Biologie der Biogaserzeugung - Biogas

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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
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