Versuchsfermenteranlage: Upscaling-Effekte, Inputmaterialien und Prozessführung
2 Material und Methoden
Fermenter: Abbildung 2 zeigt die zur Bearbei-tung der Fragestellung entwickelten Fermenter-typen. Sie entsprechen gemäß ihrer Größen-ordnung den in der Literatur (z.B. /2/, /3/) weit verbreiteten, aber sehr ungenau definier-ten Kategorien des „Laborfermenters“, „Tech-nikumfermenters“ und „Pilotanlage“.
Um die Übertragbarkeit in den Praxismaßstab besser untersuchen zu können, wird der Fer-menter (900 m³) einer landwirtschaftlichen Biogasanlage ebenfalls mit in die Untersuchung einbezogen.
Die 2L-Laborfermenteranlage besteht aus ei-nem modifizierten Trockenschrank, in dem max. 10 Flaschen à 2 Liter als Fermenter auf konstanter Temperatur gehalten werden kön-nen. Für die Gasanalyse wurden auf der Ober-seite des Trockenschrankes zwei Durchführun-gen eingearbeitet, durch welche das entste-hende Gas in einen Gaszähler (Milligascoun-ter® 1ml Auflösung, Fa. Ritter) gelangt. Die Zählimpulse werden elektronisch registriert, aufgezeichnet und zur Steuerung der automati-sierten Gasanalyse (CH4, CO2, O2, H2, H2S, Fa. Awite) genutzt. Das Gas wird gesammelt und der automatisierten Gasanalyse zugeführt.
Fünf der 2L-Flaschen dienen der Gasanalytik und fünf Flaschen der chemischen und mikro-biellen Beprobung. Durch diese getrennte Vor-gehensweise werden die Gasmengenerfassung und die Gasanalytik durch die Beprobung nicht beeinträchtigt.
0
ninhalt Melasse Kartof
feld
ick
schlem
pe
Hühnergülle Schweinegülle Laub Panseninhalt Weizenstroh Rübenblatt Biomüll Gemüseabfälle Klee Rasenschnitt Maissilage Grassilage Gras Biertreber Pferdemist(frisch) Rübenp
ülp
e Zuckerrübensilage CCM Fettabscheiderfett Flotatfett
Gasertragl/kgoTS
ninhalt Melasse Kartof
feld
ick
schlem
pe
Hühnergülle Schweinegülle Laub Panseninhalt Weizenstroh Rübenblatt Biomüll Gemüseabfälle Klee Rasenschnitt Maissilage Grassilage Gras Biertreber Pferdemist(frisch) Rübenp
ülp
e Zuckerrübensilage CCM Fettabscheiderfett Flotatfett
0
ninhalt Melasse Kartof
feld
ick
schlem
pe
Hühnergülle Schweinegülle Laub Panseninhalt Weizenstroh Rübenblatt Biomüll Gemüseabfälle Klee Rasenschnitt Maissilage Grassilage Gras Biertreber Pferdemist(frisch) Rübenp
ülp
e Zuckerrübensilage CCM Fettabscheiderfett Flotatfett
0
ninhalt Melasse Kartof
feld
ick
schlem
pe
Hühnergülle Schweinegülle Laub Panseninhalt Weizenstroh Rübenblatt Biomüll Gemüseabfälle Klee Rasenschnitt Maissilage Grassilage Gras Biertreber Pferdemist(frisch) Rübenp
ülp
e Zuckerrübensilage CCM Fettabscheiderfett Flotatfett
0
ninhalt Melasse Kartof
feld
ick
schlem
pe
Hühnergülle Schweinegülle Laub Panseninhalt Weizenstroh Rübenblatt Biomüll Gemüseabfälle Klee Rasenschnitt Maissilage Grassilage Gras Biertreber Pferdemist(frisch) Rübenp
ülp
e Zuckerrübensilage CCM Fettabscheiderfett Flotatfett
0
ninhalt Melasse Kartof
feld
ick
schlem
pe
Hühnergülle Schweinegülle Laub Panseninhalt Weizenstroh Rübenblatt Biomüll Gemüseabfälle Klee Rasenschnitt Maissilage Grassilage Gras Biertreber Pferdemist(frisch) Rübenp
ülp
e Zuckerrübensilage CCM Fettabscheiderfett Flotatfett
Gasertragl/kgoTSGasertragl/kgoTS
Abb. 1: Gaserträge ausgewählter landwirtschaftlicher Substrate /1/
Abb. 2: Übersicht der Fermenter: 2L (links), 36L (mitte), 3500L (rechts)
Versuchsfermenteranlage: Upscaling-Effekte, Inputmaterialien und Prozessführung
Die Technikumsfermenter besteht aus einem im Bereich der Zarge doppelwandigen zylindri-schen Behälter mit einem Fassungsvermögen von 36 Litern. Innerhalb der Doppelwand zir-kuliert Wasser zur konstanten Beheizung der Behälter auf 38° C. Auf dem abnehmbaren De-ckel befinden sich der Motor, welcher das Rührwerk antreibt, sowie die Anschlüsse zur Gasabführung und ein Tauchrohr zur täglichen Einbringung von Substraten im Falle der Durchflussfermenter.
