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Der Traum vom kontrollierten Schaum
Dr. Lucie Moeller
Fachworkshop “Schaumbildung in Biogasanlagen”, Leipzig 19. März 2015
Foto: André Künzelmann, UFZ
SEITE 2
Die häufigsten Prozessstörungen
im Biogasreaktor:
- Bildung von Schwimmschichten
- übermäßige Schaumbildung
- Übersäuerung des Fermenterinhaltes
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Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
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SEITE 3
Ökonomische Bewertung
Öko
log
isch
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un
g
Nährstoffrecycling (Gärrest)
Schaum
Fluiddynamik
Übersäuerung
Schwimmschichten
Op
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Tech
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Ökonomische Bewertung
Öko
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Nährstoffrecycling (Gärrest)
Schaum
Fluiddynamik
Übersäuerung
SchwimmschichtenSchaum
Fluiddynamik
Übersäuerung
Schwimmschichten
Op
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OPTGAS: Vergleichende Untersuchungen an großtechnischen
Biogasreaktoren – Verfahrenstechnische, mikrobiologische,
ökologische und ökonomische Bewertung und Optimierung
(FKZ-Nr.: 03KB018)
Projektpartner:
Förderung:
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 4
Laborversuche Praxisanlagen
Forschung auf zwei Ebenen
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 5
» 12 von 15 Biogasanlagen, die biogenen Abfall nutzen
(eigene Umfrage in Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thüringen; Moeller et al. 2012)
» 5 von 36 NawaRo-Anlagen in Sachsen
(Umfrage von SMUL; 2012)
Erfahrungen mit der Schaumbildung in der Praxis
» 10 % Biogasanlagen laut Schätzung von 7 Biogas-Experten in
Baden-Würtemberg (Umfrage von Uni Hohenheim; Wissmann 2014)
» 15 von 16 Biogasanlagen in Dänemark
(Umfrage von Technical University of Denmark; Kougias et al. 2013)
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 6
Betriebstörungen und Schäden
Verschmutzung und Verstopfung der Leitungen
Ausfall von Schiebern und der Rezirkulatpumpe
Störung der Messsonden
Störung von Mikroorganismen
Umkehrung des Feststoffprofils im Reaktor
Konstruktionsschäden
Ökonomische Folgen
Reinigungs- und Reparaturkosten
Energieverlust durch entweichendes Biogas & durch zusätzliches Rühren
zusätzliche Arbeitsstunden
Kosten für Entschäumer
Folgen der Schaumbildung im Biogasreaktor
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 7
„Hungerkur“
Absenken des Pegels im Fermenter
Verdünnen/Besprühen mit Wasser
Zugabe von kommerziellen
Antischaummitteln und/oder Pflanzenöl
Optimierung von Rührzyklus und
Fütterungsinterval
Supplementierung mit Spurenelementen
Maßnahmen bei Schaumbildung im Biogasreaktor
Temperaturerhöhung um 2 - 3 °C (bei GPS)
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 8
Ursachen der Schaumbildung im Biogasreaktor
1. Ungeeignete Prozessführung und ungünstige Umstände
2. Nutzung von risikoreichen Substraten
Überfütterung
plötzliche Temperaturschwankungen
ungünstiges Rührmanagement
Nährstoffmangel
Ablagerungen im unteren Bereich des Biogasfermenters
Nutzung von ungeeigneten Chemikalien in der Tierhaltung
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
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SEITE 9
Ursachen der Schaumbildung im Biogasreaktor
1. Ungeeignete Prozessführung und ungünstige Umstände
2. Nutzung von risikoreichen Substraten
viel Stickstoff, bzw. Protein
- Schlachtabfälle, Molkereiabwasser
- Hühnertrockenkot
- Hefe (Biertreber, Brot, schlecht abgedeckte Silagen)
Schleimstoffe (z. B. Pektin, Stärke)
- Obst- und Gemüseabfälle
- Zuckerrübenschnitzel, Getreide
filamentöse Mikroorganismen
(anaerobe Stabilisierung des Klärschlamms in Faultürmen)
Schimmelpilze (Penicillium roqueforti, Mucor hiemalis usw.)
