NL8400764A - Werkwijze voor het produceren van methaan uit vast plantaardig materiaal. - Google Patents

Description

% ** η VO 6Q75 .

Werkwijze voor het produceren van methaan uit vast plantaardig materiaal.

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het produceren van methaan uit vast plantaardig materiaal.

In tegenstelling tot de anaerobe zuivering van opgelost organisch, afval. welke over het algemeen erg goed verloopt, bestaat 5- er· nog geen goed werkzaam, systeem om vast plantaardig afvalmateriaal om te zetten in biogas. De bestaande vaste stof^fermentoren werken over het algemeen vrij inefficiënt. Om een voorbeeld te geven:

In mestvergisters bedraagt de afbraak op CZV-basis (chemisch zuurstofverbruik) ongeveer 60% bij een verblijftijd van de mest van 10 è, 10 20 dagen en een. belasting van 1-5 kg CZV/m?.dag. De methaanproduktie is dan ongeveer 2 m3 /m? .dag. Dit betekent dat er voor de omzetting van een bepaalde afvalstroom relatief grote fermenteren noodzakelijk, zijn (lage belasting en lange verblijfsduur) .

m de pens van herkauwers (runderen, schapen, etc.) wordt 15 vast plantaardig materiaal (gras) op een zeer efficiënte wijze omgezet in methaan en vluchtige vetzuren. Bij dit proces is een uniek systeem van micro-organismen betrokken (pensciliaten en bacteriën).

De verblijftijd van gras in- de pens bedraagt ca. 30 uur bij een belasting (omgerekend) van ca. 40 kg CZV/m* .dag* De afbraak, bedraagt dan 20 ongeveer 70%. Een soortgelijk systeem wordt aangetroffen in het cecum van herbivoren.

De anaerobe afbraak van organisch materiaal geschiedt in een viertal fasen.

De bij de fotosynthese gevormde polymeren worden omgezet in 25 monomeren, zoals glucose (fase I), waaruit een groot aantal gistings-produkten ontstaat (fase II). Deze gistingsprodukten worden door acetaat— en/of waterstof vormende micro-organismen omgezet in azijnzuur, waterstof en. CO2 (fase III), stoffen die op hun beurt de specifieke voedingsstoffen zijn voor methaanvormende bacteriën (fase IV).

30 Dit proces vindt bijvoorbeeld plaats in de pens van herkauwers. Een niet onaanzienlijk gedeelte van het produkt van de fotosynthese (geschatte hoeveelheid 5 S. 10%) wordt op deze wijze omgezet; het hierbij gevormde methaan wordt door methaanoryderende bacteriën of door reacties in de ozonlaag van de atmosfeer omgezet in CO2 en komt op 35 deze- wijze- weer voor de fotosynthese ter beschikking·.

8400764 > -2-

Hat anaerobe afbraakproces van organisch materiaal kan ook plaatsvinden zonder deelneming van methaanvormende bacteriën.

De micro-organismen van fase III leveren dan azijnzuur en/of waterstof·. Echter in afwezigheid- van methaanbacteriën zal het milieu 5 verzuren en stijgt de waterstofspanning. Waterstof is een remmend produkt. van de anaerobe stofwisseling: het bij de waterstofvorming betrokken enzym.,, hydrogenase, werkt veelal, op reversibele wijze, waardoor de energieleverende oxydaties bij- ophoping van waterstof gehinderd worden.

10 In aanwezigheid van methaanbacteriën treedt een metabolische regeling van het gehele ecosysteem op via een drietal mechanismen: een pro tonregeling, waarbij zure produkten (azijnzuur en andere zuren) worden omgezet ia het inerte methaan en het zwak zure COj, 2. een elektronregeling, waarbij de methaanbacteriën de vorming en 15 verdere omzetting van waterstof (uit H+) mogelijk maken met als gevolg, dat zowel de organismen van fase III en IV energie kunnen winnen voor de groei en dat het organisch materiaal onder anaerobe omstandigheden volledig omgezet wordt in inerte materialen, 3. een voedingsstoffenregeling, welke niet alleen betrekking heeft op 20 de doorstroming van tussenprodukten van de afbraak, doch ook bij de levering van groeifaktoren (b.v. B^“verbindingen) aan de andere- organismen, inclusief de eventuele dierlijke gastheer.

De aanwezigheid van methaanbacteriën voorkomt de ophoping van zuren en het remmende waterstof en resulteert in de vorming van een 25 inert, en gemakkelijk af te scheiden produkt, het methaan.

De bestaande ecosystemen kunnen in een tweetal groepen ingedeeld worden: a- alle zoetwater systemen, inclusief de installaties voor biogasvorming en anaerobe zuivering, en 30 b. de zoutwater— en gastroIntestinale systemen.

m de ecosystemen van groep a (hierna de acetaatsystemen genoemd) wordt het methaan voor ca. 70% uit acetaat gevormd, terwijl in de systemen van groep b (hierna de waterstofsystemen genoemd) het methaan vrijwel volledig uit waterstof en CO^ ontstaat. De zoutwater-35 systemen, waarin sulfaatreducerende bacteriën een belangrijke rol spelen, worden hier verder buiten beschouwing gelaten. Onder de gastro- 8400764 —3— * * intestinale systemen nemen de pensen van herkauwers met een jaarlijkse produktie van 150-300 miljard methaan de belangrijkste plaats in.

