Verfahren zum Vergären von Biomasse Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergären von insbesondere stoßweise anfallender Biomasse unter Bildung von in Motoren verwendbarem Bio- gas. Dabei wird in einer ersten Phase das gegebenenfalls zerkleinerte Material zunächst aerob von ubiquitären oder gezüchteten Bakterien durch Aufspalten der organischen Substanz in kurzkettige Moleküle wie z. B. Alkohol und Säuren etc. zerlegt, wonach die anaerobe Gärung durch Essigsäure-und Methanobacter ein- setzt, was über die Bildung von Essigsäure letztlich zu C02 und Methan führt (Schlegel, Fischer"Allgemeine Mikrobiologie", Springerverlag).

Der Anfall von Biomasse ist jedoch oft saisonbedingt in großen Mengen und stoß- weise, was die Kapazität der zur Verfügung stehenden Fermenter bei weitem übersteigt. Andererseits geht die anaerobe Gärung sehr viel langsamer vor sich, so daß die Mengen nicht gleichmäßig bewältigt werden können. Lagert man das Produkt der aeroben Gärung zwischen, so geht dieses spontan in die anaerobe Gärung über und das Material wird unbrauchbar, abgesehen von der damit ver- bundenen Geruchsbelästigung.

Die DE 199 28 663 A1 beschreibt ein Verfahren zur Aufarbeitung strukturfreier oder strukturarmer Bioabfälle, worunter ausschließlich Speisereste bzw. Abfälle aus der Lebensmittelindustrie verstanden werden (Oberbegriff Anspruch 1). Sol- che Abfälle unterscheiden sich grundsätzlich von den erfindungsgemäß aufzuar- beitenden, da sie einer alkalischen Gärung nicht zugänglich sind, nur aerob gären und somit kein Methan bilden.

Die DE 199 46 299 A1 bezieht sich auf die gemeinsame Vergärung von kohlehy- drat-, fett-und eiweißhaltigen Bioabfällen, cellulosereichen Bioabfällen, Faul- schlamm aus Kläranlagen sowie Papierschlamm und Molke. Dabei soll unter lang- samem pH-Anstieg eine Hygienisierung bei 70°C durchgeführt werden um an- schließend aerob und anaerob zu vergären. In der anaeroben Stufe werden zu- nächst Molke und Papierschlamm hinzugefügt, danach wird mit Klärschlamm behandelt. Eine solche Mischung fällt nicht stoßweise und saisonbedingt an, zum anderen stellt natürlich Klärschlamm eine problematische Substanz hinsichtlich der Schwermetalle und schleimbildenden Salmonellen und weiterer unhygieni- scher Bakterien und Sporenbildner auch nach der Vergärung Sondermüll dar, was natürlich nachteilig ist.

In der EP 0 934 998 A2 werden Biomassen zu Ballen geformt und z. B. innerhalb einer diese umschließenden Folie mit Bakterien inokuliert und anaerob vergärt.

Diese Methode hat den Nachteil, daß durch die dabei verwendete trockene Vergä- rung die Methanbildung relativ niedrig ist über 40 Tage anhält und somit zu einer nur geringen Raum/Zeitausbeute führt. Das einsetzbare Material entspricht dem vorliegenden.

Der vorliegenden Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, saison- und damit stoßweise anfallende Biomasse auf gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaftere Weise aufzuarbeiten. Dabei sollen sämtliche Kontaminationen vermieden werden, so daß der anfallende Rest (Schlamm) ohne weiteres entsorgt werden kann, gleichzeitig soll aber auch ein qualitativ hochwertiges Biogas (CH4) möglichst kontinuierlich erzeugbar sein, das mindestens 50 Vol % an Methan enthält, um damit Motoren betreiben zu können ; beispielsweise in Wärme-Kraft- Kopplung, da bei etwa 46 Vol % Gasmotoren nicht mehr laufen.

Hinweise auf die Lösung dieser Aufgabe lassen sich dem Stand der Technik nicht entnehmen.

