Biologie Der Biogaserzeugung

Biologie der Biogaserzeugung

Peter Weiland

Institut für Technologie and BiosystemtechnikBundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL)

ZNR Biogastagung, Bad Sassendorf-Ostinghausen, 02.04. 2003


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Mikrobiologie und Biochemie der VergärungPhysikalisch -chemische EinflußgrößenSubstrate Verfahrensgestaltung und ProzeßführungZusammenfassung und Ausblick


FAL - TBWeiland

W0104138CDR4 Stufen des anaeroben Abbaus

1. StufeHydrolyse Makromoleküle

(Hydrolytische Phase)

2. StufeVergärung Spaltprodukte

(Acidogene Phase)

3. StufeAcetatbildung

(Acetogene Phase)

4. StufeMethanbildung

(Methanogene Phase)

hydrolytischeBakterien

fermentativeBakterien

acetogeneBakterien

methanogeneBakterien

H /CO2 2

CarbonsäureAlkohole Acetat

BiomassePolysacharide

ProteineFette

ZuckerAminosäuren

FettsäurenBiogasCH /CO

4 2

FAL - TBWeiland

W0104143CDR

Einfluß des Wasserstoffpartialdrucks (pH ) auf dieÄnderung der freien Energie ( G’)

2

∆

log pH2[bar]

0

- 2

- 4

- 6

- 880 40 0 - 40 - 80 - 120 - 160

∆G’ bei pH 7,0 ; 25 °C [kJ/Reaktion]

ThermodynamischesFenster

Butyrat

Methan

Propionat

FAL - TBWeiland

W0104139CDRKohlenstoffbilanz bei vollständigem C-Abbau

C-Fracht100 %

CO2

50 %

50 %

Biomasse

aerober Abbau anaerober AbbauCH /CO(Biogas)

4 2

90 %

10 %

Biomasse

C-Fracht 100 %

FAL - TBWeiland

W0104133CDRGenerationszeiten verschiedener Mikroorganismen

Anaerobe Mikroorganismen

Aerobe Mikroorganismen

Säurebildende Bakterien

Methanogene Bakterien

Bacterioides < 24 hClostridien 24 - 36 hAcetogene Bakterien 80 - 90 h

Methanosarcina barkeri 5 - 15 dMethanococcus ca. 10 d

Escherichia coli 20 minBelebtschlamm 2 h

Geschwindigkeitslimitierender Abbauschritt bei der Methangärung

FAL-TecWeiland

W0106161CDR

Feste Substrate

Lösliche Substrate

Hinweis

Hydrolyse der unlöslichen Polymere geschwindigkeitsbestimmend

Methangärung über Acetat geschwindigkeitsbestimmendAcetatbildung geschwindigkeitslimitierendMethangärung geschwindigkeitslimitierend

Die Anreicherung von Stoffwechselprodukten (Fettsäuren, Ammoniak, Schwefel-wasserstoff) führt häufig zu einer Verschiebung des geschwindigkeitsbestimmenden Abbauschritts.

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FAL - TBWeiland

W0104134CDRMilieuanforderungen für die Vergärung von Roh- und Reststoffen

Einflußgröße Hydrolyse/Versäuerung Methangärung

Temperatur

pH-Wert

C:N-Verhältnis

Feststoffgehalt

Redox-Potential

Nährstoffbedarf C:N:P:S

Spurenelemente

25 - 35 °C

5,2 - 6,3

10 - 45

< 40 %TS

+400 - -300 mV

500 : 15 : 5 : 3

keine spez. Ansprüche

mesophil: 32 - 42 °Cthermophil: 50 - 58 °C

6,7 - 7,5

20 - 30

< 30 % TS

< -250 mV

600 : 15 : 5 : 3

essentiell: Ni, Co, Mo, Se

FAL - TBWeiland

W0104144CDR

Einfluß der Gärtemperatur auf die Methanbildungsaktivität(Schematische Darstellung)

20 30 40 50 60

100

50

0

Methanogene Aktivität [%]

MesophileMethangärung

ThermophileMethangärung

Temperatur [°C]38

Anwendungsbereich32 - 42 °C

Anwendungsbereich50 - 58 °C

55

FAL - TBWeiland



Temperatur

pH-Wert

C:N-Verhältnis

Feststoffgehalt

Redox-Potential


Spurenelemente

25 - 35 °C

5,2 - 6,3

10 - 45

< 40 %TS

+400 - -300 mV

500 : 15 : 5 : 3



6,7 - 7,5

20 - 30

< 30 % TS

< -250 mV

600 : 15 : 5 : 3


FAL - TBWeiland

W0104141CDREinfluß des Feststoffgehaltes auf den spez. Gasertrag

spez. Gasertrag

0 10 20 30 40 50 60Feststoffgehalt [Gew.-%]

FAL - TBWeiland



Temperatur

pH-Wert

C:N-Verhältnis

Feststoffgehalt

Redox-Potential


Spurenelemente

25 - 35 °C

5,2 - 6,3

10 - 45

< 40 %TS

+400 - -300 mV

500 : 15 : 5 : 3



6,7 - 7,5

20 - 30

< 30 % TS

< -250 mV

600 : 15 : 5 : 3


FAL - TBWeiland

W0104135CDRHemmende und toxische Einflußgrößen

Hemmstoff Hemmkonzentation Anmerkungen

Sauerstoff

Schwefelwasserstoff

Flüchtige Fettsäuren

Ammoniumstickstoff

Schwermetalle

DesinfektionsmittelAntibiotika

> 0,1 mg/l O

> 50 mg/l H S

> 2.000 mg/l HAc(pH = 7,0)

> 3.500 mg/l NH(pH = 7,0)

Cu > 50 mg/lZn > 150 mg/lCr > 100 mg/l

k.A.