An der Unterseite befinden Auslässe für die Entleerung bzw. für die Probenahme. Die Er-fassung der Gasparameter erfolgt wie bei der Laborfermenteranlage über Milligascounter®
mit einer Auflösung von 10 ml. Auch hier wer-den die Zählerstände elektronisch registriert und zur Steuerung der Gasanalyse in Abhän-gigkeit zur Gasproduktion genutzt. Druck-schwankungen während der Entnahme und Zufuhr von Substrat zu vermeiden werden über kleine Druckausgleichsbeutel kompen-siert.
Die 3500L-Fermenter der Pilotanlage sind in Form und Funktion den Technikumsfermentern nachempfunden. Die Heizung mittels Warm-wasser besteht aus innen angebrachten Rohr-schlangen und der Behälter verfügt über 5 Probenahmestellen im Bereich der Zarge (Abb.
2). Das ebenfalls vertikale, gabelförmige Rührwerk wird mit gleicher Umlaufgeschwin-digkeit angetrieben wie im Technikumsfermen-ter.
Zusätzlich ist dieser Fermentertyp mit Steue-rungs- und Überwachungselektronik ausgestat-tet. Eine Armaflex®-Isolierung dient zum Schutz vor Einfrieren im Winterbetrieb. Zusätz-liche Öffnungen am Behälterboden ermögli-chen es, Biogas zur pneumatisermögli-chen Umwäl-zung des Fermenterinhaltes einzublasen. Au-ßerdem ist es möglich, den Fermenterinhalt umzuwälzen (hydraulisches Rühren).
Die 3500L-Pilotanlage besteht aus zwei bau-gleichen Fermentern.
Somit ergibt sich der Vorteil, dass ein Behälter zur gleichbleibenden Produktion von Standard-substrat verwendet werden kann. Die Beschi-ckung erfolgt täglich mit Rindergülle und TMR (Mischfutter für Milchkühe) im Verhältnis 80 % zu 20 % bezogen auf oTS. Die angezüchtete
„Standardbiozönose“ im Gärrest soll eine mög-lichst gleichbleibende, optimal entwickelte Bak-terienpopulation als Grundsubstrat für die Fol-geversuche bereitstellen. Die folgende Tab. 1 gibt eine Übersicht über Anzahl und Verwen-dungszweck der Projektfermenter.
Die Gaszusammensetzung des Praxisfermen-ters wird analog zu den Versuchsfermentern gemessen. Die Beschickungsmengen werden über die Vorgrube der landwirtschaftlichen Bi-ogasanalage erfasst. Hinsichtlich der Gasmen-genmessung ergibt sich das Problem der Aus-wahl einer geeigneten Messmethode, da Bio-gas feucht und schwefelhaltig ist und somit herkömmliche Gaszählsysteme in kurzer Zeit korrodiert und unbrauchbar macht.
Tab. 1: Überblick über die gesamten Anlagen
Fermenter Anzahl Größe Funktion Betriebsweise
Pilotfermenter I 1 3500 L Produktion von Standardbiozönose Durchfluss Pilotfermenter II 1 3500 L Upscaling, Substrate, (Management) Batch/Durchfluss Technikumsfermenter Batch 3 36 L Upscaling, (Substrate, Management) Batch
Technikums Durchfluss 6 36 L Substrate, Management, (Upscaling) Durchfluss Laborfermenter 5 2 L Upscaling, (Substrate) - Gasnalyse Batch Laborfermenter 5 2 L Upscaling, (Substrate) - Beprobung Batch
Praxisfermenter 1 900 m³ Upscaling Durchfluss
Abb. 3:
Gasmengenerfassung des Praxisfermenters
wiederholt. Dazu werden alle Fermenter mit Praxisfermenterinhalt gestartet. Die Durchfluss-fermenter werden analog zum PraxisDurchfluss-fermenter mit Gülle, Maissilage und Speisefetten be-schickt. In Phase 2 der Versuchsplanung ste-hen „Substrate“ im Vordergrund. In diesem Versuchsabschnitt werden verschiedene In-putmaterialen und Varianten der Prozessfüh-rung untersucht (z.B. Faulraumbelastung, Rühr-zeiten, Entschwefelung). Einer der beiden 3500L-Behälter dient weiterhin der Produktion von „Standardbiozönose“. Die Beschickung er-folgt weiterhin gleichbleibend mit Rindergülle und TMR.