De acetaatsystemen worden verder gekenmerkt door relatief lang-5 zame doorstroomsnelheden van het systeem ("vatwisselingen" van een week tot. enkele maanden)terwijl de waterstof systemen'relatief snel doorstromen ("vatwisselingen" van een of enkele dagen) . Mogelijk is dit toe te schrijven aan het feit dat de methaangisting de snelheids-beperkende stap vormt en dat de methaanbacteriën uit waterstof + CO^ 10 aanzienlijk meer (verandering vrije energie -131 KJ/mol methaan) energie kunnen winnen dan uit azijnzuur (verandering vrije energie -31 KJ/mol methaan). .

Uit deze gegevens zou men kunnen concluderen, dat zich in de natuur veelal een langzaam verlopend anaëroob acetaatsysteem instelt 15 bij de afbraak van organisch materiaal (vergelijkbaar met de stabiele situatie), doch dat zich daarnaast een snel verlopend proces kan instellen in talloze waterstofsystemen met een relatief grote (20% van het totaal) bijdrage in de jaarlijkse produktie op aarde (vergelijkbaar met de metastabiele situatie). Toepassing van het waterstof-20 systeem kan daarom grote voordelen hebben indien de condities voor de stabilisatie van het systeem bekend zijn.

Thans zal aandacht geschonken worden aan een aantal kenmerken van het systeem van de pens van herkauwers, dit vooral met het oog op feiten die voor het begrip van het voorkomen van een kennelijk vrij 25 stabiel waterstof systeem met relatief hoge doorstroming van belang zijn.

In de pens van herkauwers zijn de ciliaten (ca. 11 soorten behorende tot 9 geslachten) steeds in grote aantallen (100.000 cellen per ml) aanwezig. De bijdrage van de ciliaten aan de pensinhoud kan 30 onder meer afgeleid worden uit. het feit dat vaak meer dan 40% (soms zelfs 80%) van het in de pens aanwezige stikstof in de ciliaten aanwezig is. Alleen al op grond van de grote aantallen ciliaten en hun omvangrijke bijdrage in de populatie van micro-organismen mag men een belangrijke rol van de ciliaten in de omzetting van organisch mate-35 riaal verwachten.

8400764 -4- . »

Het ciliatensysteem stelt zich gemakkelijk in (wordt door het kalf gemakkelijk van de koe overgenomen) en het algemeen voorkomen ervan wijst op een ecologische stabiliteit met kennelijk diverse voordelen voor het systeem en de gastheer boven een acetaatsysteem.

5 De rol -van de- ciliaten is a£ te leiden uit een aantal waar nemingen van verschijnselen in de-pens. Er is waargenomen dat het • plantenmateriaal op; de breukvlakken zeer- snel bezet wordt door cilia— - - ten> die de? vezèlvormige cellen in hun mondholte- opnemen. In de ciliaat vinden dan rond het opgeslokte stuk plantenmateriaal een aan-10 tal grotendeels onbekende processen plaats. Waarschijnlijk produceert de ciliaat,. dan. wel. in de ciliaat (endosymbiatisch) levende bacteriën, de enzymen die het plantenmateriaal. ontsluiten en daarbij worden de· eindprodukten, van fase II gevormd. Deze gistingsprodukten worden door de eveneens in de ciliaat aanwezige microbodies omgezet in. waterstof 15 en COj. · _________

De. aanwezigheid van waterstof remt het totale afbraakproces.

Aan de buitenzijde van de ciliaat bevinden zich echter op het cel-oppervXak gehechte methaahbacteriën (met name· Methanobrevibacter ruminantium) , die waterstof en CO^ omzetten in het inerte methaan .

20 Methaanbacteriën bevatten enkele unieke en sterk fluorescerende co— enzymen: F^q<· een deazaflavine dat bij de waterstof- en elektron-. overdracht betrokken is en de methanopterines die bij de C^-stofwis-seling betrokken zijn. De aanwezigheid van deze stoffen vormt de basis voor de- door Doddema en Vogels ontwikkelde epifluorescentietechniek 25 voor de identificatie van methaanbacteriën in gemengde populaties (o„a. de pens). De hierboven beschreven associatie· kon worden waargenomen. in de pens van koeien, direkt na de slacht, in de pens. van een schaap dat voorzien was van een pensfistel en in cultures- van pensciliaten in laboratoriumopstellingen; in de monocultures van 30 ciliaten kan de associatie resulteren, in een hechting van ca- 10.000 methaanbacteriën per ciliaatcel.

De hechting (symbiose) heeft ten minste een tweevoudig effect: (a) een effectieve overdracht van waterstof, waardoor de ciliaat minimaal geremd wordt door waterstof (de waterstofspanning in de 35 pens bedraagt 10 atmj en de methaanbacteriën het voedsel aan > de bron vinden, 8400764 * % -5— (b) de methaanbacterlën profiteren via het couplet (vast plantaardig materiaal - ciliaten - gehechte methaanbacteriên) van een langere verblijftijd in de pens (noodzakelijk in verband met de lange delingstijd van de methaanbacteriên) en de ciliaten van een groot 5 aantal nabij aanwezige methaanbacteriên.

Hét gehele systeem vormt een continue cultuur met een door-stroomtijd. van ca- 1 dag, gebufferd door bicarbonaat uit het speeksel err het bij- de* afbraaic gevormde CO^ en het wordt door de herkauwer op constante temperatuur gehouden. Ondanks de zware belasting van het 10 systeem worden de micro^-organismen in staat gesteld om binnen korte tijd het moeilijkste gedeelte van het karwei te verrichten, te weten het toegankelijk: maken van het organische materiaal en de afbraak van de polymeren, m het totale proces speelt het systeem van de ciliaten/-methaanbacteriên een belangrijke rol. De herkauwer profiteert indirect; 15 via het gevormde methaan verdwijnt weliswaar ca. 10% van de calorische waarde van het voedsel, doch de winst is gelegen in de· aanwezigheid van een effectief ecosysteem, dat continu de produkten van de afbraak van, voor andere dieren moeilijk toegankelijk voedsel ter beschikking van het dier stelt.

