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Anwendungsgebiet:
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Die Erfindung betrifft ein Verfahen zur Methanfermentation im Pfropfenstrom und eine Vorrichtungzur Durchführung des Verfahrens. Eine derartige technische Lösung wird für die biotechnologische Energiegewinnung und für die stoffliche und energetische Verwertung biogener Roh- und Abfallstoffe benötigt.
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Stand der Technik:
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Die Energiegewinnung mittels biotechnologischer Verfahren nimmt eine hervorragende Stellung im System der Nutzung erneuerbarer Quellen für die Gewinnung von Gebrauchsenergien ein. Derartige technische Lösungen sind der unmittelbaren Solarenergienutzung, der Windenergienutzung, der Wasserkraftnutzung und geothermischen Energienutzungen vor allem deshalb überlegen, weil sie ausnahmslos alle nachfolgend genannten Anforderungen erfüllen können:
- – Sicherung der Grundlastfähigkeit;
- – Nutzbarkeit von Energiespeichern;
- – Flexibilität der Energiebereitstellung;
- – Praktisch beliebige dezentrale Einsatzfähigkeit;
- – höchstes spezifisches Klimaschadstoff-Minderungspotential;
- – geringster Eingriff in den Naturhaushalt;
- – minimierte spezifische Kosten für die Energiebereitstellung;
- – Vermeidung von belastenden Produktionsresten;
- – Nutzbarkeit von Synergien in Verbindung mit der umweltgerechten Reststoff-Verwertung;
- – Nutzbarkeit von Synergien in Verbindung mit der Gewinnung von organischen Düngemitteln;
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Zur Erhöhung der wirtschaftliche und energetischen Effizienz sind bereits viele technische Lösungen zur Erweiterung der Palette verfügbarer Verfahren und Anordungen einerseits und zur Weiterentwicklung bereits bekannter Verfahrenstechniken vorgeschlagen worden. Solche technischen Lösungen können nach den Kategorien Trockenfermentation und Nassfermentation unterschieden werden. Im Bereich der bisher die höchste Verbreitung gefundenen Nassfermentation unterscheidet man die Nassfermentation mittels volldurchmischter Behälter im Durchlauf- oder Batchverfahren.
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Daneben werden auch im Durchlaufverfahren genutzte teildurchmischte Fementationsbehäter angewendet. Eine besondere Rolle spielt in diesem Zusammenhang die Methanfermentation im Pfropfenstrom. Hierbei können besonders effizient berechenbare Mindestbehandlungszeiten der eingesetzten Substrate gewährleistet werden, die sowohl für die weitgehende Umsetzung der verfügbaren organischen Inhaltsstoffe zu Biogas als auch zur wirksamen Vollstromhygienisierung der anfallenden Fermentationsrückstände von Bedeutung sind. Für die Verbesserung der letztgenannten technischen Lösungen sind bereits mehrere interessante Vorschlage bekannt gemacht worden.
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Die
EP 0113719 B1 (1982) beschreibt bereits eine Vorrichtung zur Biogasgewinnung in Form einer unbewegten Reaktortrommel mit eingebautem Längsrührwerk, mit der die biotechnologische Substratbehandlung im Pfropfenstrom erreicht werden kann. Für eine ausreichende Mindest-Behandlungszeit müssen derartige Konstruktionen entweder über größere Längsmaße verfügen und/oder bevorzugt für Substrate mit Schüttguteigenschaften genutzt werden.
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Mit der
DE 10 306 988 A1 (2003) werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Vergärung von Biomasse bekannt gemacht. Dabei wird ein Pfropfenstrom durch einen rohrförmigen und drehbaren Fermenter transportiert. Im Falle des Einsatzes von Biomasse mit Schüttguteigenschaften kann damit eine definierte Mindestbehandlungszeit erreicht werden.
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Die
DE 10 2005 057 978 A1 (2005) beschreibt ein Verfahren zur Trockenfermantation von Biomasse mittels eines gasdicht ausgeführten langgestreckten Kanals mit quer zur Längsachse angeordneten Rührwellen, deren Rührflügel sich mit den Rührflügeln der benachbarten Rührwellen überlappen. Damit soll in erster Linie der Austrag anfallender Sedimente und das Vermeiden einer fraktionierten Entmischung der Biomasse bewirkt werden. Diese Technik ist im Falle der Verfügbarkeit von Biomasse mit Schüttguteigenschaften für das Gewährleisten von wählbare Mindestbehandlungszeiten geeignet. Bei Einsatz von flüssiger Biomasse ist dieser Vorzug nicht mehr nutzbar. In jedem Fall macht der Einsatz der erforderlichen Mechanismen eine solche technische Problemlösung störungsanfällig.
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Mit der
DE 10 2005 057 979 A1 (2005) wird eine Weiterentwicklung des Fermentationskanals für die Trockenfermentation dadurch angestrebt, dass zusätzliche Zuführungsmöglichkeiten von trockensubstanzreichen Einsatzstoffen und/oder Zusatzstoffen entlang der Längserstreckung des Fermentationskanals vorgesehen werden.