Mycotoxine
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FZ
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 10
Methoden zur Untersuchung der Schaumbildung
1. Oberflächenspannung – Tropfentensiometer
SEITE 10
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/la
uda.d
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N2
2. Bubble-test*
Schaumneigung =𝑉𝑆𝑐ℎ𝑎𝑢𝑚 [𝑚𝐿]
𝐹𝐺𝑎𝑠[𝑚𝐿𝑁2
𝑚𝑖𝑛]
* Beneventi et al. (2001)
Moeller & Görsch (2012): Bestimmung des Schaumpotenzials
mit dem „Bubble-Test“. Bestimmung der Oberflächenspannung,
Messmethodensammlung Biogas, S. 100-103.
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 11
Methoden zur Untersuchung der Schaumbildung
3. Viskosität - Rotationsviskosimeter
SEITE 11
4. LEIPZIGER SCHAUMTESTER
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112
START t = 3 h t = 6 h Substrat-dosierung
Rühren
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
Moeller, L., Zehnsdorf, A., Beyer, D. (2013) Testset zur Bestimmung der
Schaumneigung von Substrat für Biogasanlagen. Gebrauchsmuster DE
202013000693 U1.
Moeller, L.: LEIPZIGER SCHAUMTESTER – Testset und dessen Verwendung
zur Bestimmung der Schaumneigung von Substrat für Biogasanlagen.
Tagungsband des 6. Innovationskongresses BIOGAS 2013
„Effizienzsteigerung von Biogasanlagen“ in Osnabrück, S. 151-156.
Moeller, L., Krieg, F., Beyer, D., Köster, Y., Müller, R.A., Zehnsdorf, A.:
LEIPZIGER SCHAUMTESTER - Testset und dessen Verwendung zur
Bestimmung der Schaumneigung von Substrat in Biogasanlagen (pp.
170-175). In: Festschrift Konferenz „Fünf Jahre Förderprogramm
„Energetische Biomassenutzung“: Wege zur effizienten Bioenergie“.
Schriftenreihe des Förderprogramms „Energetische Biomassenutzung“,
2014, BAND 15, ISSN 2199-2762.
Moeller, L., Eismann, F., Wißmann, D., Nägele, H.-J., Zielonka, S., Müller, R.A.,
Zehnsdorf, A.: Innovative test method for the estimation of the foaming
tendency of substrates for biogas plants. Waste Management. submitted
SEITE 12
Methoden zur Untersuchung der Schaumbildung
SEITE 12
5. Substratelution
htt
p:/
/shop.llg
.de
6. Sonstige analytische Methoden
TS/oTS-Bestimmung
FOS/TAC-Bestimmung
Spektrophotometrie (NH4-N,
Kohlenhydrate)
TOC/TN-Bestimmung in Lösung
HPLC (flüchtige org. Säuren)
ICP-AES (wasserlösliche
Elemente)
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 13
Methoden zur Untersuchung der Gasbildung
SEITE 13
1. Bestimmung des Gasertrags – batch Tests
2. Technikumsbiogasanlage - quasi-kontinuierliche Versuche
Foto: Michael Seirig
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 14
Vorgehensweise bei der Untersuchung im Praxismaßstab
SEITE 14
1. Ausführliches Interview mit dem Anlagenfahrer
führen
2. Daten analysieren
(Fütterungsprotokolle, Temperaturverläufe,
Gasbildung, etc.)
3. Proben entnehmen und analysieren
(auch mikroskopisch)
4. Schaumtests mit Substraten durchführen
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 15
Datenanalyse
SEITE 15
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
NawaRo-Anlage:
Lucie Moeller, Kati Görsch, Yvonne Köster, Roland A. Müller, Andreas Zehnsdorf: Schaumbildung und Schaumvermeidung in
Biogasanlagen, UFZ-Bericht 01/2013, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ, ISSN 0948-9452.