20 De uitvinding beoogt nu een werkwijze ter beschikking te stel len waarmee op efficiënte wijze vast plantaardig materiaal, in het bijzonder vaste plantaardige afvalmaterialen, bijvoorbeeld industrieel afval (papierfabrieken, aardappelmeelfabrieken, suikerfabrieken, etc.), af val van agrarische bedrijven of huishoudafval, of ook speciaal voor 25 de energievoorziening gekweekte hogere of lagere planten (b.v. algen), kan worden afgebroken onder vorming van methaan (biogas).

De werkwijze volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat men het vaste plantaardige materiaal in een reactor in contact brengt met een vloeibaar systeem dat ten minste één ciliatensoort en ten 30 , minste één methaanbacteriesoort bevat, en men een methaan en CO^-bevattend gas uit de reactor afvoert.

Een voorkeursuitvoeringsvorm wordt gekenmerkt doordat ten minste één van de volgende ciliatensoorten wordt gebruikt: 1. Eudiplodinium maggii 35 2. Diplodinium dentatum syn. Diplodinium denticulatum f. anacanthum syn. D. denticulatum f. monacanthum 8400764 -6- . 3. Epidinium ecaudatum syn. Epidinium ecaudatum. f.- hamatum 4. Entodinium simplex- 5. Entodinium longinudeatum 5 6.. Entodinium caudatum 7. Dasytricha ruminantium:

Isotricha prostoma

Het heeft, verder de voorkeur dat text minste de methaanbacte— rie soort Methanobrevibacter ruminantium: wordt gebruikt.

10 Een voor de praktijk zeer geschikte voorkeursuitvoeringsvorm wordt gekenmerkt doordat als vloeibaar systeem vloeistof (entmateriaal) wordt gebruikt,;., die afkomstig is van de pens van herkauwers, of het -'Gecêrir van-herbivoren .

Voor een optimale werking heeft het de voorkeur dat de pff 15 gehouden wordt op een waarde van 5,5—7 en dat de temperatuur wordt gehouden op een waarde van 35-45eC, liefst op ongeveer 40°C. wordt gehouden-

Voor een goed functioneren van, het systeem heeft het de voorkeur, dat men continu of discontinu vloeistof uit de reactor afvoert 20 en vervangt door vloeistof,, die geen of een geringere- hoeveelheid carbonzuren bevat.

m de praktijk betekent dit, dat men per dag ten minste 2 reactorvolumes vloeistof verwijdert, en vervangt.-

De grootste voorkeur heeft een systeem, dat uit twee ruimte-25 lijk gescheiden fasen bestaat en gekenmerkt wordt doordat men de uit de reactor verwijderde- vloeistof in een separate reactor onderwerpt aan een behandeling, waarbij de in de vloeistof aanwezige carbonzuren worden afgebroken onder vorming van methaan en COj, die uit deze tweede reactor, worden af gevoerd,- en men de aldus behandelde vloeistof 30 naar de eerste reactor recirculeert of afvoert..

Het heeft verder de· voorkeur dat men het eventueel overblij— vende, vaste residu,, dat rijk is aan niet of moeilijk afbreekbare componenten, na een verblijftijd van. het vaste materiaal van 1-3 dagen uit de eerste reactor afvoert en hetzij deponeert, hetzij verbrandt, 35 hetzij benut voor het winnen van waardevolle stoffen of voor bemesting..

♦ 8400764 -7-

Enke-lè algemene voordelen van de methaanvorming boven andere systemen./ waarbij de energiewinst uit organisch, materiaal een belangrijk doel vormt, zijn de volgende.

Bij de methaangisting ontstaat een gemakkelijk af te scheiden 5 gas: bij dit proces gaat niet een belangrijke hoeveelheid energie verloren in de winning van het energierijke produkt zoals bijvoor-.beeld bij de alcoholproduktie voor energiedoèleinden. Processen als verbranding en pyrolyse van het organische materiaal hebben als nadeel dat het vochtgehalte de effectiviteit reduceert. De methaangisting 10 gaat gepaard met een relatief geringe slibgroei? het. verkregen slib is goed uitgerot en kan veelal direct als mest voor het land gebruikt worden» Daarenboven kunnen zware belastingen van het systeem toegepast worden hetgeen gevolgen heeft in de verlaging van de investeringskosten van de installatie.

15 Deze en andere voordelen van de toegepaste methaangisting.

gelden ook voor het onderhavige systeem van ciliaten en methaanbac-teriën. Dit systeem geeft bovendien een goede methaangisting met · •typisch plantaardig - en nog niet opgelost - materiaal, terwijl rela-tief snelle doorstroomtijden bij relatief zware belastingen mogelijk 20 zijn.

Deze voordelen zijn terug te voeren op een voortreffelijke ruimtelijke organisatie in de ciliaatt de bij de ontsluiting van het plantenmateriaal en bij de verdere afbraak betrokken systemen zijn in en op de cel geconcentreerd en de ciliaat zorgt voor het opsporen en 25 aanvoeren van het voedsel. Doordat zich hierbij een waterstofsysteem voor de methaanvorming kan instellen krijgen de methaanbacteriën een groter aandeel in de te verdelen energie waardoor hun groei (veelal de beperkende stap in het gehele systeem) bevorderd wordt.

De uitvinding verschaft dus een toegepast systeem voor de om-30 zetting van plantaardig materiaal in methaan, dat als belangrijke energiebron gebruikt kan worden. Het hierbij gevormde, gasvormige en eenvoudig af te scheiden methaan bevat bijna alle energie die bij de fotosynthese uit het zonlicht in het plantenmateriaal opgeslagen is.

