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Fachbereich
Energie Gebäude Umwelt
Prof. Dr.-Ing.
Christof Wetter
Dr.-Ing.
Elmar Brügging
M.Eng.
Daniel Baumkötter
Labor für Umwelttechnik
Stegerwaldstraße 39
48565 Steinfurt
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Mechanische und enzymatische Vorbehandlung von organischen Reststoffen zur Optimierung der Gasausbeute
Projektpartner:
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Gliederung
1 Einleitung2 Aufbau Prallreaktor3 Vorversuche Prallreaktor4 Umbau und Untersuchungen Prallreaktor5 Enzymatische Vorbehandlung6 Ausblick7 Fazit
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1 Einleitung
• Erhöhung des Einsatzes lignocellulosehaltiger Substrate bei der Biogasproduktion
• Veränderte Anforderungen an die Vorbehandlung bei der Verwendung lignocellulosehaltiger Substrate in einer Biogasanlage
• Vorbehandlung landwirtschaftlicher Reststoffe und Rohstoffe zur Verbesserung des biologischen Abbaus und Steigerung der Gasausbeute
Inhalt• Untersuchung des mechanischen Aufschlusses
verschiedener Substrate mit Prallreaktor• Untersuchung der enzymatischen Vorbehandlung und
der Kombination mit mechanischer Zerkleinerung
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1 Einleitung
• Vergleichende Analysen zur Ermittlung der Betriebskosten und des wirtschaftlichen Nutzens der mechanischen und enzymatischen Aufschlussverfahren
Ziel der Untersuchungen• Optimale Kombination der Vorbehandlungsverfahren
zur effizienten Ausnutzung unterschiedliche Substrate– Hoher Biogasertrag– Geringer Energie- und Kostenaufwand
• Verbesserung der Wirtschaftlichkeit beim Einsatz lignocellulosehaltiger Substrate
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2 Aufbau Prallreaktor
Mechanische Zerkleinerung durch Prall• Prinzip: mehrfache Prallbeanspruchung bei hohen
Umdrehungszahlen Zerfaserung• Zentrales Bauteil: mit hoher Geschwindigkeit
drehender Rotor• Gestaltung:
– Prallorgane: Leisten, Platten,Hämmer, Stifte, Ketten
– Mahlraum: Einbauten, Geometrie
– Ausschleusung über Sieb oder Auswurfklappe
– Zugabe von Wasser möglich
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2 Aufbau Prallreaktor
• Abmessungen: 1.000 x 800 x 1.500 (LxBxH - mm)• Gewicht: 1,5 t• Antriebsleistung: 5,5 kWel
• Einstellungen– Siebgrößen
(bisher: 3, 5, 10, 15, 20 mm)evtl. weitere
– Batchbetrieb über Auswurfklappe– Drehzahl (0 bis 3.500 U/min)– Abstand und Anstellwinkel
der Prallelemente zu Siebplatten Rotor
Prallelement
Siebplatten
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2 Aufbau PrallreaktorEinwurfschacht
Austrag
Rotor
Absperr-schieber
Auswurf-klappe
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Stroh168 l/kgoTM (31 % mehr) – 128 l/kgoTM
3 Vorversuche Prallreaktor
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Hafer312 l/kgoTM (8 % mehr) – 288 l/kgoTM
3 Vorversuche Prallreaktor
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Sonnenblume318 l/kgoTM (33 % mehr) – 240 l/kgoTM
3 Vorversuche Prallreaktor
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• Einstellungen Prallreaktor– Siebgröße: 20 mm– Drehzahl: 2.000 U/min
• Alle Substrate bis auf die Grassilage konnten optisch gut zerkleinert bzw. zerfasert werden
• Die Methangaserträge steigen durch den Prall vor Allem bei den feuchteren Substraten (höhere Dichte)
3 Vorversuche Prallreaktor
Unbehandelt Geprallt Mehrertrag[% v. FM] [l/kg oTR] [l/kg oTR] [%]
Stroh 88,8 128 168 31%Grassilage 82,3 233 237 2%Sommer-Gerste GPS 12,5 186 276 48%Sommer-Triticale GPS 20,6 200 205 3%Hafer GPS 21,5 288 312 8%Sonnenblume 16,7 240 318 33%
SubstratTrockenrückstand
Methanertrag
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• Umbauten:– Entfernung Absperrschieber– Einbau Umluft zur besseren
