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Bei der anaeroben Vergärung von faserreicher Biomasse zur Produktion von Biogas erweist sich die Hydrolyse von komplexen organischen Substanzen wie Grüngut, Stroh oder Hofdünger oftmals als der geschwindigkeitsbestimmende Teilschritt. Speziell der Abbau von Cellulose und Lignocellulose ist unter anaeroben Bedingungen erschwert [1]. Ursache ist der starke Zusammenhalt zwischen den Verbindungen innerhalb der Pflanzenstruktur, die eine effektive Barriere gegenüber einem hydrolytischen oder enzymatischen Abbau bilden [2]. Durch eine Vorbehandlung des Substrates lassen sich diese komplexen biochemischen Strukturen aufbrechen. Mittels vorgeschalteter biologischer Hydrolyse kann die stabile Lignozellulosestruktur effizienter aufgeschlossen und dem anaeroben mikrobiologischen Abbau bis zum Biomethan zugänglich gemacht werden. Zur Vorbehandlung von Biomasse existiert eine Vielzahl von Verfahren und Technologien, die eine Verbesserung der anaeroben Abbaubarkeit anstreben. Sie lassen sich in physikalische, chemische und biologische Verfahren unterteilen. Biologische Verfahren besitzen gegenüber den physikalischen und chemischen Verfahren oft eine Reihe von Vorteilen, aber auch einige Nachteile.
– Umsetzung unter milden Prozessbedingungen von Druck und Temperatur nahe den Umgebungsbedingungen
– geringe Anforderungen an Druck-, Korrosions- und Chemikalienbeständigkeit der Apparate
– weitgehende Vermeidung der Bildung von Hemmstoffen und toxischen Zwischenprodukten
– weitgehende Vermeidung des Einsatzes von Chemikalien und der Entstehung zusätzlicher Abfallströme
– überwiegend geringe Investitions- und Energiekosten
– grössere Verweilzeiten und entsprechend höherer Platzbedarf
– mögliche Methanpotenzialverluste durch unerwünschten Substratkonsum
– unvollständiger Umsatz und geringere Ausbeute
– hohe Substratspezifität hinsichtlich der optimalen Betriebsparameter
– unvollständige Elimination von pathogenen Keimen
Ein neuerer Vertreter der biologischen Vorbehandlung ist die mikroaerobe Hydrolyse. Hierbei werden in oder vor der Vergärung dem Substrat gezielt kleine Mengen an molekularem Sauerstoff resp. Luft zudosiert. Dies ermöglicht fakultativ aeroben/anaeroben Mikroorganismen ihren Stoffwechsel relativ schnell von der anaeroben Vergärung auf eine aerobe Veratmung des Substrates umzustellen [3]. Dabei wird eine deutlich höhere Aktivität an hydrolytischen Enzymen beobachtet, was die Hydrolyse anaerob langsam oder schwer abbaubarer Biomasse verbessert [1, 3, 4]. Die mikroaerobe Hydrolyse kann in situ (einstufig, im Fermenter) oder ex situ (zweistufig, der Fermentation vorgeschaltet) durchgeführt werden. Die zweistufige Prozessführung verhindert eine Hemmung der strikt anaeroben Methanogenen durch molekularen Sauerstoff, was zu einer Reduzierung der Methanbildung führen kann. Ferner sind im Hinblick auf Explosionsschutz sauerstoffhaltige Bereiche von methanhaltigen Bereichen räumlich getrennt.
