Biologie der Biogaserzeugung - Biogas-Infoboard
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<strong>Biologie</strong> <strong>der</strong> <strong><strong>Biogas</strong>erzeugung</strong><br />
Peter Weiland<br />
Institut für Technologie and Biosystemtechnik<br />
Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL)<br />
ZNR <strong>Biogas</strong>tagung, Bad Sassendorf-Ostinghausen, 02.04. 2003
<strong>Biologie</strong> <strong>der</strong> <strong><strong>Biogas</strong>erzeugung</strong><br />
Mikrobiologie und Biochemie <strong>der</strong> Vergärung<br />
Physikalisch -chemische Einflußgrößen<br />
Substrate<br />
Verfahrensgestaltung und Prozeßführung<br />
Zusammenfassung und Ausblick<br />
ZNR <strong>Biogas</strong>tagung, Bad Sassendorf-Ostinghausen, 02.04. 2003
FAL - TB<br />
Weiland<br />
1. Stufe<br />
Hydrolyse Makromoleküle<br />
(Hydrolytische Phase)<br />
Biomasse<br />
Polysacharide<br />
Proteine<br />
Fette<br />
hydrolytische<br />
Bakterien<br />
Zucker<br />
Aminosäuren<br />
Fettsäuren<br />
2. Stufe<br />
Vergärung Spaltprodukte<br />
(Acidogene Phase)<br />
fermentative<br />
Bakterien<br />
Carbonsäure<br />
Alkohole<br />
3. Stufe<br />
Acetatbildung<br />
(Acetogene Phase)<br />
H/CO<br />
2 2<br />
acetogene<br />
Bakterien<br />
4 Stufen des anaeroben Abbaus<br />
Acetat<br />
4. Stufe<br />
Methanbildung<br />
(Methanogene Phase)<br />
methanogene<br />
Bakterien<br />
<strong>Biogas</strong><br />
CH /CO<br />
4 2<br />
W0104138<br />
CDR
FAL - TB<br />
Weiland<br />
log pH2 [bar]<br />
0<br />
- 2<br />
- 4<br />
- 6<br />
Propionat<br />
Thermodynamisches<br />
Fenster<br />
Butyrat<br />
Methan<br />
- 8 80 40 0 - 40 - 80 - 120 - 160<br />
∆G’ bei pH 7,0 ; 25 °C [kJ/Reaktion]<br />
Einfluß des Wasserstoffpartialdrucks (pH ) auf die<br />
2<br />
Än<strong>der</strong>ung <strong>der</strong> freien Energie ( ∆G’)<br />
W0104143<br />
CDR
FAL - TB<br />
Weiland<br />
C-Fracht<br />
100 %<br />
aerober Abbau anaerober Abbau<br />
CO2<br />
CH /CO<br />
4 2<br />
(<strong>Biogas</strong>)<br />
50 %<br />
50 %<br />
Biomasse<br />
C-Fracht<br />
100 %<br />
Kohlenstoffbilanz bei vollständigem C-Abbau<br />
90 %<br />
10 %<br />
Biomasse<br />
W0104139<br />
CDR
FAL - TB<br />
Weiland<br />
Anaerobe Mikroorganismen<br />
Säurebildende Bakterien<br />
Bacterioides < 24 h<br />
Clostridien 24 - 36 h<br />
Acetogene Bakterien 80 - 90 h<br />
Methanogene Bakterien<br />
Methanosarcina barkeri 5 - 15 d<br />
Methanococcus ca. 10 d<br />
Aerobe Mikroorganismen<br />
Escherichia coli 20 min<br />
Belebtschlamm 2 h<br />
Generationszeiten verschiedener Mikroorganismen<br />
W0104133<br />
CDR
Feste Substrate<br />
Hydrolyse <strong>der</strong> unlöslichen Polymere geschwindigkeitsbestimmend<br />
Lösliche Substrate<br />
Methangärung über Acetat geschwindigkeitsbestimmend<br />
Acetatbildung geschwindigkeitslimitierend<br />
<br />
Methangärung geschwindigkeitslimitierend<br />
Hinweis<br />
Die Anreicherung von Stoffwechselprodukten (Fettsäuren, Ammoniak, Schwefelwasserstoff)<br />
führt häufig zu einer Verschiebung des geschwindigkeitsbestimmenden<br />
Abbauschritts.<br />
FAL-Tec<br />
Weiland<br />
Geschwindigkeitslimitieren<strong>der</strong> Abbauschritt<br />
