dem Biogasfermenter (4) abgezogen und einer Filtration unterworfen wird und das Filtrat dem Aufschlussbioreaktor (2) zugeführt wird.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass Nährstoffe aus dem Bioreaktor (3} in flüssiger, gelöster und suspendierter Form in den
Aufschlussbioreaktor (2) rezirkuliert werden, wobei
zumindest ein Teil der Nährstoffe aus dem
Aufschlussbioreaktor (2) zuläuft.
9. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur in der thermischen Vorbehandlung (1) zwischen 60ÖC und 100°C, insbesondere auf 80°C gehalten wird.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Aufschlussbioreaktor (2) auf ca. 20°C bis 40°C, gehalten wird.
11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Bioreaktor (3) auf ca. 30°C gehalten wird.
12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Biogasfermenter (4) produziertes Biogas einer Brenneinheit (5), insbesondere einem Brenner eines Blockheizkraftwerks zugeführt wird.
13. Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Abluft aus der Brenneinheit (5) die thermische
Vorbehandlung (1) durchströmt.
14. Verfahren einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, dass die Abluft aus dem
Aufschlussbioreaktor (2) ,. insbesondere zur thermischen Vorbehandlung (1) der Brennereinrichtung (5) zugeführt wird.
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Abluft aus der thermischen
Vorbehandlung (1) einer Kondensation unterworfen wird und das Kondensat dem Bioreaktor (3) zugeführt wird, wobei bevorzugt ein Teilstrom in die thermische Vorbehandlung (1) rückgeführt wird.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass während der thermischen Vorbehandlung (1)
Pflanzeninhaltsstoffe bzw. ätherische öle aus der Biomasse extrahiert werden, die über die Abluft ausgetragen und im Kondensator (21) in das Kondensat überfuhrt und aus dem Kondensat abgetrennt werden.
17. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem Aufschlussbioreaktor (2) und der dem Aufschlussbioreaktor 12) nachgeschaltete Bioreaktor (3} Luft von unten zugeführt wird.
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