Hydrolytische Enzyme zur Erhöhung der
Effizienz der Vergärung
Matthias Gerhardt* & Dorothea Telschow**
*BIOPRACT GmbH**Cowatec AG
Fachtagung Biogas 2008
Entwicklungen und Erfahrungen aus der Praxis
23. Oktober 2008, Potsdam
Der Abbau von Karton innerhalb von zwei Wochen:
Produktion und Charakteristik von MethaPlus®
ohne MethaPlus® mit MethaPlus® (100 mg/kg TM)
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Fette,
Polysaccharide
Proteine
Fettsäuren,
Mono-, Oligozucker
Aminosäuren
Propionsäure,
Buttersäure, ...
Essigsäure,
H2
CH4
Essigsäure,
H2,
HYDROLYSE
ACIDOGENESE
ACETOGENESE
METHANOGENESE
dS
dt
dFS
dt= k2
dCH4
dt= k1 = k3
dAc
dt= k4
dH2
dt4
Die Grundlagen des Biogasprozesses
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1Remaining stochiometric potential for gas/methane formation
2All Reference of practical gas/methane yield results, KTBL (Ed.). 2005. Gasausbeute in
landwirtschaftlichen Biogasanlagen. Kuratorium f�r Technik und Bauwesen in der
Landwirtschaft e.V. Darmstadt
0 Nm3/t
200 Nm3/t
400 Nm3/t
600 Nm3/t
800 Nm3/t
1.000 Nm3/t
1.200 Nm3/t
Potenzial
Tatsächlich
Der Einsatz von Enzymen im BiogasprozessTheoretische / Praktische Biogaserträge für unterschiedliche Substrate
NSP (51%)
Lignin (2%)
Protein (8%)
Fat (2%)
Starch (37%)
Der Einsatz von Enzymen im BiogasprozessBeispiel: Zusammensetzung von Maissilage
NSP sind Polysaccharide, sie erfordern für ihre Verwertung
die (enzymatische) Hydrolyse zu Oligomeren / Monomeren
NSP behindern auf Grund ihrer Struktur den Abbau
enthaltener leicht abbaubarer Substanzen („Käfigeffekt“)
NSP führen zu einem Anstieg der Viskositäten und
begrenzen die möglichen Trockenmassegehalte
NSP: Nicht-Stärke-Polysaccharide
Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess
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Fette Fettsäuren
Polysaccharide (Mono) Zucker Methan
Proteine Aminosäuren
Essigsäure
Wasserstoff
Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess
Externe
EnzymeEnzyme
Endogener Mikroben
• Enzyme sind der Schlüssel der Hydrolyse polymerer Substrate
• Wird durch den Zusatz von Enzymen der Prozess beeinflusst?
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Die Antwort ist: Ja!
• Steigerung der Gesamtgasbildung / Steigerung der Geschwindigkeit
• Substanzielle Abnahme der Viskosität im Fermenter
+ 15 % Gas
- 50 % in 3 h
Der Einsatz von MethaPlus® im Biogasprozess
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• Die Energieausbeute anaerober Reaktionen ist gering
• Enzyme zur Hydrolyse von Polymeren sind an der Zellwand der
Mikroorganismen einzeln oder verbunden als „Cellulosom“
gebunden oder
• lose an der Zellwand adheriert oder
• in geringen Mengen in freier Form ausgeschüttet
Geringe Effizienz
Der Einsatz von Enzymen im BiogasprozessEnzymsynthese im anaeroben System
• Die Induktion der Bildung und Ausschüttung
erfolgt bei Mangel an leicht abbaubaren
Substraten
• Die gebildeten Enzyme werden in das Medium
ausgeschieden
• Die Hydrolyse der Polymere erfolgt im freien
Medium
• Die Zellen nehmen die entstandenen Spalt-
produkte (Mono- und Oligomere) über die
Zellwand auf
Die aerobe Enzymsynthese ist die
Basis der industriellen Produktion
Der Einsatz von Enzymen im BiogasprozessEnzymsynthese im aeroben System
Preserved Strain
Shaker Culture
Inoculation Culture
Fermentation
Cell Removal
Concentration
Stabilisation
Fluid Product
Drying
Solid Product
Produktion und Charakteristik von MethaPlus®
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Praxis des Einsatzes von Enzymen
Bewertung einer Biogasanlage
• Visuelle Beurteilung der Ausrüstungen und des Hofes
• Hersteller der Anlage
• Betriebsführung (Betriebstagebuch, Wartung, Bilanzierungen)
• Biologische und technische Analytik/Beratung
• Ableitung des Handlungsbedarfes ready for MethaPlus®?
