Einführung in das Thema Hydrolyse
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Einführung in das Thema Hydrolyse Dr. Stephan Kabasci © Fraunhofer UMSICHT Gliederung Grundlagen Hydrolyse Prinzipielle Aufschlussverfahren Untersuchungsergebnisse Zusammenfassung Folie 2 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Mikrobiologie der Biogaserzeugung Komplexe Reaktionskette Verschiedene Populationen von Mikroorganismen Weitere Produkte: NH3, H2S Folie 3 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Hydrolyse Hydrolyse allgemein Chemische Reaktion, bei der eine Verbindung durch Einwirkung von Wasser gemäß folgender Gleichung gespalten wird: A–B + H–OH Æ A–H + B–OH Hydrolyse bei der Biogasbildung Polymere Substrate (Eiweiße und Kohlehydrate) wie auch Fette werden in Bruchstücke (Monomere wie Glucose, Aminosäuren oder Fettsäuren; Dimere oder Oligomere) gespalten Folie 4 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Hydrolyse Zweck Nur niedermolekulare Substanzen können von den Mikroorganismen aufgenommen und weiter abgebaut werden Geschwindigkeit Einfach zu hydrolysierende Substrate werden durch abiotische Hydrolyse und Exoenzyme vergleichsweise schnell gespalten (Stärke, Eiweiße) Bei komplexen Substraten kann Geschwindigkeit der Hydrolyse die Biogasbildungsrate bestimmen Æ Bei komplexen Substraten kann die Unterstützung der Hydrolyse zu höheren Biogasausbeuten und schnellerem Abbau führen Folie 5 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Lignocellulose – Ein komplexes Substrat Cellulose liegt in kristallinen Fasern vor, die in einem Netzwerk aus Hemicellulosen und Lignin eingebunden sind Grafik: C. Somervile Folie 6 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Lignocellulose – biologisch aufgebaut und abbaubar Cellulose kann in wässriger Umgebung durch hydrolytische Enzyme (Cellulasen) abgebaut werden, wenn diese Zugang zu den Kristallen bekommen Æ übergeordnete Faserstrukturen, Hemicellulosen und Lignin sind zu entfernen Æ Aufschlussverfahren Grafik: NREL Folie 7 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Gliederung Grundlagen Hydrolyse Prinzipielle Aufschlussverfahren Untersuchungsergebnisse Zusammenfassung Folie 8 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Übersicht Aufschlussprinzipien Mechanische Vorbehandlung Thermische Vorbehandlung Chemische Vorbehandlung Biokatalytische Vorbehandlung Folie 9 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Mechanische Aufschlussverfahren Standardprinzipien s. rechts Weitere Verfahren: - Bioextrusion - Ultraschalldesintegration Ziele Zerkleinerung des Substrates Vergrößerung der Oberfläche, an der Enzyme angreifen können Folie 10 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Thermische Aufschlussverfahren Wärmebehandlung bei Temperaturen bis 200 °C (auch bekannt als: Thermodruckhydrolyse - TDH) In wässriger Umgebung werden Hemicellulosen bei höheren Temperaturen gelöst und Cellulosefibrillen quellen auf Bildung inhibierender Substanzen muss vermieden werden (z. B. durch Maillard-Reaktionen von Zuckern und Aminosäuren) Kombination mit mechanischem Aufschluss: steam explosion Folie 11 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Chemisch-thermische Aufschlussverfahren: Säuren Vorbehandlung mit Mineralsäuren (Salzsäure, Schwefelsäure): Saure Hydrolyse löst Hemicellulosen und Cellulose bis zur Verzuckerung Verfahren mit konzentrierter Säure in der Kälte oder verdünnter Säure bei erhöhter Temperatur Prozesse erprobt („Holzverzuckerung“) Nachteile: Folie 12 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 hoher Wasserverbrauch durch Spülkreisläufe Bildung toxischer Nebenprodukte Korrosion Rückgewinnung der Säuren problematisch Neutralisation notwendig Belastung des Gärproduktes mit Salzfracht