Optimierung der primären Gärung bei zweistufigen Biogasanlagen | Optimization of primary fermentation in two-stage biogas plants

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.

The microbial conversion of biomass into biogas generally comprises several steps. These steps, are divided in accordance to the involved microorganisms and are often referred to as primary fermentation, secondary fermentation and methane formation. In contrast to single-stage, two-stage biogas system performs primary fermentation spatially separated from the methanogenesis in order to provide optimal milieu conditions for each group of microorganisms. There are many different reactor settings outlined in scientific literature for two-stage biogas production. For the digestion of energy crops or biowaste, discontinuously charged leach-bed reactors are often combined with anaerobic filters. The main disadvantage of this setup is the impossibility of regulating the pH-value in the first step, thus leading to fluctuating acid and gas production rates. To avoid this, new approaches aim to use continuous flow stirred-tank reactors for the process of primary fermentation, using chemical additives for the pH regulation. In the framework of this research, a process automation for a continuous two-stage system was developed and implemented in two lab scale plants at the State Institute of Agricultural Engineering and Bioenergy. Each laboratory plant comprised of a continuous stirred-tank reactor with an integrated filtration for solid-liquid separation and an anaerobic filter. In the primary fermentation stage, the adjustment of the pH-value was made by an indicatorbased return of alkaline effluent from the anaerobic filter. In order to evaluate and optimize the newly developed and completely automated pH-regulation system, this study investigated the (I) influence of the substrate characteristics on the degree of degradation and the biogas yields, (II) optimal pH-value for biomass degradation in the primary fermentation and (III) the possibility of enhancing methane yields by combined mechanical and enzymatic treatment of digestates with a subsequent refeeding into the process. The results of the investigations clearly showed the suitability of the system for a highprecision pH-regulation in primary fermentation for the tested pH-values 5.5, 6.0, 7.0 and 7.5. This unique technique enabled the continuous formation of organic acids and biogenic gases. Hay/straw, maize silage and sugar beet silage were digested at a pH-value of 5.75 in order to investigate the influence of different substrates on the two-stage system performance. Compared to the determined potential biogas yields, the recorded methane yields were 70.6 % lower for the hay/straw substrate and 31.3 % lower for maize silage in the two-stage system. Contrary to this, for sugar beet silage no difference in the gas yields between the batchtest and the two-stage system could be detected. Further investigations on the influence of pH-value on the degradation rate of lignocellulosic substrates showed an optimum pH between 7 and 8. The mechanical treatment of the digestates with the ball mill exhibited no losses of volatile solids through warming. The application of this procedure enhanced the specific methane yield from 9 to 17 % for maize silage digestate and hay/straw digestate respectively from the described laboratory plant. The treatment of the digestate obtained from a full-scale plant permitted a triplication of the specific methane yield at very low level. The combined mechanical and enzymatic treatment through the aerobic fungi “lentinula edodes” resulted in losses of volatile solids between 58.2 and 86.4 % for the hay/straw digestate and between 10.8 and 18.4 % for the substrate from the full-scale biogas plant depending on the incubation time. Furthermore, the investigations determined an increase in the lignin content of the hay/straw digestate by the combined treatment. Overall, using the digestate of the two-stage system, the mechanical/enzymatic treatment attributed to a methane yield loss by 86.4 %. In contrast, an increase of methane production by 134.5 % was observed with the full-scale digestates. This study has revealed that two-stage biogas systems are favorable only for easily degradable substrates. The phase separation was not beneficial for fiber rich substrates. Based on the results, a reactor cascade consisting of a continuous stirred-tank reactor and an anaerobic filter with similar milieu conditions seems to be well suited for the digestion of organic wastes. Due to the extraordinary high process stability, flexibility and high load capacity this system is very suitable for the treatment of substrates with extremely varying compositions. Moreover, within the study essential basics for the application of innovative fermentation procedures (e.g. pressure fermentation) were investigated. The combined mechanical and enzymatic treatment of digestates seems to be an interesting alternative to the established substrate pretreatment systems and it can be recommended also for single-stage biogas plants.