Biomasse vorbereiten
Frische Einsatzstoffe werden mit keimhaltigen Fermentationsresten oder Biofiltrat zu einer pumpfähigen Biosuspension angemaischt.
Technische Lösung für pumpfähige Biomasse
Verfahren zur Methanfermentation im Pfropfenstrom
Das Verfahren überträgt die Vorteile eines definierten Pfropfenstroms auf die Nassfermentation pumpfähiger Biomasse. Ein hydraulisch geführter Außen- und Innenfermenter ermöglicht festgelegte Mindestbehandlungszeiten, die Erhaltung angepasster Mikrokulturen und einen weitgehend kontinuierlichen Betrieb.
Technische Grundlage: DE 10 2016 009 223 A1Ausgangsproblem
Voll durchmischte Durchflussfermenter sichern keine definierte Mindestbehandlungszeit
In einem kontinuierlich beschickten Rührfermenter können Anteile frisch zugeführter Biomasse bereits mit dem nächsten Austrag den Behälter verlassen, während andere Anteile deutlich länger als für den biologischen Abbau erforderlich im Fermenter verbleiben. Die mittlere Verweilzeit beschreibt deshalb nicht die tatsächliche Mindestbehandlungszeit des gesamten Stoffstroms.
Bekannte Pfropfenstromreaktoren sind häufig auf schüttfähige Substrate oder auf mechanisch aufwendige Förder- und Rührsysteme ausgerichtet. Die Verfahrenslösung schafft dagegen einen kontinuierlichen Pfropfenstrom für pumpfähige Biosuspensionen mit hohen Trockensubstanzgehalten.
Pumpfähige Biomasse und Biosuspensionen
12–20 % Trockensubstanz, vorzugsweise mindestens 15 %
Mindestbehandlungszeit von wenigstens 15 Tagen
Hydraulisch verbundener Außen- und Innenfermenter
Verfahrensablauf
Kontinuierliche Stoffführung mit definiertem Behandlungsweg
Die zugeführte Biomasse wird nicht vollständig im gesamten Fermenter verteilt, sondern durchläuft nacheinander räumlich unterscheidbare Prozessbereiche.
Außenfermenter beschicken
Die Beschickung erfolgt im oberen Bereich. Die Charge wird nur in die obere Substratschicht des Außenfermenters eingemischt.
Pfropfenstrom führen
Durch Verdrängung strömt das Gärsubstrat im Außenfermenter nach unten, durch die Bodenverbindung und anschließend im Innenfermenter nach oben.
Druckdifferenz nutzen
Unterschiedliche Gasdrücke erzeugen eine Höhendifferenz der Flüssigkeitsspiegel und stellen hydraulische Energie für Fluidisierung und Stofftransport bereit.
Gärrest austragen
Bei jeder Beschickung wird eine entsprechende Menge Fermentationsrest am Höchstpegel des Innenfermenters verdrängt und ausgetragen.
Anlagenprinzip
Hydraulischer Pfropfenstrom durch Außen- und Innenfermenter
Der Stoffweg führt vom oberen Bereich des Außenfermenters über die bodennahe Verbindung in den Innenfermenter bis zum Gärrestaustrag. Die getrennte Druckregelung der beiden Gasräume erzeugt den unterschiedlichen Flüssigkeitsspiegel.
Technische Auslegung
Wesentliche Betriebs- und Konstruktionsmerkmale
Trockensubstanzgehalt
Vorgesehen sind pumpfähige Biosuspensionen mit 12 bis 20 % Trockensubstanz, vorzugsweise mindestens 15 %. Der höhere Feststoffgehalt vermindert die Entmischungsneigung.
Fermentervolumen
Der nutzbare Fermentationsraum wird gemäß der Offenlegungsschrift mindestens in Höhe des 25-fachen täglich eingesetzten Biomassevolumens gewählt.
Organische Raumbelastung
Die Zuführung frischer Biomasse ist auf maximal 6 kg organische Trockenmasse je m³ nutzbaren Fermentationsraum und Tag begrenzt.
