DE19845207A1

DE19845207A1 - New enzyme composition useful for anaerobic digestion of sewage sludge, comprises at least three different enzymes or enzyme activities and surfactants and/or degradation promoters

Info

Publication number: DE19845207A1
Application number: DE1998145207
Authority: DE
Inventors: Karoly Kery
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-10-01
Filing date: 1998-10-01
Publication date: 2000-04-20

Abstract

An enzyme composition (I), comprising 70 - 95 weight % of at least three different enzymes or an enzyme with at least three activities, 0.1 - 25 weight % surfactants and/or 0.1 - 10 weight % degradation promoters, is new.

Description

Die Erfindung betrifft eine Enzympräparation zur Verbesserung der Bioabbaubarkeit von Biomasse.The invention relates to an enzyme preparation to improve biodegradability of biomass.

Der Bioabbau von organischen Abfällen pflanzlicher, tierischer oder mikrobieller Her kunft, wie z. B. Blätter, Gras, Stroh, Küchenabfälle, Schweinegülle, biologische Klär schlämme usw. ist ein mehrstufiger Vorgang, bei dem die höhermolekularen organi schen Stoffe zunächst teilweise hydrolysiert, dann je nach Milieubedingungen entwe der aerob zum Kohlendioxid und Wasser oxidiert oder unter mikroaeroben bzw. anaeroben Bedingungen von säurebildenden Bakterien zu flüchtigen Carbonsäuren umgewandelt werden, welche unter anaeroben Bedingungen durch die Aktivität von methanogenen Bakterien über das Zwischenprodukt Acetat zum etwa 65% Methan und 35% Kohlendioxid enthaltenden Biogas als Endprodukt zerfallen. Diese bioche mischen Reaktionen laufen in der Natur wegen der chemischen und physikalischen Eigenschaften der Substrate, die ihnen eine Hydrolysestabilität verleihen, relativ langsam ab.The biodegradation of organic waste from plant, animal or microbial sources future, such as B. leaves, grass, straw, kitchen waste, pig manure, biological clarification Sludge, etc. is a multi-stage process in which the higher molecular weight organi substances are initially partially hydrolyzed, then escaping depending on the milieu conditions which aerobic oxidizes to carbon dioxide and water or under microaerobic or anaerobic conditions from acid-forming bacteria to volatile carboxylic acids which are converted under anaerobic conditions by the activity of methanogenic bacteria via the intermediate acetate to about 65% methane and 35% carbon dioxide-containing biogas as the end product. This bioche Mixing reactions take place in nature because of the chemical and physical Properties of the substrates which give them hydrolysis stability are relative slowly.

Bedingt durch die hohe Hydrolysestabilität der Bestandteile der Schlammflocke sowie der nicht ausreichenden Aktivität der hydrolytischen Enzyme reichen beispielsweise bei industriellen Klärschlämmen auch relativ lange Faulungszeiten von 25 bis 40 Tagen für eine gute Ausfaulung der Schlämme nicht aus.Due to the high hydrolysis stability of the components of the mud flake as well as the insufficient activity of the hydrolytic enzymes For example, with industrial sewage sludges, it also has relatively long digestion times from 25 to 40 days for good sludge digestion.

Für die Verkürzung der Vergärungszeit bzw. Verbesserung der Ausfaulung wurden in der Vergangenheit verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen. Die meisten von ihnen haben die Erhöhung der Hydrolysegeschwindigkeit der Biomasse bzw. des Substrates zum Ziel. Diese Maßnahmen haben jedoch auch ihre Nachteile. Die alkalische oder saure Hydrolyse kann beispielsweise zur Aufsalzung des Substrates sowie zur Entstehung biologisch schlecht abbaubarer Zwischenprodukte führen. Eine thermische Vorbehandlung ist energieaufwendig und bedeutet einen zusätzlichen apparativen Aufwand.In order to shorten the fermentation time and improve the digestion, in various measures have been proposed in the past. Most of them have the increase in the rate of hydrolysis of the biomass or Substrates to the goal. However, these measures also have their disadvantages. The Alkaline or acidic hydrolysis can be used, for example, to salt the substrate and lead to the formation of poorly biodegradable intermediates. A thermal pretreatment is energy-intensive and means an additional one equipment expenditure.

Die Verbesserung der Ausfaulung durch Zusatz verschiedener Enzyme wurde eben falls vorgeschlagen.The improvement in digestion by adding various enzymes was just if suggested.

