Verfahren zur Verwertung von Biomasse

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwertung von zellulosehaltiger Biomasse, wie z.B. Hackschnitzel,

Strauchschnitzel ^' , Seetang oder Bambus, umfassend das

Aufschließen der zellulosehaltigen Biomasse in wenigstens einem Reaktor.

Weltweit wird intensiv nach Lösungen gesucht, die

Treibstoff- und Rohstoffversorgung nachhaltiger und basierend auf nachwachsenden Rohstoffen zu gestalten. Ein Schlüsselproblem bei der Nutzung nachwachsender Rohstoffe ist der effiziente und kostengünstige Aufschluss von pflanzlichen, insbesondere zellulosehaltigen und

lignozellulosehaltigen („verholzten") Rohstoffen.

Pflanzliche Rohstoffe sind für die Verwertung denkbar ungeeignet, da sie der bakteriellen anaeroben Hydrolyse, wie sie beispielsweise in einem Biogasfermenter

stattfindet, nur sehr schwer zugänglich sind. Durch einen vorangestellten Aufschluss können die polymeren Naturstoffe erheblich rascher hydrolysiert und verwertet werden. Die Effektivität und Effizienz des Aufschlusses haben

erhebliche Auswirkungen auf die Verweilzeit der Biomasse im Reaktor und die Ausbeute an beispielsweise Biogas und damit auf Investitions- und Betriebskosten.

Lignozellulosehaltige Rohstoffe bestehen im Wesentlichen aus in Bündeln angeordneten Zellulosefasern, die in einer Matrix aus Ligninmolekülen eingelagert sind. Das Lignin ist als Stutzmaterial und verhärtetes Polymer wesentlich für die Festigkeit des Rohstoffes zuständig, während die eingelagerten Zellulosefasern die Zugfestigkeit gewährleisten. Außerdem dient Lignin als Schutz gegen das Eindringen von Nasser in das Zellwandmaterial.

Lignozellulosehaltige Rohstoffe müssen demgemäß

aufgeschlossen werden, d.h. die Ligninmatrix muss aufgelöst und die 2ellulose entsprechend freigelegt und in ihre

Bestandteile (Glucose, Cellobiose und Cello- Oligosaccharide) zersetzt bzw. aufgespalten werden, um diese für diverse, an den Aufschluss anschließende

Prozesse, z.B. in Verfahren zur Biogasherstellung, nutzbar zu machen.

Zum Aufschluss pflanzlicher Rohstoffe werden gemäß Stand der Technik beispielsweise organische Lösungsmittel (z.B. Organosolv Verfahren), Säuren (z.B. Aufschluss und

Verzuckerung mittels Schwefelsäure), Ammoniak (z.B. AFEX Verfahren, Ammonia Fiber Explosion), Energie (Dampf, Druck) aber auch Enzyme eingesetzt.

Die oben genannten Aufschlussverfahren haben ihren Ursprung im Wesentlichen in der Papier- und ZellstoffIndustrie.

Nachteilig bei diesen Verfahren sind hohe Betriebs- und Installationskosten, die darin begründet liegen, dass eine Reihe von Chemikalien eingesetzt wird und demgemäß Technik zur Chemikalienregeneration bzw. Abwasser- und

Abluftreinigung von Nöten ist bzw. ein hoher Energieeintrag nötig ist, da das Verfahren unter Dampf bzw. Druck

stattfindet. Zudem kann die Zugabe von Enzymen, welche den Aufschluss der pflanzlichen Rohstoffe beschleunigen, nötig sein.

Die vorliegende Erfindung zielt daher darauf ab, ein

Verfahren zu schaffen, bei welchem auf die Zugabe von dem Aufschluss dienenden Chemikalien und dgl. verzichtet und mit moderatem Energieeintrag gearbeitet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art im Wesentlichen darin, dass zum Aufschluss der Biomasse eingesetzte Enzyme

und/oder chemische Verbindungen durch aerobe

Mikroorganismen in dem wenigstens einen Reaktor in situ mikrobiologisch hergestellt werden.

Der Aufschluss von pflanzlichen und maritimen Roh-, Wert- und Abfallstoffen findet erfindungsgemäß in einfacher

Betriebsweise, ohne großen technischen Aufwand und unter moderatem Energieeintrag statt. Da die zum Aufschluss der Biomasse eingesetzten Enzyme und/oder chemischen

Verbindungen durch aerobe Mikroorganismen direkt innerhalb des Reaktors, in welchem der Aufschluss stattfindet, d.h. in situ, synthetisiert werden, und daher die Zugabe von Aufschluss-Chemikalien bzw. die Zugabe von den Aufschluss begünstigenden Enzymen obsolet ist, ist ein

energieeffizienter Aufschluss ohne Druck oder Dampf oder die Zugabe von Chemikalien/Enzymen möglich.

Eine Vielzahl von pflanzlichen und maritimen Rohstoffen wird durch das erfindungsgemäße Verfahren wirtschaftlich einsetzbar, insbesondere Fraktionen, bei welchen eine energetische Verwertung bisher nicht sinnvoll war.

Durch den mikrobiellen Aufschluss wird ein autarker Prozess realisiert, wobei lediglich die Biomasse von außerhalb des Prozesses zugeführt werden muss. Weiters kann die für den Biomasseaufschluss zur Anwendung gelangende Anlage

apparativ sehr kompakt angeordnet werden und beinhaltet keine drucktragenden Bauteile. Die Korabination mit bestehenden Biogasanlagen ist möglich und ermöglicht die Verwertung eines breiteren und

saisonunabhägigeren Biomassespektrums (Revamp, Resource Value Mapping) .

Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt dahingehend weitergebildet, dass in dem wenigstens einen Reaktor aerobe, holzabbauende, Cellulase produzierende

Mikroorganismen, insbesondere Fusarium solani, Trichoderma viride oder Talarorayces emersonii eingesetzt werden.

Die vorgenannten Pilze nutzen zellulosehaltige Biomasse als Substrat und synthetisieren unter anderem das Enzym

Cellulase, welches Cellulose in dessen Grundbausteine zerlegt. Durch den Einsatz von holzabbauenden, Cellulase produzierenden Mikroorganismen wird der Aufschluss

zellulosehaltiger Bioraasse induziert und beschleunigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt dahingehend weitergebildet, dass in dem wenigstens einen Reaktor aerobe, Stickstofffixierende Mikroorganismen, insbesondere Mikroorganismen der Gattung Azomonas oder Azotobacter eingesetzt werden.

Stickstofffixierende Bakterien reduzieren elementaren, molekularen Stickstoff (N2) zu Ammonium (NH4+) bzw. je nach im Verfahren vorherrschendem Dampfdruck zu Ammoniak (NH3) . Durch den Einsatz von Stickstofffixierenden Bakterien wird Ammonium/Ammoniak in situ mikrobiologisch hergestellt.

Ammonium bzw. Ammoniak ist für den Biomasseaufschluss wesentlich. Stickstofffixierende Bakterien bieten demgemäß im Vergleich zum gemäß Stand der Technik zur Anwendung gelangenden AFEX-Aufschlussverfahren, bei welchem

Lignocellulose in flüssigem Ammoniak bei hohem Druck ausgelaugt wird und anschließend der Druck explosionsartig entspannt wird, eine drucklose Alternative ohne externes Chemikalienhandling.

Insbesondere kann vorgesehen sein, dass im Reaktor eine Kombination aus aeroben holzabbauenden, Cellulase

produzierenden Mikroorganismen und aeroben,

stickstofffixierenden Mikroorganismen eingesetzt wird.

Stickstoff ist für das mikrobiologische Wachstum

essentiell. Bekanntlich haben rein pflanzliche Rohstoffe einen sehr geringen Stickstoffanteil. Für das

mikrobiologische Wachstum der holzabbauenden, Cellulase produzierenden Mikroorganismen, z.B. im Biogasfermenter ist jedoch ein Stickstoffanteil von etwa 11% notwendig.

Mit Hilfe Stickstofffixierender Mikroorganismen kann der Mangel an Stickstoff bei der Verwertung rein pflanzlicher Rohstoffe behoben und ein das Wachstum von holzabbauenden, Cellulase produzierenden Mikroorganismen begünstigender Stickstoffanteil bereitgestellt werden.

Weiters hat das von den stickstofffixierenden

Mikroorganismen gebildete Ammonium den Vorteil, dass es den pH-Wert, insbesondere im Aufschlussbioreaktor stabilisiert, was das Wachstum der holzabbauenden, Cellulase

produzierenden Mikroorganismen weiters begünstigt und stabil hält. Beim Abbau zellulosehaltiger Biomasse wird beispielsweise Huminsäure freigesetzt, welche ohne das seitens der stickstofffixierenden Mikroorganismen

produzierte Ammonium, einen sauren pH-Wert im Reaktor bedingen würde, der für das mikrobiologischen Wachstum hinderlich ist. Durch das von den Stickstofffixierern produzierte Ammonium wird ein saurer pH-Wert abgepuffert und der pH-Wert im Reaktor in einem für Mikroorganismen optimalen Bereich gehalten (pH-Wert Optimum für

Mikroorganismen im Reaktor liegt bei 7} . Durch die mittels Mikroorganismen bereitgestellte pH-Wert Stabilisierung kann das Verfahren eigenstabil ablaufen und auf die Zugabe externer Chemikalien verzichtet werden.

In vorteilhafter Weise ist das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend weitergebildet, dass die Biomasse vor dem mikrobiologischen Aufsohluss einer thermischen

Vorbehandlung unterworfen wird, wobei insbesondere

Vorgesehen ist, dass die thermische Vorbehandlung drucklos abläuft .

Durch den/das bei der thermischen Vorbehandlung unter

Temperatureinwirkung entstehende/n Dampf/Kondensat wird der Biomasseabbau beschleunigt. Der mikrobiologische Abbau kann im nächsten Schritt daher wesentlich schneller und

effizienter erfolgen.

Insbesondere wird die Biomasse im Zuge der thermischen Vorbehandlung bei hoher Feuchtigkeit Uber dem

Fasersättigungspunkt immer wieder rasch auf eine Temperatur von über 60°C, insbesondere auf 60-100°C erhitzt, was eine Zerstörung der in der Biomasse enthaltenen Fasern

(sogenannter „Zellkollaps") und somit eine optimale

Vorbereitung für den nachfolgenden mikrobiologischen Abbau bedingt. Durch stetiges Verdampfen und Kondensieren von Feuchtigkeit wird das in der Biomasse enthaltene Lignin und die Lignocellulose von innen her zerstört, d.h. die Biomasse durch Wasser in der Struktur sozusagen von innen her aufgesprengt.

Die bei der Vorbehandlung freigesetzten organischen Stoffe (u.a. Gerbsäuren), die erhöhte Temperatur und das Rauchgas („Räuchern*) haben keiraabtütende Wirkung, wodurch eine Inertisierung (Sanitisierung, Pasteurisierung,

Hygienisierung im weiteren Sinne) erzielt wird. Damit ist ein eigener Verfahrensschritt, um potenziell störende

Mikroorganismen in der Biomasse abzureichern bzw. zu entfernen, nicht notwendig.

