DE102005058771A1 - Modified one-step wet fermentation process for biogas production - Google Patents
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Abstract
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas, bei dem
in einem einstufigen Nassgärverfahren
eine anaerobe Vergärung
von Flüssig-
und/oder Festmist sowie pflanzlicher Substrate erfolgt.
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit
dem eine deutliche Erhöhung
der Reaktionsgeschwindigkeit und der damit verbundenen höheren Leistungskennziffern
des Vergärungsvorganges
erzielt wird.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren, bei
dem zur Erzielung größerer Reaktionsgeschwindigkeiten
dem Gärsubstrat
periodisch und dosiert Sauerstoff zugeführt wird.The invention relates to a process for the production of biogas, in which an anaerobic digestion of liquid and / or solid manure and vegetable substrates takes place in a single-stage wet fermentation process.
The invention has for its object to provide a method by which a significant increase in the reaction rate and the associated higher performance indices of the fermentation process is achieved.
The object is achieved by a method in which the fermentation substrate periodically and metered oxygen is supplied to achieve greater reaction rates.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas, bei dem in einem einstufigen Nassgärverfahren eine anaerobe Vergärung von Flüssig- und/oder Festmist sowie pflanzlicher Substrate erfolgt.The The invention relates to a process for the production of biogas, in which in a one-step wet fermentation process an anaerobic digestion of liquid and / or solid manure and vegetable substrates.
Das Verfahren wird vorzugsweise im Bereich der landwirtschaftlichen Biogasgewinnung angewendet. Darüber hinaus ist eine zweckentsprechende Anwendung in der anaeroben Abfallvergärung möglich, wobei auch pflanzliche Biomasse als Koferment fallweise eingesetzt werden kann.The Process is preferably in the field of agricultural Biogas production applied. About that In addition, a suitable application in anaerobic waste fermentation is possible, and also Vegetable biomass can be used as a coferment on a case by case basis.
Biogas entsteht bei der bakteriellen Vergärung organischer Substanz unter Luftabschluss als mehrstufiger Prozess in nachfolgender Reihe von Verfahrensschritten des Prozessablaufs.
- 1. Durch Hydrolyse erfolgt eine Aufspaltung polymerer Verbindungen mit Hilfe von Exoenzymen fermentativer Bakterien in Monomere.
- 2. In einer Versäuerungsphase erfolgt die Vergärung der Spaltprodukte zu organischen Säuren, Alkohol sowie Wasserstoff und Kohlendioxid.
- 3. Durch Umsetzung der Carbonsäuren und Alkohole zu Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid wird der reaktionskinetisch bedeutsame dritte Verfahrenschritt gekennzeichnet.
- 4. Darauf aufbauend erfolgt die Methanerzeugung, acetogenotroph aus Essigsäure sowie hydrogenotroph aus Wasserstoff und Kohlendioxid.
- 1. By hydrolysis, a breakdown of polymeric compounds by means of exoenzymes of fermentative bacteria into monomers takes place.
- 2. In an acidification phase, the digestion of the fission products to organic acids, alcohol and hydrogen and carbon dioxide takes place.
- 3. Reaction of the carboxylic acids and alcohols to acetic acid, hydrogen and carbon dioxide characterizes the reaction kinetically significant third process step.
- 4. Based on this, methane production takes place, acetogenotrophically from acetic acid and hydrogenotrophic from hydrogen and carbon dioxide.
In der Methanogenese, dem letzten Schritt der Biogasbildung, erfolgt unter anaeroben Bedingungen die eigentliche Methanerzeugung. Die beteiligten Methanbakterien sind obligate Anaerobier und verwerten etwa zu 70 % Essigsäure und zu 30 % Wasserstoff sowie Kohlendioxid zur Bildung des Methans. Für einen optimierten Methanbildungs prozess ist eine enge räumliche Symbiose zwischen den H2 – produzierenden, Essigsäure bildenden Bakterien und den H2 – verwertenden Methanbakterien erforderlich.In methanogenesis, the last step in biogas formation, the actual methane production takes place under anaerobic conditions. The methane bacteria involved are obligate anaerobes and utilize about 70% acetic acid and 30% hydrogen and carbon dioxide to form the methane. For an optimized methanogenesis process, a close spatial symbiosis between the H 2 - producing, acetic acid - forming bacteria and the H 2 - utilizing methane bacteria is required.
