19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 1 Biomasse Energieerzeugung Kapitel 3.1 Mikrobiologische Grundlagen Biomasseenergieerzeugung energy from renewable

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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 1 Biomasse Energieerzeugung Kapitel 3.1 Mikrobiologische Grundlagen Biomasseenergieerzeugung energy from renewable raw materials
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 2 Biomasse Energieerzeugung Gliederung Kohlenstoffkreislauf Photosynthese,Atmung, Vergrung Mikroorganismen Biogaserzeugung Methanbakterien Stoffwechsel und Sauerstoffempfindlichkeit 4 Phasen der Fermentation Wachstumsbedingungen der MO Wachstumskurve im geschlossenen System Verschiedene Wachstumssysteme Wachstum im System (etablierte Verfahren) Vergrung eines Salatblattes
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 3 Biomasse Energieerzeugung Der Kohlenstoffkreislauf C-Kreislauf 1) Assimilation: CO 2 wird aus der Atmosphere von Pflanzen aufgenommen. 2) Respiration: der MO und hheren Lebewesen, CO 2 wird produziert, was in die Atmosphre gelangt. 3) Inkohlung: Bildung von fossilen Brenn- stoffen unter O 2 -Abschluss, hohem Druck 4) Verbrennung: dieser Brennstoffe, wird Kohlenstoffdioxid frei 5) Weitere C-Speicher im Boden (CaCO 3, MgCO 3, Kalk) 6) Wechselwirkungen zwischen der Hydrosphre und der Atmosphre, CO 2 - Diffusionsvorgnge. 7) Phytoplankton assimiliert CO 2, Meerestiere (Fische), Exkremente, Meeresablagerungen 8) Fulnis, Vergrung, Verwesung: abgestorbenen C-haltige Materie, Exkremente werden zu CO 2 und CH 4 abgebaut
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 4 Biomasse Energieerzeugung Photosynthese, Atmung, Vergrung Energiegewinnung Photosynthese (Assimilation) Atmung (aerob unter Sauerstoff Dissimilation) Vergrung (anaerob ohne Sauerstoff Produkte Methan und Kohlenstoffdioxid) Licht Glukose
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 5 Biomasse Energieerzeugung Mikroorganismen Biogaserzeugung Mikroorganismen Als Methanbildner oder Methanogene (frher auch Methanbakterien genannt) werden Archaeen (Archaea) bezeichnet, bei deren Energiestoffwechsel Methanbildung stattfindet. Sie werden in den Klassen Methanobacteria, Methanococci und Methanomicrobia zusammengefasst, zu denen fnf Ordnungen gehren. Die Methanbildner sind strikt anaerob, sie stoffwechseln bei Temperaturen zwischen 0 und 70 C, wenige Arten sogar bei bis zu 90 C, bei hheren Temperaturen werden sie abgettet. Erhhte Temperaturen steigern die Effizienz der Methanbildner. Sie bentigen anoxisches, pH-neutrales oder schwach alkalisches Milieu mit mindestens 50 % Wasser. Anoxische Gewssersedimente, wassergesttigte oder -berstaute Bden (z. B. Moore und Reisfelder), Mist, Glle und der Verdauungstrakt von Wiederkuern sind besonders gute Lebensrume fr Methanbakterien. Weitere Habitate von Methanbildnern sind der Dickdarm von Wirbeltieren sowie Rumen von Wiederkuern.
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 6 Biomasse Energieerzeugung Methanbakterien (eine kleine! Auswahl) Mikroorganismen Methanosaeta sp. (x4000) Methanospirillum sp. strain TM20-1 (x5000) Methanosarcina sp. (x4000) Methanococcus (x4000)Methanobacterium formicicum (x4000) Methanosarcina barkeri (x5000)
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 7 Biomasse Energieerzeugung Stoffwechsel und Sauerstoffempfindlichkeit Mikroorganismen
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 8 Biomasse Energieerzeugung Stoffwechsel der Mikroorganismen Mikroorganismen Die Stoffwechselleistung der Mikroorganismen aus dem Anabolismus (Biosynthese) und dem Katabolismus (Energiestoffwechsel) ergeben sich 6 Stoffwechseltypen. Fazit fr die Biomasse Energiegewinnung: Aerob:Kompostierung, Entschwefelung von Biogas Anaerob: Biogaserzeugung Grung: Silage (Milchsuregrung), Bioethanol (alkoholische Grung) Alle diese Prozesse setzen auch bei der Lagerung von Biomasse und deren Reststoffen ein und fhren zu Verlusten oder Geruchsbelstigungen.