Somit basiert die Gasmengenerfassung auf Ba-sis einer Differenzdruckmessung vor und hinter eines vom Gas umflossenen Störkörpers (V-Konus, Fa. Schwing). Da das Beschickungsma-nagement des Praxisfermenters bei der Befül-lung erhöhte Gasmengen erwarten lässt, wurde ein entsprechendes Bypass-System entwickelt (Abb. 3).
3 Versuch
Versuchsplanung: Das Vorgehen gliedert sich in 2 Phasen. Im Abschnitt 1 „Upscaling“ soll der Vergleich verschiedener Laborfermentergrößen und einer Praxisanlage erfolgen. Hierbei wer-den alle die zuvor beschriebenen Fermenter mit gleichem Substrat beschickt. In einer ersten Versuchsreihe wurden die Versuchsfermenter zu Beginn mit „Standardbiozönose“ gefüllt und im Batch-Verfahren betrieben. In einer zweiten Versuchsreihe wird das Experiment in gleicher Weise unter Einbeziehung des Praxisfermenters
Parameter: Die Auswahl und Bemessung der Parameter richtet sich im Wesentlichen nach den in der Anaerobtechnik üblichen Größen, wie z.B. pH und Leitfähigkeit /4/. Die folgenden Parameter werden im Rahmen der Untersu- chungen erhoben:
Versuchsfermenteranlage: Upscaling-Effekte, Inputmaterialien und Prozessführung
- Gasmengen (Normkubikmeterproduktion) - Gasqualität: CH4, CO2, O2, H2 und H2S - Inputmengen (bei jeder Beschickung) - Gärrestmengen (bei jeder Entnahme)
- chemische Analysen: TS, oTS, pH, CSB, KS 4,3, FFS, NH4-N
- ergänzende Analysen:
Rohprotein, Rohfaser, Rohfett, Rohasche, Stärke, Zucker, NDF, ADF, ADL, Gesamt-C, N org., P, K, Ca, S
Datenmanagement: Die Sammlung der Da-ten erfolgt in Access-basierDa-ten DaDa-tenbanken.
Die gewonnenen Daten sollen aufbauend auf Modellen der Abwassertechnik die Grundlage zur Prozesssimulation mit dem Softwarepaket MatLab/Simulink/Simba bilden. Die Basis der Modellierung sollen bestehende Anaerobmodel-le aus der Abwasserreinigungstechnik (Siegrist /5/ und ADM1 /6/) bilden.
4 Ergebnisse
Die bisherigen Arbeiten konzentrierten sich auf die Errichtung der Anlagen, Steuerung und Messtechnik. Die Pilotanlage konnte erfolgreich angefahren werden (Abbildung 4) und die Pro-duktion von „Standardbiozönose“ in den Routi-nebetrieb übergehen.
Nach der anfänglichen Versäuerungsphase während des Anfahrens der 3500L-Fermenter stellte sich ein stabiler pH-Wert von etwa 7,4 ein. Die Methankonzentration stieg auf ein Ni-veau von etwa 55 %, der H2-Gehalt stabilisierte sich auf niedrigem Niveau. Deutlich zu erken-nen ist eine gesteigerte H2-Konzentration nach jeder Fütterung der Fermenter. Eine extrem hohe H2-Konzentartion geht mit einem Abfall der Methanproduktion einher. Dieses lässt sich durch den gesteigerten Versäuerungsprozess nach erhöhter Fütterung leicht abbaubarer Substanz erklären. Hierdurch wird der pH-Wert
0 10 20 30 40 50 60 70
1 2 4 6 7 9 11 13 14 16 18 19 22 24 26 27 29 31 33 34
Tage [d]
Methan [%]
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
Wasserstoff [ppm]
Methan Wasserstoff
Abb. 4: CH4- und H2-Konzentration im Biogas in der Anfahrphase des 3500L-Fermenters "Standardbiozönose"
gesenkt und die methanbildenden Bakterien gehemmt. Die bisher vorliegenden Analysen der verwendeten Substrate ergeben im Mittel die in Tab. 2 dargestellten Werte.
