Hydrolytische Enzyme zur Erhöhung der
Effizienz der Vergärung
Matthias Gerhardt* & Dorothea Telschow**
*BIOPRACT
GmbH
**Cowatec AG
Fachtagung Biogas 2008
Entwicklungen und Erfahrungen aus der Praxis
23. Oktober 2008, Potsdam
Produktion und Charakteristik von MethaPlus®
Der Abbau von Karton innerhalb von zwei Wochen:
ohne MethaPlus®
mit MethaPlus® (100 mg/kg TM)
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3
Die Grundlagen des Biogasprozesses
CH4
METHANOGENESE
Essigsäure,
H2
ACETOGENESE
Essigsäure,
H2,
Propionsäure,
Buttersäure, ...
ACIDOGENESE
Fettsäuren,
Mono-, Oligozucker
Aminosäuren
HYDROLYSE
Fette,
Polysaccharide
Proteine
dCH4
dt
dS
= k1
dt
dFS
= k2
dt
dAc
= k3
dt
= k4
dH2
dt
4
Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess
Theoretische / Praktische Biogaserträge für unterschiedliche Substrate
1.200 Nm3/t
Potenzial
1.000 Nm3/t
Tatsächlich
800 Nm3/t
600 Nm3/t
400 Nm3/t
200 Nm3/t
0 Nm3/t
1
Remainin
g
stochiometric
potential
for
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5
Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess
Beispiel: Zusammensetzung von Maissilage
Starch (37%)
NSP (51%)
Fat (2%)
Protein (8%)
Lignin (2%)
Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess
 NSP sind Polysaccharide, sie erfordern für ihre Verwertung
die (enzymatische) Hydrolyse zu Oligomeren / Monomeren
 NSP behindern auf Grund ihrer Struktur den Abbau
enthaltener leicht abbaubarer Substanzen („Käfigeffekt“)
 NSP führen zu einem Anstieg der Viskositäten und
begrenzen die möglichen Trockenmassegehalte
NSP: Nicht-Stärke-Polysaccharide
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Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess
• Enzyme sind der Schlüssel der Hydrolyse polymerer Substrate
• Wird durch den Zusatz von Enzymen der Prozess beeinflusst?
Fette
Polysaccharide
Proteine
Fettsäuren
(Mono) Zucker
Aminosäuren
Enzyme
Endogener Mikroben
Essigsäure
Wasserstoff
Methan
Externe
Enzyme
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Der Einsatz von MethaPlus® im Biogasprozess
Die Antwort ist: Ja!
• Steigerung der Gesamtgasbildung / Steigerung der Geschwindigkeit
• Substanzielle Abnahme der Viskosität im Fermenter
+ 15 % Gas
- 50 % in 3 h
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Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess
Enzymsynthese im anaeroben System
• Die Energieausbeute anaerober Reaktionen ist gering
• Enzyme zur Hydrolyse von Polymeren sind an der Zellwand der
Mikroorganismen einzeln oder verbunden als „Cellulosom“
gebunden oder
• lose an der Zellwand adheriert oder
• in geringen Mengen in freier Form ausgeschüttet
Geringe Effizienz
Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess
Enzymsynthese im aeroben System
• Die Induktion der Bildung und Ausschüttung
erfolgt bei Mangel an leicht abbaubaren
Substraten
• Die gebildeten Enzyme werden in das Medium
ausgeschieden
• Die Hydrolyse der Polymere erfolgt im freien
Medium
• Die Zellen nehmen die entstandenen Spaltprodukte (Mono- und Oligomere) über die
Zellwand auf
Die aerobe Enzymsynthese ist die
Basis der industriellen Produktion
Produktion und Charakteristik von MethaPlus®
Preserved Strain
Shaker Culture
Inoculation Culture
Fermentation
Cell Removal
Concentration
Stabilisation
Drying
Fluid Product
Solid Product
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Praxis des Einsatzes von Enzymen
Bewertung einer Biogasanlage
• Visuelle Beurteilung der Ausrüstungen und des Hofes
• Hersteller der Anlage
• Betriebsführung (Betriebstagebuch, Wartung, Bilanzierungen)
• Biologische und technische Analytik/Beratung
• Ableitung des Handlungsbedarfes
ready for MethaPlus®?
