1 optimierung des gärungsprozesses: der einsatz von enzymen zur steigerung von stoffumsatz und...
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Optimierung des Gärungsprozesses:
Der Einsatz von Enzymen zur Steigerung von Stoffumsatz und Gasausbeute
Matthias Gerhardt
BIOPRACT GmbH, Berlin
11. JahrestagungBiogas und Bioenergie in der Landwirtschaft
5. – 7. Dezember 2002Rot am See
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Die Steinzeit ist nicht deshalb zu Ende gegangen, weil keine Steine mehr vorhanden waren
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Die Steinzeit ist nicht deshalb zu Ende gegangen, weil keine Steine mehr vorhanden waren
Erneuerbare Energien
müssen wirtschaftlich
einsetzbar sein und
ökologisch überzeugen
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Die Nutzung von
Biomasse:- Alkohol- Milchsäure- Biogas
Die Steinzeit ist nicht deshalb zu Ende gegangen, weil keine Steine mehr vorhanden waren
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Biogas wird ein Bestandteil der Energieversorgung ohne Öl
Entwicklung vom Entsorgungsgedanken
zur Energie- und Rohstofferzeugung
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Für den Anlagenbetreiber hat die Wirtschaftlichkeit oberste Priorität:
Einnahmen > Ausgaben
Investitionen und Unterhalt minimal
Produktivität je m3 Reaktor maximal
Ausbeuten je m3 Substrat maximal
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Durchschnittliche Biogaserträge typischer Substrate:
Substrate Ertrag Nm3/m3
Klärschlamm 5 -15
Rindergülle 20 - 25
Schweinegülle 30 - 35
Geflügelgülle 40 - 45
Bioabfall 100 - 200
Grasschnitt 100 - 120
Grassilage 180 - 200
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Verbesserung der Substratverwertung
• Substrate enthalten Polysaccharide, Fette, Einweiße und „nicht vergärbare“ Substanzen in unterschiedlicher Zusammensetzung
• Cellulosen und Hemicellulosen (NSP) werden als weitgehend inert betrachtet und oft aus Stoffbilanzen ausgeklammert.
Aber:
• Cellulosen und Hemicellulosen sind Polysaccharide, deren Monomere uneingeschränkt vergärbar sind
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Methan resultiert aus der anaeroben Gärungen organischer Stoffe:
Fette FettsäurenPolysaccharide einfache Zucker Essigsäure CH4
Proteine Aminosäuren
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Wie sind die Substrate für die Biogasbildung zusammengesetzt (organische Bestandteile in TS):
Substrat Fette Proteine NSP Sonstige
Belebtschlamm 2,0 1,4 32,0 30,0
Belebtschlamm 0,9 1,8 43,1
Rindergülle 7,5 15,6 33,8 14,1
Rindergülle 22,2
Schweinegülle 12,3 16,0 27,4 27,0
Geflügelgülle 25,0
Grasschnitt 10.0 60,0 30,0
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Wie werden die Substrate für die Biogasbildung im Prozess abgebaut (in %):
(Quelle: A. Wellinger, Biogas-Handbuch 1991)
Substrat oTS Fette Proteine NSP Sonstige
Schweinegülle 82,7 12,3 16,0 27,4 27,0
Schweinegülle (ausgefault) 69,9 8,0 17,9 20,4 23,6
Rindergülle 71,0 7,5 15,6 33,8 14,1
Rindergülle (ausgefault) 63,5 6,5 16,0 14,1 26,9
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Auswirkungen von NSP auf den Biogasprozess
Eingeschränkter und langsamer Abbau
Steigerung der Viskosität – damit weniger TS
Käfigeffekt: Umhüllung von leicht abbaubaren
Inhaltsstoffen
Potenziale zur Steigerung der Gasausbeute
und Produktivität
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Methoden zum Aufschluss von NSP:Mechanischer Aufschluss
häckseln / mahlen Dampfbehandlung, „steam explosion“ Ultraschall
Chemischer AufschlußNaßoxidationHydrothermolysesaure / alkalische Hydrolyse
BiotechnologischAufschluss mit PilzenStarterkulturen (Zugabe von NSP-Abbauer)Einsatz von Enzymen
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Der Einsatz von Enzymen:- Enzyme sind keine Mikroorganismen!
