RT Dissertation/Thesis
T1 Optimierung der primären Gärung bei zweistufigen Biogasanlagen
A1 Lindner,Jonas Philipp
WP 2016/08/10
AB Die anaerobe mikrobielle Konversion von Biomasse zu Biogas erfolgt über mehrere Prozessschritte, die aufgrund der beteiligten Mikroorganismen zur primären Gärung, sekundären Gärung und Methanbildung zusammengefasst werden können. Im Gegensatz zu einstufigen Verfahren soll in zweistufigen Biogasprozessen die primäre Gärung und die Methanogenese räumlich getrennt ablaufen, um den unterschiedlichen Milieuanforderungen der beteiligten Mikroorganismen besser entsprechen zu können. Für diese zweistufige Biogasproduktion sind in der Literatur viele verschiedene Kombinationen an Reaktortypen beschrieben. Die hauptsächlich für die Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen eingesetzten, diskontinuierlich betriebenen Perkolationsreaktoren haben den Nachteil, dass im Prozessablauf der pH-Wert nicht reguliert werden kann und somit keine konstante Säure- und Gasbildung möglich ist. Daneben werden geregelt wird.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde an der Landesanstalt für Agrartechnik und Bioenergie ein vollständig automatisiertes, kontinuierliches, zweistufiges Verfahren entwickelt und im Labormaßstab aufgebaut. Bei diesem Verfahren wurde ein Rührkesselreaktor mit integrierter Filtration zur Fest-Flüssigtrennung mit einem Anaerobfilter kombiniert. Der pH-Wert der ersten Prozessstufe konnte über die Rückführung von basischem Effluent aus dem Anaerobfilter reguliert werden. Um diese neu entwickelte Regulierung des pH-Wertes zu überprüfen und zu optimieren, wurde untersucht, (I) welcher Einfluss von den Substrateigenschaften auf den Abbaugrad und den Biogasertrag der zugeführten Biomasse ausgeht, (II) welcher pH-Wert in der ersten Prozessstufe einen optimalen Aufschluss der Biomasse ermöglicht, (III) ob durch eine kombinierte mechanisch/enzymatische Aufbereitung der Gärreste und deren Rückführung in den Prozess eine Steigerung des Gesamtmethanertrages der Biomasse erreicht werden kann.
Die durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass eine pH-Wert-Regulierung in der primären Gärung mittels einer Rückführung von basischem Effluent aus dem Anaerobfilter ohne Einsatz von Additiven mit einer sehr hohen Präzision möglich ist. Durch diese pH-Wert-Regulierung konnte eine konstante Säure- und Gasbildung erzielt werden. 
Die Untersuchungen zum Einfluss des pH-Wertes auf den Abbaugrad von lignocellulosehaltigen Substraten zeigten ein Optimum, wie in der Literatur beschrieben, bei pH-Werten zwischen 7 und 8. Bei einem pH-Wert von 5,75 wurde im Vergleich zu den ermittelten Gasertragspotenzialen der Substrate im zweistufigen System eine Methanausbeute erzielt, die bei dem Substrat „Heu/Stroh“ um -70,6 % und bei dem Substrat „Maissilage“ um -31,3 % geringer ist. Im Gegensatz dazu konnte bei zuckerhaltigen Substraten kein Unterschied zwischen dem Batchtest und dem zweistufigen System ermittelt werden.
Die Aufbereitung der Gärreste mittels der Kugelmühle zeigte keine Verluste an leicht flüchtigen Substanzen durch eine Erwärmung. Durch die mechanische Aufbereitung konnte eine Steigerung des spezifischen Methanertrages um 9 % bei der Aufbereitung des „Maissilage“ Gärrestes und um 17 % bei der Aufbereitung des „Heu/Stroh“ Gärrestes aus der zweistufigen Anlage erreicht werden. Bei der Aufbereitung des Gärrestes der Praxisanlage konnte eine Verdreifachung des spezifischen Methanertrages auf einem sehr geringen Niveau ermittelt werden. Die kombinierte mechanische/enzymatische Aufbereitung mit dem aeroben Pilz „lentinula edodes“ führt bei dem „Heu/Stroh“ Gärrest zu Verlusten der organischen Trockenmasse zwischen 58,2 % und 86,4 % und bei dem Gärrest der Praxisanlage zwischen 10,8 % und 18,4 %. Außerdem konnte bei dem „Heu/Stroh“ Gärrest ein Anstieg des Ligningehaltes ermittelt werden. Bei den Gärresten der zweistufigen Anlage führte die kombinierte mechanisch/enzymatische Aufbereitung zu einem Verlust der Methanausbeute von bis zu 86,4 %. Im Gegensatz dazu zeigte der Gärrest der Praxisanlage einen Anstieg der Methanbildung um 134,5 %.
Die Untersuchungen belegen, dass der Einsatz von zweistufigen Systemen im Sinne der „klassischen“ Biogasproduktion nur für leicht abbaubare Stoffe vorteilhaft ist. Wird auf eine Trennung der Milieubedingungen verzichtet, ist die Reaktorkaskade aus Rührkesselreaktor und Anaerobfilter aufgrund der Flexibilität, Prozessstabilität und hohen Belastbarkeit sehr gut zur Verwertung von Bioabfällen mit wechselnden Zusammensetzungen geeignet. Zudem konnten wesentliche Grundlagen für den Einsatz von innovativen Fermentationsverfahren, wie z.B. der Druckfermentation, gelegt werden. Die kombinierte mechanisch/enzymatische Aufbereitung scheint sowohl für die einstufige als auch für die zweistufige Biogasproduktion eine sinnvolle Alternative zur klassischen Substrataufbereitung zu sein und sollte in weiteren Projekten untersucht werden.

K1 Erneuerbare Energien
K1 Biogas
K1 Methan
K1 Organische Säuren
K1 enzymatische Aufbereitung
PP Hohenheim
PB Kommunikations-, Informations- und Medienzentrum der Universität Hohenheim
UL http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2016/1242