Luftzirkulation beigeschlossenen Auslässen
– Förderband für bessereZuführung
Umluft
4 Umbau und Untersuchungen Prallreaktor
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4 Umbau und Untersuchungen Prallreaktor
• Untersuchung verschiedener landwirtschaftlicher Reststoffe und Rohstoffe– Hauptsubstrate: Getreidestroh, Getreide-GPS und Pferdemist– Weitere Substrate: Maisstroh, verschiedene Zwischenfrüchte,
verschiedene Getreide-GPS, Blühpflanzen, evtl. Wasserzugabe
• Aktuell: Versuche mit Stroh bei unterschiedlichen Siebgrößen, Rotorbauarten und Umdrehungszahlen
• Biogaspotenzialbestimmung im Batch-Test
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4 Umbau und Untersuchungen Prallreaktor
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4 Umbau und Untersuchungen Prallreaktor
0 5 10 15 20 25 30 35 40 450
50
100
150
200
250
oTR-spezifischer Methanertrag von gepralltem Weizenstroh (2.000 U/min)
V10 Rotor 2 5 mmV11 Rotor2 3 mmV2 Rotor1 5 mmV12 Rotor2 10 mmV5 Rotor1 20 mmV3 Rotor1 3 mmV1 Rotor1 10 mmV4 Rotor1 15 mmV9 Rotor2 15 mmV8 Rotor2 20 mmStroh Roh
Versuchzeitraum [d]
oTR-
spez
ifisc
her M
etha
nert
rag
[lN/k
goTR
]
bis zu 20 % Mehrertrag
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4 Umbau und Untersuchungen Prallreaktor
• Weitere Untersuchungsmethoden:– Bestimmung Zerkleinerungsgrad durch Siebanalyse– Optische Auswertung der Schwimm- und Sinkschichten im
Batch-Test
3 mm 5 mm 10 mm 15 mm 20 mm
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4 Umbau und Untersuchungen Prallreaktor
– Optische Untersuchung
Stroh unbehandelt (20-fache Vergrößerung) / Stroh geprallt (40-fache Vergrößerung)
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5 Enzymatische Vorbehandlung
• Enzymatischer Aufschluss von Substraten zur Steigerung des Biogasertrages und Beschleunigung des Abbaus
• Wirkprinzip: Spaltung langkettiger Cellulosemoleküle in kurzkettige Stärke- und Zuckermoleküle
• Untersuchungen zur Wirksamkeit der Enzyme und Auswahl erfolgsversprechender Enzyme anhand verschiedener Substrate
Enzym EnzymEnzym
Substrat Produkte
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5 Enzymatische Vorbehandlung
• Messung der Anzahl „offener Enden“ bzw. Aldehydgruppen im Makromolekül
• Untersuchung auf Hemmstoffe• Bestimmung der Biogaspotenziale der ausgewählten
enzymatisch aufgeschlossenen SubstrateErste Ergebnisse• Cellolytische Enzyme haben eine positive Wirkung auf
die Bildung offener Enden• Kombination verschiedener Enzyme lieferte bisher die
vielversprechendsten Ergebnisse für Stroh
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6 Ausblick
• Versuche mit verschiedenen Substraten zur Ermittlung der jeweiligen optimalen Einstellungen beim Prallreaktor hinsichtlich Stromverbrauch und Biogasmehrertrag
• Weiterführung der Versuche zur Ermittlung geeigneter Enzyme zur Vorbehandlung verschiedener Substrate
• Versuche zur Ermittlung der optimalen Kombination von mechanischer und enzymatischer Vorbehandlung für verschiedene Substrate
• Überprüfung der Biogaserträge aus den Batch-Versuchen in Kontinuierlich betriebenen Fermentern
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7 Fazit
• Der Prallreaktor ist grundsätzlich für verschiedene Substrate geeignet und kann den Methangasertrag erhöhen
• Es besteht bei den meisten Substraten ein großes Potenzial– Beispiel Stroh: Biogasmehrertrag von bis zu 20 % möglich
• Bestehendes Optimierungspotenzial hinsichtlich des optimalen Betriebspunktes für verschiedene Substrate
• Kombination verschiedener Enzymsysteme ergaben die bisher besten Ergebnisse bei der Vorbehandlung
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