G. Higgins und Mitarbeiter beschreiben in "Energy from Biomass and Wastes", Aus gabe 9 (1985, S. 791-810), eine 6-stündige Behandlung von Vorklärschlamm bei 35°C unter Zugabe von 2.500 mg Cellulase pro Kilogramm Trockensubstanz mit an schließender Faulung, wobei eine um 12% höhere Faulgasproduktion festgestellt wurde. Die ziemlich hohe Cellulasedosis beeinträchtigt die Wirtschaftlichkeit dieser Methode nicht unerheblich. G. Higgins and co-workers describe in "Energy from Biomass and Wastes", Aus gabe 9 (1985, pp. 791-810), a 6-hour treatment of primary sewage sludge 35 ° C with the addition of 2,500 mg cellulase per kilogram of dry matter closing digestion, whereby a 12% higher digester gas production was found has been. The rather high cellulase dose affects the economy of this Method not insignificant.

In der Studie Nr. PTWT 02 WS 86196 des Bundesministeriums für Forschung und Technologie wird auf den Seiten 97 bis 101 über eine 10 bis 15%ige Erhöhung der Biogasproduktion durch die Zudosierung von 20 ml eines Enzympräparates auf Pro teasebasis pro Kubikmeter Rohschlamm berichtet. Die angegebene Behandlungs dauer von etwa drei Wochen ist jedoch für eine Leistungsbeurteilung nicht ausrei chend. In "Water Research" Nr. 23 (1989), 11, 1455-1459, wird über den Versuch berichtet, die Schlammfaulung durch Zusatz von 16 bis 160 g pro Kubikmeter einer Mischung aus enzymatisch hochaktiven, hydrolysierenden selektierten Kulturen zu verbessern, jedoch wurde auch nach dreimaliger Wiederholung keine Verbesserung festgestellt.In study no. PTWT 02 WS 86196 by the Federal Ministry of Research and Technology is on pages 97 to 101 about a 10 to 15% increase in Biogas production by adding 20 ml of an enzyme preparation to Pro teas base per cubic meter of raw sludge reported. The indicated treatment However, a period of around three weeks is not sufficient for a performance assessment chatting. "Water Research" No. 23 (1989), 11, 1455-1459 describes the experiment reports the sludge digestion by adding 16 to 160 g per cubic meter Mixture of enzymatically highly active, hydrolyzing selected cultures improve, but no improvement was seen even after three repetitions detected.

In Anbetracht der großen Bedeutung der anaeroben Vergärung von organischen Schlämmen und Abfällen bestand ein großer Bedarf nach einer schnelleren und bes seren Ausfaulung mit einem höheren Abbaugrad der organischen und anorganischen Feststoffanteile.Given the great importance of anaerobic fermentation of organic Sludge and waste have been in great need for faster and better digestion with a higher degree of decomposition of organic and inorganic Solid content.

Diese Aufgabe konnte durch die erfindungsgemäße Enzympräparation gelöst werden.This object was achieved by the enzyme preparation according to the invention become.

Gegenstand der Erfindung ist eine Enzympräparation für die Verbesserung der Bioabbaubarkeit von Biomasse bestehend aus:
The invention relates to an enzyme preparation for improving the biodegradability of biomass, consisting of:

A) 70 to 95 parts by weight of an enzyme mixture
B) 0.1 to 25 parts by weight of surfactants and / or
C) 0.1 to 10 parts by weight of degradation-improving additives,

wobei die Summe der Gewichtsanteile 100 ergibt.where the sum of the parts by weight is 100.

A) Enzymmischung bedeutet bei der erfindungsgemäßen Enzympräparation eine Mischung von mindestens drei hydrolytischen Enzymen oder ein Enzym mit minde stens drei verschiedenen ausgeprägten Aktivitäten. Eine bevorzugte Enzymmischung ist dabei die mit den Aktivitäten als Cellulase, Hemicellulase (β-Glucanase und Endo-Xylanase) und Protease.A) Enzyme mixture means in the enzyme preparation according to the invention Mixture of at least three hydrolytic enzymes or an enzyme with min at least three different distinct activities. A preferred enzyme mix is the one with the activities as cellulase, hemicellulase (β-glucanase and Endo-xylanase) and protease.

Als besonders bevorzugte Enzymmischung ist die mit den Aktivitätsanteilen von 10% bis 30% Cellulase, 5% bis 30% Protease und 50% bis 80% Hemicellulase.A particularly preferred enzyme mixture is the one with the activity shares of 10% up to 30% cellulase, 5% to 30% protease and 50% to 80% hemicellulase.