Der erzielte Methan-Mehrertrag bei der Ex-situ-Variante ist abhängig von der mikroaeroben Verweilzeit sowie der für das Substrat spezifischen, optimalen Sauerstoffmenge [1, 2, 5]. Bei zu wenig Sauerstoff ist keine aerobe Hydrolyse der komplexeren organischen Substanz möglich. Zu viel Sauerstoff besitzt dagegen eine inhibierende Wirkung auf strikt anaerobe Mikroorganismen und birgt das Risiko einer aeroben Veratmung des Substrates zu Kohlenstoffdioxid unter Freisetzung von Wärme, was zu deutlich reduzierten Methanerträgen führen kann. Als weiterer Schlüsselparameter erweist sich die Temperatur der aeroben Stufe. Die Literaturauswertung der Hydrolysetemperatur zeigt hingegen keinerlei Trends bezogen auf den Methan-Mehrertrag. Sowohl für mesophile (35–40 °C) als auch für thermophile (55 °C) Bedingungen ist eine signifikante Steigerung der Biomethanproduktion möglich. Die Verweilzeit der Hydrolyse als Schlüsselparameter lässt im Bereich von 12–24 h ebenfalls kaum konkrete Schlüsse auf optimale Werte zu. Dem gegenüber bestehen klare Hinweise, was die spezifische Zugabe von Sauerstoff betrifft. Die pulsweise Zugabe zeigt im Vergleich zur einmaligen oder zur kontinuierlichen Begasung deutlich bessere Resultate [1, 2, 3, 6]. Optimale Sauerstoffmengen sind deutlich substratspezifisch und liegen meist im Bereich zwischen 5 und 20 ml O2/g oTS [7].
Vorarbeiten der ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften haben die grundsätzliche Machbarkeit der mikroaeroben Hydrolyse unter praxisnahen Bedingungen gezeigt [7]. Zwischen 2016 und 2019 wurde in einer ersten Phase das F&E-Projekt «HYDROFIB – Mikroaerobe Hydrolyse faserreicher Biomasse zur Steigerung der Biogasproduktion» durchgeführt, um folgende Kernfragen zu beantworten:
a) Wie hoch ist das zusätzlich nutzbare Biomassepotenzial in der Schweiz?
Das in der Schweiz tatsächlich abschöpfbare Potenzial an neuen Biomassefraktionen, die bisher nicht oder nur wenig effizient in Biogasanlagen verwertet werden, ist nicht mit ausreichendem Detaillierungsgrad erfasst (lokal, regional, saisonal). Es stellen sich folgende Fragen: Wie gross ist das zusätzliche, nachhaltige Energiepotenzial bei einer flächendeckenden mikroaeroben Hydrolyse und Vergärung von faserhaltigen Substraten? Welches zusätzliche Energiepotenzial der bereits in Biogasanlagen verwerteten, faserhaltigen Substrate besteht?
b) Welche Verweilzeiten und welches hydraulische Regime sind in der Hydrolysestufe erforderlich?
Die optimalen, mikroaeroben Hydrolysezeiten für unterschiedliche faserreiche Substrate sind nicht bekannt und können nicht aus der Vorbehandlung von nachwachsenden Rohstoffen (Nawaro) abgeleitet werden. Das hydraulische Regime der Hydrolyse, also die Beschickungsintervalle und die Anteile an Impfbiomasse sind in der Literatur nicht hinreichend beschrieben.
c) Wieviel Sauerstoff resp. Luft wird effektiv benötigt?
Die fĂĽr den optimalen Aufschluss von unterschiedlichen Fasersubstraten notwendige Menge, Frequenz und Art der Dosierung von molekularem Sauerstoff im mikroaeroben Hydrolysereaktor sind noch nicht genĂĽgend erforscht.
d) Welches Produktspektrum ergibt sich aus dem Hydrolyseschritt?
Das optimale Spektrum an Zwischenprodukten für die anschliessenden Abbauschritte und für eine maximale Methanproduktion, insbesondere an kurzkettigen organischen Fettsäuren, ist in der Literatur nicht definiert.
e) Wie hoch ist der ökonomische Nutzen dieser neuen Technologie?
Die ökonomische Auswirkung einer separaten, mikroaeroben Vorbehandlungsstufe auf die betrieblichen Abläufe einer anaeroben Vergärungsanlage können aufgrund fehlender Erfahrungen und Betriebsdaten nicht beziffert werden.
