Biologie der Biogaserzeugung - Biogas
Werbung
Biologie der Biogaserzeugung Peter Weiland Institut für Technologie and Biosystemtechnik Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) ZNR Biogastagung, Bad Sassendorf-Ostinghausen, 02.04. 2003 Biologie der Biogaserzeugung Mikrobiologie und Biochemie der Vergärung Physikalisch -chemische Einflußgrößen Substrate Verfahrensgestaltung und Prozeßführung Zusammenfassung und Ausblick ZNR Biogastagung, Bad Sassendorf-Ostinghausen, 02.04. 2003 1. Stufe 2. Stufe Hydrolyse Makromoleküle Vergärung Spaltprodukte (Hydrolytische Phase) (Acidogene Phase) 3. Stufe Acetatbildung (Acetogene Phase) H /CO 2 Biomasse Polysacharide Proteine Fette 2 Zucker Aminosäuren Fettsäuren Biogas CH /CO 4 Carbonsäure Alkohole hydrolytische Bakterien FAL - TB Weiland 4. Stufe Methanbildung (Methanogene Phase) fermentative Bakterien 2 Acetat acetogene Bakterien 4 Stufen des anaeroben Abbaus methanogene Bakterien W0104138 CDR 0 log pH [bar] 2 -2 Methan Butyrat Propionat -4 Thermodynamisches Fenster -6 -8 80 40 0 - 40 - 80 - 120 - 160 ∆G’ bei pH 7,0 ; 25 °C [kJ/Reaktion] FAL - TB Weiland Einfluß des Wasserstoffpartialdrucks (pH ) auf die Änderung der freien Energie (∆G’) 2 W0104143 CDR aerober Abbau CO anaerober Abbau CH /CO (Biogas) 50 % 90 % 4 2 C-Fracht 100 % C-Fracht 100 % FAL - TB Weiland 2 50 % 10 % Biomasse Biomasse Kohlenstoffbilanz bei vollständigem C-Abbau W0104139 CDR Anaerobe Mikroorganismen Säurebildende Bakterien Bacterioides Clostridien Acetogene Bakterien < 24 h 24 - 36 h 80 - 90 h Methanogene Bakterien Methanosarcina barkeri Methanococcus 5 - 15 d ca. 10 d Aerobe Mikroorganismen Escherichia coli Belebtschlamm FAL - TB Weiland 20 min 2h Generationszeiten verschiedener Mikroorganismen W0104133 CDR Feste Substrate Hydrolyse der unlöslichen Polymere geschwindigkeitsbestimmend Lösliche Substrate Methangärung über Acetat geschwindigkeitsbestimmend Acetatbildung geschwindigkeitslimitierend Methangärung geschwindigkeitslimitierend Hinweis Die Anreicherung von Stoffwechselprodukten (Fettsäuren, Ammoniak, Schwefelwasserstoff) führt häufig zu einer Verschiebung des geschwindigkeitsbestimmenden Abbauschritts. FAL-Tec Weiland Geschwindigkeitslimitierender Abbauschritt bei der Methangärung W0106161 CDR Einflußgröße Hydrolyse/Versäuerung Methangärung 25 - 35 °C mesophil: 32 - 42 °C thermophil: 50 - 58 °C pH-Wert 5,2 - 6,3 6,7 - 7,5 C:N-Verhältnis 10 - 45 20 - 30 Feststoffgehalt < 40 %TS < 30 % TS Redox-Potential +400 - -300 mV < -250 mV Nährstoffbedarf C:N:P:S 500 : 15 : 5 : 3 600 : 15 : 5 : 3 Temperatur Spurenelemente FAL - TB Weiland keine spez. Ansprüche essentiell: Ni, Co, Mo, Se Milieuanforderungen für die Vergärung von Roh- und Reststoffen W0104134 CDR Methanogene Aktivität [%] 100 Mesophile Thermophile Methangärung Methangärung Anwendungsbereich Anwendungsbereich 32 - 42 °C 50 - 58 °C 