biologie der biogaserzeugung
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Biologie Der BiogaserzeugungTRANSCRIPT
Biologie der Biogaserzeugung
Peter Weiland
Institut für Technologie and BiosystemtechnikBundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL)
ZNR Biogastagung, Bad Sassendorf-Ostinghausen, 02.04. 2003
Biologie der Biogaserzeugung
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Mikrobiologie und Biochemie der VergärungPhysikalisch -chemische EinflußgrößenSubstrate Verfahrensgestaltung und ProzeßführungZusammenfassung und Ausblick
ZNR Biogastagung, Bad Sassendorf-Ostinghausen, 02.04. 2003
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
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
W0104141CDREinfluß des Feststoffgehaltes auf den spez. Gasertrag
spez. Gasertrag
0 10 20 30 40 50 60Feststoffgehalt [Gew.-%]
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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
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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ZNR Biogastagung, Bad Sassendorf-Ostinghausen, 02.04. 2003
Biologie der Biogaserzeugung
Peter Weiland
Institut für Technologie and BiosystemtechnikBundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL)
ZNR Biogastagung, Bad Sassendorf-Ostinghausen, 02.04. 2003