Die acetatbildende Stufe wird in diesem komplizierten Prozess als der limitierende Faktor betrachtet. Von Bedeutung ist der Wasserstoff – Partialdruck, der nur in Gegenwart von H2 – verbrauchenden Methanbakterien auf einen solchen Stand gehalten werden kann, dass die acetogenen Bakterien in der Hauptsache die erwünschte Essigsäure und nicht Carbonsäuren (C3–C6), oder gar Milchsäure, produzieren. Diese Bakterien sind nur bei einem niedrigen Wasserstoff – Partialdruck stoffwechselaktiv. Die Biogaserzeugung verläuft nur dann optimal, wenn die Abbaugeschwindigkeiten in den aufgeführten Teilstufen vergleichbar groß sind.The acetate-forming step is considered the limiting factor in this complicated process. Of importance is the hydrogen partial pressure which can only be maintained in the presence of H 2 - consuming methane bacteria such that the acetogenic bacteria mainly contain the desired acetic acid and not carboxylic acids (C 3 -C 6 ) or even lactic acid , to produce. These bacteria are metabolically active only at a low hydrogen partial pressure. The production of biogas is optimal only if the degradation rates in the listed sub-stages are comparable.
Bei Anwesenheit sogenannter fakultativ anaerober Mikroorganismen im Reaktor kann technologisch eingetragener Luftsauerstoff veratmet werden. Diese Bakteriengruppen können sowohl unter Sauerstoffeinfluss als auch vollkommen ohne Sauerstoff Stoffwechselvorgänge praktizieren und verhindern damit das Absterben der methanbildenden Mikroorganismen. Im Gegensatz zu den methanbildenden Bakterien benötigen diese eine deutlich geringere Generationszeit zur Zellverdopplung, was eine deutliche Erhöhung der Reaktionskinetik zur Folge haben kann.at Presence of so-called facultative anaerobic microorganisms in the Reactor can breathe technologically registered atmospheric oxygen become. These bacterial groups can both under the influence of oxygen and completely without oxygen Metabolic processes practice and thus prevent the death of methane-forming Microorganisms. Unlike the methanogenic bacteria, these require a significantly shorter generation time for cell duplication, which a significant increase the reaction kinetics may result.
Es ist bekannt, dass beispielsweise die Propionibakterien in den Verdauungsorganen der Wiederkäuer über Katalasen verfügen, die sie in die Lage versetzen, sowohl anaerob als auch aerob zu wachsen. Bei kontrollierter Luftzufuhr (Wiederkauen) ist der Zellertrag mehrfach höher als unter streng anaeroben Bedingungen. Die Propionibakterien vergären erfolgreich Glukose, Laktose, Mannose und Glycerin zu Propionat. Messbare Sauerstoff – Partialdrücke können jedoch toxisch wirken.It It is known that, for example, the propionibacteria in the digestive organs of ruminants over catalases feature, which enable them to be both anaerobic and aerobic to grow. Controlled air supply (ruminating) is the cell yield several times higher as under strictly anaerobic conditions. The Propionibakterien ferment successfully Glucose, lactose, mannose and glycerol to propionate. However, measurable oxygen partial pressures can toxic.