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In der
WO 2007/087794 A1 (2006) wird ein Bioreaktor bechrieben, der mit einer Einführkammer und einem Rücklaufkanal in Verbindung steht. Damit ist eine wenigstens teilweise Entnahme der organischen Stoffe aus dem Fermenter möglich, wobei durch die Zwischenkammer und durch den Rücklaufkanal ein Abschnitt mit einer nur in einer Richtung nutzbaren Strömungsbahn als Pfropfenstrom ausgebildet wird.
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Die
DE 20 2008 008 611 U1 (2006) beschreibt eine Schwenkvorrichtung in einem konisch zum Ausgang hin vergrößerten Trockenfermenter als Pfropfenstromfermenter, mit der der Substrattransport in verbesserter Weise gewährleistet werden soll.
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Die
DE 10 2007 049 479 B4 (2007) offenbart ein Verfahren zur kontinuierlichen anaeroben Behandlung von Biomasse in Form eines schwimmenden Pfropfenstromes, wobei die vom Eintrag zum Fermenterausgang schwimmende Biomasse mit dem die Schwimmdecke tragenden Inokulum befeuchtet wird. Voraussetzung für diese Behandlungsform ist der Einsatz von strukturreicher Biomasse, die eine Schwimmschicht ausbilden kann. Wegen der erforderlichen Benetzung durch Anteile der tragenden mikrokulturhaltigen Flüssigfraktion ist diese technische Lösung für das Gewährleisten von Minedestbehandlungszeiten nicht geeignet.
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Mit der
DE 10 2010 025 726 A1 (2010) wird der Fermenter für eine Anlage zur Methanfermentation beschrieben, der wenigstens zwei koaxial angeordnete Innenbehälter enthält, wobei durch Pumpen zwischen den Innenbehältern spiralfömige Ringströmungen erzeugt werden. Damit kann in begrenztem Umfang eine Pfropfenstromwirkung für pumpfähige Biomasse genutzt werden.
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Die
DE 10 2012 015 908 A1 (2012) offenbart einen Drehrohr-Pfropfenstromreaktor, der eine hydrolysierende Eintragsschleuse, Rückbeimpfungswendel im Apparateinneren sowie zusätzlich Zugabemöglichkeiten von Substraten enthält.
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Die bekannten technischen Lösungen sind ausnahmslos dadurch gekennzeichnet, dass sie nur für Biomasse mit Schüttguteigenschaften geeignet sind und/oder in erheblichem Maße den Einsatz verschleißender und energieintensiver Rühr- oder Pumpmechanismen erfordern. Insbesondere für pumpfähige Biomasse steht bislang keine technische Losung zur Verfügung, mit deren Hilfe eine anaerobe Behandlung von biogenen Einsatzstoffen im kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich betriebenen Pfropfenstrom mit definierten Mindestbehandlungszeiten möglich ist.
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Aufgabe der Erfindung:
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine technische Lösung für die Methanfermentation im Pfropfenstrom bereitzustellen, mit der die Mangel des bekannten Standes der Technik überwunden werden. Die Behandlung von Biomasse mit Schüttguteigenschaften soll vor allem deshalb ausgeschlossen werden, um den Eintrag von für die anaeroben Mikrokulturen toxisch wirkendem Sauerstoff in das anaerobe System sicher zu vermeiden. Insbesondere soll die zu entwickelnde Probemlösung für die anaerobe Behandlung von pumpfähiger Biomasse im Pfropfenstrom geeignet sein und dabei wählbare Mindestbehandlungszeiten der eingesetzten Biomasse gewährleisten können. Damit sollen nicht nur erhöhte spezifische Biogasausbeuten, sondern auch nutzbare Hygienisierungseffekte erzielt werden können.
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Beschreibung der Erfindung:
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen technischen Lösung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Danach ist das Verfahren zur Methanfermentation im Pfropfenstrom für pumpfähige Biomasse durch die Nutzung von hydraulisch mischbaren Fermentern gekennzeichnet. Die eingesetzte Biomasse wird dabei unter anteiligem Einsatz von Fementationsresten aus dem laufenden Fementationsprozess, vorzugsweis in Form von Biofiltraten aus der Fest-Flüssig-Phasentrennung der Fermentationsreste, hergestellt. Die eingesetzte Biomasse enthält dadurch bereits Gehalte an jenen spezialisierten Keimen, die auf dem Weg durch den Pfropfenstrombereich jeweils die von ihnen bevorzugten Lebensbedingungen vorfinden, ohne mit besonderen technischen Mitteln rückbeimpft werden zu müssen.
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Zwischen den beiden Gasräumen derartiger Fermenterkonstruktionen und der gemeinsamen Rohgasleitung sind zwei voneinander getrennte Verbindungsleitungen verfügbar. Hydraulisch mischbare Methanfermentersysteme werden bisher ausschließlich als regelmäßig gemischte Apparate eingesetzt, wobei durch die realisierbaren extrem große hydraulischen Mischleistungen auch Gärsubstrate mit hoher Thixotropie und Trockensubstanzgehalten von bis zu 20% umgewälzt werden können.