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 9 Biomasse Energieerzeugung Die 4 Phasen der Fermentation (Biogas) Mikroorganismen
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 10 Biomasse Energieerzeugung Wachstumsbedingungen fr die MO Mikroorganismen pH-Wert: pH 5: vorwiegend Pilze pH 8: vorwiegend Bakterien. Substrateigenschaften: 20 Elemente sind notwendig, C:N:P = 37-55 :5:1 Temperatur:psychrophileT-Optimum bei 15 - 20 C mesophileT-Optimum bei 20 - 37 C thermophileT-Optimum bei 50 - 65 C Sauerstoffversorgung: Sauerstoffreiches Milieu bei aeroben Mikroorganismen Sauerstofffreies Milieu bei anaeroben MO und Vergrung Streng, also obligat anaerobe Organismen, erfordern eine Sauerstofffreie Umgebung, also Nhrmedium ebenso wie Gasatmosphre -> Biogasproduktion Fakultative Anaerobier knnen ihre Lebensform bei Vorhandensein von Sauerstoff umstellen -> Hydrolyse
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 11 Biomasse Energieerzeugung Wachstumskurve im geschlossenem System Mikroorganismen I) Lag-Phase/Akzelerations-Phase, Anpassen auf die Umgebungsbedingungen, Animpfmenge c B0 mindestens 5% (Konzentration Biomasse 5% zum Zeitpunkt 0) II) Exponentielle Phase, maximales Wachstum III) bergansphase (Verzgerungsphase), essentielle Substratbestandteile c Si sind verbraucht, hemmende Stoffwechselprodukte gebildet, verlangsamtes Wachstum IV) Stationre Phase, Reservestoffe und abgestorbenen MO werden genutzt, Gleichgewicht zwischen Wachsen und Absterben V) Absterbe Phase, Absterben berwiegt
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 12 Biomasse Energieerzeugung Wachstumskurve im geschlossenem System Mikroorganismen I)II)III)IV)V)
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 13 Biomasse Energieerzeugung Verschiedene Wachstumssysteme Systeme Bereitstellung der Mikroorganismen und Nhrstoffe notwendig! Batchsystem: abgeschlossen hinsichtlich fest und Flssiger Phase, offen fr Gasphase, einmalige Zufuhr von MO und Substrat, Anreicherung von MO und Produkten -> z.B. Herstellung von Hefe, Trockenfermentation, Boxenfermenter -> wenn kontinuierlich dann mind. 3 Reaktoren (Hochfahren/Produktion/Vorbereitung) Kontinuierliches System: offen fr flssige und gasfrmige Phase, wahlweise fr die feste Phase, stndige Zufuhr von Substrat, ggf. nach Animpfung stndige Zufuhr von MO, keine Anreicherung von MO und Produkten -> z.B. Produktion von Biogas Quasikontinuierliche Systeme: wie kontinuierliches System, Zufuhr von Substrat in kleineren, kontinuierlichen Etappen -> z.B. Produktion von Biogas Fed-batch-Systeme: Fed-batch-Verfahren zeichnen sich durch eine zeitlich begrenzte, kontinuierlich oder in Intervallen erfolgende Zuftterung der Substrate ohne Entnahme von Nhrlsung aus dem Reaktor aus -> z.B. Penicillin
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 14 Biomasse Energieerzeugung Wachstum im System (etablierte Verfahren) Systeme Batchsystem (Boxenfermenter):(Quasi)-Kontinuierliches System: Trockenvergrung Nassvergrung
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  • 19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 15 Biomasse Energieerzeugung Vergrung eines Salatblattes (Konz.-Zunahme) Beispiel Salatblatt http://www.gbiu.de/ 80% H 2 O 30 - 40% H 2 O 950 g oTS 50 g inert 1000gTS Salat, enthlt 50 mgZn/kgTS 50 g inert 15 g oTS Masseverlust durch Vergrung und Kompostierung 93,5 %TS-Abbau (1000g -> 65g) 98,4 %oTS-Abbau (950g -> 15g) 65gTS Kompost, enthlt 769 mgZn/kgTS!!!!!! Kann ber einen antiproportionlaen Dreisatz berechnet werden