Getrennte Gasdruckregelung
Im beschriebenen Pfropfenstrombetrieb wird der absolute Abströmdruck im Außenfermenter auf maximal 1,45 bar und im Innenfermenter auf maximal 1,05 bar begrenzt.
Schwimmschichtkontrolle
Bei Bedarf können Gasüberströmkanäle kurzzeitig aktiviert oder zusätzliche Fluidisierungshilfen eingesetzt werden, um störende Schwimmschichten im Innenfermenter aufzubrechen.
Sedimentaustrag
Ein kurzzeitiger Druckausgleich zwischen den Gasräumen erzeugt eine bodennahe Ringströmung. Dadurch können sedimentreiche Anteile zu den vorgesehenen Austragsstutzen transportiert werden.
Kundennutzen
Definierte Behandlung bei reduziertem mechanischem Aufwand
Gesicherte Mindestbehandlungszeit
Der vorgegebene Stoffweg vermindert hydraulische Kurzschlussströmungen und ermöglicht eine Mindestbehandlungszeit, die deutlich näher an der mittleren Verweilzeit liegt als im voll durchmischten Durchflussfermenter.
Bessere Substratausnutzung
Zu frühe Austräge noch nicht ausreichend umgesetzter Biomasse werden vermindert. Dadurch kann das energetische Potenzial der organischen Inhaltsstoffe besser genutzt werden.
Angepasste Mikrokulturen
Entlang des Pfropfenstroms können sich Mikrokulturen an die schrittweise veränderte Substratqualität anpassen. Biofiltrat unterstützt die Rückführung aktiver Keime und Sporen.
Weniger Rührenergie und Verschleiß
Die Gasentbindung übernimmt einen wesentlichen Teil der Mikroumwälzung. Mechanische Rührwerke werden vor allem zum Einmischen oder als bedarfsweise Fluidisierungshilfe eingesetzt.
Hygienisierungspotenzial
Die gesicherte Behandlungszeit kann bei geeigneter Temperaturführung eine Vollstromhygienisierung unterstützen. Die im Patent genannten Effekte sind für das jeweilige Substrat und Betriebskonzept nachzuweisen.
Kompakte Bauweise
Die koaxiale Anordnung von Außen- und Innenfermenter ermöglicht große Füllhöhen, einen vergleichsweise geringen Flächenbedarf und reduzierte wärmeübertragende Außenflächen.
Ausführungsbeispiel der Offenlegungsschrift
Dimensionierungsbeispiel für eine Biosuspension aus Getreidereinigungsrückständen
Im beschriebenen Beispiel werden täglich 8 t Getreidereinigungsrückstände mit 42 m³ Biofiltrat zu 50 t Biosuspension mit etwa 18 % Trockensubstanz angemaischt. Ein Pfropfenstromfermenter mit 3.000 m³ Nutzvolumen ergibt bei 50 m³ täglicher Beschickung eine mittlere Verweilzeit von 60 Tagen und eine im Beispiel angegebene Mindestbehandlungszeit von mindestens 18 Tagen.
Die Zahlen sind keine allgemeine Leistungszusage. Die erreichbaren Methanerträge, Behandlungszeiten und Hygienisierungseffekte sind einsatzstoff- und projektspezifisch zu berechnen und nachzuweisen.
3.000 m³ nutzbarer Fermentationsraum50 m³ Biosuspension pro Tag60 Tage mittlere Verweilzeitmindestens 18 Tage Mindestbehandlungszeit im Beispiel
Technischer Hintergrund
Die dargestellte Verfahrenslösung orientiert sich an der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2016 009 223 A1 „Verfahren zur Methanfermentation im Pfropfenstrom und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens“. Die konkrete Auslegung von Fermentervolumen, Druckstufen, Belastung, Temperaturführung, Sicherheitstechnik, Werkstoffen und Einbindung in die Gesamtanlage muss projekt-, standort- und einsatzstoffbezogen erfolgen.
Technische Projektprüfung