Die thermische Vorbehandlung sorgt also für eine

Inaktivierung von nicht im Reaktor gewünschten

Fremdorganismen und ist essentiell für einen schnellen und effizienten mikrobiologischen Abbau von cellulosehaltigen Strukturen im Folgeschritt, wodurch sich wesentlich kürzere Verweilzeiten der Biomasse im Reaktor ergeben und das

Verfahren insgesamt schneller abläuft.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere

dahingehend weitergebildet sein, dass der wenigstens eine Reaktor einen Aufschlussbioreaktor und einen Bioreaktor umfasst und der Aufschluss der Biomasse durch die aeroben, holzabbauenden, Cellulase produzierenden Mikroorganismen im Aufschlussbioreaktor vorgenommen wird und der Aufschluss der Biomasse durch die aeroben, Stickstofffixierenden

Mikroorganismen im dem Aufschlussbioreaktor

nachgeschalteten Bioreaktor vorgenommen wird.

Die zellulosehaltige Biomasse wird hierbei einem

enzymatischen und einem chemischen Aufschluss unterworfen, wobei die Biomasse stetig zersetzt wird. Weiters profitieren die int nachgeschalteten Bioreaktor befindlichen Mikroorganismen von den im Aufschlussbioreaktor

synthetisierten Stoffwechselprodukten der im

Aufschlussbioreaktor befindlichen Mikroorganismen, da stickstofffixierende Bakterien unter Anderem Kohlenhydrate als Energie- und Brennstoffquelle nutzen und eben diese durch den Aufschluss der Biomasse im Aufschlussbioreaktor entstehen. Wie bereits erwähnt wird die Zellulose der zellulosehaltigen Rohstoffe von Cellulase produzierenden, holzabbauenden Mikroorganismen in Glucose, Cellobiose und Cello-Oligosaccharide aufgespalten, welche dann wiederum als Energiequelle für die im Bioreaktor befindlichen

Bakterien und insbesondere auch für die Mikroorganismen in einem dem Bioreaktor nachgeschalteten Biogasfermenter nutzbar sind.

Bevorzugt kann der Aufschlussbioreaktor eine

Tropfkörperkolonne umfassen.

Alternativ zum Bioreaktor kann der Aufschluss der Biomasse durch die aeroben, Stickstofffixierenden Mikroorganismen bevorzugt auch in einer dem Aufschlussbioreaktor

nachgeschalteten Tropfkörperkolonne vorgenommen werden.

Der Aufschlussbioreaktor ist vorzugsweise als

Schachtreaktor ausgeführt, der im untersten Bereich direkt auf dem Auflagerost, mit Füllkörpern gefüllt ist, d.h. der untere Teil des Aufschlussbioreaktors ist als

Füllkörperschüttung ausgeführt. Der fraktionierte Rohstoff, beispielsweise Strauchhackschnitzel, wird in den oberen

Teil des Schachtes gefördert und bildet eine stetig nach unten wandernde Schüttung. Aufschlussbioreaktor und

Bioreaktor können hierbei jeweils als eigene Apparate ausgebildet sein. Vorzugsweise werden diese jedoch in einem einzigen Apparat zusaramengefasst.

In vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend weitergebildet sein, dass zumindest ein Teil der mikrobiologisch aufgeschlossenen Biomasse und/odez ein Teil der Mikroorganismen aus dem Aufschlussbioreaktor und und/oder ein Teil der Mikroorganismen aus dem Bioreaktor einem Biogasfermenter zugeführt wird.

In einem Biogasfermenter wird Biomasse in einem

mehrstufigen Prozess (Hydrolyse, Acidogenese, Actetogenese, Methanogenese) von im Biogasfermenter befindlichen

Mikroorganismen in Biogas (Mischung aus CHi und CO2) umgewandelt .

Durch den vor der Fermentation stattfindenden

mikrobiologischen Aufschluss wird eine Konversion biogener Rohstoffe in Biogas ermöglicht, wobei die mikrobiologisch aufgeschlossene Biomasse eine geringere Verweilzeit des Substrates im Biogasfermenter bedingt, da die Biomasse durch die im Fermenter befindlichen Mikroorganismen

leichter verwertet werden kann.

Neben dem eigentlichen Aufschluss der eingesetzten Biomasse haben die eingesetzten Mikroorganismen auch die Funktion und den großen Vorzug, dass deren intrazelluläre

Speicherstoffe wertvolle Substratbestandteile für den

Biogasfermenter sind.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass

Überschussbiomasse aus dem Biogasfermenter abgezogen und einer Filtration unterworfen wird und das Filtrat dem Aufschlussbioreaktor zugeführt wird.

Die Abtrennung der Überschussbiomasse mittels Fest- Flüssigtrennung mit (partieller) Filtratrückführung ist insofern vorteilhaft, da die Fementationsbrühe im Prozess verbleibt und der Prozesswasserbedarf sinkt bzw. sich die Entsorgung der Gärreste verringert. Dies ist insbesondere bei kommunalen Anlagen von Vorteil und Uberall dort, wo keine ausreichenden landwirtschaftlichen Flächen zur Ausbringung der Gärreste verfügbar sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in vorteilhafter Weise derart weitergebildet, dass Nährstoffe aus dem Bioreaktor in flüssiger, gelöster und suspendierter Form in den Aufschlussbioreaktor rezirkuliert werden, wobei zumindest ein Teil der Nährstoffe aus dem Aufschlussbioreaktor zuläuft.

Das damit zugeführte Ammonium, welches im Bioreaktor aus Luftstickstoff fixiert wird, hat einen stabilisierenden Effekt auf den pH-Wert im Aufschlussbioreaktor.