50 0 20 30 38 40 50 55 60 Temperatur [°C] FAL - TB Weiland Einfluß der Gärtemperatur auf die Methanbildungsaktivität (Schematische Darstellung) W0104144 CDR Einflußgröße Hydrolyse/Versäuerung Methangärung 25 - 35 °C mesophil: 32 - 42 °C thermophil: 50 - 58 °C pH-Wert 5,2 - 6,3 6,7 - 7,5 C:N-Verhältnis 10 - 45 20 - 30 Feststoffgehalt < 40 %TS < 30 % TS Redox-Potential +400 - -300 mV < -250 mV Nährstoffbedarf C:N:P:S 500 : 15 : 5 : 3 600 : 15 : 5 : 3 Temperatur Spurenelemente FAL - TB Weiland keine spez. Ansprüche essentiell: Ni, Co, Mo, Se Milieuanforderungen für die Vergärung von Roh- und Reststoffen W0104134 CDR spez. Gasertrag 0 FAL - TB Weiland 10 20 30 40 Feststoffgehalt [Gew.-%] 50 Einfluß des Feststoffgehaltes auf den spez. Gasertrag 60 W0104141 CDR Einflußgröße Hydrolyse/Versäuerung Methangärung 25 - 35 °C mesophil: 32 - 42 °C thermophil: 50 - 58 °C pH-Wert 5,2 - 6,3 6,7 - 7,5 C:N-Verhältnis 10 - 45 20 - 30 Feststoffgehalt < 40 %TS < 30 % TS Redox-Potential +400 - -300 mV < -250 mV Nährstoffbedarf C:N:P:S 500 : 15 : 5 : 3 600 : 15 : 5 : 3 Temperatur Spurenelemente FAL - TB Weiland keine spez. Ansprüche essentiell: Ni, Co, Mo, Se Milieuanforderungen für die Vergärung von Roh- und Reststoffen W0104134 CDR Hemmstoff Hemmkonzentation Sauerstoff > 0,1 mg/l O Schwefelwasserstoff > 50 mg/l H S Flüchtige Fettsäuren > 2.000 mg/l HAc (pH = 7,0) Ammoniumstickstoff > 3.500 mg/l NH (pH = 7,0) Hemmung der obligat anaeroben Methanbakterien. 2 Hemmwirkung steigt mit sinkendem pH-Wert. 2 4 Schwermetalle Desinfektionsmittel Antibiotika FAL - TB Weiland Cu > 50 mg/l Zn > 150 mg/l Cr > 100 mg/l k.A. Anmerkungen + Hemmwirkung steigt mit sinkendem pH-Wert. Hohe Adaptionsfähigkeit der Bakterien. Hemmwirkung steigt mit steigendem pH-Wert und steigender Temperatur. Hohe Adaptionsfähigkeit der Bakterien. Nur gelöste Metalle wirken inhibierend. Entgiftung durch Sulfidfällung. Hemmwirkung produktspezifisch. Hemmende und toxische Einflußgrößen W0104135 CDR Dissoziationsgleichgewicht NH /NH -N 3 undiss. NH [%] 10,00 3 4 NH -N [%] 90,00 4 Hemmung der Methanbildung durch NH (Methanbildung aus Essigsäure) 3 100 Hemmung [%] T = 38 °C 75 99,00 1,00 50 99,90 0,10 T = 30 °C 25 0,01 6,0 7,0 pH-Wert 99,99 8,0 0 0 20 40 60 mg/l NH -N 80 100 3 FAL - TB Weiland Hemmung der Methanbildung durch Ammonium-Stickstoff W0104146 CDR - Dissoziationsgleichgewicht von H S/HS 2 100 Hemmung der Methanbildung (Methanbildung aus Essigsäure) - H S [%] HS [%] 2 0 80 20 60 40 40 60 100 Hemmung [%] 75 pH 6,8 - 7,6 50 25 20 80 0 0 6,0 FAL - TB Weiland 6,4 6,8 7,2 7,0 pH-Wert 7,6 8,0 100 0 50 100 150 mg/l H S (undiss.) 