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Es wurde nun überraschend gefunden, dass solche hydraulisch mischbaren Fermentersysteme auch für den Pfropfenstrombetrieb nutzbar gemacht werden können. Der erzielbare Vorteil einer solchen Betriebsweise besteht einerseits darin, dass sich auf dem Behandlungsweg praktisch ungestört Mikrokulturen über Selektions- und Adaptionsprozesse ausbilden, die sich in besonderer Weise dem sich im Fermentationsprozess ändernden Gärsubstrat anpassen können. Andererseits resultiert aus dem Pfropfenstrombetrieb die im Vergleich mit im Durchfluss betriebenen Rührapparaten einzigartige Situation, wonach sich die mittlere Behandlungszeit nur unwesentlich von der Mindestbehandlungszeit unterscheidet. Damit kann der Hauptmangel der verbreitet angewendeten volldurchmischten und kontiniuierlich betriebenen Duchflussfermenter überwunden werden. Dieser Mangel besteht in erster Linie darin, dass die Mindestbehandlungszeit der zugeführten Gärsubstrate in solchen Apparaten überwiegend lediglich dem zeitlichen Abstand zweier aufeinander folgenden Beschickungsvorgänge entspricht. Dagegen kann die maximale Behandlungszeit einzelner Teile der zugeführten Biomasse angenähert mit der zweifachen mittleren Aufenthaltszeit im jeweiligen Behandlungsapparat beziffert werden. Bei allgemein mit etwa 3 kg zugeführter organischer Trockenmasse je m3 nutzbaren Gärraumes und Tag ergibt sich beispielsweise für eine tägliche Einsatzstoffmenge von 100 m3 angemaischter Biomasse mit 12% Trockensubstanzgehalt und 95% organischer Anteile in der Trockenmasse die übliche Dimension des bereitgestellten gerührten Duchflussfermenters zu (100 m3/d·120 kg TS/m3·0,95 kg oTS/kg TS)/2,8 kg oTS/m3·d =
= 4.071 m3 nutzbares Fermentervolumen. Die mittlere Verweilzeit der zugeführten Biomasse ergibt sich in diesem Fall zu 4.071 m3/100 m3/d = 41 Tage.
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Während die Mindestbehandlungszeit im Allgemeinen nicht über einen Kalentertag hinausgeht, ergibt sich maximale Verweilzeit annähernd zu 2·41 Tage = 82 Tage.
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Für übliche biogene Substrate zur Biogasgewinnung ist bekannt, dass der überwiegende Teil der Kohlenstoffumwandlung zu Biogas nach etwa 20 Tagen abgeschlossen ist. Das vor dieser Behandlungszeit aus dem jeweiligen Anaerob-System ausgetragene Gärsubstrat ist für die Umsetzung zu Biogas nur unvollständig genutzt worden, während das über diese Zeit hinaus behandelte Substrat kaum wirtschaftlich verwertbare Beitrage zur Biogasgewinnung liefern kann. Eine bisher kaum genutzte Möglichkeit der Überwimdung dieses Dilemmas besteht im diskontinuierlichen batchweisen Betrieb der eingesetzten Rührapparate, der allerdings mit Kapazitätsminderungen wegen des zeitweilig nicht genutzten Femnentationsraumes verbunden ist.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird nun eine technische Lösung verfügbar, mit der sich im kontinuierlichen Pfropfenstrombetrieb Mindestbehandlungszeiten realisieren lassen, die sich nicht wesentlich von den Behandlungszeiten im Batchbetrieb unterscheiden, nun jedoch mit dem Vorzug, brachliegende Behandlungskapazitäten nicht mehr in Kauf nehmen zu müssen. Vorteilhafterweise werden die im vollständigen Batchbetrieb verloren gehenden aktiven Mikrokulturen im Pfropfenstrom vollständig erhalten, wobei sich auf dem Behandlungsweg unübersehbar an die veränderte Qualität des Gärsubstrates zunehmend besser angepasste Spezies herausbilden. Die verfahrenstechnische Lösung sieht vor, die Biomasse mit Trockensubstanzgehalten zwischen 12 und 20%, vorzugsweise mit wenigstens 15% Trockensubstanzgehalt, einzusetzen. Derartiges Gärsubstrat weist eine deutlich eingeschränkte Entmischungsneigung auf, was zu minimierten Schwimmschicht- und Sinkschichtausbildungen führt. Im Pfropfentrombetriebsfall wird der hydraulisch mischbare Methanfermenter mit Hilfe der Beschickungspumpe im oberen Bereich des Außenfermenters mit fluider Biomasse beschickt. Anschließend wird die zugeführte Charge durch ein zeitweilig betriebenes Rührwerk in die obere Gärsubstratschicht des Außenfermenters mit etwa kreisringförmiger Grundfläche eingemischt. Vorzugsweise wird der Fermenter so betrieben, dass dauernd im Außenfermenter ein absoluter Gasdruck oberhalb des Gärsubstrates in Höhe von etwa 1,45 bar aufrechterhalten wird. Dagegen wird der Abströmdruck des oberhalb des Gärsubstrates im Innenfermenter auf einem Niveau von absolut 1,05 bar begrenzt. Damit steht ständig eine Flüssigkeitssäule im Innenfermenter zur Verfügung, die um etwa 4 m den Füllstand des mit dem Innenfermenter kommunizierend verbundenen Außenfermenters überragt.