Bewertung der Leistung / Funktion
• Substrateinsatz (Natur, Menge, Fütterungsregime, Messung)
• Basisverfahren, Fermentervolumina, Rezirkulation
• Biogas- / Methan- / Stromproduktion
• Substratbezogene Biogasausbeute
• Verweilzeit / Faulraumbelastung / Produktivität
• Ableitung der Leistungsreserven Einsatz MethaPlus®
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Der Einsatz von MethaPlus® im Biogasprozess
Praxiseinsatz
Der Einsatz von MethaPlus® im Biogasprozess
In der Praxis: Steigerung der Biogasbildung
+ 100 g MethaPlus® /t oDM x d
+ 19,7 % gas
Biogasanlage #10057: 760 m 3 fermentor, 145 kW el.
detected gas production: Gemessene Gasproduktion
expected gas production: kalkulierter Gasertrag (KTBL)
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Der Einsatz von MethaPlus® im Biogasprozess
In der Praxis: Viskositätssenkung BGA Pitschütz / BGA Löbnitz
Fließverhalten Fermenterinhalte (Vgl. BGA Pitschütz und BGA Löbnitz)
25 Pa
Löbnitz (vor MethaPlus-Einsatz)
Schubspannung (entspr. Kraft)
20 Pa
15 Pa
10 Pa
"Viskosität“ = 136 mPa.s
Pitschütz (mit MethaPlus-Einsatz)
"Viskosität" = 37 mPa.s
5 Pa
0 Pa
0 1/s
50 1/s
100 1/s 150 1/s 200 1/s 250 1/s 300 1/s 350 1/s 400 1/s 450 1/s 500 1/s
Schergefälle (entspr. Drehgeschwindigkeit)
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Der Einsatz von MethaPlus® im Biogasprozess
In der Praxis: Steigerung der Biogasbildung
0.001 t Enzym
30 t Substrat
•
•
•
•
+ 18 % Biogas
4.500 m³ Biogas
Bessere Substratumsetzung / schnellere Hydrolyse = mehr Biogas
Einsetzbarkeit faserreicher Substrate
Verbesserte Wirtschaftlichkeit der Biogasanlage
Reduzierte Methanemissionen des Gärrestes
Der Einsatz von MethaPlus® im Biogasprozess
Wirtschaftlichkeit des Enzymeinsatzes
Position
100 kW
500 kW
Vergütung nach EEG (NaWaRo, TF)
0,175 €/kWh
0,159 €/kWh
Gülle
8,0 t FM/Tag
40,0 t FM/Tag
Maissilage
6,7 t FM/Tag
32,0 t FM/Tag
oTS Zulauf
2,6 t oTM/Tag
12,6 t oTM/Tag
85 kg/Jahr
427 kg/Jahr
Erlös Standard
140.045 €/Jahr
636.211 €/Jahr
Erlös mit MethaPlus (+18%)
165.253 €/Jahr
750.729 €/Jahr
2.799 €/Jahr
13.996 €/Jahr
22.409 €/Jahr
100.522 €/Jahr
Gasproduktion standard (KTBL)
Gas mit MethaPlus (+18%)
MethaPlus Einsatz (100 g/t oTM)
Aufwendungen MethaPlus (32,80 €/kg)
Nettoerlös
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MethaConcept ® - Erfolg mit Biogas
MethaPlus®
Das Enzymkonzentrat zur Aufspaltung pflanzlicher
Fasern.
Der Gasertrag steigt, die Viskosität im Fermenter
verringert sich.
MethaTrace®
Das Spurenelementekonzentrat zur Stabilisierung des
biologischen Prozesses.
Optimale Bedingungen für die Mikroorganismen sorgen für
eine höhere Effizienz der Biogasanlage.
MethaServ®
Das Servicepaket für Beratung und Laboranalyse.
Die Betreuung Ihrer Biogasanlage in erfahrenen Händen.
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BIOPRACT GmbH
Magnusstrasse 11
12489 Berlin
Dr. Ing. Matthias Gerhardt
Dipl. Ing. Vincent Pelenc
Dipl. Ing. Torsten Unmack
www.biopract.de
www.methaconcept.de
BIOPRACT, Partner der
Vertrieb:
Salvana Tiernahrung GmbH
EnergyPlus Service GmbH (Cowatec AG)
Öko Gas Produktions- und Handelsges. M.b.H., Österreich
Novaenergo, Tschechien
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Hydrolytische Enzyme zur Erhöhung der - ETI