Als besonders wirksam erwies sich eine aus Trichoderma viride hergestellte Cellulase mit den Nebenaktivitäten, die in folgenden Verhältnissen zueinander stehen: Cellulase = 15.000 U/ml (bestimmt an Hydroxyethylcellulase als Substrat): β- Glucanase = 70.000 U/ml: Endo-Xylanase = 10.000 U/ml:- Protease = 3.500 U/ml Amyloglucosidase = 1.000 U/ml). One made from Trichoderma viride proved to be particularly effective Cellulase with the side activities that are in the following relationships to each other stand: Cellulase = 15,000 U / ml (determined on hydroxyethyl cellulase as substrate): β- Glucanase = 70,000 U / ml: Endo-xylanase = 10,000 U / ml: - Protease = 3,500 U / ml Amyloglucosidase = 1,000 U / ml).

B) Oberflächenaktive Stoffe bedeuten eine Mischung solcher oberflächenaktiver Stoffe, die den Kontakt und damit auch die Wechselwirkung des höhermolekularen Enzyms mit dem ungelösten, meistens hydrophoben Substrat verbessern, bzw. den Stoffaustausch beschleunigen. Dazu gehören Stoffe bzw. Mischungen von Stoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie:
B) Surface-active substances mean a mixture of such surface-active substances which improve the contact and thus also the interaction of the higher molecular enzyme with the undissolved, mostly hydrophobic substrate, or accelerate the mass transfer. This includes substances or mixtures of substances with different properties, such as:

- Solubilizers that are both hydrophilic and hydrophobic particles or Suspensa have an affinity, such as. B. alcohols (ethanol, isopropanol) or diols (ethanediol, diethylene glycol, triethylene glycol) etc.
- Surfactants, both wetting less hydrophilic suspended parts than in the case of microbial cells also an acceleration of the substance diffusion sion through the cell wall. These primarily count biologically buildable anionic, non-ionic or cat ionic surfactants.

C) Abbauverbessernde Additive bedeuten solche Nährstoffe, Spurenelemente, Vit amine sowie andere Zusätze, deren Anwesenheit im Milieu auf die einzelnen Schritte des Abbauprozesses durch Mikroorganismen beschleunigend wirken:
Die Anwesenheit von zweiwertigen Eisenionen führt zur Bindung des unter den reduktiven Bedingungen der Anaerobiose aus Sulfationen gebildeten, inhibierend wirkenden Schwefelwasserstoffs. Die Spurenelemente Cobalt und Nickel in gelöster Form üben eine positive Wirkung auf die Anaerobiose aus. Das Methanol wirkt in kleinen Mengen als biologisch leicht konvertierbare C₁-Verbindung stimulierend auf die methanogenen Bakterien, besonders unter für diese inhibierenden Bedingungen.C) Degradation-improving additives mean those nutrients, trace elements, vitamins and other additives whose presence in the environment has an accelerating effect on the individual steps of the degradation process by microorganisms:
The presence of divalent iron ions leads to the binding of the inhibiting hydrogen sulfide formed from sulfate ions under the reductive conditions of anaerobiose. The trace elements cobalt and nickel in dissolved form have a positive effect on anaerobiosis. In small amounts, the methanol acts as a biologically easily convertible C ₁ compound, stimulating the methanogenic bacteria, especially under conditions that inhibit them.

Die optimalen Einsatzmengen der Enzympräparation liegen zwischen 200 mg bis 1.200 mg pro Kilogramm organischer Trockenmasse und liegen somit bei der Anwen dung zur Verbesserung der Schlammfaulung wesentlich niedriger als bei der von Higgings und Mitarbeitern beschriebenen Cellulase. Eine Erhöhung der Einsatzmenge führt oft nicht zur Erhöhung, sondern überraschend zur Verringerung des Bioabbaus des organischen Substrates. Obwohl die erfindungsgemäße Präparation Enzyme mit bekannten Eigenschaften enthält, führt der Einsatz der Mischung überraschend und unerwartet zu höheren Abbaugraden als die gleichen Mengen von den einzelnen Enzymen allein. Die erfindungsgemäße Präparation wird bei kontinuierlich betriebenen Bioreaktoren entweder in den Vorlagebehälter der Zulaufvorrichtung oder bei zweistufigen Verfahren auch in den ersten, den sogenannten Versäuerungsreaktor, wo optimale Bedingungen herrschen, oder kann bei einstufigen Verfahren auch direkt in den Bioreaktor, bevorzugt in das Umwälzsystem, kontinuierlich oder halbkontinuierlich zudosiert werden. The optimal amounts of enzyme preparation are between 200 mg to 1,200 mg per kilogram of organic dry matter and are therefore with the user to improve sludge digestion much lower than that of Higgings and coworkers described cellulase. An increase in The amount used often does not lead to an increase, but surprisingly leads to a reduction biodegradation of the organic substrate. Although the invention Preparation containing enzymes with known properties leads to the use of Mix surprisingly and unexpectedly to higher degrees of degradation than the same Amounts of the individual enzymes alone. The preparation according to the invention is in the case of continuously operated bioreactors, either in the storage container Inlet device or, in the case of two-stage processes, also in the first, the so-called acidification reactor, where optimal conditions prevail, or can in one-step processes also directly into the bioreactor, preferably into the Circulation system, metered in continuously or semi-continuously.