Wie bereits zuvor erwähnt profitieren die im Bioreaktor befindlichen Mikroorganismen von den im

Aufschlussbioreaktor synthetisierten Stoffwechselprodukten der dort lebenden Mikroorganismen.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in vorteilhafter Weise dahingehend weitergebildet, dass die Temperatur in der thermischen Vorbehandlung zwischen 60°C und 100"C,

insbesondere auf 80°C gehalten wird. Durch die hochmobile kondensierende Dampfphase, wie sie in der Vorbehandlung vorherrscht, ergeben sich hohe

Penetrationsraten der Biomasse. Schwankende Temperaturen sind dabei durchaus vorteilhaft, da der induzierte

Phasenwechsel von Dampf/Kondensat (fest/flüssig) den

Biomasseabbau zusätzlich beschleunigt. Insbesondere wird die Temperatur in der thermischen Vorbehandlung im Mittel auf etwa 80°C gehalten.

Das Verfahren kann bevorzugt dahingehend weitergebildet sein, dass die Temperatur im Aufschlussbioreaktor auf ca. 20°C bis 40°C gehalten wird. Insbesondere kann es

vorgesehen sein, dass die Temperatur im Bioreaktor auf ca. 30°C gehalten wird.

Die den Aufschlussbioreaktor besiedelnden aeroben,

holzabbauenden, Cellulase produzierenden Mikroorganismen weisen bei ca. 20°C bis 40°C ein optimales

Wachstumsverhalten auf. Talaromyces emersonii weist beispielsweise bei ca. 40°C ein optimales

Wachstumsverhalten auf, wobei Fusarium solani bei ca. 25°C und Trichoderma viride bei ca. 24°C optimal wächst.

Auf der direkt Ober dem Auflagerost angeordneten

SchUttung/Packung (Tropfkörper/Füllkörper) bilden die

Mikroorgansimen einen biologischen Rasen, welcher die suspendierte Biomasse aus der darUberliegenden

BiomasseschUttung weiter zersetzt. Damit wird der Schlupf von unzersetzter zellulosehaltiger Biomasse in den

Bioreaktor bzw. den anschließenden Fermenter reduziert und die Raumzeitausbeute erhöht. Die optimale Temperatur für die im Bioreaktor befindlichen Stickstofffixierer liegt bei ca. 30 ^e C.

Auch im Aufschlussbioreaktor herrschen hochmobile

kondensierende Dampfphasen vor, wodurch die

Penetrationsrate der Biomasse äußerst effektiv abläuft. Durch kondensierende Dämpfe und Berieselung mit Suspension wird weiters gewährleistet, dass ein immerwährender

Abtransport von mikrobiologischen und chemischen

Reaktionsprodukten stattfindet und ein beschleunigter Stoffumsatz begünstig wird.

Der Aufschlussbioreaktor und der Bioreaktor können

apparativ kombiniert werden, wobei die Temperaturen im oberen Aufschlussbioreaktorteil z.B. für Talaromyces emersonii auf ca. 40°C und im unteren Bioreaktorteil auf ca. 30°C gehalten werden.

Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend weitergebildet, dass im Biogasfermenter produziertes Biogas einer Brenneinheit, insbesondere einem Brenner eines

Blockheizkraftwerks zugeführt wird.

In vorteilhafter Weise ist das erfindungsgemäße Verfahren dahingehend weitergebildet, dass Abluft aus der

Brenneinheit die thermische Vorbehandlung durchströmt.

Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Abluft aus dem Aufschlussbioreaktor insbesondere zur thermischen Vorbehandlung der Brennereinrichtung zugeführt wird. Die Abluft dient hierbei als Zuluft für den Brenner.

Weitere dient eine derartige Verfahrensführung der

Abreicherung von möglichen Geruchs- und Luftschadstoffen.

Durch die vorgenannten Schritte wird ein autarker Prozess realisiert, der im Sinne der regenerativen Energieerzeugung Wärme respektive Strom abgeben kann, wobei die in der

Vorbehandlung und für die Mikroorganismen benötigte Wärme aus anderen dem Verfahren zugehörigen Komponenten abgezogen und in die Vorbehandlung eingeleitet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in vorteilhafter Weise derart weitergebildet, dass Abluft aus der thermischen Vorbehandlung einer Kondensation unterworfen wird und das Kondensat dem Bioreaktor zugeführt wird, wobei bevorzugt ein Teilstrora in die thermische Vorbehandlung rückgeführt wird.

Die Biomasseschüttung der Vorbehandlung mit ihrer großen Oberfläche in Kombination mit dem Kondensator dient

gleichzeitig als Wäscher/Filter für Geruchsstoffe der mikrobiologischen Verfahrensschritte. Zusätzliche Apparate oder Einrichtungen sind dafür daher nicht notwendig.

Durch Rückführung des Kondensats wird weiters der

notwendige Wasserbedarf minimiert.

Vorzugsweise ist der Kondensator mit Kontaktfächen hoher Oberfläche (Packung, Tropfenabscheidern) ausgestattet, wodurch er gleichzeitig eine Wäscherfunktion ausübt. Damit werden Geruchsstoffe, die in geringem Maße im Abgas

enthalten sind (abhängig von der Art der eingesetzten

Biomasse), in die wässrige Phase gebracht und rückgeführt. Dies gilt ebenfalls für Ammoniak _/ welcher auch in der BiomasseschUttung mit dem Kohlendioxid der Verbrennung partiell gebunden wird.

Das vorliegende Ammonium bildet mit Kohlendioxid der

Verbrennung und insbesondere jenem der Methanbildung

Ammoniumsalze (Karbonate) .

Die Oberschussbiomasse der Biogasproduktion wird nach dem Stand der Technik abgetrennt und bildet einen mit

StickstoffVerbindungen angereicherten Biodünger. Die dabei abgetrennte Flüssigkeit kann partiell in den Prozess rückgeführt werden.