bei <strong>der</strong> Methangärung<br />
W0106161<br />
CDR
FAL - TB<br />
Weiland<br />
Temperatur<br />
pH-Wert<br />
Einflußgröße Hydrolyse/Versäuerung Methangärung<br />
C:N-Verhältnis<br />
Feststoffgehalt<br />
Redox-Potential<br />
Nährstoffbedarf C:N:P:S<br />
Spurenelemente<br />
25 - 35 °C<br />
5,2 - 6,3<br />
10 - 45<br />
< 40 %TS<br />
+400 - -300 mV<br />
500 : 15 : 5 : 3<br />
keine spez. Ansprüche<br />
mesophil: 32 - 42 °C<br />
thermophil: 50 - 58 °C<br />
6,7 - 7,5<br />
20 - 30<br />
< 30 % TS<br />
< -250 mV<br />
600 : 15 : 5 : 3<br />
essentiell: Ni, Co, Mo, Se<br />
Milieuanfor<strong>der</strong>ungen für die Vergärung von Roh- und Reststoffen<br />
W0104134<br />
CDR
FAL - TB<br />
Weiland<br />
100<br />
50<br />
Methanogene Aktivität [%]<br />
Anwendungsbereich<br />
32 - 42 °C<br />
Mesophile<br />
Methangärung<br />
Anwendungsbereich<br />
50 - 58 °C<br />
Thermophile<br />
Methangärung<br />
0<br />
20 30 38 40 50 55<br />
60<br />
Temperatur [°C]<br />
Einfluß <strong>der</strong> Gärtemperatur auf die Methanbildungsaktivität<br />
(Schematische Darstellung)<br />
W0104144<br />
CDR
FAL - TB<br />
Weiland<br />
Temperatur<br />
pH-Wert<br />
Einflußgröße Hydrolyse/Versäuerung Methangärung<br />
C:N-Verhältnis<br />
Feststoffgehalt<br />
Redox-Potential<br />
Nährstoffbedarf C:N:P:S<br />
Spurenelemente<br />
25 - 35 °C<br />
5,2 - 6,3<br />
10 - 45<br />
< 40 %TS<br />
+400 - -300 mV<br />
500 : 15 : 5 : 3<br />
keine spez. Ansprüche<br />
mesophil: 32 - 42 °C<br />
thermophil: 50 - 58 °C<br />
6,7 - 7,5<br />
20 - 30<br />
< 30 % TS<br />
< -250 mV<br />
600 : 15 : 5 : 3<br />
essentiell: Ni, Co, Mo, Se<br />
Milieuanfor<strong>der</strong>ungen für die Vergärung von Roh- und Reststoffen<br />
W0104134<br />
CDR
FAL - TB<br />
Weiland<br />
spez. Gasertrag<br />
0 10 20 30 40 50 60<br />
Feststoffgehalt [Gew.-%]<br />
Einfluß des Feststoffgehaltes auf den spez. Gasertrag<br />
W0104141<br />
CDR
FAL - TB<br />
Weiland<br />
Temperatur<br />
pH-Wert<br />
Einflußgröße Hydrolyse/Versäuerung Methangärung<br />
C:N-Verhältnis<br />
Feststoffgehalt<br />
Redox-Potential<br />
Nährstoffbedarf C:N:P:S<br />
Spurenelemente<br />
25 - 35 °C<br />
5,2 - 6,3<br />
10 - 45<br />
< 40 %TS<br />
+400 - -300 mV<br />
500 : 15 : 5 : 3<br />
keine spez. Ansprüche<br />
mesophil: 32 - 42 °C<br />
thermophil: 50 - 58 °C<br />
6,7 - 7,5<br />
20 - 30<br />
< 30 % TS<br />
< -250 mV<br />
600 : 15 : 5 : 3<br />
essentiell: Ni, Co, Mo, Se<br />
Milieuanfor<strong>der</strong>ungen für die Vergärung von Roh- und Reststoffen<br />
W0104134<br />
CDR
Sauerstoff<br />
FAL - TB<br />
Weiland<br />
Hemmstoff Hemmkonzentation Anmerkungen<br />
Schwefelwasserstoff<br />
Flüchtige Fettsäuren<br />
Ammoniumstickstoff<br />
Schwermetalle<br />
Desinfektionsmittel<br />
Antibiotika<br />
> 0,1 mg/l O<br />
> 50 mg/l H S<br />
> 2.000 mg/l HAc<br />
(pH = 7,0)<br />
> 3.500 mg/l NH4<br />
(pH = 7,0)<br />
Cu > 50 mg/l<br />
Zn > 150 mg/l<br />
Cr > 100 mg/l<br />
k.A.<br />
2<br />
2<br />
Hemmende und toxische Einflußgrößen<br />
+<br />
Hemmung <strong>der</strong> obligat anaeroben<br />
Methanbakterien.<br />
Hemmwirkung steigt mit sinkendem<br />