Folgendes Beispiel dient zur Erläuterung der Erfindung.The following example serves to explain the invention.

example 1

In zehn Erlenmeyerkolben mit je 1.000 ml Fassungsvermögen wurden jeweils 600 ml eingedickter kommunaler Klärschlamm sowie jeweils 200 ml bereits ausgefaulter Klärschlamm eingefüllt und nach der Durchmischung die Trockensubstanz sowie de ren organischer Anteil bei jedem Kolben bestimmt. In die einzelnen Kolben wurden unterschiedliche Mengen der beiliegend beschriebenen Enzyme A und B bzw. weitere Additive eingewogen. Danach wurden die Erlenmeyer verschlossen, bei 35°C ± 2°C thermostatiert und einer anaeroben Gärung überlassen. Das dabei gebildete Biogas wurde über eine Kanüle entnommen und über einen Schlauch in eine Gasbürette geleitet, wo das gebildete Gasvolumen täglich registriert wurde. Nach 20 Tagen wurde die Faulung abgebrochen und die Trockenmasse bzw. deren organischer Anteil der einzelnen ausgefaulten Schlämme bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.
In ten Erlenmeyer flasks, each with a capacity of 1,000 ml, 600 ml of thickened municipal sewage sludge and 200 ml of already digested sewage sludge were poured in and after mixing, the dry matter and its organic content in each flask were determined. Different amounts of the enclosed enzymes A and B or other additives were weighed into the individual flasks. The Erlenmeyer were then sealed, thermostated at 35 ° C ± 2 ° C and left to undergo anaerobic fermentation. The biogas formed was removed via a cannula and passed through a hose into a gas burette, where the volume of gas formed was registered daily. After 20 days, the digestion was stopped and the dry matter or its organic proportion of the individual digests was determined. The results are shown in Table 1.

Claims

1. Enzyme preparation consisting of
70 to 95 parts by weight of a mixture of at least three different enzymes or an enzyme with at least three activities
0.1 to 25 parts by weight of surfactants and / or
0.1 to 10 parts by weight of degradation-improving additives, the sum of the parts by weight giving 100.

2. Enzyme preparation according to claim 1, characterized in that the Enzymmi has activities as cellulase, protease and hemicellulase, the Activity levels at 10% to 30% cellulase, 5% to 30% protease and 50% to 80% hemicellulase (β-glucanase and endo-xylanase) are present.

3. Enzyme preparation according to claim 1 to 2, characterized in that as Cellulase a product from Trichoderma viride is used, whose activities in the following relationships exist: cellulase = 15,000 U / ml: β-glucanase = 3,500 U / ml: endo-xylanase = 11,000 U / ml: protease = 3,500 U / m: amyloglu cosidase = 1,000 U / ml.

4. enzyme preparation according to claim 1 to 3, characterized in that as upper surfactant a mixture of biodegradable surfactants is used.

5. Enzyme preparation according to claim 1 to 4, characterized in that the building-improving additives contain iron, cobalt and nickel salts as well as methanol ten.

6. Use of the enzyme preparation according to claim 1 to 5 for the improvement the biodegradability of organic material from plants, animals and microbial origin under anaerobic, aerobic or optional conditions, characterized in that the amount used 200 to 1,200 mg Enzyme preparation per kg of organic dry matter, preferably 300 to 1,000 mg Enzyme preparation per kg of dry organic matter, particularly preferably 400 up to 900 mg enzyme preparation per kg organic dry matter.

7. Use of the enzyme mixture according to claim 2 for the improvement of the bio Degradability of organic material from plant, animal and microbial origin comes under anaerobic, aerobic and optional conditions.

8. Use of Trichoderma viride cellulase, with the activities in ratio to each other: Cellulase = 15,000 U / ml: β-glucanase = 70,000 U / ml: Endo-Xy lanase = 11,000 U / ml: protease = 3,500 U / ml: amyloglucosidase = 1,000 U / ml for the improvement of the biodegradability of organic material from plants, of animal and microbial origin among anaerobic, aerobic and facultative Conditions.