De ontsluiting van het plantaardigs materiaal (de plantencel) heeft 35 tot dusver een moeilijk te nemen barrière gevormd in de omzetting van plantenmateriaal in methaan en kon vaak: slechts tot stand gebracht rórden door chemische voorbehandelingen van het plantaardige materiaal.

8400764 -8--

Het plantaardige materiaal kan afkomstig zijn van industrieën die aangewezen zijn op een gebruik van plantaardige of microbiële grondstoffen en onoplosbaar afval leveren (b.v. papierfabrieken, diverse industrieën in de voedingsmiddelen-, farmaceutische- en.genots-5· middelensectorj en (agrarische) bedrijven die plantaardig materiaal (gras, stro, hooi en dergelijke) in de voeding van dieren gebruiken.

Het ciliatensysteem zal specifieke: aanpassingen aan deze substraten behoeven* in, al deze toepassingsgebieden zal echter- de omzetting van het plantenmateriaal in methaan (met behoud van een belangrijk deel 10 van de energie) verre de voorkeur verdienen boven compostering (met een belangrijk energieverlies), verbranding of milieuvervuilende afvoer naar de oppervlaktewateren..

In eerste instantie gaat het dus om plantaardig af val,. voor aL af— valen'met ‘een; hoog gehalte aan celwandpolymeren, die met het systeem 15 volgens de uitvinding goed kunnen worden afgebroken. Een voorbeeld is- pulp van-, papierfabrieken met een hoog gehalte aan lignocellulose.

Ook agrarisch afval,, bijvoorbeeld afkomstig van bedrijven waar vee of pluimvee wordt gefokt, is echter een- geschikt substraat. Hetzelfde geldt voor (berm) gras, huishoudafval en in zijn algemeenheid voor alle-20 af val, afkomstig van gebruikers van fotosyntheseprodukten.

Daarenboven kan het ciliatensysteem toegepast worden voor de omzetting van speciaal voor de energievoorziening gekweekte hogere of lagere planten (via "energy-"1 of "’ocean-farming"j in methaan om aldus energie uit zonlicht (t carbonaat en water) om te zetten in 25 methaan (en zuurstof).

Indien het uitgangsmateriaal een niet afbreekbaar deel omvat dat als vast residu overblijft, kan dit residu verder worden benut.

Het niet afbreekbare deel van het plantaardige materiaal kan bijvoorbeeld rijk zijn aan lignine,. dat een interessante grondstof is voor 30 andere doeleinden- (grondstof voor produkten opgebouwd uit fenylgroepen; gezien de hoge. verbrandingswarmte een interessante brandstof).

Ook de winning van vitamine B^2 uit de biomassa, die methaan-bacteriën bevat, behoort tot de mogelijkheden.

Thans zal een meer gedetailleerde beschrijving worden gegeven 35 van de voorkeursuitvoeringsvorm, welke twee ruimtelijk gescheiden fasen omvat. Door gebruik te maken van twee gescheiden fasen is het mogelijk 8400764 -9- voor de verschillende microbiêle populaties optimale omstandigheden te creëren-,

Tn fig. 1 wordt een schematisch beeld van het. twee-fasen-systeem gegeven.

5 m de eerste fase worden vaste plantaardige materialen door middel van pensmicra-organismen (ciliaten, bacteriën,* flagellaten) omgezet in vluchtige vetzuren (acetaat,- propionaat en butyraat), methaan en CO . Deze eerste fase- speelt zich. a£ in reactor 1.

m de tweede fase wordt de uit de eerste fase afkomstige 10 vloeistof, die de gevormde vluchtige vetzuren bevat, aan een zodanige behandeling onderworpen, dat de vetzuren ten minste gedeeltelijk worden afgebroken en verdere hoeveelheden methaan en 00^ worden geproduceerd. Deze tweede fase speelt zich af in reactor 2.

Da reactor 1 bevindt zich een uit vloeibare en vaste bestand-15 delen bestaande reactiemassa 3 , die met behulp van een roerorgaan 4 wordt geroerd. Het te ontsluiten vaste plantaardige materiaal wordt aangevoerd via leiding 5. De bij de afbraak gevormde gassen (methaan en CO^) worden via leiding 6 uit de reactor 1. af gevoerd. Door middel van een vloeistof/vaste stof-scheidingsinrichting 7, bijvoorbeeld een. 20 filter, wordt vloeistof uit reactor 1 afgevoerd. Deze vloeistof wordt via leiding 8 met behulp van een pomp 9 naar reactor 2 gevoerd.

De behandeling van de reactiemassa 10 in reactor 2 leidt tot een verdere produktie van methaan en CO^r die met behulp van gasopvanginrichting 11 en leiding 12 uit reactor 2 worden af gevoerd. De behandelde 25 vloeistof wordt via leiding 13 naar reactor 1 gerecirculeerd. a. De eerste fase.

In de eerste fase worden, bij voorkeur in een continu proces, vaste plantaardige materialen door middel van bij voorkeur pensmicro-organismen omgezet in vluchtige vetzuren (acetaat, propionaat en buty— 30 raat) , methaan en CO^.