Chemisch-thermische Aufschlussverfahren: Laugen Vorbehandlung mit Lauge (Ammoniak, Natronlauge): Alkalische Hydrolyse zerstört Lignin und löst Hemicellulosen, Cellulose bleibt erhalten; Behandlung mit Ammoniak oder wässriger Ammoniumlösung Kombination mit mechanischem Aufschluss: Ammonia Fiber Explosion (AFEX) Ammoniak leicht recycelbar, keine Neutralisation notwendig Nachteile: Folie 13 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Verfahren unter höherem Druck Korrosion Biochemische Aufschlussverfahren Zugabe von Enzymen vor der Vergärung oder in den Fermenter; Ziel: Beschleunigung der Hydrolyse Separate biologischen Hydrolysestufe bei niedrigem pH-Wert: Prozessschritte Hydrolyse und Versauerung laufen hier verbessert ab Mehrstufige Prozesse: „künstlicher Pansen“ Folie 14 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Gliederung Grundlagen Hydrolyse Prinzipielle Aufschlussverfahren Untersuchungsergebnisse Zusammenfassung Folie 15 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Mechanische Vorbehandlung von Sisalabfall Steigerung des Methanertrags um ca. 22 % Spezifischer Methanertrag nach Partikelgröße Methanertrag [m ³/kg] 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 2 5 10 30 50 Größe [mm] Mshandete 2006 Folie 16 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 70 100 unbe. Mechanische Vorbehandlung von Rindermist Hartmann 2000 Folie 17 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Chemisch-mechanische Behandlung von Biertreber Zugabe von Natronlauge ( 0 – 20 g/L ) zu Biertreber und Zerkleinerung in einer Rührwerkskugelmühle ( 4 – 8 min. ) Æ Resultierende Partikelgrößen ca. 50 μm, pH der Proben 10 - 12 Nachgeschaltete zweistufige Vergärung (Hydrolyse und Methanisierung) Gesamtfeststoffabbau stieg von 70 % auf 83 % ABER: Energiebedarf der Mühle ca. 50 % der Gesamtbiogasausbeute Möller 1982 Folie 18 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Thermisch-mechanische Behandlung von Silagen Zugabe von Einsatz der Thermodruckhydrolyse mit schneller Entspannung Nm³CH4/kg oTS Versuche mit Triticale Æ Steigerung durch TDH ist stoffabhängig (Triticale > Mais) Oechsner 2007 Folie 19 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 frisch frisch exploded siliert siliert exploded siliert siliert exploded Versuche mit Mais Nm³CH4/kg oTS Æ Schon Silierung alleine verbessert Biogasertrag 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 frisch frisch exploded Einsatz von Enzymen Enzyme Maissilage & Treber 15 Wochen ohne Enzym 15 Wochen mit Enzym Gerhardt 2007 Folie 20 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Gliederung Grundlagen Hydrolyse Prinzipielle Aufschlussverfahren Untersuchungsergebnisse Zusammenfassung Folie 21 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Fazit Zugabe von Hydrolyse ist ein notwendiger Prozess, damit Makromoleküle in Biogas umgesetzt werden können - im Biogasprozess durch Exoenzyme Bei komplexen Substraten kann die Unterstützung durch Hydrolyse die Biogasbildung verbessern Unterschiedliche Aufschlussprinzipien sind möglich, einige Verfahren sind marktverfügbar Erzielbare Effekte sind abhängig von Substrat und bestehender Auslastung der Biogasanlage (Raumbelastung, Verweilzeit) Gesamtwirtschaftlichkeit muss im Einzelfall berechnet werden Folie 22 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Fraunhofer UMSICHT Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr. Stephan Kabasci Foto: photocase.de [email protected] Folie 23 © Fraunhofer UMSICHT 24. November 2009 Urheberrechtshinweis Die Inhalte dieser Präsentation (u.a. Texte, Grafiken, Fotos, Logos etc.) und die Präsentation selbst sind urheberrechtlich geschützt. Sie wurden durch Fraunhofer UMSICHT selbständig erstellt. 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