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In Abhängigkeit vom Durchmesser des Innenfermenters ist auf diese Weise dauernd eine Energiemenge abrufbar, mit deren Hilfe beispielsweise eine auftretende Sinkschicht fluidisiert und zum Sinkschichtablauf im Tiefsten des Außenfermenters transportiert werden kann. Beim normalen Verfahrensablauf werden während der Zuführung von frischer Biomasse zum Pfropfenstrom-Fermenter Fermentationsreste am Höchstpegel des Innenfermenters ausgetragen. Die ausgetragene Menge an Fermentationsresten entspricht dabei der Menge der jeweils zugeführten Biomasse-Charge, vermindert um die zwischen den Beschickungsvorgängen aus dem Methanfermenter ausgetragene Biogasmenge. Im Interesse einer wirtschaftlichen Fermenterdimension wird das Nutzvolumen des Fermenters wenigstens in Höhe des 25-fachen des täglich einzusetzenden Biomassevolumens gewählt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die täglich dem Pfropfenstromfermenter zuzuführende Menge frischer Biomasse auf maximal 6 kg organische Trockenmasse je m3 nutzbarer Fermentationsraum und Tag zu begrenzen. Unter den genannten Bedingungen wird eine Mindestbehandlungszeit der zugeführten Biomasse in Höhe von wenigstens 15 Tagen sichergestellt. Es wurde ermittelt, dass im Falle der durchgängig gewährleisteten Fermentationstemperatur nin Höhe von wenigstens 39°C auch die bei der Hygieneprüfung eingesetzten robusten Prüfkeime beim Durchlaufen des gesamten Fermentatinsprozesses innerhalb von längstens 14 Tagen wirksam geschädigt werden, weshalb die anaerobe Behandlung von durch Schadkeime infizierter Biomasse mittels dieser Pfopfenstrom-Fermentation praktisch eine Vollstromhygienisierung durchlaufen.
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Substratbehandlungen im Pfropfenstrom setzen voraus, dass im Wesentlichen Substratverlagerungen in Form von anderen Transportgeschwindigkeiten als der mittleren Strämunggeschwindigkeit es Subtrates über den Behandlungsweg ausgeschlossen werden können. Die durch die bewirkte Gasentbindung erfolgenden Mikroumwälzungen reichen erfahrungsgemäß aus, um die Nährstoffversorgung der Mikrokultur ohne zusätzliche energieaufwendige Materialumwälzungen zu gewährleisten. Ein beachtliches Problem bilden bei Einsatz von faserreicher Biomasse Schwimmschichten, die zur Behiunderung der Gasentbindung führen können. Die bevorzugte Bauart von hydraulisch gemischten Methanfermentern ist durch Füllstandshöhen von wenigstens 15 m gekannzeichnet, während der überwiegende Teil der im Einsatz befimndlichen volldurchschmichten Rührfermenter Füllstandshöhe von maximal 6 m aufweisen. Bei ähnlichen Gasentbindungsraten ist die Gasentbindung an der Biomasseoberfläche bekanntlich nahezu direkt proportional zur jeweilgen Füllstandshöhe.
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Deshalb müssen im laufenden Propfenstrombetrieb von hydraulisch gemischten Methanfermentern infolge der mehrfach höheren Gasbelastung der Biomasseoberfläche Schwimmschchtbildungen nicht befürchtet werden. In einer bevorzugten Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es für den Störungsfall vorgesehen, den absoluten Abströmdruck des anfallenden Biogases aus dem Gasraum des Außenfermenters kurzzeitig bis auf maximal 1,49 bar zu erhöhen. Damit werden die Gasüberströmkanäle zwischen den beiden Fermenterbereichen aktiviert, wodurch das im Außenfermenter anfallende Gas zusätzlich in den Innenfermenter eingeleitet wird uns dort zur sicheren Fluidisierung eventuell auftretender Schwimmschichten am Ablauf der Fermentationsreste aus dem Innenfermenter beiträgt. Anchließend wird der Abströmdruck für im Außenfermenter anfallende Gas wieder auf den Normaldruck reduziert, wodurch die Gasüberströmkanäle wieder verschlossen werden. Alternativ zu dieser Ausführungsvariante sieht eine andere Modifikation des Verfahrens vor, zur Vermeidung störender Schwimmschichten im Innenfermenter eine Fluidisierungshilfe in Form eines in einer Tauchhülse für den problemlosen Gerätewechsel angeordneten Tauchrührwerkes einzusetzen.
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Auch im Falle der Nutzung des Pfropfentromfermenters für Biomasse mit wenigstens 15% Trockensubstanzgehalt lässt ich das Entstehen von störenden Sinkschichten nicht vollständig ausschließen. Hierfür sind am Außenfermenter in Bodennahe ein oder mehrere Rohrtutzen in der Außenwand des Außenfermenters angeordnet. Unter Nutzung des in diesem Niveau vorherrschenden Mediendrucken als Summe von hydrostatischem und auflastendem Gasruck kann über diese Rohrtutzen sedimentreiches Gärsubstrat aus dem Propfenstromfermenter abgeführt werden. Gemäß einer vorteilhaften Verfahrensvariante wird die Gasverbindungsleitung zwischen den Gasräumen der beiden Fermenterbereiche kurzzeitig geöffnet, wodurch es zum Ausgleich des Gasdruckes über den Gärsubstratsäulen in den beiden Fermenterbereichen und infolgedessen zu deren Niveausgleich kommt. Die in Verbindung mit dem Medienaustritt aus dem Innenferenter in den Außenfermenter entstehende kreisförmige Grundströmung im Außenfermenter wird in einem solchen Fall auch Fluidisierung des Gärsubstrates in der bodennahen Schicht und zum Transport sedimentreichen Materials zu den verfügbaren Austragsstutzen genutzt. In einer weiteren Ausführungsvariante ist das erfindingsgemße Verfahren auch dadurch gekennzeichnet, dass die Gasräume der beiden Fermenterbereiche nicht nur jeweils gesondert über Druckminderungsventile mit der Rohgasleitung in Verbindung stehen.