Zeer kenmerkend en uniek qua gebruik voor deze fase is de soortensamenstelling van de micro-organismen die de afbraak van plantaardig materiaal bewerkstelligen. Als microbiêle ent wordt bij voorkeur gebruik gemaakt van pens vloeistof. Typerend voor het systeem, is 35 vooral de aanwezigheid van grote aantallen (50 - 150 x 103/ml) pens-ciliaten, eencellige diertjes die niet voor andere plaatsen in de 8400764

» I

-10- natuur beschreven zijn. De soorten-samenstelling varieert met het voedselaanbod en· kan onder andere de volgende; ciliatensoorten bevatten: 1.. Eudip lodinium maggii 2. Diplodinium dentatum 5 syn. Diplodinium denticulatum ff. anacanthum syn., D. denticulatum ff. monacanthum 3Epidinium ecaudatum >. syn. Epidinium; ecaudatum- ff. hamatum 4K>. Entodinium simplex: 10 5.'' Entodinium longinudeatum 6. Entodinium caudatum 7. Dasytricha rumlnantium - 8. Isotrieha prostoma

Behalve ciliaten worden er in de le fase ook flagellaten en zofn 15 200 verschillende-iacteriesoorten aangetroffen . Gezamenlijk zorgen de micro-organismen voor een zeer effectieve omzetting· van het plantaardige materiaal. Door het gebruik van pensmicro-organismen moet de optimale.· reactortemperatuur ca. 40°C bedragen.

Als produkten van de afbraak worden gevormd: vluchtige vet-20 zuren? en CO^.H^ en CO^ kunnen door de methaanbacterie die het meest wordt aangetroffen: in de le fase, Methanobrevibacter rumlnantium, of door andere methanogene bacteriën worden omgezet in methaan. De genoemde bacterie wordt vrij in de vloeistof aangetroffen, maar karakteristiek is daarnaast de hoge mate van associatie van deze bacterie 25 met diverse ciliatensoorten en met name met _E. maggii en D_. dentatum.

• In de le fase komen nauwelijks methaanbacteriën voor die vluchtige vetzuren in methaan kunnen omzetten. Deze vetzuren worden in da 2e fase tot methaan verwerkt. De biogasproduktie van de ie fase bedraagt ca., 1—2 liter per liter reactorinhoud per dag, en is samen-30 gesteld uit ca, 50% methaan en ca.. 50% CO^-

Een. tweede kenmerk van de le fase is de scheiding· die wordt aangebracht tussen de vloeibare en de vaste fractie. Deze scheiding is noodzakelijk om een verschillende verblijftijd van deze fracties in de reactor te bewerkstelligen en wel om de volgende redenen: 1. door de vetzuurproduktie daalt de pH. Omdat de afbraak bij een te lage pH (pH < 5,5) stopt,, moeten de gevormde vetzuren continu worden 8400764 * -11- afgevoerd. Om. de pH boven de minimumwaarde te houden is een vloeistof verversing van enkele (ca* 2) fermentorvolumes per dag noodzakelijk, 2. met de afgevoerde vetzuren mag geen vast plantaardig materiaal.

5 worden meegevoerd, omdat dat dan aan het afbraakproces wordt ont trokken, 1. tevens mogen, geen ciliaten worden meegevoerd., omdat anders de ciliaten snel uit de ie. fase zouden verdwijnen en het afbraakproces nadelig- wordt beïnvloed. De afvoer van bacteriën wordt bij deze 10 vloeistofverversing van zelf gecompenseerd door de snelle vermenig vuldiging van deze organismen*

Op laboratoriumschaal wordt de scheiding tussen vloeistof-s troont en vaste stof stroom aangebracht door gebruik te maken van filtratie, bijvoorbeeld met behulp van een filter met een poriegrootte van 15 Q,Q3 mm. Op grotere schaal zijn andere scheidingssystemen geschikter. -

Hierbij kan gebruik worden genaakt van de scheiding die van. nature vaak ontstaat tussen de vloeibare en vaste fractie als gevolg van het ontstaan van drijf— en/of bezinkingslagen.

Wanneer het gebruikte plantaardige materiaal, van dien aard is, 20 dat een dergelijke scheiding niet ontstaat, kan eventueel gebruik worden gemaakt van centrifugatie-technieken*

De verblijftijd van de vaste fractie is afhankelijk van de totale afbreekbaarheid, maar ligt in de grootte-orde van één tot enkele dagen. In het geval van materiaal dat volledig afbreekbaar is, ont-25 staat er geen residu, en is de verblijftijd in feite gelijk aan de afbraaktijd. Wanneer het materiaal tevens een niet afbreekbaar gedeelte bevat zal dit, om ophoping te voorkomen, op gezette tijden uit de fermenter moeten worden verwijderd*.

Samenvattend wordt de le fase door de volgende punten geken— 30 merkt.

1. De samenstelling van de micro-organismen *

Dit is voor het eerst dat pensmicro-organismen en met name ciliaten worden toegepast in de afbraak van plantenafval.

2. De scheiding tussen de vaste stof stroom en de vloeistof stroom? 35 de vloeistofstroom is beduidend hoger dan de vaste -stofstroom.

3. De pH bedraagt optimaal 5,5-7. * 8400764

V V

-12- 4. De optimale temperatuur bedraagt 40 °C..

5. fils: substraten voor de methaanproduktie- dienen vrijwel uitsluitend en CO^ (eventueel formiaat).

b. De tweede fase.

5 Zoals· gezegd worden de gevormde vetzuren van de le fase bij voorkeur in een 2e fase- omgezet omgezet in methaan en CO^* Hiervoor is. een aantal redenen aan te geven £r Na de vetzuurverwijdering kan de vloeistof opnieuw door de le fase worden gevoerd, zodat er een gesloten systeem ontstaat 10 (zie fig. 1). Dit werkt ten eerste kostenbesparend, omdat steeds buffercapaciteit wordt teruggewonnen, maar heeft daarnaast ook een gunstig, effect op het rendement van de totale afbraak, omdat op deze manier de bacteriën· uit de le fase niet worden afgevoerd, maar steeds, opnieuw in de le fase worden teruggevoerd.

