1 Optimierung des Gärungsprozesses: Der Einsatz von Enzymen zur Steigerung von Stoffumsatz und Gasausbeute Matthias Gerhardt BIOPRACT GmbH, Berlin 11.

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1 1 Optimierung des Gärungsprozesses: Der Einsatz von Enzymen zur Steigerung von Stoffumsatz und Gasausbeute Matthias Gerhardt BIOPRACT GmbH, Berlin 11. Jahrestagung Biogas und Bioenergie in der Landwirtschaft 5. – 7. Dezember 2002 Rot am See

2 2 Die Steinzeit ist nicht deshalb zu Ende gegangen, weil keine Steine mehr vorhanden waren 2

3 3 Erneuerbare Energien müssen wirtschaftlich einsetzbar sein und ökologisch überzeugen 3

4 4 Quellen erneuerbarer Energien: Wind Wasser Sonne Geothermie Biomasse Die Steinzeit ist nicht deshalb zu Ende gegangen, weil keine Steine mehr vorhanden waren

5 5 Die Nutzung von Biomasse: - Alkohol - Milchsäure - Biogas Die Steinzeit ist nicht deshalb zu Ende gegangen, weil keine Steine mehr vorhanden waren

6 6 Biogas wird ein Bestandteil der Energieversorgung ohne Öl Entwicklung vom Entsorgungsgedanken zur Energie- und Rohstofferzeugung

7 7 Die Produktion von Biogas ist eine etablierte Technologie Die Anlagenentwicklung befindet sich auf einem hohem Stand: Materialstabilitäten Mess- und Regeltechnik Anlagenkosten Optimierung der Prozessführung: Einsatz von Kosubstraten Mehrstufige Prozessführung mesophil / thermophil Batch und kontinuierliche Prozessführung Aufbau von Großanlagen Optimierung der Substratausbeute: ? ??

8 8 Für den Anlagenbetreiber hat die Wirtschaftlichkeit oberste Priorität: Einnahmen > Ausgaben Investitionen und Unterhalt minimal Produktivität je m 3 Reaktor maximal Ausbeuten je m 3 Substrat maximal

9 9 Durchschnittliche Biogaserträge typischer Substrate: SubstrateErtrag Nm 3 /m 3 Klärschlamm 5 -15 Rindergülle20 - 25 Schweinegülle30 - 35 Geflügelgülle40 - 45 Bioabfall100 - 200 Grasschnitt100 - 120 Grassilage180 - 200

10 10 Wege, die Ausbeute zu steigern: Einsatz von Kosubstraten Verbesserung der Prozessführung Verbesserung der Substratverwertung

11 11 Verbesserung der Substratverwertung Substrate enthalten Polysaccharide, Fette, Einweiße und nicht vergärbare Substanzen in unterschiedlicher Zusammensetzung Cellulosen und Hemicellulosen (NSP) werden als weitgehend inert betrachtet und oft aus Stoffbilanzen ausgeklammert. Aber: Cellulosen und Hemicellulosen sind Polysaccharide, deren Monomere uneingeschränkt vergärbar sind

12 12 Methan resultiert aus der anaeroben Gärungen organischer Stoffe: Fette Fettsäuren Polysaccharide einfache Zucker Essigsäure CH 4 Proteine Aminosäuren

13 13 Wie sind die Substrate für die Biogasbildung zusammengesetzt (z.B. Gülle)?

14 14 Wie sind die Substrate für die Biogasbildung zusammengesetzt (organische Bestandteile in TS): SubstratFetteProteineNSPSonstige Belebtschlamm2,01,432,030,0 Belebtschlamm0,91,843,1 Rindergülle7,515,633,814,1 Rindergülle22,2 Schweinegülle12,316,027,427,0 Geflügelgülle25,0 Grasschnitt10.060,030,0

15 15 Wie werden die Substrate für die Biogasbildung im Prozess abgebaut (in %): (Quelle: A. Wellinger, Biogas-Handbuch 1991) SubstratoTSFetteProteineNSPSonstige Schweinegülle82,712,316,027,427,0 Schweinegülle (ausgefault)69,98,017,920,423,6 Rindergülle71,07,515,633,814,1 Rindergülle (ausgefault)63,56,516,014,126,9

16 16 Auswirkungen von NSP auf den Biogasprozess Eingeschränkter und langsamer Abbau Steigerung der Viskosität – damit weniger TS Käfigeffekt: Umhüllung von leicht abbaubaren Inhaltsstoffen Potenziale zur Steigerung der Gasausbeute und Produktivität

17 17 Methoden zum Aufschluss von NSP: Mechanischer Aufschluss häckseln / mahlen Dampfbehandlung, steam explosion Ultraschall Chemischer Aufschluß Naßoxidation Hydrothermolyse saure / alkalische Hydrolyse Biotechnologisch Aufschluss mit Pilzen Starterkulturen (Zugabe von NSP-Abbauer) Einsatz von Enzymen

18 18 Der Einsatz von Enzymen: - Enzyme sind keine Mikroorganismen! - Enzyme unterstützen Mikroorganismen durch die Bereitstellung vergärbarer Substanzen: Lipasen/Esterasen FetteFettsäuren Proteinasen ProteineAminosäuren Amylasen PolysaccharideEinfachzucker Cellulasen, NSPEinfachzucker Xylanasen, ß-Glucanasen