Im Vergleich zu pflanzlicher Kompostierung der eingesetzten Biomasse enthält die Oberschussbiomasse aus der

Biogasproduktion einen nennenswerten Stickstoffanteil und hat somit eine höhere Düngequalität.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere

dahingehend weitergebildet sein, dass während der

thermischen Vorbehandlung Pflanzeninhaltsstoffe bzw.

ätherische öle aus der Biomasse extrahiert werden, die über die Abluft ausgetragen und im Kondensator in das Kondensat überführt und aus dem Kondensat abgetrennt werden.

In der Vorbehandlung laufen neben thermischen auch

extraktive und destillative Vorgänge ab. Dadurch werden Pflanzeninhaltsstoffe (ätherische Öle, z.B. Terpene) freigesetzt und im Falle der Flüchtigkeit analog der

Wasserdampfdestillation und unterstützt durch den

Rauchgasstrom, d.h. die Abluft aus der Brenneinheit, die die thermische Vorbehandlung durchströmt, ausgetragen und in das Kondensat überführt. Diese können durch

Dichtetrennung mit einem Dekanter aus dem Kondensat

abgetrennt werden, wobei das Wasser in den Prozess

zurückgeführt wird.

Interessant ist beim Vorhandensein geeigneter Biomasse die Möglichkeit, neben Strom, Wärme und Biodünger als

Nebenprodukt auch ätherische öle und Hydrolate gewinnen zu können oder umgekehrt bei der Gewinnung von ätherischen ölen auch Strom und Wärme zu erzeugen. Die Co-Produktion von ätherischen ölen und Hydrolaten kann beispielsweise aus Abfallrinden von Sägereien oder Abfallfraktionen beim

Holzschlag (Aste, Nadeln) erfolgen. Es können damit

beispielsweise (Zirbel) Kieferöle, Fichtenöle, Tannenöle oder Gemische erzeugt werden. Auch die Herstellung von Zitrusölen, Orangenölen, Sandelholzölen oder ölen aus

Seetang sind auf diese Weise möglich. Die ölgemische können als Aroma- oder Duftstoffe beispielsweise in der

Kosmetikindustrie, der Medizin, der

Nahrungsmittelindustrie, als Insektizide oder in der

Farbproduktion (Lacke, öle) eingesetzt werden.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass dem

Aufschlussbioreaktor und dem dem Aufschlussbioreaktor nachgeschalteten Bioreaktor Luft von unten zugeführt wird.

Da es sich sowohl bei den im Aufschlussbioreaktor als auch bei den im Bioreaktor befindlichen Mikroorganismen um aerobe Mikroorganismen handelt, ist eine Luftzufuhr von unterhalb beider Komponenten vorteilhaft, da dadurch ausreichend Luft in beide Komponenten eingespeist wird, wobei nur eine Zuleitung notwendig ist. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von

Anwendungsbeispielen näher erläutert.

Anwendungabeisplel 1

Strauchschnitt, Gartenabfälle, Bambus, Seetang und

minderwertige Holzhackschnitzel mit hohem Grünanteil werden diskontinuierlich von oben in einen Silobunker im

Containerformat gefüllt. Dieser ist mit einem Schubboden und darunterliegenden Schlitzblechen ausgestattet.

Unterhalb der Bleche werden warme Verbrennungsabgase zugeführt, welche die Biomasseschüttung nach oben hin durchströmen. Dadurch wird die Biomasse in einem

Temperaturfenster zwischen 60*C und 95"C gehalten, im

Mittel um die 80°C.

Oberhalb der Schüttung wird die Abluft seitlich abgezogen und durch einen Kondensator geführt. Der Kondensator wird in Anwendungsbeispiel 1 aufgrund der moderaten

Umgebungstemperatur nicht aktiv, sondern passiv gekühlt. Das dabei anfallende Kondensat wird in den Frozess

rückgeführt .

Im Anschluss an den Schubboden befindet sich eine

Trogschnecke. Die Biomasse wird darüber in eine folgende Steigschnecke geführt, welche wiederum in den

Aufschlussbioreaktor dosiert. Die Förderschnecken werden als Auskühlzone verwendet. Die Biomasse wird dabei auf die Aufschlussbioreaktortemperatur von etwa 40°C abgekühlt.

Der Aufschlussbioreaktor ist ein thermisch isoliertes

Standsilo. Auf dem ersten Drittel ist ein Auflagerost mit einer Füllkörperschüttung angeordnet. Die oben eingetragene Biomasse bildet auf der Schüttung eine luftdurchlässige Schicht aus. Unterhalb der Füllkörperschüttung wird Luft zugeführt, welche das Standsilo oben verläset und als Zuluft in den Brenner geführt wird bzw. bei dessen

Stillstand (diskontinuierliche Brennerführung} unterhalb der Schlitzböden in den Silobunker geführt wird.

In der Biomasseschicht und der darunter liegenden

Tropfkörperkolonne werden bei ca. 40°C aerobe

Mikroorganismen der Gattung Talaromyces emersonii

kultiviert. Sie zersetzen die Biomasseschicht sukzessive. Die dabei entstehenden Abbauprodukte fließen inklusive Überschussbiomasse suspendiert und gelöst in den

darunterliegenden Bioreaktor.

Im Bioreaktor werden bei 30 ^e C aerobe Mikroorganismen der Gattung Azotobacter beijerinkcii kultiviert. Die

abfließende Suspension hat einen pH Wert von 7+/-0,5. Ein Teilstrom wird in den Aufschlussbioreaktor rückgeführt. Der zweite Teilstrom wird als Substrat abgetaucht in den

Biogasreaktor (Fermenter) geführt. Zusätzlich werden

Kondensat des Kondensators und optional überstehendes

Hasser aus der Fest-Flüssigtrennung der Biogasherstellung in den Bioreaktor eingebracht.