Bewertung der Leistung / Funktion
• Substrateinsatz (Natur, Menge, Fütterungsregime, Messung)
• Basisverfahren, Fermentervolumina, Rezirkulation
• Biogas- / Methan- / Stromproduktion
• Substratbezogene Biogasausbeute
• Verweilzeit / Faulraumbelastung / Produktivität
• Ableitung der Leistungsreserven Einsatz MethaPlus®13
In der Praxis: Steigerung der Biogasbildung
detected gas production: Gemessene Gasproduktion
expected gas production: kalkulierter Gasertrag (KTBL)
+ 100 g MethaPlus® /t oDM x d
+ 19,7 % gas
Biogasanlage #10057: 760 m3 fermentor, 145 kWel.
Der Einsatz von MethaPlus® im Biogasprozess
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In der Praxis: Viskositätssenkung BGA Pitschütz / BGA Löbnitz
Der Einsatz von MethaPlus® im Biogasprozess
Fließverhalten Fermenterinhalte (Vgl. BGA Pitschütz und BGA Löbnitz)
0 Pa
5 Pa
10 Pa
15 Pa
20 Pa
25 Pa
0 1/s 50 1/s 100 1/s 150 1/s 200 1/s 250 1/s 300 1/s 350 1/s 400 1/s 450 1/s 500 1/s
Schergefälle (entspr. Drehgeschwindigkeit)
Sch
ub
span
nun
g (en
tsp
r. K
raft)
"Viskosität“ = 136 mPa.s
"Viskosität" = 37 mPa.s
Löbnitz (vor MethaPlus-Einsatz)
Pitschütz (mit MethaPlus-Einsatz)
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• Bessere Substratumsetzung / schnellere Hydrolyse = mehr Biogas
• Einsetzbarkeit faserreicher Substrate
• Verbesserte Wirtschaftlichkeit der Biogasanlage
• Reduzierte Methanemissionen des Gärrestes
30 t Substrat
0.001 t Enzym
4.500 m³ Biogas
+ 18 % Biogas
Der Einsatz von MethaPlus® im BiogasprozessIn der Praxis: Steigerung der Biogasbildung
Der Einsatz von MethaPlus® im BiogasprozessWirtschaftlichkeit des Enzymeinsatzes
Position 100 kW 500 kW
Vergütung nach EEG (NaWaRo, TF) 0,175 €/kWh 0,159 €/kWh
Gülle 8,0 t FM/Tag 40,0 t FM/Tag
Maissilage 6,7 t FM/Tag 32,0 t FM/Tag
oTS Zulauf 2,6 t oTM/Tag 12,6 t oTM/Tag
Gasproduktion standard (KTBL)
Gas mit MethaPlus (+18%)
MethaPlus Einsatz (100 g/t oTM) 85 kg/Jahr 427 kg/Jahr
Erlös Standard 140.045 €/Jahr 636.211 €/Jahr
Erlös mit MethaPlus (+18%) 165.253 €/Jahr 750.729 €/Jahr
Aufwendungen MethaPlus (32,80 €/kg) 2.799 €/Jahr 13.996 €/Jahr
Nettoerlös 22.409 €/Jahr 100.522 €/Jahr
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MethaConcept ® - Erfolg mit Biogas
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MethaPlus®
Das Enzymkonzentrat zur Aufspaltung pflanzlicher
Fasern.
Der Gasertrag steigt, die Viskosität im Fermenter
verringert sich.
MethaTrace®
Das Spurenelementekonzentrat zur Stabilisierung des
biologischen Prozesses.
Optimale Bedingungen für die Mikroorganismen sorgen für
eine höhere Effizienz der Biogasanlage.
MethaServ®
Das Servicepaket für Beratung und Laboranalyse.
Die Betreuung Ihrer Biogasanlage in erfahrenen Händen.
BIOPRACT GmbH Dr. Ing. Matthias Gerhardt
Magnusstrasse 11 Dipl. Ing. Vincent Pelenc
12489 Berlin Dipl. Ing. Torsten Unmack
www.biopract.de
www.methaconcept.de
BIOPRACT, Partner der
Vertrieb:
Salvana Tiernahrung GmbH
EnergyPlus Service GmbH (Cowatec AG)
Öko Gas Produktions- und Handelsges. M.b.H., Österreich
Novaenergo, Tschechien