Substrat TS [%] oTS
[% TS] CSB [gr O2/kg]
Gülle 6,20 83,78 1292,52 Total Mixed
Ra-tion(TMR)
49,10 95,08 1234,39
Gärrest
“Stan-dardbiozönose” 4,02 81,21 1362,47 Tab. 2: Mittelwerte bisher vorliegender Substratana-lysen
Die ersten Werte aus den aktuell laufenden Upscalingversuchen weisen darauf hin, dass die Gasqualität bei Vergärung desselben Substrates von kleinen Fermentern zu großen Fermentern abnimmt. (Mittlere Gasqualität der Batch-Ver-suche bei Vergärung von „Standardbiozönose“:
2L – 66,6 % CH4, 36L – 61,5 % CH4, 3500L – 52,5 % CH4). Der pH-Wert stabilisierte sich bei den Batch-Versuchen nach der Einfüllung eben-falls schnell und der Abbau der flüchtigen Fett-säuren ist gut zu beobachten, da kein neues Substrat zugefüttert wird (Abb. 5).
Die verfahrensoptimierende Ausrichtung des Projektes liegt mit den Untersuchungen zu Pro-zessführung und Modellierung sowie den Upscaling-Versuchen zur Übertragbarkeit im Kernbereich des Themas „Agrartechnik – Integ-rierter Umweltschutz in der Landwirtschaft“.
Die mikrobiologischen Untersuchungen werden vom Lehrstuhl für Wassergüte und Abfallwirt-schaft im Rahmen einer Kooperation durchge-führt. Aus dem Projekt wird eine verbesserte Daten- und Planungsgrundlage für die Konzep-tion von Praxisanlagen erwartet. Weiterführen-de Forschungsvorschläge sind: Ökonomische Gesamtenergiebilanzen (Prozessführung im
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
0 20 40 60 80 100
Tage [d]
FFS [mg/l]
6,5 6,6 6,7 6,8 6,9 7 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 7,6
pH
FFS pH
Beginn Batch-Versuch
Abb. 5: Verlauf von pH und Abbau der flüchtigen Fettsäuren im 3500L-Fermenter während der Startphase und Batch-Versuch
Versuchsfermenteranlage: Upscaling-Effekte, Inputmaterialien und Prozessführung
Vergleich zu entstehenden Kosten und Energie-strömen), Online-Messtechnik und Automatisie-rung der ProzesssteueAutomatisie-rung von landwirtschaft-lichen Biogasanlagen.
Literatur
/1/ A. Gronauer, S. Schattner und H. Mitter-leitner: Überblick zum Stand des Wissens und zu Defiziten im Bereich Vergärung von organi-schen Reststoffen als Cofermentat in landwirt-schaftlichen Biogasanlagen, Bayerische Lan-desanstalt für Landtechnik, Abteilung Umwelt-technik, 1997
/2/ E.A. Hassan: Biogas production from fo-rage and sugar beets, Forschungsbericht Agrar-technik 412, 2003
/3/ G. Schober und A. Wellinger: Comparati-ve digestion of kitchen waste in three different labscale systems, Biogas Forum, 2001
/4/ M. Ploog, T. Ogal und T. Fischer: Einfluss der Messmethodik bei der Kontrolle von pH-Wert, Redoxpotential und Leitfähigkeit in der Anaerobtechnik, AJ 1-2, S. 25-27, 1996
/5/ D.J. Batstone et al.: Anaerobic Digestion Model No. 1. IWA Task Group for Mathematical Modelling of Anaerobic Digestion Processes, Scientific and Technical Report No. 13. IWA Publishing, 2002
/6/ H. Siegriest, D. Renggli and W.Gujer, Mathematical Modelling of anaerobic mesophilic sewage sludge treatment, Water Science Tech-nology, Vol. 27 No. 2, pp. 25-36, 1993
Molekularbiologische Methoden zur Charakterisierung der mikrobiellen Biozönose und Prozessüberwachung bei landwirtschaftlichen Biogas-anlagen
Autoren:
Dr. Hocine Arab, Prof. Dr. Peter Wilderer, Lehrstuhl für Wassergüte und Abfallwirt-schaft, TU München
Projekttitel:
Konzeptionierung, Erstellung und Betrieb einer Versuchsfermenteranlage zur Bearbeitung von Fragestellungen im Bereich Inputmaterialien und Mikrobiologie bei ldw. Biogasanlagen II: Molekularbiologische Methoden zur Charak-terisierung der mikrobiellen Biozönose und Pro-zessüberwachung bei landwirtschaftlichen Bio-gasanlagen
Projektnr.:
BMBF-FKZ: 0330151 Projektleiter:
Prof. Dr. Peter Wilderer
Bei der Vergärung ist die Biozönose einer der wichtigsten Parameter. Struktur und Zustand der Biozönose spielen eine entscheidende Rolle beim Gasertrag und der Gasqualität und damit in der wirtschaftlichen Rentabilität einer Bio-gasanlage. In Abb. 1 sind der Abbauprozess, die Produkte und die beteiligten Bakteriengrup-pen zusammengefasst.
2 Molekularbiologische Methoden als