200 2 Hemmung der Methanbildung durch Schwefelwasserstoff W0104145 CDR Dissoziationsgleichgewicht von Fettsäuren Säure undiss. [%] 10,00 Säure diss. [%] 90,00 100 Hemmung [%] 75 Propionsäure 1,00 Hemmung der Methanbildung Essigsäure 99,00 50 Essigsäure 0,10 0,01 6,0 FAL - TB Weiland 99,90 7,0 pH-Wert 99,99 8,0 Propionsäure 25 0 0 20 40 60 80 mg/l Säure (undiss.) Hemmung der Methanbildung durch flüchtige Fettsäuren W0104147 CDR 1.600 1.400 Gasertrag Nl/kg oTS 1.400 1.200 960 1.000 900 830 800 600 400 200 0 FAL - TB Weiland ca. 0 Fette Cellulose Eiweiß Stärke Lignin Theoretischer Gasertrag verschiedener Stoffgruppen W0104130 CDR Stoffgruppe Biogasertrag Methangehalt [l/kg oTS] [Vol.-%] Heizwert [kWh/m³] Kohlenhydrate 700 - 830 50 - 55 5,0 - 5,5 Proteine 700 - 900 70 - 75 7,0 - 7,5 1.000 - 1.400 68 - 73 6,8 - 7,3 Bioabfall 350 - 500 55 - 68 5,5 - 6,8 Nachwachsende Rohstoffe 500 - 700 50 - 62 5,0 - 6,2 Fette FAL - TB Weiland Biogasqualität in Abhängigkeit vom Gärsubstrat W0104132 CDR +4 Mittlere Oxidationsstufe von C Oxalsäure Ameisensäure +2 Citronensäure Kohlenhydrate, Essigsäure 0 Proteine Buttersäure -2 -4 Propionsäure Methanol Fette 0 100 FAL - TB Weiland 10 90 20 80 30 70 40 60 50 50 [Vol.-%] 60 40 70 30 80 90 20 10 100 CH 0 CO 4 2 Zusammensetzung von Biogas als Funktion der mittleren Oxidations- W0104142 stufe des Kohlenstoffs CDR Biogasertrag [m³ Gas/t Substrat] Landwirtschaftliche Abfallstoffe Landwirtschaftliche Rohstoffe Außerlandwirtschaftliche Abfallstoffe FAL-Tec Weiland Biogasertrag verschiedener Gärsubstrate 800 Altfett 120 Bioabfall 190 Silomais 110 Weidelgras 95 0 400 Fettabscheiderrückstand 100 36 Schweinegülle 200 25 Rindergülle 300 Futterrüben 400 240 Speiseabfälle 500 W0103111 CDR Vergärungsverfahren Einstufenprozeß Zweistufenprozeß einphasig zweiphasig Perkolation FAL - TB Weiland Reaktorkaskade mesophil/ thermophil thermophil/ mesophil Fest-/FlüssigTrennung Einteilung von Vergärungsverfahren W0104136 CDR Zweiphasiger Zweistufenprozeß Einstufenprozeß Biogas a) Perkolationsverfahren Biogasreaktor Biogas Biogasreaktor Hydrolyse/ Versäuerung Zweistufenprozeß Biogas Hydrolyse/ Versäuerung Biogasreaktor b) Fest-/Flüssig-Trennung Biogas Reaktorkaskade Biogasreaktor Biogas Biogasreaktor FAL - TB Weiland Biogasreaktor Hydrolyse/ Versäuerung Schematische Darstellung verschiedener Vergärungsverfahren f fl W0104137 CDR Zusammenfassung und Ausblick Die Kenntnis der mikrobiellen Stoffwechselvorgänge ist für Auslegung und Betrieb von Biogasanlagen unerläßlich. Hohe Raum-Zeit-Ausbeuten und stabile Prozeßbedingungen sind nur bei Berücksichtigung der mikrobiellen und biochemischen Einflußgrößen möglich. Eine nachhaltige Produktion von Biogas ist langfristig wirtschaftlich nur dann erreichbar, wenn das Wertschöpfungspotential von Biomasse durch Optimierung der Prozeßbiologie maximal genutzt wird. ZNR Biogastagung, Bad Sassendorf-Ostinghausen, 02.04. 2003 Biologie der Biogaserzeugung Peter Weiland Institut für Technologie and Biosystemtechnik Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL) ZNR Biogastagung, Bad Sassendorf-Ostinghausen, 02.04. 2003