SEITE 16
Datenanalyse
SEITE 16
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
15
20
25
30
35
40
45
14.09.2011 14.10.2011 13.11.2011 13.12.2011 12.01.2012 11.02.2012 12.03.2012 11.04.2012
Datum
Tem
pera
tur
[°C
]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Sch
au
m
Temperatur AHS-Stufe Temperatur Fermenter Schaum
NawaRo-Anlage:
Lucie Moeller, Kati Görsch, Yvonne Köster, Roland A. Müller, Andreas Zehnsdorf: Schaumbildung und Schaumvermeidung in
Biogasanlagen, UFZ-Bericht 01/2013, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ, ISSN 0948-9452.
SEITE 17
Datenanalyse
SEITE 17
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
Abfall-Anlage:
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1002
0.0
2.2
01
2
21
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12
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.20
12
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26
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12
27
.02
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12
29
.02
.20
12
01
.03
.20
12
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.03
.20
12
03
.03
.20
12
04
.03
.20
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05
.03
.20
12
06
.03
.20
12
07
.03
.20
12
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12
09
.03
.20
12
10
.03
.20
12
11
.03
.20
12
12
.03
.20
12
Datum
Su
bstr
at
[t]
Schlämme aus derKartoffelverarbeitung
Fettabscheiderinhalte
Biopower
Kartoffeldampfschalen
Kieselgur
Back-/Süßwaren
Obst/Gemüse
Rapsfilterkuchen
Getreide
Lucie Moeller, Kati Görsch, Yvonne Köster, Roland A. Müller, Andreas Zehnsdorf: Schaumbildung und Schaumvermeidung in
Biogasanlagen, UFZ-Bericht 01/2013, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ, ISSN 0948-9452.
SEITE 18
Probenanalyse
SEITE 18
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
Fallbeispiel 1
Fotos: Andreas Zehnsdorf
SEITE 19
Fallbeispiel 1
» mesophil (42 °C)
» Durchmischung:
- Fermenter 1: Rührwerk im Außenumlauf
- Fermenter 2: zwei interne Rührwerke
» Substratmix:
- 30 % Rindermist
- 40 % Maissilage
- 40 % Grassilage
Ferm. 1 Ferm. 2 (ehemals NG)
Gärrest-
lager
Separator
Festphase
Flüssigphase
(Klarlauf)
Rezirkulat
Substrat
Fo
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Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 20
Fallbeispiel 1
Fermenter 1 Fermenter 2
TS [%] 10,4 9,7
oTS [% TS] 81 79
FOS/TAC [-] 0,25 0,23
NH4-N [mg/L] 704 798
Acetat [mg/L] 295 37
Propionat [mg/L] 58 18
Butyrat [mg/L] <1 <1
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 21 SEITE 21
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
Nutzung der Schaumtests
Fo
tos: A
nd
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eh
nsd
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SEITE 22
NawaRo-BGA in Brandenburg
Fallbeispiel 2
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
Foto: Fred Schulze
SEITE 23
NawaRo-BGA in Brandenburg
Fallbeispiel 2
» mesophil (38 - 41 °C)
» Durchmischung:
- vier interne Rührwerke
» Substratmix:
- 25 t / d Rindergülle
- 23 t / d Maissilage
- 2 t / d Roggenschrot
» 30 – 40 L / d Rapsöl und
8 - 20 L / d kommerzielles Antischaummittel (ca. 5 €/L)
(im Extremfall 80 L/d !)
Fermenter
TS [%] 7,0
oTS [% TS] 80
FOS/TAC [-] 0,11
NH4-N [mg/L] 1.825
Acetat [mg/L] <1
Propionat [mg/L] <1
Butyrat [mg/L] <1
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 24
Abhängigkeit der Intensität der Schaumbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns
Gärmaterial aus einer NawaRo-Anlage mit Triticaleschrot (0,5 mm, 1 mm, 2 mm und 4 mm) und -korn
0,5 mm 2 mm 4 mm ungemahlen
0,5 mm 1 mm 2 mm 4 mm Korn Referenz
Moeller, L., Krieg, F., Zehnsdorf, A. (2013) Wirkung von Getreideschrot auf die Schaumbildung in
Biogasanlagen. Landtechnik 68 (5) 344-348.