Das Inokulum erfolgt für Talaromyces emersonii über die Rezirkulationsleitung und für Azotobacter beijerinkcii über den Kondensatrücklauf.

Der Biogasfermenter wird nach dem Stand der Technik und für das Anwendungsbeispiel mesophil im Temperaturbereich des mikrobiologischen Aufschlusses betrieben. Darin werden anaerobe Methanbildner nach dem Stand der Technik kultiviert (zB Hefen, Clostridia, Zymomonas, Hethanogene) .

Eine Rückführung von Filtrat aus der Abtrennung der

Oberschussbiomasse hat sich per se nicht negativ auf das Verfahren ausgewirkt. Bis dato wurde jedoch kein

vollständiger Kreislaufschluss über längere Zeit

durchgeführt, da sich damit auch Wachstumsinhibitoren aufkonzentrieren könnten.

Das Biogas wird im Anwendungsbeispiel mit Luftsauerstoff in einem Brenner verbrannt. Das Abgas wird nach der

Rauchgaskondensation in den Silobunker geführt. Das heiße Rauchgaskondensat wird in die Biomasseschüttung des

Silobunkers gepumpt.

Im Anwendungsbeispiel ergeben sich folgende

Volumsverhältnisse und Durchsätze:

Aufschlussbioreaktor ca. 8m ³

Füllkörperschüttung ca. Im ³

Bioreaktor ca. 3m ³

Biogas-Fermenter ca. 2m ³

Vorbehandlung 50m'

Einsatzmenge Biomasse ca. 10 Schüttmeter pro Tag

Austrag Schlamm ca. 300kg (TS) pro Tag

Leistung 350kW thermisch (Heizwert) , 100kW elektrisch

Weiters kann eine Co-Produktion von ätherischen Ölen stattfinden:

Dazu wird die Kondensation zweistufig durchgeführt. Im Hauptkondensator wird das Abgas der Vorbehandlung mit der Abluft des Aufschlussbioreaktors im Gegenstrom abgekühlt. Der Nachkondensator wird sekundärseitig mit Umgebungsluft gekühlt, die im Aufschlussbioreaktor verwendet wird. Das Kondensat aus beiden Stufen wird sifoniert in einen

Dekanter geleitet. Die schwere, wässrige Phase wird unten abgezogen und in den Prozess rückgeführt. Die leichtere organische Phase wird oben abgezogen und als Co-Produkt verwertet. Die Temperatur in der thermischen Vorbehandlung kann dabei auch am Siedepunkt von Wasser liegen.

Bei der Co-Produktion von ätherischen Ölen hat sich

gezeigt, dass die Zugabe von Lauge (Natronlauge, Kalklauge) bei der Vorbehandlung die Ausbeute durch Erhöhung der

Laugungs-ZExtraktionsrate verbessert und ein pH Wert von 8+/-1 bei der Vorbehandlung den Gesamtprozess nicht negativ beeinflusst .

Anveadungab*iapittl 2

Verfahren und Vorrichtung zur Biogasherstellung sind inklusive Hilfseinrichtungen, Steuerung und

Blockheizkraftwerk in einem 20 Fuss Iso-Container

integriert. Sicherheitstechnische Einrichtungen (Fackel) und der Rückkühler sind außen am Container angebracht.

Ebenfalls außerhalb des Containers befindet sich ein optionaler Gasspeicher.

Betriebsdaten:

Volumen Vorbehandlung 2m ³

Aufschlussbioreaktor ca. 300L

Bioreaktor ca. 100L

Biogas-Fermenter ca. 70L

Einsatzmenge Biomasse ca. 0,4 Schüttmeter pro Tag Austrag Schlamm ca. 12kg (TS) pro Tag Leistung BHKW: 15kW thermisch, 4kW elektrisch

Die zerkleinerte Biomasse wird diskontinuierlich in einen 2m ^a großen Silobunker eingesaugt. Am Bunkerboden werden warme Verbrennungsabgase zugeführt, welche die

Biomasseschüttung nach oben hin durchströmen. Dadurch wird die Biomasse in einem Temperaturfenster zwischen 60°C und 95°C gehalten, im Mittel um die 80°C.

Oberhalb der Schüttung wird die Abluft abgezogen und in einen Kondensator geführt, der sich vorzugsweise auf dem Containerdach befindet und dort von der Umgebungstemperatur passiv gekühlt wird. Das dabei anfallende Kondensat wird in den Prozess rückgeführt.

Mit einer Austragsschnecke wird die Biomasse in den

Aufschlussbioreaktor dosiert. Die Förderschnecke wird als Auskühlzone verwendet. Die Biomasse wird dabei auf die Bioreaktortemperatur von etwa 40°C abgekühlt.

Der Aufschlussbioreaktor ist ein thermisch isolierter

Behälter. Der untere Bereich ist mit einer

Füllkörperschüttung gefüllt, die unten auf einem Rost aufliegt. Die oben eingetragene Biomasse bildet auf der Schüttung eine luftdurchlässige Schicht aus.

Unterhalb der Füllkörperschüttung wird Luft aus dem

Bioreaktor zugeführt, welche den Behälter oben verlässt und als Zuluft in den Brenner geführt wird bzw. bei dessen Stillstand (diskontinuierliche Brennerführung) in den

Bodenbereich des Silobunkers geführt wird.

In der Biomasseschicht werden bei ca. 40°C aerobe

Mikroorganismen der Gattung Talaromyces emersonii kultiviert. Sie zersetzen die Biomasseschicht sukzessive. Die dabei entstehenden Abbauprodukte fließen inklusive Überschussbiomasse suspendiert und gelöst über die

Füllkörperschüttung in den Bioreaktor.