15 2. De totale methaanproduktie wordt een factor 2-3 hoger..

3- De zuivering op CZV-basis is groter.

Voor de 2e· fase kunnen reeds bestaande systemen worden gebruikt.. Zeer geschikt zijn het "fluidized bed"'-systeem en het "UASB" (upflow anaerobic sludge blanket) systeem. Het principe van het eerste systeem 20 is beschreven door Heijnen, Ξ2Ο 16, 266-269 (1983) en Proceedings of the European Symposium Anaerobic Waste Water Treatment, TNO corporate communication department, The Hague, 259-274 (1983) , terwijl het UASB— systeem ontwikkeld en uitgebreid beschreven is door Lettinga et al., Anaerobic digestion. (D.A. Stafford, B.J. Wheatley en D.E. Hughes, eds.) 25 üniv. Coll., Cardiff, Wales, 167-186, (1980). ^ —

Een belangrijk voordeel van de werkwijze volgens de uitvinding is dat de vaste stof verblijf tijd relatief kort is, in de orde van 48 u, terwijl een buitengewoon hoge belasting van 20-40 kg CZV/m3 .dag mogelijk is. Dit steekt zeer gunstig af bij bestaande bioreactoren, die 30 verblijftijden, van 10—30 dagen, vergen en belastingen op CZV-basis verdragen, welke een factor 10—20. lager zijn.

_________In. de bestaande twee-fasensystemen heeft de eerste, fase uitsluitend een hydrolyserende en zuurvormende functie,· terwijl in de 2e fase de uiteindelijke· methaanvorming plaatsvindt. In de eerste fase 35 van het onderhavige ciliatensysteem vindt naast hydrolyse en zuurvor-ming ook een duidelijke· methaanvorming plaats.

8400764 -13- ψ *

Op vallend is voorts, dat niet acetaat, zoals in alle bestaande methaangistingssystemen, faay en. CO^ als voorlopers voor de methaan— vorming in de eerste fase van. dit systeem worden gebruikt. Verantwoordelijk voor de methaanvorming in deze fase is vooral de pensbacterie 5 Methanobrevibacter ruminantium. Het aanwezige acetaat wordt pas in de tweede fase door verschillende andere methaanbacteriën omgezet in methaan* De koppeling volgens de uitvinding van Ie en 2e fase met betrekking tot de methaanvorming is uniek (koppeling van een waterstof-systeem met een acetaat systeem).

10 ' Een vergelijking met bestaande vaste stofvergistingssystemen laat zien dat het hier voorgestelde systeem vele malen (± lOx) efficiënter werkt met betrekking tot verblijftijden,, belastingen en methaanopbrengsten. Op grond van de hoge belasting in combinatie met de korte verblijftijd kan worden volstaan met een relatief kleine IS installatie, terwijl als gevolg van de hoge methaamopbrengsten een korte terugverdientijd van gedane investeringen gerealiseerd kan worden.

De uitvinding zal thans aan de hand van enkele voorbeelden nader worden toegelicht. De voorbeelden betreffen experimenten, uit-20 gevoerd op laboratoriumschaal (1,5 liter) met, respectievelijk, gras en papierpulp als vast substraat. De beschreven experimenten hebben uitsluitend betrekking op de le fase van het ciliatensysteem.

Voorbeeld I

Substraat: Gedroogd gras-granenmengsel, gemengd in de 25 verhouding 80% gras en 20% greinen (haver, mais, sojameel, tarwemelen). Partikelgrootte < 3 mm.

De celwandsamenstelling is weergegeven in fig. 2.

De gebruikte symbolen hebben de volgende betekenissen: NDF = totale celwandfractie 30 (cellulose, hemicellulose en lignite) ADF * cellulose en lignine HC = hemicellulose C = cellulose L = lignine 35 As * anorganische, niet oplosbare fractie.

8400764 -14- ·

Opstartcondlties: Voor de hieronder beschreven experimenten gelden steeds dezelfde opstartcondities.

Als microbiële ent werd 0,75 liter vers afgetapte pensvloei-stof (afkomstig van een schaap met pensfistel) in het kweekvat ge-5 bracht,, waarna het volume werd aangevuld tot 1,5 liter met buffer ‘ (cafbonaat/fosfaat;. pH 7,9)Kort daarna werden de pompen in werking gezet die zorgen· voor een continue toevoer van buffer en afvoer van filtraat dat het kweekvat verlaat via een 0,03 mm filter. Substraat— toedieningen vinden tweemaal daags plaats, terwijl ook de afvoer van 10 homogene kweekinhoud via een overloopniveau discontinu verloopt (elk half uur gedurende 30 seconden).

De temperatuur van de kweekvaten wordt op 40 °C gehouden door middel van een warmwatermantel.

Nadat het systeem gedurende 1 A 2 weken heeft kunnen stabili-15 seren (aanpassingen van micro-organismen aan substraat) werden de afbraak en. andere parameters (pH, biogasproduktie, vluchtige vetzuren, ciliatenaantallen) bepaald.

Een belangrijk gegeven voor de toepasbaarhe id van het ciliaten-systeem. is dat de verhouding microbiële ent/reactoovolume niet perse 20 1 behoeft te zijn. wanneer deze verhouding 1/100 bedraagt, blijkt dat reeds na 10 dagen, normale concentraties van de diverse micro-organismen in het kweekvat worden aangetroffen. Een voorwaarde bij het opstarten is wel dat in dit geval de kweekinhoud zuurstofvrij wordt gehouden.