Im Stand der Technik sind keine verfahrenstechnischen Lösungen bekannt, die in einstufigen Verfahrensprozessen zur Biogaserzeugung Sauerstoff bzw. Luftsauerstoff in den Reaktor eintragen, um gezielt einen schnelleren Abbau cellulosehaltiger Biomasse zu erreichen. Vielmehr wird beim technologischen Eintrag von pflanzlichen Substraten in den Vergärungsraum darauf geachtet, die Gefahr des Sauerstoffeintrags durch besondere technische Vorrichtungen zu unterbinden.in the State of the art, no procedural solutions are known in one-step process processes for biogas production oxygen or enter atmospheric oxygen in the reactor to specifically a faster Removal of cellulose-containing biomass to achieve. Rather, when technological entry of plant substrates in the fermentation room Attention, the danger of the oxygen entry by special to prevent technical devices.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem eine deutliche Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit und der damit verbundenen höheren Leistungskennziffern des Vergärungsvorganges erzielt wird.Of the Invention is based on the object, a method of the initially specify the type mentioned, with a significant increase in the Reaction speed and the associated higher performance ratios the fermentation process is achieved.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.According to the invention Task with a method which the features specified in claim 1 has dissolved.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Embodiments are specified in the subclaims.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich um ein modifiziertes einstufiges Nassgärverfahren zur Biogasgewinnung mit einem überdurchschnittlich hohen Anteil zu vergärender pflanzlicher Biomasse. Dabei erfolgt ein meist kurzzeitiger, zeitgesteuerter dosierter Eintrag von Luftsauerstoff in einen Reaktor.at the method according to the invention it is a modified one-step wet fermentation process for biogas production with an above-average high proportion to be fermented vegetable biomass. This is usually a short-term, time-controlled Metered entry of atmospheric oxygen in a reactor.
Mit dem Verfahren werden zur Erzielung größerer Reaktionsgeschwindigkeiten dem Vergärungsprozess Sauerstoff kurzzeitig so dosiert zugeführt wird, dass es zu keiner schädigenden Wirkung auf die obligat anaeroben methanbildenden Mikroorganismen kommt und durch den aeroben Behandlungsschritt eine höhere Gasbildungsrate bzw. -ausbeute aus der zu vergärenden Biomasse erzielt wird. Die Verfahrensentwicklung stellt infolge der höheren Nährstoffverfügbarkeit einen Hochleistungsprozess in der Biogaserzeugung dar.With The method is used to achieve higher reaction rates the fermentation process Oxygen is supplied in a metered dose for a short time so that it does not reach any one damaging Effect on obligate anaerobic methanogenic microorganisms comes and through the aerobic treatment step, a higher gas formation rate or yield from the to be fermented Biomass is achieved. The process development is due the higher one nutrient availability a high-performance process in biogas production.
Die Anwesenheit so genannter fakultativer Anaerobier führt zum sofortigen Verzehr des eingetragenen Sauerstoffs mit der Folgewirkung einer Aufspaltung der hochpolymeren Verbindungen (z.B. Cellulose und Hemicellulose) in leichter abbaubare Zwischenprodukte mit eingelagertem endständigen Sauerstoff wie Alkohole, Aldehyde, Ester, Amide und Carbonsäuren.The Presence of so-called facultative anaerobes leads to immediate consumption of the registered oxygen with the consequential effect a splitting of the high polymer compounds (e.g., cellulose and hemicellulose) in easily degradable intermediates with embedded terminal Oxygen such as alcohols, aldehydes, esters, amides and carboxylic acids.
Vorteilhaft ist es dabei, eine messtechnische Überwachung des Gärprozesses durchzuführen, unter besonderer Berücksichtigung der O2 – Gehalte und deren Abbau, der Redoxspannungen sowie der Gehalte an leichtflüchtigen organischen Fettsäuren im Gärsubstrat.It is advantageous to perform a metrological monitoring of the fermentation process, with particular consideration of O 2 - levels and their degradation, the redox voltages and the levels of volatile organic fatty acids in the fermentation substrate.