- Enzyme unterstützen Mikroorganismen durch die
Bereitstellung vergärbarer Substanzen:
Lipasen/EsterasenFette Fettsäuren
ProteinasenProteine Aminosäuren
AmylasenPolysaccharide Einfachzucker
Cellulasen,NSP Einfachzucker
Xylanasen, ß-Glucanasen
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Der Einsatz von NSP-spaltenden Enzymen:
Abbau von räumlichen Strukturen
Freisetzen von Einfachzuckern
Damit:
Freisetzung von Inhaltsstoffen
Senkung der Viskositäten
Verwertung der NSPHemicellulose
Cellulose Microfibrillen
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Diese Überlegungen lagen unseren Arbeiten zu Grunde, die seit 1998 zum Einsatz von Cellulasen in der Faulstufe von Abwasserreinigungsanlagen durchgeführt werden
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Einsatz geringer Mengen Enzympräparat Steigerung der Faulgasbildung Reduzierung des Flockungsmitteleinsatzes Reduzierung des oTS – Gehaltes des ausgefaulten
Schlammes
Der Einsatz von Enzymen in der Faulgasbildung Berliner Abwasserreinigungsanlagen
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Parameter: 1 x 8.000 m3 Faulbehälter
300 – 400 m3/Tag Zulauf
7,0 g/m3 Enzymzugabe 500 kg Enzym in 6 Monaten
Aufgaben:Tägliche Dosierung (2–3 kg) Analytische Überwachung
Gasmenge / CH4, CO2
Schlammzu- und Ablauf TS, oTS in Zu- und Abläufen Flockungsmitteleinsatz
Der Einsatz von Enzymen in der Faulgasbildung Berliner Abwasserreinigungsanlagen
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Position FB3 (+Enzym) FB4 (-Enzym)
Ermittelte Gasausbeute
(Nm3 Faulgas / m3 Schlamm)18,3 Nm3/m3 14,1 Nm3/m3
Steigerung der Gasbildung (gesamt)
125 % 100 %
Bilanz des Großversuchs Waßmannsdorf
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0
100.000
200.000
300.000
400.000
500.000
600.000
700.000
800.000
900.000
05.1
1.97
19.1
1.97
03.1
2.97
17.1
2.97
31.1
2.97
14.0
1.98
28.0
1.98
11.0
2.98
25.0
2.98
11.0
3.98
25.0
3.98
08.0
4.98
22.0
4.98
06.0
5.98
Fa
ulg
asb
ild
un
g [
m³] mit Enzyme
ohne Enzym
Entwicklung der Faulgasbildung
Bilanz des Großversuchs Waßmannsdorf
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Position + Enzym Referenz
Steigerung der Gasbildung 112 % 100 %
Abbau oTS (%ual) 46 % 42 %
Flockungshilfsmittel 5,7 kg/t TS 6,7 kg/t TS
Restgehalt oTS 44 % 53 %
Bilanz des Großversuchs Münchehofe
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akkumulierter oTS Abbau FB 1
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb
Monat
ak
ku
mu
liert
er
oT
S A
bb
au
[t]
mit Enzym
ohne Enzym
Bilanz des Großversuchs Münchehofe
Entwicklung der Faulgasbildung
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Der Einsatz von Enzymen in der Faulstufe der Abwasserbehandlung
Zunahme der Gasbildung um 12 - 25 %
Abbau der oTS um ca. 10 %
Verbesserung des Entwässerungsverhaltens
durch den Abbau von Polymerstrukturen
Einsparung von 15 % Flockungshilfsmittel
Resultate durch Dritte bestätigt (Abwasseranlagen in Aachen, Lichtenstein/Vogtl. und Schwechat/Österreich)
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Sind die Ergebnisse auf den Bereich der Biogasproduktion übertragbar?
Gülle / Grasschnitt enthalten mehr NSP Die Abbauprozesse stimmen überein Die Einsatzbedingungen (T, pH, Mikroorganis-
men, komplexe Substrate, anaerob) stimmen überein
Der Einsatz NSP-abbauender Enzyme in Biogas-anlagen wird zu einem verbesserten Abbau der NSP und damit einer Steigerung der Gasbildung und Produktivität führen
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Untersuchungen zu Einsatz NSP-spaltender Enzyme wurden begonnenIn Zusammenarbeit mit renergie e.V. wird in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage der Einsatz des Cellulasepräparates CelluPract AS 100 erprobt:
280 m3 Reaktorgröße (Arbeitsvolumen) Substrate (täglich):
5.000 kg Rindergülle (100 Milchkühe)800 kg Grassilage, 300 kg Mais
480 – 520 Nm3 Gas/Tag Biogasausbeute 700 – 800 kWh Elektroenergie Zugabe von 50 g Enzym 1 x täglich Versuch läuft seit 8 Wochen Steigerung der Energieerzeugung um 22 %
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Berechnungsbeispiele
Stromerlös: 0,10 €/kWh; Steigerung Gasbildung: 20 %
Parameter Fall 1 Fall 2 Fall 3
Gülle Geflügel Rind Schwein
GVE 100 500 500
Enzymkosten [€/Jahr] 110 500 540
Mehrerlös [€/Jahr] 5.400 5.400 9.000
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Der Einsatz der Enzyme in der Biogasanlage:
Nicht toxisch Nicht gesundheitsgefährdend 100 %ig abbaubar 1 x tägliche Zugabe keine Installationen bei sorgfältiger Handhabung
keine Lagerungsprobleme
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Ansatzpunkte für weitere Untersuchungen
Weitere Anwendungen in kleinen und großen Anlagen Referenzen
Enzymeinsatz in Zusammenhang mit NSP-reichen Kosubstraten:
Steigerung der Ausbeuten
Steigerung der Produktivitäten durch höhere TS-Gehalte (Viskositätssenkung)
Weitere Umwandlung des Methans zu höherwertigen Stoffen (z.B. Methanol)
BIOPRACT lädt Interessenten ein, sich an den Entwicklungen zu beteiligen (www.biopract.de)