Zusätzlich werden Kondensat des Kondensators und optional überstehendes Wasser aus der Fest-FlUssigtrennung der Biogasherstellung in den Bioreaktor eingebracht. Im

Bioreaktor werden bei 30°C aerobe Mikroorganismen der Gattung Azotobacter beijerinkcii kultiviert. Über ein Verteilrohr wird dem Bioreaktor dazu im unteren Bereich Luft zugeführt, welche durch die Flüssigkeit wandert und aus dem Brüdenraum in den Aufschlussbioreaktor geleitet wird.

Die abfließende Suspension hat einen pH Wert von 7+7-0,5. Ein Teilstrom wird auf die Biomasseschicht rückgeführt. Der zweite Teilstrom wird als Substrat abgetaucht In den

Biogasreaktor (Fermenter) geführt.

Die Biogasherstellung produziert Biogas nach dem Stand der Technik, das in einem Blockheizkraftwerk energetisch verwertet wird. Letzteres hält mit einem

Wärmeträgerkreislauf den Aufschlussbioreaktor, den

Bioreaktor und den Fermenter auf Betriebstemperatur. Das Rauchgas wird in den Silobunker geführt.

Jkaw*ndnngab«iepi«l 3

Die Vorrichtung zum Aufschlussverfahren zur

Biogasherstellung ist in Anlehnung an die

Biogasanlagentechnik als ortsfeste Anlage in Stahlbeton ausgeführt. Betriebsdaten:

Volumen Vorbehandlung 1000m ³

Aufschlussreaktor 150m*, Durchmesser 5m, Höhe 10m Bioreaktor 60m ³ , Durchmesser 5m, Höhe 3m

Biogas-Fermenter 40m ³

Einsatzmenge Bioraasse ca. 200 Schattmeter pro Tag Leistung 6,5MW thermisch, 2MW elektrisch

Die zerkleinerte Biomasse wird über eine Aufgabevorrichtung diskontinuierlich in einen rechteckigen Silobunker aus Ortsbeton - analog der Bunkertechnik für Holzhackschnitzel - chargiert. Am Bunkerboden werden über Schlitzbleche warme Verbrennungsabgase zugeführt, welche die Biomasseschüttung nach oben hin durchströmen. Dadurch wird die Biomasse in einem Temperaturfenster zwischen 60*C und 95°C gehalten, im Mittel um die 80°C.

Oberhalb der Schüttung wird die Abluft abgezogen und in einen Kondensator geführt, der dort von der

Umgebungstemperatur vorzugsweise passiv gekühlt wird. Das dabei anfallende Kondensat wird in den Prozess rückgeführt. Hit einem Schubrostboden und einer Austragsschnecke wird die Biomasse in den Aufschlussbioreaktor dosiert. Die

Förderschnecke wird als Auskühlzone verwendet. Die Biomasse wird dabei auf die Aufschlussbioreaktorteroperatur von etwa 40°C abgekühlt.

Der Aufschlussbioreaktor ist ein thermisch isoliertes

Stahlbetonsilo mit rundem Querschnitt. Die

Biomasseschüttung liegt im ersten Drittel auf einem Rost auf welchem Füllkörper angeordnet sind und bildet eine luftdurchlässige Schicht aus, die von unten mit Luft aus den Bioreaktor durchströmt wird. Die Luft wird im Silo in Umluftbetrieb Über Füllkörper- und Biomasseschüttung zirkuliert und dabei auf 40°C thernostatisiert.

In der Biomasseschicht werden bei 40°C aerobe

Mikroorganismen der Gattung Talaronyces emersonii

kultiviert. Sie zersetzen die Biomasseschicht sukzessive. Die dabei entstehenden Abbauprodukte fließen inklusive Oberschussbiomasse suspendiert und gelöst über die

Füllkörperschicht in den Bodensumpf des Silos.

Die Suspension aus dem Aufschlussbioreaktox läuft Uber den Auflagerost in den Bioreaktor. Von unten wird über einen Verteilring auf 30*C thennostatisierte Luft eingeblasen.

Im Bioreaktor werden bei 30"C aerobe Mikroorganismen der Gattung A2otobacter beijerinkcii kultiviert. Die dabei entstehenden Abbauprodukte werden inklusive

Überschussbiomasse suspendiert und gelöst in den

Aufschlussbioreaktor rezirkuliert. Ein Teilstrom wird als Substrat in den Biogasreaktor (Fermenter) geführt. Die abfließende Suspension hat einen pH Wert von 7+/-0,5.

Zusätzlich werden Kondensat des Kondensators und optional überstehendes Wasser aus der Fest-Flüssigtrennung der Biogasherstellung in den Bioreaktor eingebracht.

Die Biogasherstellung produziert Biogas nach dem Stand der Technik, das in einem Blockheizkraftwerk energetisch verwertet wird. Letzteres hält mit einem

Wärmeträgerkreislauf den Fermenter und die

Silokonstruktionen auf Betriebstemperatur. Das Rauchgas wird in den Silobunker geführt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung Schematisch dargestellten

Ausfuhrungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 einen Verfahrensablauf gemäß einer ersten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und Fig. 2 einen Verfahrensablauf gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist die thermische Vorbehandlung mit 1

bezeichnet. Der thermischen Vorbehandlung 1 nachgeschaltet zeigt Fig. 1 einen Aufschlussbioreaktor 2, sowie ein dem Aufschlussbioreaktor 2 nachgeschalteter Bioreaktor 3, einen dem Bioreaktor nachgeschalteten Fermenter 4 und eine

Brennereinrichtung 5, wobei die Brenneinrichtung alternativ auch eine Verbrennungskraftmaschine sein kann.