Die nachweislich höhere Abbaugeschwindigkeit der pflanzlichen Biomasse führt zu einer günstigeren Pump- und Fließfähigkeit des Gärsubstrats sowie zu einer geringeren Neigung zur Schwimm- und Sinkschichtenbildung und lässt daher extrem hohe Energiedichten (Faulraumbelastungen) zu, ohne dass dies zu Lasten der Biogasausbeute führt.The demonstrably higher Rate of degradation of plant biomass leads to a more favorable pumping and fluidity of the fermentation substrate and a lower tendency to swim and Sinkschichtenbildung and lets Therefore, extremely high energy densities (digester loads), without that this is to the detriment of the biogas yield.
Ferner ist es möglich, dass eine technologische Kombination mit anderen Aufschlussverfahren der mechanischen Substratvorbereitung (z.B. Extrusion, Intensivzerkleinerung) oder der enzymatischen Behandlung des Gärsubstrats genutzt werden kann.Further Is it possible, that a technological combination with other digestion methods Mechanical Substrate Preparation (e.g., Extrusion, Intensive Reduction) or the enzymatic treatment of the fermentation substrate can be used.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen und Besonderheiten aus. Hierzu zählen insbesondere:
- 1. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es, durch dosierten Eintrag von Sauerstoff die Reaktionsgeschwindigkeit des Vergärungsvorganges zu erhöhen. Dabei erfolgt ein schneller Abbau pflanzlicher Biomasse, insbesondere von Cellulose und Hemicellulose. Die Abbaubarkeit der hochpolymeren Verbindungen kann beispielsweise durch eine mikrobielle Vielfalt von Pilzen und aerob arbeitenden Actinobakterien sowie anaeroben Clostridien und fakultativ anaeroben Mikroorganismen gewährleistet werden.
- 2. Im Ergebnis labor- und großtechnischer Untersuchungen konnte der Nachweis erbracht werden, dass der Eintrag von Luftsauerstoff zum beschleunigten Abbau cellulosehaltiger Substrate und zu organischen Folgeprodukten mit eingelagertem endständigen Sauerstoff wie beispielsweise Alkohole, Aldehyde, Ester und Amide führt, die nun mikrobiologisch leichter abbaubar sind. Damit wird die Nährstoffverfügbarkeit für die methanbildenden Mikroorganismen erhöht; der Prozess trägt Turbocharakter.
- 3. Im einstufigen Prozess der Methanvergärung laufen die beschriebenen Abbaureaktionen in einem einzigen Reaktorsystem simultan ab. Dabei können die Reaktionsbedingungen nicht an die individuellen biochemischen Milieuansprüche der verschiedenen am Substratabbau beteiligten Mikroorganismen angepasst werden. Die Einstufigkeit ist deshalb ein verfahrenstechnischer Kompromiss. Um nicht auf den Gesamtprozess Rücksicht nehmen zu müssen, ist die biochemische Optimierung auf die eigentliche Methanbildung gerichtet.
- 4. Obwohl von der Fachwissenschaft einheitlich die Auffassung vertreten wird, Sauerstoff vom eigentlichen Methanbildungsprozess fernzuhalten, kommen Langzeitversuche der Erfinder mit einem Hochleistungsreaktor zu dem überraschenden Ergebnis, dass beim Einleiten von Luftsauerstoff in den Reaktor dieser sofort verbraucht wird und die Gasbildungsrate ansteigt, unter gleichzeitiger Beobachtung sich weiter negativ entwickelnder Redoxspannungen.
- 5. Die höheren Abbaugeschwindigkeiten infolge Sauerstoffeinfluss führen folgerichtig zu größeren Durchsatzleistungen, Gasproduktivitäten und Gasausbeuten im Reaktor. Der Prozess kann als Hochleistungsprozess gefahren werden.
- 6. Menge und Dauer des Eintrags sind in hohem Maße vom mikrobiologischen Status des Gärsubstrats abhängig. Der Eintrag ist nur dann sinnvoll, wenn O2 – verwertende Mikroorganismen dort in ausreichender Anzahl vorhanden sind. Die Begleitflora aus kulturell aeroben Keimen sind Pilze sowie O2 – zehrende gramnegative Bakterien; sie dienen in entscheidendem Maße einer optimalen Biozönose als Precursor für die Methanogenese. Die kontinuierliche Methanbildung wird ermöglicht durch die Anwesenheit so genannter fakultativer Anaerobier, die unter kurzzeitigen Sauerstoffeinflüssen existieren können, diesen zeitnah verzehren und somit eine Schutzfunktion für die obligat anaeroben Methanbakterien übernehmen.