Das Projekt wurde durch das Bundesamt für Energie und den Forschungs-, Entwicklungs- und Förderungsfonds der Schweizer Gasindustrie (FOGA) co-finanziert.
Ziel einer Potenzialabschätzung ist es, faserreiche Biomasse mit einem bedeutsamen, nachhaltigen Nutzungspotenzial in der Schweiz und einer verhältnismässig grossen Steigerung der spezifischen Methanproduktion durch die Vorbehandlung mittels mikroaerober Hydrolyse zu identifizieren. Zusätzlich ist entscheidend, dass die Handhabbarkeit und die Verfügbarkeit der entsprechenden Monosubstrate für eine technische Umsetzung gewährleistet sind. Diese vier Kriterien mit entsprechenden Unterkriterien wurden auf eine Palette von sieben Hofdüngern, sieben Rückständen aus dem Pflanzenbau, zwölf gewerblich-industriellen Reststoffen und zwei Nebenprodukten aus Biogasanlagen mittels einer Nutzwertanalyse zur Potenzialabschätzung angewendet.
Die vier inländischen Substrate «Rindviehgüllefeststoffe», «Pferdemist», «Nebenprodukte landwirtschaftlicher Pflanzenbau» sowie «Grüngut» weisen je ein bedeutsames, zusätzliches Energiepotenzial auf und erweisen sich auch als technisch geeignet für die mikroaerobe Hydrolyse. Insgesamt enthalten sie ein Potenzial für einen jährlichen Methan-Mehrertrag von ca. 2,0 PJ.
Für die Potenzialbetrachtung von Rindviehgüllefeststoffen und von Pferdemist wird davon ausgegangen, dass die Verarbeitung sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch sinnvoll und technisch machbar ist. Die Berechnungen berücksichtigen, dass die Gesamtmenge an Rindviehgülle separiert wird, bei der Separation 50% der organischen Trockensubstanz in der festen Fraktion verbleiben [8] und diese in einer Biogasanlage verwertet werden. Das Potenzial eines Biomethan-Mehrertrags durch die vorgeschaltete mikroaerobe Hydrolysestufe (+20%) aus Rindviehgüllefeststoffen beträgt gemäss ersten Abschätzungen 0,54 PJ, der Mehrertrag aus Pferdemist gut 0,32 PJ.
Die Potenzialbetrachtung für Nebenprodukte des landwirtschaftlichen Pflanzenbaus sowie für kommunales Grüngut basiert auf den Potenzialen, Restriktionen und Konkurrenznutzen aus vorhergehenden Projekten [9]. Für das zusätzliche, nachhaltige Potenzial ist bei Grüngut ein Potenzial von rund 2 PJ mitberücksichtigt, welches in naher Zukunft aus dem Hauskehricht ins kommunale Grüngut gelangen kann. Durch eine flächendeckende Anwendung der mikroaeroben Vorbehandlung kann ein Biomethan-Mehrertrag von 0,22 PJ aus landwirtschaftlichen Nebenprodukten und von 0,90 PJ aus Grüngut erwartet werden.
Untersuchungen zur mikroaeroben Hydrolyse werden in der Literatur fast ausschliesslich als Batch-Experimente im Labormassstab beschrieben. Nur vereinzelt gibt es Anwendungen im Pilotmassstab, die als Semi-Batch [10] oder als In-situ-Verfahren betrieben wurden [11]. Betriebsparameter zur Steuerung der mikroaeroben Phase sind dabei oft nur unzulänglich quantifiziert. Im Rahmen des HYDROFIB-Projekts wurden in mehreren ca. einwöchigen Versuchsläufen in einem 6,4-l-Laborreaktor die Einflüsse von Impfkultur, Beschickungsrhythmus, Belüftungsrhythmus und -menge sowie hydraulischer Verweilzeit auf die mikroaerobe Hydrolyse von Weizenstroh und Rindergüllefeststoff untersucht. Als Überwachungsparameter standen die Gelöstsauerstoffkonzentration (pO2) [mg/l], das Redox-Potenzial (ORP) [mV], der Gehalt an O2, CO2 und CH4 in der Abluft sowie das Biomethanpotenzial (BMP) der behandelten Substrate zur Verfügung.