pH-Wert.<br />
Hemmwirkung steigt mit sinkendem<br />
pH-Wert. Hohe Adaptionsfähigkeit <strong>der</strong><br />
Bakterien.<br />
Hemmwirkung steigt mit steigendem pH-Wert<br />
und steigen<strong>der</strong> Temperatur. Hohe<br />
Adaptionsfähigkeit <strong>der</strong> Bakterien.<br />
Nur gelöste Metalle wirken inhibierend.<br />
Entgiftung durch Sulfidfällung.<br />
Hemmwirkung produktspezifisch.<br />
W0104135<br />
CDR
Dissoziationsgleichgewicht NH /NH -N<br />
3 4 Hemmung<br />
undiss. NH [%]<br />
3<br />
10,00<br />
1,00<br />
0,10<br />
FAL - TB<br />
Weiland<br />
NH -N [%]<br />
4<br />
90,00<br />
99,00<br />
99,90<br />
0,01<br />
99,99<br />
6,0 7,0<br />
pH-Wert<br />
8,0<br />
<strong>der</strong> Methanbildung durch NH3<br />
(Methanbildung aus Essigsäure)<br />
Hemmung [%]<br />
100<br />
Hemmung <strong>der</strong> Methanbildung durch Ammonium-Stickstoff<br />
75<br />
50<br />
25<br />
T = 38 °C<br />
T = 30 °C<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100<br />
mg/l NH -N<br />
3<br />
W0104146<br />
CDR
-<br />
Dissoziationsgleichgewicht von H S/HS<br />
2<br />
100<br />
80<br />
60<br />
40<br />
20<br />
0<br />
FAL - TB<br />
Weiland<br />
HS [%]<br />
2<br />
-<br />
HS [%]<br />
6,0 6,4 6,8 7,0 7,2 7,6 8,0<br />
pH-Wert<br />
0<br />
20<br />
40<br />
60<br />
80<br />
100<br />
100<br />
Hemmung [%]<br />
Hemmung <strong>der</strong> Methanbildung durch Schwefelwasserstoff<br />
75<br />
50<br />
25<br />
Hemmung <strong>der</strong> Methanbildung<br />
(Methanbildung aus Essigsäure)<br />
pH 6,8 - 7,6<br />
0 0 50 100 150 200<br />
mg/l H S (undiss.)<br />
2<br />
W0104145<br />
CDR
Dissoziationsgleichgewicht von Fettsäuren<br />
Säure undiss. [%] Säure diss. [%]<br />
10,00<br />
90,00<br />
1,00<br />
0,10<br />
FAL - TB<br />
Weiland<br />
Essigsäure<br />
Propionsäure<br />
99,00<br />
99,90<br />
0,01<br />
99,99<br />
6,0 7,0<br />
pH-Wert<br />
8,0<br />
Hemmung <strong>der</strong> Methanbildung<br />
Hemmung [%]<br />
100<br />
Hemmung <strong>der</strong> Methanbildung durch flüchtige Fettsäuren<br />
75<br />
50<br />
25<br />
Essigsäure<br />
Propionsäure<br />
0 0 20 40 60 80<br />
mg/l Säure (undiss.)<br />
W0104147<br />
CDR
FAL - TB<br />
Weiland<br />
1.600<br />
1.400<br />
1.200<br />
1.000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
0<br />
Gasertrag Nl/kg oTS<br />
1.400<br />
960<br />
900<br />
830<br />
ca. 0<br />
Fette Cellulose Eiweiß Stärke Lignin<br />
Theoretischer Gasertrag verschiedener Stoffgruppen<br />
W0104130<br />
CDR
FAL - TB<br />
Weiland<br />
Kohlenhydrate<br />
Proteine<br />
Fette<br />
Bioabfall<br />
Stoffgruppe <strong>Biogas</strong>ertrag Methangehalt Heizwert<br />
[l/kg oTS] [Vol.-%] [kWh/m³]<br />
Nachwachsende Rohstoffe<br />
700 - 830<br />
700 - 900<br />
1.000 - 1.400<br />
350 - 500<br />
500 - 700<br />
50 - 55<br />
70 - 75<br />
68 - 73<br />
55 - 68<br />
50 - 62<br />
<strong>Biogas</strong>qualität in Abhängigkeit vom Gärsubstrat<br />
5,0 - 5,5<br />
7,0 - 7,5<br />
6,8 - 7,3<br />
5,5 - 6,8<br />
5,0 - 6,2<br />
W0104132<br />
CDR
+4<br />
+2<br />
0<br />
-2<br />
-4<br />
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100<br />
100 90 80 70 60 50<br />
