Thermophile Hydrolyse unter Einsatz von gezielt angereicherten Bakterienkulturen

Zweiphasige zweistufige Versuchsanlagen

Zweiphasige zweistufige Versuchsanlagen

Wissenschaftliche Begleitung und Optimierung eines neuen Biogasverfahrens der Fa. Hörmann Energy GmbH zur effizienten Verwertung von nachwachsenden Rohstoffen auf Basis einer thermophilen Hydrolyse unter Einsatz von gezielt angereicherten Bakterienkulturen

Arbeitet eine Biogasanlage am Rand der Wirtschaftlichkeitsgrenze, sollte man versuchen an den schwächsten Stellen des Prozesses, an den "Flaschenhälsen" Verbesserungen zu erzielen. Typischerweise sind dies energetisch ungünstige oder gehemmte Teilprozesse.

Die Bedingungen für eine optimale Aktivität der Gärbiologie müssen gewährleistet sein. Die Wachstumsraten und Milieuansprüche der unterschiedlichen Gruppen von Mikroorganismen, die in den anaeroben Abbauprozesses involviert sind, weichen teilweise deutlich voneinander ab.

Eine physikalische Trennung in zwei Fermenter könnte daher optimale Bedingungen für die Hydrolyse und Acidogenese einerseits bzw. die Acetogenese und Methanogenese andererseits schaffen.

Zielsetzung

Steigerung der Effizienz des anaeroben Abbaus zur Methanproduktion aus nachwachsenden Rohstoffen durch eine zweiphasig-zweistufige Verfahrensführung:
  • Hydrolyse- / Acidogenese-Stufe:
    • Möglichst weitgehende Überführung der organischen Substanz in gelöste Verbindungen (hauptsächlich flüchtige Fettsäuren) bei Vermeidung von Methan- und Wasserstoffbildung
    • Fest-Flüssig-Trennung des hydrolysierten Materials
  • Methanstufe:
    • Umsetzung der gelösten organischen Stoffe in ein möglichst methanreiches Biogas
    • Test einer Einpressung von Hydrolysegas in den Methanfermenter
    • Test einer Beimpfung des Prozesses mit hydrolytischen Bakterienanreicherungen
    • Analyse der im thermophilen Prozess dominanten methanogenen Mikroorganismen
Es sollte geprüft werden, welche Verfahrensführung und Maßnahmen eine Verkleinerung des notwendigen Fermentervolumens bzw. eine Verkürzung der nötigen Verweilzeit und eine Minimierung des Energieaufwands für die Homogenisierung ermöglichen. Dieses Konzept sollte dem Praxispartner empfohlen werden.

Methode

Im Technikumsmaßstab (Versuchsanlage des Instituts für Landtechnik und Tierhaltung) wurden die optimalen Bedingungen für die Hydrolyse- / Acidogenese-Stufe bei der Vergärung einer Mischung von 31% Mais, 31% Gras und 38% Winterroggen und Wintergerste ermittelt.

Eingeschlossen waren Untersuchungen zum Effekt einer zusätzlichen Animpfung der Hydrolysestufe mit einer für das Substrat gezielt angereicherten Bakterienkultur sowie der Versuch einer Hydrolysegaseinpressung in den Methanfermenter.

Weiterhin wurde die Vergärung der im landwirtschaftlichen Betrieb relevanten Mischung aus Rindermist und Maissilage (später Getreide-Ganzpflanzensilage) untersucht.

Ergebnisse

Die wesentlichen Erkenntnisse zur zweiphasig-zweistufigen Prozessführung im Technikumsmaßstab waren:
  • Bei pH-Werten über 6 war eine Hydrolyse-/Acidogenese-Phase ohne Methanbildung schwierig zu stabilisieren.
  • Als Zieltemperatur für die Hydrolysestufe wurde 60°C ermittelt.
  • Bei hoher Raumbelastung bzw. kurzer Verweilzeit war die Methanausbeute suboptimal.
  • Das Einpressen von Hydrolysegas in die Methanstufe war nur ansatzweise erfolgreich.
  • Bei Beimpfung der separierten festen Phase mit einer hydrolytisch/acidogenen Anreicherungskultur ergab sich im Batch-Modus ein leicht verbesserter Abbau, im Durchfluss war sie bei den untersuchten pH-Werten aber wirkungslos.
  • Die methanogene Biozönose bestand bei effizientem, thermophilem Betrieb im Wesentlichen aus bestimmten Methanosarcina- und Methanothermobacter- und zu einem geringen Anteil aus Methanoculleus-Arten.
Deutlich effizienter war die einphasig-zweistufige Prozessführung mit einem thermophilen, stark belasteten liegenden Fermenter als Hauptgärer. Dabei konnte eine organische Raumbelastung von bis zu 20 kg oTM (m3 d)-1 eingestellt werden. Eine hohe Raumbelastung war auch hinsichtlich einer adäquaten Belastung des Nachgärers wichtig. Das meist versprechende Konzept wurde dem Praxispartner zur Umsetzung empfohlen.
Projektinformation
Projektleitung: Dr. Michael Lebuhn, Dr. Andreas Gronauer, Dr. Mathias Effenberger
Projektbearbeitung: Carmen Marín Pérez, Vasileios Dandikas, Florian Ebertseder, Rainer Kissel
Laufzeit: 2008 - 2011
Finanzierung: Bayerisches Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten
Projektpartner: Hörmann Energie und Umwelt GmbH; Technische Universität München, Lehrstuhl für Mikrobiologie