Diese Aufgabe gelingt durch ein Verfahren gemäß Hauptanspruch. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

Dieses Verfahren weist somit zwei wesentliche Merkmale auf. Einmal wird die ae- rob vergorene Biomasse absatzweise inertisiert, d. h. gegen Angriff von Methano- bacter und Essigbakterien geschützt, so daß diese problemlos zwischengelagert und ebenso absatzweise anaerob behandelt werden kann. Dieses Inertisieren geschieht durch pH-Erhöhung und/oder durch teilweise Entwässerung, da Metha- nobacter-Bazillen und Essigbakterien bei Restwassergehalten von etwa unter 10 % nicht aktiv sein können. Ebenso führt die pH-Erhöhung auf Werte von über etwa 6,5 zu einem für Methanobacter schädlichen Milieu.

Die anaerobe Gärung benötigt einen pH von etwa zwischen 6,8 und 7,2.

Wie oben gesagt, benötigt die anaerobe Gärung deutlich mehr Zeit als die anae- robe. Ebenso startet diese langsamer.

Die zweite erfindungswesentliche Maßnahme besteht daher darin, daß man in einem separaten Fermenter Bakterienpopulation aus Essigsäurebakterien und Methanobacter in Nährlösung herstellt und bevorratet. Aktiviert man nach der Inertisierung eine geeignete Teilmenge durch Einstellung des pH auf Werte von etwa 6,8 bis 7,2 und Zugabe von Methanobacter und ggf. Wasser, so führt das Vermischen mit der separat erzeugten Bakterienpopulationsnährlösung sofort zu einem Start der Fermentation, wobei diese aufgrund der genau anpaßbaren Bak- terienmenge auch deutlich schneller verläuft. Falls in der Biomasse keine oder nur wenige Methanobacter vorliegen, kann natürlich die Inertisierung auch bis in den genannten Bereich von pH 6,8 bis 7,2 hochgefahren werden, um die Masse min- destens kurzfristig zwischenzulagern, ebenso auch über Werte von 7,2, wobei dann für die anaerobe Gärung eine pH-Absenkung in den für die Methanobacter- aktivität erforderlichen Bereich vorgenommen werden muß. Von weiterem Vorteil ist dabei, daß nicht nur die Bakterienmenge an den Bedarf des in anaeroben Fer- menter befindlichen Materials wie z. B. Traubentrester, Gras, Laub, etc. anpaßbar ist, sonder daß man die Methanobacter auf das zu verarbeitende Gut im separa- ten Fermenter vor der Zugabe spezialisieren kann. Dies geschieht so, daß man Die Wasserzugabe kann dabei natürlich durch die Nährlösung selbst geschehen.

Die Behandlung mit Aceto-und Methanobacter kann grundsätzlich im selben Faulturm vorgenommen werden, in welchem auch die aerobe Gärung stattfindet.

Vorgezogen wird ein dritter Reaktor, so daß der Faulturm frei wird für einen neuen Teilansatz der Biomasse.

Insbesondere wird vorgeschlagen, auf das Substrat spezifizierte Methanobac- terspezies im zweiten Fermenter zu züchten.

Vorteilhaft ist dabei natürlich, den Wassergehalt der inertisierten Biomasse bis zur Zugabe der Aceto-und Methanobacterlösung konstant zu halten.

Im zweiten Fermenter, dem Anzuchtfermenter, werden natürlich vorkommende und/oder gentechnologisch hergestellte Methanobacterspezies vermehrt. Dies geschieht in sauerstofffreier Nährlösung, welche der Biomasse zugefügt wird.

Auf die vorbeschriebene Weise läßt sich stoßweise anfallende Biomasse wie Herbstlaub, Frucht-oder Traubentrester etc. abarbeiten, wobei große Mengen vorgegoren und anschließend inertisiert werden, um diese Masse chargenweise aufzuarbeiten, wobei diese Massen natürlich auch mit kontinuierlich anfallenden Substanzen vermischt werden können.