Hemmung der obligat anaeroben Methanbakterien.

Hemmwirkung steigt mit sinkendem pH-Wert.

Hemmwirkung steigt mit sinkendempH-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.

2

2

4

+

FAL - TBWeiland

W0104146CDRHemmung der Methanbildung durch Ammonium-Stickstoff

Hemmung [%]100

75

50

25

00 20 40 60 80 100

mg/l NH -N3

T = 30 °C

T = 38 °C10,00

1,00

0,10

0,01

90,00

99,00

99,90

99,996,0 7,0 8,0

pH-Wert

undiss. NH [%]3

NH -N [%]4

Dissoziationsgleichgewicht NH /NH -N3 4

Hemmung der Methanbildung durch NH(Methanbildung aus Essigsäure)

3

FAL - TBWeiland

W0104145CDRHemmung der Methanbildung durch Schwefelwasserstoff

Hemmung [%]100

75

50

25

00 50 100 150 200mg/l H S (undiss.)

2

pH 6,8 - 7,6

0

20

40

60

80

1000

20

40

60

80

100H S [%]

2HS [%]

-

6,06,4

6,87,0

7,27,6

8,0

pH-Wert

Dissoziationsgleichgewicht von H S/HS2

-

Hemmung der Methanbildung(Methanbildung aus Essigsäure)

FAL - TBWeiland

W0104147CDRHemmung der Methanbildung durch flüchtige Fettsäuren

90,00

99,00

99,90

99,99

10,00

1,00

0,10

0,01

Säure undiss. [%] Säure diss. [%]

6,0 7,0 8,0

Propionsäure

Essigsäure

pH-Wert

Hemmung der MethanbildungDissoziationsgleichgewicht von Fettsäuren

Hemmung [%]100

75

50

25

00 20 40 60 80

Essigsäure

Propionsäure

mg/l Säure (undiss.)

FAL - TBWeiland

W0104130CDRTheoretischer Gasertrag verschiedener Stoffgruppen

1.600

1.400

1.200

1.000

800

600

400

200

0

Gasertrag Nl/kg oTS

Fette Cellulose Eiweiß Stärke Lignin

1.400

960 900830

ca. 0

FAL - TBWeiland

W0104132CDRBiogasqualität in Abhängigkeit vom Gärsubstrat

Stoffgruppe Biogasertrag Methangehalt Heizwert

Kohlenhydrate

Proteine

Fette

Bioabfall

Nachwachsende Rohstoffe

[l/kg oTS]

700 - 830

700 - 900

1.000 - 1.400

350 - 500

500 - 700

[Vol.-%]

50 - 55

70 - 75

68 - 73

55 - 68

50 - 62

[kWh/m³]

5,0 - 5,5

7,0 - 7,5

6,8 - 7,3

5,5 - 6,8

5,0 - 6,2

FAL - TBWeiland

W0104142CDR

Zusammensetzung von Biogas als Funktion der mittleren Oxidations-stufe des Kohlenstoffs

+4

+2

0

-2

-4

Mittlere Oxidationsstufe von C

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

CH4

CO2

[Vol.-%]

Oxalsäure

Ameisensäure

Citronensäure

Kohlenhydrate, EssigsäurePropionsäure

MethanolFette

ButtersäureProteine

FAL-TecWeiland

W0103111CDRBiogasertrag verschiedener Gärsubstrate

Rin

derg

ülle

Schw

eine

gülle

25 36

500

400

300

200

100

0

LandwirtschaftlicheAbfallstoffe

LandwirtschaftlicheRohstoffe

AußerlandwirtschaftlicheAbfallstoffe

Biogasertrag [m³ Gas/t Substrat]

95 110

190

Futte

rrübe

n

Silo

mai

s

Wei

delg

ras

120

240

400

800

Bioa

bfal

l

Spei

seab

fälle

Fetta

bsch

eide

rrück

stan

d

Altfe

tt

FAL - TBWeiland

W0104136CDREinteilung von Vergärungsverfahren

Fest-/Flüssig-TrennungPerkolation

thermophil/mesophil

mesophil/thermophileinphasig zweiphasig

Vergärungsverfahren

ZweistufenprozeßEinstufenprozeß Reaktorkaskade

FAL - TBWeiland

W0104137CDRSchematische Darstellung verschiedener Vergärungsverfahren

Einstufenprozeß

Zweistufenprozeß

Reaktorkaskade

Zweiphasiger Zweistufenprozeß

a) Perkolationsverfahren

b) Fest-/Flüssig-Trennung

Biogasreaktor

Biogas

Hydrolyse/Versäuerung Biogasreaktor

Biogas

Biogasreaktor Biogasreaktor

Biogas

Hydrolyse/Versäuerung

Biogasreaktor

Biogas

f fl

Biogasreaktor

Hydrolyse/Versäuerung

Biogas

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.

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Peter Weiland

Institut für Technologie and BiosystemtechnikBundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL)


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