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DE102011051836A1 - Producing biogas comprises providing reactor with fillers, immobilizing methanogenic microorganisms on the surface of fillers, sprinkling fillers with nutrient solution, introducing gaseous substrates and discharging the biogas - Google Patents

Producing biogas comprises providing reactor with fillers, immobilizing methanogenic microorganisms on the surface of fillers, sprinkling fillers with nutrient solution, introducing gaseous substrates and discharging the biogas Download PDF

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DE102011051836A1
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nutrient solution
microorganisms
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Inventor
Günter Busch
Marko Burkhardt
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Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
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Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
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Abstract

Producing biogas comprises: (a) providing a reactor fitted with fillers; (b) immobilizing methanogenic microorganisms (methane bacteria) on the surface of the fillers; (c) sprinkling the fillers with a nutrient solution for the micro-organisms along with the immobilized methanogenic microorganisms; (d) introducing gaseous substrates in the reactor for biogas production; and (e) discharging the biogas produced from the reactor. An independent claim is also included for a device for producing the biogas, comprising at least one biogas reactor, which is filled with fillers, where immobilized microorganisms are provided on the surface, a sprinkler for sprinkling the filler with a nutrient solution, an inlet for introducing the gaseous substrates into the bioreactor and a diverter to derive the resulting biogas.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nutzung gasförmiger Substrate für die Gewinnung von Biogas und zur Verminderung des hydrostatischen Druckes in Biogasanlagen.The invention relates to a method and a device for using gaseous substrates for the production of biogas and for reducing the hydrostatic pressure in biogas plants.

Die Verwendung ausschließlich gasförmiger Substrate für die Gewinnung von Biogas ist bisher unbekannt und unüblich. Es sind lediglich Anwendungen bekannt, bei denen zusätzlich zum üblichen Substrat (also nachwachsende Rohstoffe, Gülle u. ä.) ein Einpressen von Gasen, darunter Hydrolysegas und Wasserstoff, in die Biogasreaktoren vorgenommen wird, um die Ausbeute an Methan zu steigern bzw. unerwünschte Gaskomponenten biologisch umzuwandeln.The use of only gaseous substrates for the production of biogas is previously unknown and unusual. There are only known applications in which in addition to the usual substrate (ie renewable resources, manure, etc.), a pressing of gases, including hydrolysis gas and hydrogen, is carried out in the biogas reactors to increase the yield of methane or undesirable gas components to convert biologically.

Gasförmige Substrate haben auch deshalb bisher keine Rolle für die Biogaserzeugung gespielt, weil ihr Mengenaufkommen als sehr gering eingeschätzt wurde und das Einpressen in Biogasanlagen auf technologische Probleme stößt: Es muss ein hoher Druck aufgebracht werden, um die Gase in die bisher üblichen, mit Gärflüssigkeit gefüllten Biogasreaktoren einzupressen, und es ist eine sehr gute Verteilung der Gasblasen erforderlich, um einen optimalen Stoffaustausch zwischen Gas und Flüssigkeit zu gewährleisten.Therefore, gaseous substrates have so far played no role in the biogas production, because their volume was estimated to be very low and the pressing in biogas plants encounters technological problems: It must be applied a high pressure to the gases in the usual, filled with fermentation liquid Press in biogas reactors, and it is a very good distribution of gas bubbles required to ensure optimal mass transfer between gas and liquid.