Um auch die Gasabgabe zu vergleichmäßigen, wird ferner vorgeschlagen, die inertisierte Biomasse in mehreren Reaktoren (Faultürmen) und zwar nacheinander abzuarbeiten, wobei die Zahl und/oder Größe der Faultürme auf die Menge des Ausstoßes aus dem ersten Fermenter abgestimmt ist. Ebenso ist es möglich, diese Faultürme kaskadenartig nacheinander zu fahren, wobei im ersten Teil der Kaskade durch Zugabe der Nährlösung die Biomasse pumpfähig wird.

Die Verweilzeit des Ausgangsmaterials im aeroben Fermenter beträgt dabei 12 bis 36, typischerweise 24 Stunden, wohingegen die anaerobe Gärung 12 bis 24, ins- besondere 18 Tage erfordert.

Diese Art der Vorgehensweise führt einmal zu einer sehr viel schnelleren anaeroben Gärung, zum anderen werden durch die Vorzüchtung und insbesondere die Spezialisierung der Bakterien Methankonzentrationen in Abgas von bis zu über 78 Vol % erreichbar.

Das anliegende Verfahrensschema erläutert die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher.

In einem Trestersammelbecken 1 wird eine größere, zerkleinerte Biomassen- menge vorgehalten. Hier geht sie aufgrund ubiquitärer Bakterien schon in aerobe Gärung über. Von diesem Trestersammelbecken gelangt diese Masse in einen ersten, mit einem Rührwerk 4 ausgestatteten Fermenter 2 und wird hier mit Hilfe von aus einem Vorratsbehälter 3 zudosierten Bakterien aerob hydrolysiert. Dabei entstehen Gase (Os ; COs ; H2) und Alkohole sowie Säuren und Aldehyde. Dies dauert etwa vier Tage.

Nach Abschluß dieser Gärung wird das Produkt durch Wasserentzug (Verdampfen) und/oder durch pH-Wert-Erhöhung (Laugen) inertisiert, d. h. für den Angriff von Aceto-oder Methanobacter unempfindlich gemacht. Die Restwasser- menge beträgt dabei < etwa 20 %, der pH-Wert > 7,2. Diese inertisierte Biomasse wird in ein Zwischenlager 11 verbracht und von hier aus absatzweise in einem oder mehreren Faultürmen (5) weiter verarbeitet. Dazu wird die Masse wieder mit Wasser angemaischt bzw. es wird der pH-Wert auf 6,8-7,2 eingestellt.

In einem zweiten Fermenter (6) wird eine Nährlösung für Methanobacter und Acetobacter vorgehalten. Dabei wird vorzugsweise zerkleinerter (Rinder-) pansen verwendet, der diese Bakterien enthält. Ebenso und mit besonderer Effektivität werden hier auf das Substrat spezialisierte Bakterien vorgehalten, die durch Züchtung oder gentechnisch gewonnen werden. Die Bakterienlösung wird genau auf die Menge und die Art des im Faulturm vorgelegten Materials abgestimmt und zudosiert, so daß die Verweildauer im Faulturm durch schnelles Anspringen der Reaktion kurz gehalten wird. Sie beträgt z. B. etwas über 15 Tage und ist damit grob vier Mal so lang wie die aerobe Gärung, jedoch gegenüber dem Stand der Technik um bis zu über 30 % kürzer.

Aus dem Faulturm (5) wird Rohgas über die Leitung (8) abgezogen und über ein Filter (9) geleitet, wo C02 und N2 abgetrennt werden.

Feingas mit einer Reinheit von über 98 % gelangt über die Leitung (10) und einen Zähler (11) ins Erdgasnetz oder an einen Gasmotor mit Wärmenutzung (7) mit angeschlossenem Generator (mit Zähler) und von hier ins Stromnetz.

Bezugszeichenliste 1 Trestersammelbecken 2 erster Fermenter 3 Vorratsbehälter 4 Rührwerk 5 Faulturm 6 zweiter Fermenter 7 Gasmotor mit Wärmenutzung 8 Leitung 9 Filter 10 Leitung 11 Zwischenlager