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Für beide Gasräume werden darüber hinaus zusätzliche Überdruckventile eingesetzt, mit deren Hilfe die Überlastung dieser Gasräume auf einen absoluten Druck von mehr als 1,5 bar vermieden wird.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemßen Verfahrens ist ein mit Beheizungseinrichtungen ausgestatteter und thermich isolierter gasdichter Fermentationsapparat, der für absolute Gasdrücke oberhalb des Gärubstrates von maximal 1,5 bar ausgelegt ist. Erfindungsgemäß ist dieser Fermentationsapparat ein hydraulisch mischbarer Fermenter, der aus einem Innenfermenter und einem den Innenfermenter umgebenden Außenfermenter besteht. Die Gasräume über dem Gärsubstrat ind en beiden Fermenterbereichen stehen mittels getrennter Gasleitungen mit der gemeinsamen Rohgasleitung in Verbindung. In diesen Gasleitungen sind Druckregeleinrichtungen für die abströmenden Gase angeordnet. Der Rohrstutzen für die Biomassezuführung ist im oberen Bereich des Außenfermenters angeordnet, während der Ablauf der erzeugten Fermentatinsrückstände im oberen Bereich des Innenfermenters angeordnet ist. Im Tiefsten sind die beiden Fermenterbereiche nach dem Prinzig der kommunizierenden Röhren miteinander verbunden. Zwischen dem Gasraum des Außenfermenters und dem Innenfermenter ist zumindest ein Gasüberströmkanal angeordnet, der ist zu 4,9 m unterhalb des Höchstpegels für das Gärsubstrat im Innenfermenter reicht. Zwischen den Gasräumen der beiden Fermenterbereiche ist außerdem eine verschließbare Gasdruckausgleichsleitung angeordnet. Außerdem sind die Gasräume der beiden Fermenterbereiche mit selbstschließenden Überdruckventilen ausgesttattet, die bei einem Gasüberdruck von 0,49 bar ansprechen. Im Außenfermenter ist zumindest ein Rührwerk angeordnet, mit dessen Hilfe im oberen Bereich des Außenfermenters eine horizontale Ringströmung erzeugt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Verbindung der beiden Fermenterbereich über dem gemeinsamen Boden so düsenförmig ausgebildet, dass damit eine bodennahe Ringströmung bewirkt werden kann. Ebenfalls in Bodennähe am Außenfermenter ist wenigstens ein Rohrstutzen für den bedarfsweisen Sinkschlammaustrag angeordnet. Damit wird die Anreicherung sedimentreicher Sinkschichten in den beiden Fermenterbereichen vermieden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante der erfindungdgemäßen Vorrichtung sieht vor, im Innenfermenter als Fluidierungshilfe zumindest ein im oberen Füllstandsbereich wirkendes Rührwerk anzuordnen.
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Vorzugsweise sind die Rührwerke in den beiden Fermenterbereichen als so genannte Vertikalrührwerke oder als Tauchrührwerke mit unveränderlicher Rührachsenlage ausgebildet. Zur Vermeidung von Störungen des normlen Betriebes des Pfropfenstromfermenters sind die Rührwerke für Reparatur- oder Wartungserfordernisse zudem in flutungsfähigen Tauhhülsen angeordnet.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, das die beiden Fermenterbereiche mit Fernbeobachtungsstationen ausgestattet sind, mit deren Hilfe die Beschaffenheit der Oberflächen der Gärsubstrate als zusätzliche Prozessinformation visuell beurteilt werden kann.
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Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, im Außenfermenter unterhalb des bei der bestimmungsgemäßen Nutzung der Vorrichtung auftretenden tiefsten Biomassefüllstandes zur Beurteilng des aktuellen Gasruckes in den Gasräumen der beiden Fermenterbereiche Drucksensoren anzuordnen.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen technischen Lösung besteht in erster Linie in der Verfügbarkeit einer einfachen Behandlungsmöglichkeit der Methanfermentation fluider Biomasse im Pfropfenstrom. Eine derartige technische Lösung für die so genannten Nassfermentation stand bisher praktisch nicht zur Verfügung. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen technischen Lösung können nun, bezogen auf den nutzbaren Fermenterraum, spezifisch maximale Methanisierungseffekte erzielt werden. Dies wird dadurch erreicht, weil sich auf dem stetig durchlaufenden Behandlungsweg die Qualität des Gärsubstrates von der eingesetzten Biomasse bis zum ausgetragenen Fermentationsrückstand ständig verändert und sich in den jeweiligen Bereichen des Pfropfenstromfermenters die aktiven Mikrokulturen an diese Qualitäten anpassen können. Zudem können sich die Mikrokulturen im Bereich der anaeroben Behandlung ohne beachtliche Störungen durch wechselnde Anforderungen, durch den Ausschluss von Scherkraftweinwirkungen durch Rührmechanismen und/oder durch den Ausschluss des Sauerstoffeintrages mittels Feststoffzuführungssysteme, zum Zwecke der biologischen Gasentschwefelung oder im Zusammenhang mit der regelmäßigen Öffnung der gasdichten Abdeckungen üblicher Durchfluss-Rührapparate für Manipulationen an den Rührmechanismen entwickeln. Nicht zuletzt besteht der Vorteil der erfindungsgemßen technischen Lösung auch darin, dass die Apparatetechnik vollständig aus unkonserviertem Baustahl gefertigt werden kann.