- 7. Bei periodischer Belüftung von Gärsubstrat konnte die ursprüngliche Biogasrate bis zu maximal 51 % gesteigert werden. Selbst nach wiederholtem Eintrag von Luftsauerstoff lag die Biogasentwicklung nach über 40 Stunden Versuchsdauer noch um 23 % höher als bei unbehandeltem Material.
- 8. Nachgewiesenermaßen wird mit der Sauerstoffzuführung die Redoxspannung negativer, was sich positiv auf den Methanbildungsprozess auswirkt. Das Optimum der Methanerzeugung im Vergärungsprozess wird erst bei sehr negativen Redoxspannungen von etwa –350 mV bis über –500 mV beobachtet. Biogasanlagen mit einem hohen Methanbildungspotential erreichen solche Werte.
- 9. Zweckmäßigerweise erfolgt der Eintrag von Luftsauerstoff gemeinsam mit der Substratzuführung in den oberen Reaktorbereich, wo die tendenzielle Gefahr des Aufschwimmens faserreicher Biomasse am größten ist. Eine wirksame Homogenisierungstechnik führt zur gewünschten Raumverteilung im gut durchmischten Reaktor.
- 10. Zur Optimierung des Prozessablaufs ist es vorteilhaft, eine messtechnische Überwachung des Vergärungsprozesses durchzuführen, wobei insbesondere eine Überwachung folgender Parameter erfolgt: • Temperaturverhalten • pH – Wert • Äquivalente der leichtflüchtigen Fettsäuren • Bestimmung der Trockensubstanzgehalte • Erfassung der Stoffpotentiale und des C/N – Verhältnisses • Zusammensetzung und Menge des Biogases • Kontinuierliche Messung des O2 – Gehaltes im Gärsubstrat an mindestens zwei Messpunkten • Überwachung der Redoxspannung
- 11. Die gut homogenisierbaren Gärmassen weisen eine hohe Pump- und Transportfähigkeit und eine sehr geringe Neigung zu Schwimm- und Sinkschichtenbildungen auf.
- 1. With the method according to the invention, it is possible by metered entry of oxygen to increase the reaction rate of the fermentation process. In this case, a rapid degradation of plant biomass, in particular of cellulose and hemicellulose. The degradability of the high polymer compounds can be ensured, for example, by a microbial diversity of fungi and aerobically working actinobacteria as well as anaerobic clostridia and optionally anaerobic microorganisms.
- 2. As a result of laboratory and large-scale investigations, it was verified that the introduction of atmospheric oxygen leads to accelerated degradation of cellulose-containing substrates and to organic secondary products with intercalated terminal oxygen such as alcohols, aldehydes, esters and amides, which are now more readily biodegradable , This increases the nutrient availability for the methanogenic microorganisms; the process carries turbocharacter.
- 3. In the single-stage process of methane fermentation, the described degradation reactions take place simultaneously in a single reactor system. The reaction conditions can not be adapted to the individual biochemical environmental claims of the various microorganisms involved in substrate degradation. The single-stage is therefore a procedural compromise. In order not to have to take into account the entire process, the biochemical optimization is directed to the actual methane formation.
- 4. Although the art is uniformly believed to keep oxygen from the actual methane production process, the inventors' long-term experiments with a high-performance reactor come to the surprising conclusion that when oxygen is introduced into the reactor, it is consumed immediately and the gas formation rate increases, with simultaneous observation further negative-developing redox voltages.
- 5. The higher degradation rates due to the influence of oxygen consequently lead to higher throughput rates, gas productivities and gas yields in the reactor. The process can be run as a high-performance process.