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
Getreide
SEITE 25
Abhängigkeit der Intensität der Schaumbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns
Getreide
Moeller, L., Krieg, F., Zehnsdorf, A. (2013) Wirkung von Getreideschrot auf die Schaumbildung in
Biogasanlagen. Landtechnik 68 (5) 344-348.
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 26
Getreide
Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:
1. batch-Versuche (Triticale)
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 27
Getreide
Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:
2. quasi-kontinuierliche Versuche (Triticale)
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
Δ ~10 %
» 2 parallel laufende Fermenter (á 30 L), mesophil (39 °C)
» Substrate: Maissilage (73 % TS), Rindergülle (18 % TS), Triticale (9 % TS)
SEITE 28
Getreide
Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:
1. batch-Versuche (Gerste)
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 29
Getreide
Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:
2. quasi-kontinuierliche Versuche (Gerste)
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
» 2 parallel laufende Fermenter (á 30 L), mesophil (39 °C)
» Substrate: Maissilage (67 % TS), Rindergülle (9 % TS), Gerste (17 % TS)
SEITE 30
Getreide
Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:
2. quasi-kontinuierliche Versuche (Gerste)
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
13 Tage
SEITE 31
Getreide
Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:
3. Praxisversuch (Gerste)
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
FO
S/T
AC
[-]
Fermenter
Nachgärer
Kosten fürs Mahlen: 1,08 € pro 100 kg Getreide
SEITE 32
Getreide
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
13
31 2932
21
0
11
1613
8
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Triticale 4 mm Triticale 0,5 mm Gerste 0,5 mm Weizen 0,5 mm Roggen 0,5 mm
Sch
aum
geh
alt
[%]
ohne Sojaöl
mit 1% Sojaöl
SEITE 33
Fallbeispiel 3
Fermenter Nachgärer
TS [%] 7,9 5,9
oTS [% TS] 80,6 76,3
FOS/TAC [-] 0,21 0,16
NH4-N [mg/L] 1.188 2.002
Acetat [mg/L] 491 38
Propionat [mg/L] 97,8 <1
Butyrat [mg/L] <1 <1
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
» Schaum:
“Schaum kommt NUR wenn Zuckerrübe gefüttert wird
(August bis Februar) UND wenn bei Kühen mehrmals
pro Woche gesäubert wird“
- Maßnahme: Dauerrühren
SEITE 34
1. Abhängigkeit der Intensität der Schaumbildung von
Zerkleinerungsgrad der Rübe
Zuckerrübe
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
SEITE 35
Versuchsdurchführung:
40 g Zuckerrübe + 460 g
Digestat (NawaRo-BGA);
37 °C (Wasserbad),
Versuchsdauer: 20,5 h.
Zuckerrübe
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
Moeller et al.: Foam
formation in biogas plants
caused by anaerobic
digestion of sugar beet.
Bioresource Technology
2015, 178, 270-277
Zuckerrübenzerkleinerung
51% 57%
66%
1 cm 0,5 cm gerieben
Schaumanteil:
(= Schaumhöhe vs. Gesamthöhe) [%]
SEITE 36
Zuckerrübe
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
2. Abhängigkeit der Intensität der Schaumbildung von
Chemikalien in der Tierzuchthaltung
SEITE 37
ZRS +
Dolomitkalk
Dolomitkalk ZRS Referenz
Schaumanteil:
(= Schaumhöhe vs. Gesamthöhe) [%]
0% 0%
62%
70%
Versuchsdurchführung: 40 g Zuckerrübe + 460 g Digestat (NawaRo-BGA);
37 °C (Wasserbad), Versuchsdauer: 19 h.