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Auch führt die Anwendung des erfindungsgemäßen Vorschlages zu minimierten Isolationsanforderungen durch die kompakte Bauweise der nutzbaren Vorrichtungen. Ebenso vorteilhaft ist der minimierte Flächenverbrauch im Vergleich zu bekannten Methanfermentationsanlagen gleicher energetischer Leistungsfähigkeit. Schließlich werden mit Hilfe des erfindungsgemäßen Vorschlages Fermentationsrückstände gewonnen, die in der verbliebenen Trockenmasse wegen des bewirkten intensiveren anaeroben Umwandlungsprozesses nur noch minimierte organische Anteile vorzufinden sind. Damit besitzen die Fermentationsrückstände deutlich erhöhte Anteile die Hauptpflanzennährstoffe Stickstoff, Phosphor, Kalium und Schwefel enthaltender anorganischer Trockensubstanz in der verbleibenden Trockenmasse.
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Ausführungsbeispiel:
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Die Erfindung soll nachstehend mit Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der beigefügten Zeichnung zeigen
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1: den schematischen Verfahrensablauf der biotechnologischen Substratbehandlung im Pfropfenstrom,
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2: die schematische Schnittdarstellung des Fermenters für die Durhführung der vorgeschlagenen Methanfermentation im Pfropfenstromfermenter.
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Beispiel 1:
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Gemäß 1 werden in einer Biogasanlage täglich 8 t Getreidereinigungsrückstände mit 42 m3 Biofiltrat aus der Phasentrennung der gewonnenen Fermentationsrückstände zu 50 t Biosuspension mit im Mittel 18% Trockensubstanzgehalt gemischt. Die erzeugte Biosuspension wird zunächst in einem räumlich von der Methanfermentation getrennten Hydrolysetank aerob behandelt. Bei im Mittel zweitägiger Aufenthaltszeit in der Hydrolyestaton wird der pH-Wert der Biosuspension von anfangs 7,4 auf weniger als 5 reduziert. Täglich werden dem Hydrolysetank 50 t Hydrolysat entnommen und dem Pfropfenstromfermenter gemäß 2 mit einem Nutzvolumen von 3.000 m3 durch die Beschickungspumpe 1 zugeführt. Die mittlere Verweilzeit des Hydrolysates im Pfropfenstromfermenter errechnet sich zu 3.000 m3:50 m3/d = 60 Tagen.
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Der in einen Außenfermenter 2 und einen zentrisch vom Außenfermenter 2 umgebenen Innenfermenter 8 unterteilte Pfropfenstromfermenter wird als ungemischter Durchflussfermenter betrieben. Bei jeder Dosierung von Biomasse 6 in Form von Hydrolysat wird eine der aktuellen Dosismenge entsprechende Menge von Fermentationsresten 5, allerdings vermindert um die Menge des seit der zurückliegenden Hydrolysatzuführung ausgetragenen Biogasmege, über den Ablauf der Fermentationsreste 18 in das Gärrestlager verdrängt. Die zugeführte Hydrolysatmenge wird mit Hilfe eines im oberen Bereich des Außenfermenters 2 angeordneten Rührwerkes 19 in die obere Schicht des Gärsubstrates 3 eingemischt. In den über den Gärsubstraten der beiden Fermenterbereiche angeordneten Gasräumen 4, 9 werden absolute Gasdrücke von 1,45 bar im Außenfermenter 2 und von 1,03 bar im Innenfermenter 8 mit Hilfe von Druckregeleinrichtungen 16 stabil aufrechterhalten. Durch Verdrängungsprozesse gelangt das im oberen Teil des Außenfermenters 2 befindliche Gärsubstrat 3 bis in den unteren Bereich, in dem die beiden Fermenterteile 2, 8 als kommunizierende Röhren über Verbindungsöffnungen 20 miteinander verbunden sind. Dort gelangt das Gärsubstrat 3 in den Innenfermenter 8, bis es infolge dert Verdrängungsprozesse den Höchstpegel 7 und damit den Ablauf der Fermentationsreste 18 erreicht hat. Unterhalb der Wirkungsbereiche der in beiden Fermenterbereichen 2,8 angeordneten Rührwerke 11, 19 erfolgt die Umwälzung des Gärsubstrates ausnahmslos durch die Gasentbindung des Gärsubstrates 3. Infolgedessen werden für die dosierte Biomasse 6 Mindestbehandlungszeiten erreicht, die im Ausführungsbeispiel wenigstens 30% der mittleren Behandlungszeit im anaeroben mesophilen Milieu des Pfropfenstromfermenters, mithin wenigstens 0,3·60 Tage = 18 Tage, betragen. Die Fermentationsrückstände gelangen vom Ablauf der Fermentationsreste 18 in einen Gärrestetank, der in erster Linie der Entkopplung von Fermentation und Phasentrennung dient. In der nachgeschalteten Phasentrennstation wird neben einem organischen NPK-Dünger mit hohem Nährstoffgehalt Biofiltrat für die Rückführung von adaptierten Keimen und zur Minimierung der Anforderungen an die Bereitstellung wässriger biogener Einsatzstoffe gewonnen. Infolge der aufeinanderfolgenden Belastung der zugeführten Biomasse 6 mit durch Schadkeime infizierte Einsatzstoffe von hydrolytischer Belastung und anschließender Methanfermentation wird eine wirksame Vollstromhygienisierung der Gärsubstrate 3 erreicht. Dadurch werden gegenüber der Methanfermentation mittels im Durchlauf betriebener Rührapparate nahezu die doppelten spezifischen Methanmengen gewonnen.