19 19 Enzyme zur Spaltung von NSP: Cellulasen ß - Glucanasen Xylanasen CelluPract ® AS/L 100 CelluPract ® AS/L 70

20 20 Der Einsatz von NSP-spaltenden Enzymen: Abbau von räumlichen Strukturen Freisetzen von Einfachzuckern Damit: Freisetzung von Inhaltsstoffen Senkung der Viskositäten Verwertung der NSP Hemicellulose Cellulose Microfibrillen

21 21 Diese Überlegungen lagen unseren Arbeiten zu Grunde, die seit 1998 zum Einsatz von Cellulasen in der Faulstufe von Abwasserreinigungsanlagen durchgeführt werden

22 22 Einsatz geringer Mengen Enzympräparat Steigerung der Faulgasbildung Reduzierung des Flockungsmitteleinsatzes Reduzierung des oTS – Gehaltes des ausgefaulten Schlammes Der Einsatz von Enzymen in der Faulgasbildung Berliner Abwasserreinigungsanlagen

23 23 Parameter: 1 x 8.000 m 3 Faulbehälter 300 – 400 m 3 /Tag Zulauf 7,0 g/m 3 Enzymzugabe 500 kg Enzym in 6 Monaten Aufgaben: Tägliche Dosierung (2–3 kg) Analytische Überwachung Gasmenge / CH 4, CO 2 Schlammzu- und Ablauf TS, oTS in Zu- und Abläufen Flockungsmitteleinsatz Der Einsatz von Enzymen in der Faulgasbildung Berliner Abwasserreinigungsanlagen

24 24 PositionFB3 (+Enzym)FB4 (-Enzym) Ermittelte Gasausbeute (Nm 3 Faulgas / m 3 Schlamm) 18,3 Nm 3 /m 3 14,1 Nm 3 /m 3 Steigerung der Gasbildung (gesamt) 125 %100 % Bilanz des Großversuchs Waßmannsdorf

25 25 Entwicklung der Faulgasbildung Bilanz des Großversuchs Waßmannsdorf

26 26 Position+ EnzymReferenz Steigerung der Gasbildung112 %100 % Abbau oTS (%ual)46 %42 % Flockungshilfsmittel5,7 kg/t TS6,7 kg/t TS Restgehalt oTS44 %53 % Bilanz des Großversuchs Münchehofe

27 27 Bilanz des Großversuchs Münchehofe Entwicklung der Faulgasbildung

28 28 Der Einsatz von Enzymen in der Faulstufe der Abwasserbehandlung Zunahme der Gasbildung um 12 - 25 % Abbau der oTS um ca. 10 % Verbesserung des Entwässerungsverhaltens durch den Abbau von Polymerstrukturen Einsparung von 15 % Flockungshilfsmittel Resultate durch Dritte bestätigt ( Abwasseranlagen in Aachen, Lichtenstein/Vogtl. und Schwechat/Österreich)

29 29 Sind die Ergebnisse auf den Bereich der Biogasproduktion übertragbar? Gülle / Grasschnitt enthalten mehr NSP Die Abbauprozesse stimmen überein Die Einsatzbedingungen (T, pH, Mikroorganis- men, komplexe Substrate, anaerob) stimmen überein Der Einsatz NSP-abbauender Enzyme in Biogas- anlagen wird zu einem verbesserten Abbau der NSP und damit einer Steigerung der Gasbildung und Produktivität führen

30 30 Untersuchungen zu Einsatz NSP-spaltender Enzyme wurden begonnen In Zusammenarbeit mit renergie e.V. wird in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage der Einsatz des Cellulasepräparates CelluPract AS 100 erprobt: 280 m 3 Reaktorgröße (Arbeitsvolumen) Substrate (täglich): 5.000 kg Rindergülle (100 Milchkühe) 800 kg Grassilage, 300 kg Mais 480 – 520 Nm 3 Gas/Tag Biogasausbeute 700 – 800 kWh Elektroenergie Zugabe von 50 g Enzym 1 x täglich Versuch läuft seit 8 Wochen Steigerung der Energieerzeugung um 22 %

31 31 Berechnungsbeispiele Stromerlös: 0,10 /kWh; Steigerung Gasbildung: 20 % ParameterFall 1Fall 2Fall 3 GülleGeflügelRindSchwein GVE100500 Enzymkosten [/Jahr]110500540 Mehrerlös [/Jahr]5.400 9.000

32 32 Der Einsatz der Enzyme in der Biogasanlage: Nicht toxisch Nicht gesundheitsgefährdend 100 %ig abbaubar 1 x tägliche Zugabe keine Installationen bei sorgfältiger Handhabung keine Lagerungsprobleme

33 33 Ansatzpunkte für weitere Untersuchungen Weitere Anwendungen in kleinen und großen Anlagen Referenzen Enzymeinsatz in Zusammenhang mit NSP- reichen Kosubstraten: Steigerung der Ausbeuten Steigerung der Produktivitäten durch höhere TS- Gehalte (Viskositätssenkung) Weitere Umwandlung des Methans zu höherwertigen Stoffen (z.B. Methanol) BIOPRACT lädt Interessenten ein, sich an den Entwicklungen zu beteiligen (www.biopract.de)