Aerober Belebtschlamm erweist sich gegenüber flüssigem Gärgut, Faulschlamm oder Perkolat einer Boxenvergärung als bessere Impfkultur für die mikroaerobe Hydrolyse. Es wird vermutet, dass Impfkulturen aus anaeroben Prozessen nur einen geringen Gehalt an fakultativ aeroben Organismen aufweisen und daher längere Adaptationszeiten von mehreren Wochen benötigen, bis diese sich im kontinuierlichen Betrieb unter mikroaeroben Bedingungen anreichern.
Für Weizenstroh wird bei einer Verweilzeit von 12 bis 24 h in der mikroaeroben Hydrolyse ein Methan-Mehrertrag von 14% nach einer Vergärzeit von 35 d erreicht. Auf der separierten Feststofffraktion von Rindviehgülle wird bei einer Verweilzeit von 24 h in der mikroaeroben Hydrolyse nach 35 d Vergärzeit ein Methan-Mehrertrag von 10 bis 15% erreicht. Dieser ist entgegen Erkenntnissen aus der Literatur stark abhängig von der Hydrolysetemperatur bei einem optimalen Bereich um 45 °C. In einem kontinuierlichen Betrieb wird für beide Substrate aufgrund der längeren Adaptationszeit der aeroben Mikrobiologie mit tendenziell leicht kürzeren hydraulischen Verweilzeiten gerechnet.
Neben den aus der Literatur bekannten Betriebsparametern der hydraulischen Verweilzeit und spezifischen Belüftungsrate erweisen sich die Hydrolysetemperatur und die Herkunft der aeroben Hydrolysebiologie als kritisch für einen optimalen Betrieb. Alle Parameter sind ausgeprägt substratspezifisch und für einzelne Substrate jeweils separat festzulegen. Die Parameter «ORP», «pO2» sowie «O2- und CH4-Gehalt im Abgas» haben sich in Laborversuchen als geeignet zur Prozesskontrolle erwiesen. Normalwerte des ORP liegen zwischen –430 und –500 mV, während der stossweisen Belüftungsphasen steigen sie für Minuten auf –400 bis –200 mV. Die Gelöstsauerstoff-Werte liegen während der Belüftungsphasen bei tiefen 50–400 ppb und bedürfen speziell sensiblen Messarmaturen für eine wirkungsvolle Prozesskontrolle. Der pH-Wert ist als Kontrollparameter nicht geeignet. Er bewegt sich unabhängig von anderen Einflussfaktoren im leicht sauren Bereich von 6,2 bis 6,9.
Zur Verifizierung der im Labormassstab beobachteten Effekte wird 2021 ein Folgeprojekt initiiert, das fĂĽr semikontinuierliche Versuche auf eine in Phase 1 erstellte Pilotanlage mit zwei 20-Fuss-Containern zurĂĽckgreift.
Eine bestehende, manuell betriebene Pilotanlage wurde in Phase 1 technisch optimiert und für einen halbautomatischen Pilotbetrieb vorbereitet. Die Pilotanlage wurde um eine gekühlte Substratkonditionierung erweitert, die einen technisch stabilen Betrieb über mehrere Tage ohne erhebliche Substratveränderung erlaubt. Die verfahrenstechnisch kritische Stufe der mikroaeroben Hydrolyse wurde neu konzipiert und gebaut, sodass eine kontrollierte Zugabe von kleinen Mengen an Sauerstoff resp. Luft möglich ist. Zudem wurde die Stufe mechanisch optimiert und weniger verstopfungsanfällig ausgeführt. Container 1 beinhaltet die Substratkonditionierung und -lagerung inkl. Zerkleinerung und Kühlung, Container 2 die Hydrolyse und Vergärung mit zwei Vergärungslinien (mikroaerobe Hydrolyse/Referenz) inkl. Steuerung und Gasanalyse. Die Linie mit mikroaerober Hydrolyse (50 l) teilt sich wiederum auf zwei Fermenter à je 400 l auf, die bei unterschiedlichen Verweilzeiten betrieben werden können. Damit sind parallel verschiedene Verweilzeiten für die Vergärung mit Vorbehandlung pilotierbar.