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Im Ausführungsbeispiel betragen diese, bezogen auf den täglichen Einsatz von 8 t Getreidereinigunsgrückständen mit einem Gehalt von 780 kg organischer Trockenmasse (oTS) je t Einsatzstoff, folglich 8 t Einsatstoff/d·780 kg oTS/t = 6.240 kg oTS/d, 0,455 m3 Methan/kg oTS
bzw. 2.840 m3 Methan/d oder 28.400 kWh/d. Dieser Methanertrag entspricht einer Gasproduktion mit einer Feuerungswärmeleistung in Höhe von 28.400 kWh/d:24 h/d = 1,18 MW. Außerdem sind die anfallenden Fermentationsreste mit adaptierten Keimen und/oder deren Sporen für die verschiedenen räumlich getrennten anaeroben Behandlungsprozesse im Pfropfenstromfermenter angereichert. Darüber hinaus sind vollständige Hygienisierungseffekte für Schadkeime, wie Salmonellen, Coli-Bakterien und dergleichen zu verzeichnen, wie sie alternativ nur durch standardisierte Sterilisierungs- oder Pasteurisierungsprozesse beziehungsweise durch langzeitige anaerobe Behandlung im thermophilen Milieu erreicht werden.
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Beispiel 2:
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Gemäß der 2 ist ein Pfropfenstromfermenter ein bisher als hydraulisch teilweise gemischter Methanfermenter, der in einer erfindungsgemäß veränderten Ausstattung alle Vorzüge eines Pfropfenstromfermenters für die Narfermentation bietet, wie es bisher nur für verschiedene Ausführungsformen der Trockenfermentation bekannt war. Im Ausführungsbeispiel wird mittels der Beschickungspumpe 1 der Außenfermenter 2 täglich mit 50 m3 Biomasse 6 in Form einer hydrolytisch vorbehandelten Biosuspension mit einem mittleren Trockensubstanzgehalt von 18% beschickt. Der über dem Höchstpegel 7 des Außenfermenters 2 verfügbare gasraum des Außenfermenters ist ebenso mit der Rohgasleitung 15 verbunden, wie der Gasraum des Innenfermenters 4 oberhalb des Höchstpegels 7 des Gärsubstrates 3 im Innenfermenter 8. Mittels Druckregeleinrichtungen 16 in den jeweiligen Verbindungsleitungen zwischen den Gasräumen 6, 9 von Außen- und Innenfermenter 2, 8 und der Rohgasleitung 15 werden im Gasraum des Außenfermenters 9 ein absoluter Druck in Höhe von 1,45 bar und im Gasraum des Innenfermenters 4 ein absoluter Druck in Höhe von 1,035 bar ununterbrochen aufrechterhalten. Damit ergibt sich im Innenfermenter ein Höchstpegel 7 für das Gärsubstrat 3 im Innenfermenter 8, der um etwa 4,1 m über dem Höchstpegel 7 des Gärsubstrates 3 im Außenfermenter 2 liegt.
