Verfahren zur Erzeugung von Biogas

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas, bei dem organische Substanzen zunächst physikalisch aufgeschlossen werden und anschließend in einem Fermenter mit Hilfe von Mikroorganismen eine anaerobe Vergärung erfolgt.

Bei der anaeroben Vergärung von organischem Material entsteht aufgrund der Stoffwechselaktivität anaerober Mikroorganismen in aufeinander folgenden biochemischen Einzelprozessen ein Gasgemisch aus Methan und Kohlendioxid sowie einer geringen Menge weiterer Gase, das nach einem Reinigungs- und Aufbereitungsprozess zur Stromerzeugung oder als Treibstoff verwendet wird. Ein Teil der bei der Stromerzeugung anfallenden Abwärme wird zur

Aufrechterhaltung der in der Biogasanlage für den Fermentationsprozess erforderlichen Temperatur genutzt. Als organische Stoffe werden Bioabfälle, nicht genutzte und/oder zur Biogaserzeugung gezielt angebaute Pflanzen und Pflanzenteile eingesetzt. Eine hervorragend geeignete Konservierungsmethode für als Energieträger von Biogasanlagen verwendete Pflanzen ist die überwiegend in Flach- oder Ballensilos durchgeführte Silage.

Während der biochemischen Prozesse können Kohlehydrate, Fette und Eiweiße in Biogas umgewandelt werden, und zwar zunächst die niedermolekularen Substanzen und unter Einsatz spezieller Enzyme in begrenztem Umfang auch die höhermolekularen Substanzen. Neben der enzymatischen Spaltung schwer abbaubarer Materialen in leichter abbaubare niedermolekulare Stoffe können höhermolekulare Stoffe auch durch chemische oder physikalische Einwirkung oder eine Kombination der bekannten Verfahren aufgeschlossen und dadurch leichter abgebaut werden.

Bei der Verwendung von Ganzpflanzen für die Biogasproduktion ist der Faseranteil, und zwar in Abhängigkeit vom Erntezeitpunkt bzw. dem Reifegrad

der Pflanzen, und damit auch der Anteil höhermolekularer Kohlehydrate jedoch besonders hoch. Dieser hohe Anteil höhermolekularer Substanzen kann mit den bekannten Verfahren nur schwer und unvollständig abgebaut werden und steht somit während des Vergärungsprozesses für die Biogaserzeugung nicht zur Verfügung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas anzugeben, mit dem im Biogasprozess bei einem hohen Anteil schwer abbaubarer höhermolekularer Substanzen ein hoher spezifischer Gasertrag erzielt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht mit anderen Worten darin, dass zur Vergärung in einer Biogasanlage feste, faserreiche Substanzen in Form von Ganzpflanzen oder als Silage konservierten Ganzpflanzen mit einem hohen Anteil an Zelluloseligninen, das heißt, schwer abbaubaren höhermolekularen Stoffen, eingesetzt werden und diese Substanzen vor dem Einbringen in den Fermenter der Biogasanlage mit Mikrowellen von bestimmter Frequenz behandelt werden, bei der die höhermolekularen Bestandteile der Pflanzen in niedermolekulare Substanzen aufgespalten werden und somit dem Vergärungsprozess zugänglich gemacht werden. Auch die nach der Fermentation anfallenden Gärreste, die immer noch höhermolekulare

Bestandteile enthalten können, werden mit den Mikrowellen behandelt und anschließend einem erneuten Fermentationsprozess zugeführt. In Abhängigkeit von der Frequenz und Stärke des die Mikrowellen erzeugenden elektromagnetischen Feldes, in dem sich die betreffende Biomasse befindet, verändern die sich nach dem Magnetfeld ausrichtenden mehrpoligen Moleküle der schwer abbaubaren höhermolekularen Bestandteile der Biomasse ständig ihre Lage, so dass Reibungswärme freigesetzt wird und aufgrund der Erwärmung und Ausdehnung des Materials die höhermolekularen Bestandteile

aufgespalten werden. Dadurch wird der Anteil der anaerob abbaubaren Bestandteile in der Biomasse und letztlich der Biogasertrag bei der Biogaserzeugung erhöht. Die Mikrowellenvorbehandlung der Biomasse sorgt zudem für das Abtöten schädlicher Bakterien und Pilze, die somit nicht in die Biogasanlage gelangen und mithin dem Vergärungsprozess nicht entgegenwirken.

Die durch Mikrowellenbestrahlung vorbehandelten Stoffe sind vorzugsweise Ganzpflanzen oder als Silage vorliegende Ganzpflanzen mit einem in Abhängigkeit vom Erntezeitpunkt mehr oder weniger hohen Faseranteil und einem dementsprechend hohen Anteil an höhermolekularen, schwerabbaubaren Kohlehydraten.

Die Stärke und Frequenz des die Mikrowellen erzeugenden Magnetfeldes zur Vorbehandlung der Biomasse wird so eingestellt, dass zwar eine Aufspaltung der höhermolekularen Substanzen erfolgt, aber gleichzeitig die durch Erwärmung bedingten Wasserverluste auf ein bestimmtes Maß begrenzt sind.

Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung wird ein Teil der entwässerten und mit Mikrowellen behandelten Gärreste mit zur Vergärung vorgesehener vorbehandelter oder nicht vorbehandelter Biomasse, die dadurch erwärmt und mit Bakterien geimpft wird, vermischt.

Die Mikrowellenbehandlung der Biomasse erfolgt vorzugsweise während der stetigen Zuführung des Biomaterials in den Fermenter, weil die Biomasse während dieses Vorgangs am besten von den Mikrowellen erfasst und durchdrungen wird.

Zum Nachweis des Einflusses einer Mikrowellenbestrahlung auf die Menge des erzeugten Biogases wurde eine aus Ganzpflanzen bestehende Silage, die üblicherweise zur Biogaserzeugung in einen Fermenter einer Biogasanlage eingebracht wird, vor dem Einsatz im Bach-Gärversuch nach VDI 4630 mit Mikrowellen bestrahlt und die dabei erzeugte Gasmenge und

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Gaszusammensetzung im Vergleich zu dem Gasertrag und der Gaszusammensetzung gemessen, die unter den gleichen Versuchsbedingungen, jedoch ohne Bestrahlung mit Mikrowellen, erzielt wurden. Es wurde festgestellt, dass bei der mit Mikrowellen bestrahlten Silage die Gasmenge und der Methangehalt deutlich höher lagen als bei der Silage ohne

Mikrowellenbestrahlung. In Abhängigkeit von der Bestrahlungszeit konnte bei der Vergärung von mit Mikrowellen von 2,45 GHz bestrahlten Ganzpflanzen ein um 30 bis 78% erhöhter Gasgewinn gemessen werden. Eine weitere Untersuchung wurde mit Gärresten durchgeführt, deren flüssiger und fester Anteil getrennt wurde. Der feste Anteil wurde mit Mikrowellen behandelt. Die so aufbereiteten Gärreste, die noch schwer abbaubare, noch nicht in Biogas umgesetzte Kohlehydrate enthalten, wurden in einen in üblicher weise mit Biomasse beschickten Fermenter für die Biogasproduktion eingebracht. Im Vergleich zur Biogasproduktion in einem Fermenter ohne Zugabe von mit Mikrowellen behandelten festen Gärresten konnte ein Mehrertrag an Gas und Methan gemessen werden. Auch aus separat in einen Fermenter eingebrachten, mit Mikrowellen behandelten Gärresten konnte durch anaerobe Vergärung noch ein zusätzlicher Gasgewinn erzielt werden. I