20 Experimenten?

De bufferstroom in het kweekvat, uitgedrukt in een D-waarde (vatwisselingen per dag), bepaalt de vloeistofverblijftijd, terwijl de verblijftijd van de vaste stof kan worden berekend uit de afvoer van homogene kweekinhoud (verblijftijd (in uren) = vatvolume/over-25 loopvolume per uur).

Het verblijf van de in het kweekvat aanwezige ciliaten is op grond van hun grootte· (30 - 150 urn) gekoppeld aan de vaste stof-stroom, terwijl de bacteriën, zowel met de vloeistoffase als met de vaste fase het vat verlaten.

30 Uit eerste experimenten bleek, dat bij belastingen van 20 h 25 gram gras (drooggewicht) per liter kweekvolume per dag en een verblijftijd van het vaste materiaal van 2 dagen, goede omzettingen werden bereikt.

8400764 -15-

Met behulp van bekende bepalingsmethoden werd vastgesteld in welke mate de verschillende fracties van deplantencelwand werden afgebroken. Uit de resultaten van bovenstaand experiment, weergegeven in fig. 3/ blijkt dat ongeveer 80% van het toegevoegde cellulose en hemi-5 cellulose is afgebroken. De gegevens betreffende pH, biogasproduktie, ciliatenconcentratie en vluchtige vetzuurproduktie behorende bij fig» 3 r waren: belasting- 24 g/Iiter.dag pH 6/5-7,0 10 CH^ produktie 1,25 lit er /lit er. dag· CH./CCL verhouding ongeveer 1 4 ^ 3 ciliatenaantal 60.10 /ml produktie vluchtige vetzuren 6-7 g/liter.dag D (* dilutie of aantal vatwisselingen per dag) 15' 1,7 vatvolume/dag

De in het kweekvat aanwezige vetzuren zijn voornamelijk acetaat, propionzuur en boterzuur en worden gevormd in de verhouding 3:1:1 (gewichtsverhouding).

Wanneer de belasting wordt verhoogd tot 35 gram gras/liter.dag, 20 wordt bij eenzelfde D-waarde en verblijftijd nog ca. 75% van het cellulose en hemicellulose afgebroken. Voor de belasting kan in plaats van gram drooggewicht ook de meer gangbare eenheid CZV worden gelezen, daar 1 gram gras overeenkomt met 1 gram CZV.

Experimenten uitgevoerd bij verschillende D-waarden laten zien 25 dat er een verband bestaat tussen dé grootte van de bufferstroom en de afbraak. De relatie tussen beide wordt weergegeven in fig. 4. üit deze figuur 4 blijkt dat bij een verhoging van de D-waarde van 1,2 naar 2,2 een bijna tweemaal zo hoge afbraak wordt gevonden van de verschillende celwandbestanddelen.

30 Een vrijwel vergelijkbare relatie vinden we tussen de ciliaten aantallen in het kweekvat en de D-waarde zoals figuur 5 laat zien.

Deze experimenten zijn alle uitgevoerd bij eenzelfde belasting (35 gram/liter.dag) en vaste stof verblijf tijd (60 uur). Daarnaast zijn ook experimenten uitgevoerd met verschillende vaste stofverblijf-35 tijden, waarbij D-waarde (2,0) en belasting op een constant niveau werden gehouden. Uit de resultaten van deze experimenten blijkt dat 8400764 -16- verhoging van dé. vaste stof verblij ftij d leidt tot een verhoging van het afbraakpercentage. Wanneer de vaste stof af voer helemaal wordt stopgezet, worden zelfs afbraakpercentages van 90% of hoger gemeten. Een hoge D-waarde in combinatie met lange verblijftijden van het vaste 5 materiaal zullen op grond van bovenstaande gegevens tot de beste resultaten. leiden.. Hierbij dient te worden opgemerkt, dat een volledige stopzetting' van de vaste- stófafvoer niet mogelijk- is, daar anders opho-' - pingen van niet of slecht afbreekbare bestanddelen (lignine, anorganisch' materiaal) in de- reactor zouden plaatsvinden. Voor de reactor-10 opzet op technische schaal wordt bij voorkeur een constructie gebruikt waardoor in de reactor een scheiding kan worden aangebracht tussen vers· en afgewerkt materiaal zodat de fractie af te voeren vaste stof relatief rijk is aan. moeilijk afbreekbare componenten.

Voorbeeld IX ___ 15 Substraat e Papierpulp afkomstig van een papierfabriek.

Het afval bestaat voor ongeveer 40% uit anorganisch materiaal (kaoline en kalk) . De overige 60% is voornamelijk cellulose (zie fig. 6). 1 Gram droog-gewicht komt overeen met 0,7 gram. CZV- 20 Opstartconditiesr. zie onder voorbeeld I.

Gedurende de eerste dagen na het starten van de cultures wordt geleidelijk overgegaan van gras voeding naar papierpulp, zodat een langzame aanpassing mogelijk is.

Nadat uit de experimenten met gras was gebleken onder welke 25 condities, hoge ciliatenconcentraties in combinatie met een goede afbraak kunnen worden gerealiseerd, werd overgegaan op het gebruik van papierpulp als substraat..

Omdat dit afval vrijwel uitsluitend bestaat uit een koolstof-bron, is het noodzakelijk extra stikstof en sporenelementen (essen-30· tieel voor microbiêle groei) toe te voegen. Γη de hier beschreven experimenten worden deze componenten aan de buffer toegevoegd, terwijl ook geringe hoeveelheden gras worden toegevoegd. Op praktijkschaal kan worden gedacht aan het gebruik van mest of andere componenten als stik-stofbron. .