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Auf dem Niveau des Höchstpegels 7 des Gärsubstrates 3 im Innenfermenter 8 ist der Ablauf der Fermentationsreste 18 angeordnet. Zwischen dem Gasraum des Außenfermenters 9 und dem Innenfermenter 8 sind im beschriebenen Beispiel insgesamt vier gleichmäßig am Umfang des Innenfermenters 8 verteilte Gasüberströmkanäle 10 derart angeordnet, dass über diese Gasüberströmkanäle bei beabsichtigter Gaseinleitung aus dem Außenfermenter 2 in den Innenfermenter 8 mittels der Druckregeleinrichtung 16 in der Gasverbindungsleitung 12 zwischen dem Gasraum des Außenfermenters 9 und der Rohgasleitung 15 der absolute Druck im Gasraum des Außenfermenters 9 auf 1,49 bar erhöht wird. In einer solchen Betriebssituation wird eine gegebenenfalls entstandene Schwimmschicht auf der Oberfläche des Gärsubstrates 21 im Innenfermenter 8 durch die zusätzliche Einleitung des Gases aus dem Gasraum des Außenfermenters 9 in den Innenfermenter 8 wirkungsvoll turbulent fluidisiert. In der normalen Betriebssituation erfolgt die Fluidisierung der Oberfläche des Gärubstrates 21 im Innenfermeter 8 durch ein in einer Tauchhülse 24 angeordnetes Rührwerk 19 als Fluidisierungshilfe 11. Dagegen dient das ebenfalls in einer Tauchhülse 24 angeordnete Rührwerk 19 im Außenfermenter 2 in erster Linie dem Einmischen der auf die Oberfläche des Gärsubstrates 21 dosierte Biomasse 6 in die obere Schicht des Gärsubstrates 3 des Außenfermenters. Zwischen den Gasräumen 4, 9 der Fementerbereiche 2, 8 ist eine großvolumige Gasverbindungsleitung 12 mit einem lichten Durchmesser von 300 mm angeordnet. Diese Gasverbindungsleitung 12 ist mit einer Absperreinrichtung 25 verschließbar ausgeführt. Im Falle der erforderlichen Aussschleusung von Sedimenten aus dem Pfropfenstromfermenter wird Material aus den im Tiefsten des Außenfermenters 2 angeordneten beisen Sinkschichtausträ 13 entnommen. Durch kurzzeitiges Öffnen der Absperreinrichtung 25 in der Gasverbindungsleitung 12 zwischen den Gasräumen 4, 9 der Fermenterteile 2, 8 kommt es zum Druckausgleich über der Biomasse 6 in beiden Fermenterteilen 2, 8, worauf es mit Hilfe der in der angehobenen Biomasse 6 des Innenfermenters 8 enthaltenen potentiellen Energie zum Ausströmen von Gärsubstrat 3 vom Innenfermenter 8 über die Verbindungsöffnungen 20 in den Außenfermenter 2 kommt. Eventuell abgelagerte Sedimente werden auf diese Weise zu den Sinkschichtausträgen 13 transportiert und können dort entnommen werden, ohne den Verfahrensablauf im Pfropfenstromfermenter zu beeinflussen. Die Oberflächen des Gärsubstrates 21 in den Fermenterteilen 2, 8 können mittels der Fernbeobachtungsstationen 22 visuell überwacht werden.
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Schließlich wird mittels Drucksensoren 23 an der Außenwand des Außenfermenters 2 die Stabilität des Fermentationsprozesses dadurch überwacht, dass Dosiervorgänge von Biomasse 6 in den Außenfermenter 2 nur dann zugelassen werden, wenn der Solldruck im Gasraum des Außenfermenters 9 erreicht ist und damit die frisch dosierte Biomasse 6 eine entsprechende Menge Gärsubstrat 3 über den Ablauf der Fermentationsreste 18 aus dem Pfropfenstromfermenter verdrängen kann. In den einzelnen Bereichen des Fermenters, der von der Biomasse 6 durchströmt wird, herrschen sowohl stabile Prozessbedingungen und bei konstanter Qualität der Einsatzstoffe auch zwar stetig veränderte jedoch in den jeweilgen Fermenterbereichen stabile Gärsubstratqualitäten. Die auf diese Prozesssituation adaptierten Mikrokulturen werden als aktive Keime oder in Sporenform im Gärsubstrat mitgeführt und finden sich folglich auch in den mittels Phasentrennstation erzeugten Biofiltraten als wesentliche stoffliche Komponente der eingesetzten Biosuspensionen. Damit ist zusätzlich zum Erhalt der in den einzelnen Fermenterbereichen bevorzugt tätigen Spezies in der eingesetzten Biosuspension ein Impfmassenpotential dieser speziellen Keime für alle im Pfropfenstromfermenter erfolgenden Verfahrensschritte verfügbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Beschickungspumpe
- 2
- Außenfermenter
- 3
- Gärubstrat
- 4
- Gasraum des Innenfermenters
- 5
- Fermentationsreste
- 6
- Biomasse
- 7
- Höchstpegel
- 8
- Innenfermenter
- 9
- Gasraum des Außenfermenters
- 10
- Gasüberströmkanal
- 11
- Fluidisierungshilfe
- 12
- Gasverbindungsleitung
- 13
- Sinkschichtaustrag
- 14
- Überdruckventil
- 15
- Rohgasleitung
- 16
- Druckregeleinrichtung
- 17
- Rohrstutzen für die Biomassezuführung
- 18
- Ablauf der Fermentationsreste
- 19
- Rührwerk
- 20
- Verbindungsöffnung
- 21
- Oberfläche des Gärsubstrates
- 22
- Fernbeobachtungsstation
- 23
- Drucksensor
- 24
- Tauchhülse
- 25
- Absperreinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0113719 B1 [0005]
- DE 10306988 A1 [0006]
- DE 102005057978 A1 [0007]
- DE 102005057979 A1 [0008]
- WO 2007/087794 A1 [0009]
- DE 202008008611 U1 [0010]
- DE 102007049479 B4 [0011]
- DE 102010025726 A1 [0012]
- DE 102012015908 A1 [0013]