[Vol.-%]<br />
40 30 20 10 0<br />
FAL - TB<br />
Weiland<br />
Mittlere Oxidationsstufe von C<br />
Oxalsäure<br />
Ameisensäure<br />
Citronensäure<br />
Kohlenhydrate, Essigsäure<br />
Propionsäure<br />
Proteine<br />
Buttersäure<br />
Fette<br />
Methanol<br />
Zusammensetzung von <strong>Biogas</strong> als Funktion <strong>der</strong> mittleren Oxidationsstufe<br />
des Kohlenstoffs<br />
CH4<br />
CO2<br />
W0104142<br />
CDR
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
0<br />
FAL-Tec<br />
Weiland<br />
<strong>Biogas</strong>ertrag [m³ Gas/t Substrat]<br />
Landwirtschaftliche<br />
Abfallstoffe<br />
Rin<strong>der</strong>gülle<br />
25<br />
Schweinegülle<br />
36<br />
Futterrüben<br />
95<br />
Landwirtschaftliche<br />
Rohstoffe<br />
Silomais<br />
190<br />
Weidelgras<br />
110<br />
<strong>Biogas</strong>ertrag verschiedener Gärsubstrate<br />
Außerlandwirtschaftliche<br />
Abfallstoffe<br />
Bioabfall<br />
120<br />
Speiseabfälle<br />
240<br />
Fettabschei<strong>der</strong>rückstand<br />
400<br />
Altfett<br />
800<br />
W0103111<br />
CDR
FAL - TB<br />
Weiland<br />
Vergärungsverfahren<br />
Einstufenprozeß Zweistufenprozeß<br />
Reaktorkaskade<br />
einphasig zweiphasig<br />
Perkolation<br />
Fest-/Flüssig-<br />
Trennung<br />
Einteilung von Vergärungsverfahren<br />
mesophil/<br />
thermophil<br />
thermophil/<br />
mesophil<br />
W0104136<br />
CDR
FAL - TB<br />
Weiland<br />
Einstufenprozeß<br />
Zweistufenprozeß<br />
Hydrolyse/<br />
Versäuerung<br />
<strong>Biogas</strong><br />
<strong>Biogas</strong>reaktor<br />
<strong>Biogas</strong>reaktor<br />
Reaktorkaskade<br />
<strong>Biogas</strong>reaktor <strong>Biogas</strong>reaktor<br />
<strong>Biogas</strong><br />
<strong>Biogas</strong><br />
Zweiphasiger Zweistufenprozeß<br />
a) Perkolationsverfahren<br />
<strong>Biogas</strong>reaktor<br />
Hydrolyse/<br />
Versäuerung<br />
b) Fest-/Flüssig-Trennung<br />
<strong>Biogas</strong>reaktor<br />
Hydrolyse/<br />
Versäuerung<br />
<strong>Biogas</strong><br />
<strong>Biogas</strong><br />
Schematische Darstellung verschiedener Vergärungsverfahren<br />
f<br />
fl<br />
W0104137<br />
CDR
Zusammenfassung und Ausblick<br />
Die Kenntnis <strong>der</strong> mikrobiellen Stoffwechselvorgänge ist für Auslegung und<br />
Betrieb von <strong>Biogas</strong>anlagen unerläßlich.<br />
Hohe Raum-Zeit-Ausbeuten und stabile Prozeßbedingungen sind nur bei<br />
Berücksichtigung <strong>der</strong> mikrobiellen und biochemischen Einflußgrößen<br />
möglich.<br />
Eine nachhaltige Produktion von <strong>Biogas</strong> ist langfristig wirtschaftlich nur<br />
dann erreichbar, wenn das Wertschöpfungspotential von Biomasse durch<br />
Optimierung <strong>der</strong> Prozeßbiologie maximal genutzt wird.<br />
ZNR <strong>Biogas</strong>tagung, Bad Sassendorf-Ostinghausen, 02.04. 2003
<strong>Biologie</strong> <strong>der</strong> <strong><strong>Biogas</strong>erzeugung</strong><br />
Peter Weiland<br />
Institut für Technologie and Biosystemtechnik<br />
Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL)<br />
ZNR <strong>Biogas</strong>tagung, Bad Sassendorf-Ostinghausen, 02.04. 2003
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