8400764 — «· -IT-

Uit experimenten met het papierpulp blijkt dat reeds bij zeer korte verblijftijden van het vaste materiaal (35 uren) en extreem hoge belastingen (to.t ± 65 gram CZV/liter. dag) zeer goede afbraakefficiên-ten worden bereikt (fig. 7). De bij fig. 7 behorende gegevens zijn: 5 belastingi 64 gram pulp/liter. dag = 47 gram CZV/liter. dag 19-,5 gram gras/liter.dag = 19,5 gram CZV/liter.dag 65,5· gram CZV/liter.dag D 2,0 vatvolume/dag pH 6,4 - 6,7 10 CH^ produktie meer dan 1,5 liter/liter, dag CB./CO- verhouding ongeveer 1 4 z , ciliatenaantal (100 - 150).10 /ml produktie vluchtige vetzuren meer dan 7,5 grain/liter.dag, daarenboven andere zure en ______ neutrale produkten 15 De afbraakpercentages voor cellulose en hemicellulose in een dergelijk experiment bedragen respectievelijk 70%· en 80%.

Wanneer echter de verblijftijd van het vaste materiaal wordt verlengd, blijkt in tegenstelling tot eerdere metingen in cultures met gras dat de afbraakefficiëntie sterk terug loopt. Dit is waar-20 schijnlijk een gevolg van ophoping van de anorganische fractie in het kweekvat.

Dit metingen is gebleken dat bij verlenging van de verblijftijd een snelle accumulatie van anorganisch materiaal optreedt tot zelfs 175 gram/liter kweekinhoud. Vergelijkbare experimenten zijn ook 25 uitgevoerd met filtreerpapier als substraat. Filtreerpapier bevat evenals gras nauwelijks anorganisch materiaal. Verlenging van de vaste stofverblijftijd heeft ook bij dit substraat een betere afbraak tot gevolg. Wanneer de vaste stofafvoer geheel wordt stopgezet, wordt zelfs meer dan 90% van het filtreerpapier (vnl. cellulose) afgebroken.

30 Uit de resultaten kan men concluderen dat papierpulp heel efficiënt kan worden omgezet, mits men zorgt voor een selectieve verwijdering van anorganisch materiaal, zodat hogere afbraakpercentages bij langere verblijftijden kunnen worden gerealiseerd.

Wanneer filtreerpapier of papierpulp aan de cultuur wordt toe-35 gediend, treedt er een belangrijke verschuiving in de ciliatenpopula-ties op. Na ongeveer 7 dagen hebben vooral de grotere soorten (Eudiplodinium maggii en Diplodinium dentatum) de overhand gekregen.

8400764

.->*· 'W

-18-

Dit in- tegenstelling tot gras gevoede cultures waar voornamelijk Entodinium. en Epidinium soorten aanwezig zijn.

8400764

Claims (13)

1. Werkwijze voor-het produceren van methaan uit vast plantaardig materiaal, met het kenmerk, dat men het vaste plantaardige materiaal in een reactor in contact brengt met een vloeibaar systeem dat ten minste één cüiaten soort en ten minste één methaanbacterie soort 5 bevat, en men een methaan en CO^ bevattend gas uit de reactor afvoert. Z. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat ten minste één van de volgende ciliaten soorten wordt gebruikt z

1. Eudiplodinium maggii

2. Diplodinium dentatum 10 syn. Diplodinium denticulatum f. anacanthum syn. -D, denticulatum £. monacanthum

3·. Epidinium ecaudatum _ syn. Epidinium ecaudatum f. hamatum

4. Entodinium simplex 15 5. Entodinium longinudeatum

6. Entodinium caudatum ^

7. Dasytricha ruminantium

8. Isotricha pro stoma.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat ten 20 minste de methaanbacteriei soort Methanobrevibacter ruminantium wordt gebruikt. 4« Werkwijze volgens één of meer van de conclusies 1-3, met het kenmerk, dat als vloeibaar systeem vloeistof (entmateriaal) wordt gebruikt, die afkomstig is van de pens van herkauwers of het cecum van 25 herbivoren.

5. Werkwijze volgens één of meer van de conclusies 1-4, met het kenmerk, dat de pH gehouden wordt op een waarde van 5,5-7.

6. Werkwijze volgens één of meer van de conclusies 1-5, met het kenmerk, dat de temperatuur wordt gehouden op een waarde van 35-45aC.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de tem peratuur wordt gehouden op ongeveer 40°C. S. Werkwijze volgens één of meer van de conclusies 1-7, met het kenmerk, dat men continu of discontinu vloeistof uit de reactor af-voert en vervangt door vloeistof, die geen of een geringere hqeveel-35 heid carbonzuren bevat. 8400764 •η» V* i V -20- 9., Werkwijze volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat men per dag ten minste 2 reactorvolumes vloeistof verwijdert en vervangt. 10. · Werkwijze volgens conclusie 8 of 9, met het kenmerk, dat men de uit. de reactor verwijderde vloeistof in een separate reactor onder- 5 werpt' aan een behandeling, waarbij de in de vloeistof aanwezige- car-bonzuren worden afgebroken onder vorming van methaan en CO^, die uit deze tweede· reactor worden af gevoerd, en men de aldus, behandelde vloeistof; naar de eerste reactor recirculeert of afvoert-

11. Werkwijze volgens dén of meer van de conclusies 1-10, met het 10. kenmerk, dat men het eventueel overblijvende vaste residu, dat rijk is aan niet of moeilijk afbreekbare componenten, na een verblijftijd van het vaste materiaal van 1-3 dagen uit de eerste reactor afvoert en. hetzij deponeert, hetzij verbrandt, hetzij benut voor het winnen van waardevolle stoffen of voor bemesting. 8400764