- 6. The amount and duration of the entry are highly dependent on the microbiological status of the fermentation substrate pending. The entry is only useful if O 2 - utilizing microorganisms are present there in sufficient numbers. The accompanying flora from culturally aerobic germs are fungi as well as O 2 - consuming Gramnegative bacteria; they are crucial in optimizing biocenosis as a precursor to methanogenesis. Continuous methane formation is made possible by the presence of so-called facultative anaerobes, which can exist under short-term oxygen influences, consume them promptly and thus take over a protective function for the obligate anaerobic methane bacteria.
- 7. With periodic aeration of fermentation substrate, the original biogas rate could be increased up to a maximum of 51%. Even after repeated intake of atmospheric oxygen, biogas production was still 23% higher after more than 40 hours of experimentation compared to untreated material.
- 8. It has been proven that with the oxygen supply the redox voltage becomes more negative, which has a positive effect on the methane formation process. The optimum methane production in the fermentation process is only observed at very negative redox voltages of about -350 mV to over -500 mV. Biogas plants with a high methane formation potential reach such values.
- 9. Expediently, the entry of atmospheric oxygen takes place together with the substrate supply in the upper reactor area, where the tendency tendency of floating fiber-rich biomass is greatest. An effective homogenization technique leads to the desired space distribution in the well-mixed reactor.
- 10. In order to optimize the process, it is advantageous to carry out a metrological monitoring of the fermentation process, in particular monitoring the following parameters: temperature behavior pH value equivalences of the volatile fatty acids determination of the dry matter contents determination of the substance potentials and the C / N Ratio • Composition and quantity of biogas • Continuous measurement of the O 2 content in the fermentation substrate at at least two measuring points • Monitoring of the redox potential
- 11. The well-homogenized gas masses have a high pumping and transportability and a very low tendency to swim and Sinkschichtenbildungen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei sind die in großtechnischer Anwendung mit nachfolgender labortechnischer Bestä tigung erzielten Messergebnisse und Abhängigkeiten der aeroben Einflussnahme auf Gärvorgänge dargestellt.The Invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment. there are those in large-scale Application with subsequent laboratory confirmation achieved Measurement results and dependencies the aerobic influence on fermentation processes shown.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen:In the associated Show drawing:
In
Die
jeweiligen Dosierungskriterien des Luftsauerstoffeintrags werden,
neben dem mikrobiologischen Befund, von folgenden Messparametern
abhängig
gemacht:
Im Ergebnis der Aerobbehandlung des Gärsubstrates können höhere Energiedichten und Faulraumbelastungen beherrscht werden als die wissenschaftliche Fachwelt bisher zulässt. So sind Faulraumbelastungen > 7 kg oTS/m3 F × d möglich, ohne dass es zu Störungen im Gasbildungsprozess kommt oder ein merklich negativer Einfluss auf die Gasausbeute zu verzeichnen ist.As a result of the aerobic treatment of the fermentation substrate higher energy densities and Faulraumbelastungen can be mastered than the scientific community allows so far. Thus, foul space loads> 7 kg oTS / m 3 F × d are possible, without causing disruptions in the gas formation process or a markedly negative influence on the gas yield.
Aus
der in
- O2 O 2
- Sauerstoffgehaltoxygen content
- tt
- ZeitTime
- t1 t 1
- Zeitspanne des LufteintragsPeriod of time the air entry
- t2 t 2
- Zeitspanne zwischen den periodischen LufteinträgenPeriod of time between the periodic air entries
- mgmg
- Milligrammmilligram
- mVmV
- Millivoltmillivolts
- ll
- Literliter
- RB R B
- Biogasratebiogas rate
- m3 m 3
- Biogasvolumen (gemessen)biogas volume (measured)
- m3 F m 3 F
- Reaktorvolumenreactor volume
- hH
- Stundehour
- dd
- TagDay
- kg oTSkg oTS
- Kilogramm organische Trockensubstanzkilogram organic dry matter
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