ZRS = Zuckerrübensilage
Zuckerrübe
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
Moeller et al.: Foam formation in biogas plants caused by anaerobic
digestion of sugar beet. Bioresource Technology 2015, 178, 270-277
SEITE 38
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
Schaumeigenschaften:
38% 36%39%
0%
0%
20%
40%
60%
80%
Foam
conte
nt
[%]
Gärrest Schaum Referenz
Kohlenhydrate [g/L] 0,97 ± 0,03 4,28 ± 0,37 0,88
Pektin [gGA/kg] 0,50 ± 0,004 0,71 ± 0,09 0,37
Acetat [g/L] 4,25 ± 0,26 2,24 ± 0,66 0,11
Propionat [g/L] 3,27 ± 0,10 1,86 ±0,46 0,09
Butyrat [g/L] 0,83 ± 0,06 0,45 ± 0,17 0,03
Moeller, L., Lehnig, M., Schenk, J., Zehnsdorf, A.: Foam formation in biogas plants caused
by anaerobic digestion of sugar beet. Bioresource Technology 2015, 178, 270-277
Zuckerrübe
Interaktion von Pektin mit anderen Stoffen im Digestat
Pektin Pektin Pektin + CaCl2 Saccharose Pektin Pektin
+ Saccharose
Versuchsdurchführung: 10 g Pektin/Sacharose/Pektin+Saccharose/Pektin+CaCl2 +
490 g Digestat (NawaRo-BGA); 37 °C (Wasserbad), Versuchsdauer: 21 h.
Foam
conte
nt
[%]
SEITE 39
25%32%
58%
24% 23%
44% 44%
Moeller, L., Lehnig, M., Schenk, J., Zehnsdorf, A.: Foam formation in biogas plants caused
by anaerobic digestion of sugar beet. Bioresource Technology 2015, 178, 270-277
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
Zuckerrübe
SEITE 40
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
Zuckerrübe
Fo
tos: M
arc
us L
eh
nig
K+ Na+ NH4+ Ca2+ Mg2+ Referenz Zuckerrüben-
silage
+ Zuckerrübensilage
Versuchsdurchführung: 40 g Zuckerrübensilage + 460 g Digestat + 5 g Salze; 37 °C (Wasserbad), Versuchsdauer: 20 h.
0
48% 48% 48%40%
53% 57%
Fo
am
co
nte
nt
[%]
Moeller, L., Lehnig, M., Schenk, J., Zehnsdorf, A.: Foam formation in biogas plants caused
by anaerobic digestion of sugar beet. Bioresource Technology 2015, 178, 270-277
Interaktion von Pektin mit Ionen unterschiedlicher Wertigkeit
SEITE 41
Zuckerrübe
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
3. Abhängigkeit der Intensität der Schaumbildung von
C/N-Verhältnis im Biogasfermenter
SEITE 42
Zuckerrübe
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
Zuckerrüben-
silage Harnstoff Zuckerrübensilage +
Harnstoff Referenz
Moeller, L., Lehnig, M., Schenk, J., Zehnsdorf, A.: Foam formation in biogas plants caused
by anaerobic digestion of sugar beet. Bioresource Technology 2015, 178, 270-277
0% 0%
89%71%
Die Zugabe von Harnstoff führte im Fallbeispiel 3 zur
Rückbildung der Schaumbildung im Biogasreaktor
SEITE 43
Zusammenfassung
- Schaumbildung im Prozess der anaeroben Vergärung ist ein häufiges Phänomen
- Schaum in Biogasanlagen entsteht als Folge von:
- ungeeigneter Prozessführung
- der Nutzung von risikoreichen Substraten
Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung
- Getreide: - Intensität der Schaumbildung hängt von Mahlgrad ab
- Schaumbildung kann durch Zugabe von Pflanzenöl beim Schroten
vorgebeugt werden
- Zuckerrübe: - Intensität der Schaumbildung hängt von Zerkleinerungsgrad ab
- Schaumbildung kann durch Zugabe von
- Dolomitkalk intensiviert werden
- N-haltigen Substanzen minimiert werden
Firmen Eismann & Stöbe GbR, UIT Dresden GmbH
AG Bioprozesstechnik (UFZ)
Grit Weichert, André Künzelmann, Wolfgang Rudolph, uvm.
Projektpartner (GFZ Potsdam, DBFZ, TU Berlin, KIT)
BMU (Förderprogramm „Energetische Biomassenutzung“)
und Impuls- und Vernetzungsfonds
der Helmholtz-Gemeinschaft
SEITE 44
Dank an:
Foto: André Künzelmann, UFZ
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