[1] Fu, S.-F. et al. (2015a): The thermophilic (55 °C) microaerobic pretreatment of corn straw for anaerobic digestion. Bioresource Technology 175, 203–208. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2014.10.072
[2] Fu, S.-F. et al. (2015b): Secondary thermophilic microaerobic treatment in the anaerobic digestion of corn straw. Bioresource Technology 186, 321–324. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2015.03.053
[3] Botheju, D.; Bakke, R. (2011): Oxygen effects in anaerobic digestion – A review. The Open Waste Management Journal 411(1):1-19, DOI: 10.2174/1876400201104010001
[4] Botheju, D. et al. (2010): An experimental study on the effects of oxygen in bio-gasification; Part 1, in: Proceedings of the International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ 10), Granada, Spain
[5] DĂaz, I.; Donoso-Bravo, A.; Fdz-Polanco, M. (2011): Effect of microaerobic conditions on the degradation kinetics of cellulose. Bioresource Technology 102, 10139–10142. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2011.07.096
[6] Lim, J.W.; Wang, J.-Y. (2013): Enhanced hydrolysis and methane yield by applying microaeration pretreatment to the anaerobic co-digestion of brown water and food waste. Waste Management 33, 813–819. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2012.11.013
[7] Baier, U.; Treichler, A.; Ruch, D. (2014): Mikroaerobe Hydrolyse von Fasersubstraten – Pilotierung der anaeroben Vergärung von landwirtschaftlichen Reststoffen unter Einbezug der vorgeschalteten mikroaeroben Hydrolyse – Technisch-wissenschaftlicher Schlussbericht, unveröffentlicht. ZHAW, Fachstelle Umweltbiotechnologie, Wädenswil
[8] Treichler, A. et al. (2017): LEVER – Leistungssteigerung der Vergärung von Rindergülle zu Biogas durch innovative Vorbehandlung und neuartige Reaktorsysteme. ZHAW Schlussbericht BFE Projekt
[9] Thees, O. et al. (2017): Biomassenpotenziale der Schweiz fĂĽr die energetische Nutzung. Eidg. Forschungsanstalt fĂĽr Wald, Schnee und Landschaft WSL
[10] Nguyen, P.; Kuruparan, P.; Visvanathan, C. (2007): Anaerobic digestion of municipal solid waste as a treatment prior to landfill. Bioresource Technol. 98, 380–387
[11] Ramos, I.; Fdz-Polanco, M. (2013): The potential of oxygen to improve the stability of anaerobic reactors during unbalanced conditions: Results from a pilot-scale digester treating sewage sludge. Bioresource Technology 140, 80–85. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2013.04.066
[12] Zhu, M. et al. (2009): Regulating the hydrolysis of organic wastes by micro-aeration and effluent recirculation. Waste Management 29, 2042–2050. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2008.12.023
Am Projekt HYDROFIB sind Forschungsgruppen der ZHAW in Wädenswil und der WSL in Birmensdorf sowie die FBI First Biogas International in Winterthur beteiligt. Das Projekt findet im Rahmen der Innosuisse Initiative SCCER BIOSWEET statt und wird vom BFE Bundesamt fĂĽr Energie sowie dem FOGA Forschungsfonds der Schweizerischen Gasindustrie finanÂziell unterstĂĽtzt.
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