Ober die Biomasseeingabe 6 wird die aufzuschließende

Biomasse in die thermische Vorbehandlung 1 eingebracht und folgend in den Aufschlussbioreaktor 2 dosiert. Der

Aufschlussbioreaktor 2 ist vorzugsweise als Schachtreaktor ausgeführt. Der Bioreaktor 3 ist als begaster Rührkessel ausgeführt, wobei bei guter Gasverteilung mittels

Verteilrohren ein Rührwerk nicht unbedingt notwendig ist. Die aufzuschließende Biomasse, beispielsweise

Strauchhackschnitzel, wird aus der thermischen

Vorbehandlung 1 in den oberen Teil des

Aufschlussbioreaktors 2 gefördert und bildet eine stetig nach unten wandernde Schüttung.

Die Bioraasse wird in der thermische Vorbehandlung 1, dem Aufschlussbioreaktor 2 und dem Bioreaktor 3 unter

Teraperatureinwirkung und durch die chemisch-physikalische Wirkung von Dämpfen bzw. Kondensat, sowie der enzymatischen und abbauenden Wirkung der im Aufschlussbioreaktor 2 und dem Bioreaktor 3 befindlichen Mikroorganismen stetig zersetzt.

In der Vorbehandlung 1 wird die Biomasse thermisch

behandelt, wobei Abluft aus der Brennereinrichtung 5 über die Leitung 7 in die thermische Vorbehandlung 1 eingeleitet wird und diese durchströmt. So wird die Temperatur in der thermischen Vorbehandlung auf Temperaturen zwischen 60°C und 100 °C erwärmt und auch auf diesem Temperatumiveau gehalten.

Im Aufschlussbioreaktor 2 und im Bioreaktor 3 sind aerobe Mikroorganismen angesiedelt, um die Biomasse

mikrobiologisch aufzuschließen. Die notwendige Luft ftir die aerobe Mikrobiologie wird im Bioreaktor 3 über die Leitung 8 von unten zugeführt, durchströmt den Bioreaktor 3 von unten nach oben und erreicht über die Leitung 9 den

Aufschlussbioreaktor 2, welcher ebenfalls von unten nach oben mit Luft durchströmt wird. Bei Bedarf kann die Luft mit (Ab)Wärme aus der Brennereinrichtung 5 auf die optimale Wachstumstemperatur der Mikroorganismen vorgewärmt werden.

Die Abluft aus dem Aufschlussbioreaktor 2 wird als Zuluft der Brennereinrichtung zugeführt (in Fig.l nicht

dargestellt) oder Uber die Leitung 10 in die Vorbehandlung 1 geleitet, die gleichzeitig ein Biofilter für Dämpfe/Gase aus den Bioreaktoren ist. Die feuchten Abgase aus der

Vorbehandlung 1 werden über Leitung 11 aus dem Prozess abgezogen.

Aus dem Bioreaktor 3 werden laufend Nährstoffe in

flüssiger, gelöster und suspendierter Form in den Aufschlussbioreaktoi 2 rezirkuliert (Kreislaufführung mit 17 bezeichnet) . Aus dem Bioreaktor 3 wird ein Teil der aufgeschlossenen Biomasse und die Mikroorganismen über die Leitung 12 in den Biogasfermenter 4 geführt, wo diese als Substrat für die dort stattfindende Fermentation dienen. Uberstehende Flüssigkeit aus dem Biogasfermenter 4 kann optional und partiell über die Leitung 13 in den Bioreaktor 3 rückgeführt werden und Überschussbiomasse wird über die Leitung 14 abgezogen.

Ober die Leitung 15 gelangt Biogas aus dem Fermenter 4 in die Brennereinrichtung 5, welche über die Leitung 16 mit Luft versorgt wird.

Fig. 2 zeigt ebenfalls eine thermischen Vorbehandlung 1, einen Aufschlussbioreaktor 2, einen Bioreaktor 3, einen Fermenter 4 und eine Brennereinrichtung 5, wobei der

Aufschlussbioreaktor 2 und der Bioreaktor 3 in dieser

AusfUhrungsform einteilig ausgebildet sind.

Baugleiche Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig.l versehen.

Die Abluft aus dem Aufschlussbioreaktor 2 wird über die Leitung 10 in die Vorbehandlung 1 geleitet (bzw. optional zuerst über die Brennereinrichtung geführt), die

gleichzeitig ein Biofilter für Dämpfe/Gase aus den

Bioreaktoren ist. Die feuchte Abluft aus der Vorbehandlung 1 wird - im Unterschied zur in Fig. 1 gezeigten

Ausführungsform - über die Leitung 11' in einen Kondensator 21 geführt, dort auskondensiert und über die Leitung 18 in den Prozess zurückgeführt. Die Abluft aus dem Kondensator 21 wird über die Leitung 19 abgezogen. Vorzugsweise ist der Kondensator 21 mit Kon.taktfa.chen hoher Oberfläche (Packung, Tropfenabscheidern) ausgestattet, wodurch er gleichzeitig auch eine Wäscherfunktion ausübt. In der Vorbehandlung 1 laufen neben thermischen auch extraktive und destillative Vorgänge ab. Dadurch werden Pflanzeninhaltsstoffe freigesetzt und im Falle der

Flüchtigkeit analog der Wasser- bzw.

Trägerdampfdestillation mit zusätzlichem Gasstrom 7 aus der Brenneinheit 5 in die Flüssigphase und in Folge in die

Dampfphase überführt. Die Dämpfe 11 ' werden im Kondensator 21 auskondensiert. Diese können dann durch Dichtetrennung mit einem Dekanter, der vorzugsweise in den Kondensator 21 integriert ist, aus dem Kondensat abgetrennt werden.