Die Verwendung gasförmiger Substrate wird insbesondere dadurch interessant, da inzwischen die vollständige Umwandlung eines Gemisches aus Wasserstoff und Kohlendioxid in Methan gelingt und somit das Kohlendioxid als Kohlenstoffquelle für die Methangewinnung dient. Darüber hinaus können auch Pyrolysegase, die eine Vielzahl unterschiedlicher Kohlenwasserstoffe in Mischung mit Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid enthalten, in ein Gasgemisch mit der Hauptkomponente Methan überführt werden. Des Weiteren stehen auch andere Gase, z. B. Abgase aus der Wärmebehandlung von Nahrungs- und Genussmitteln, als Substrate zur Verfügung. Diese gasförmigen Substrate müssen jedoch frei von molekularem oder atomarem Sauerstoff sein, um die Inhibierung der Methanbakterien zu vermeiden. Die benannten potenziellen Gasströme werden heute oft mittels aerober(Bio-)Filter oder (Bio-)Wäscher aufwendig gereinigt. Es erfolgt keine Umsetzung in ein verwertbares energiereiches Endprodukt (Biogas).The use of gaseous substrates is particularly interesting because now the complete conversion of a mixture of hydrogen and carbon dioxide in methane succeeds and thus serves the carbon dioxide as a carbon source for methane production. In addition, pyrolysis gases containing a variety of different hydrocarbons mixed with hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide can be converted into a gas mixture with the main component methane. Furthermore, there are other gases, eg. As waste gases from the heat treatment of food and beverages, as substrates available. However, these gaseous substrates must be free of molecular or atomic oxygen to avoid inhibition of the methane bacteria. The named potential gas streams are today often cleaned by means of aerobic (bio) filter or (bio-) scrubber consuming. There is no conversion into a usable high-energy end product (biogas).

Ein weiteres Problem bei der Biogaserzeugung in allen bisher betriebenen Biogasanlagen bzw. Methanreaktoren besteht darin, dass diese Reaktoren vollständig mit Flüssigkeit gefüllt sind. Entsprechend der Höhe der Flüssigkeitssäule baut sich ein hydrostatischer Druck auf, durch dessen Wirkung sich die Löslichkeit von Gasen erhöht. Somit kommt es auch zur Erhöhung des Partialdruckes von Gasen und als Folge dessen zur Gleichgewichtsverschiebung bei der Biogasbildung. Bei hohem Druck verbleiben die Gase (hauptsächlich Methan und Kohlendioxid) zu größeren Anteilen in der Flüssigkeit gelöst, werden also nicht abgeführt und behindern die Neuentstehung des Biogases.Another problem with biogas production in all previously operated biogas plants or methane reactors is that these reactors are completely filled with liquid. According to the height of the liquid column, a hydrostatic pressure builds up, through the action of which the solubility of gases increases. Thus, it also increases the partial pressure of gases and as a result, the equilibrium shift in biogas formation. At high pressure, the gases (mainly methane and carbon dioxide) remain dissolved to larger proportions in the liquid, so are not removed and hinder the re-emergence of biogas.

Die Eintragung der Gase erfolgt dabei über Düsen in fein verteilter Form. Durch den Eintrag mechanischer Energie kann die Bildung kleiner Gasblasen unterstützt werden.The entry of the gases takes place via nozzles in finely divided form. By introducing mechanical energy, the formation of small gas bubbles can be supported.

Die initial erzeugte Bläschengröße und -verteilung kann bei allen bekannten Verfahren nicht beibehalten werden. Die Gasblasen agglomerieren rasch zu größeren, und es können sich regelrechte Gassträhnen herausbilden, die nur in lokalen Stoffaustausch mit der umgebenden Flüssigkeit treten.The initially generated bubble size and distribution can not be maintained in all known methods. The gas bubbles rapidly agglomerate into larger ones and it is possible for true gas strands to form that only interact locally with the surrounding liquid.

Die Verweilzeit des Gases in der Flüssigkeit wird durch die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit und durch die Höhe des Reaktors bestimmt und kann allenfalls durch Einbauten, die den Blasenaufstieg verzögern, gesteuert werden.The residence time of the gas in the liquid is determined by the bubble ascent rate and the height of the reactor, and may be controlled by internals which delay the bubble rise.

Die Einspeisung des Gases erfolgt am Boden der Flüssigkeitssäule, um eine ausreichende Verweilzeit zu erhalten. Dazu muss jedoch der hydrostatische Druck der Flüssigkeitssäule Überwunden werden, sodass hier Kompressoren höherer Leistung mit einem entsprechend hohen Energiebedarf verwendet werden müssen. Da Gase kompressibel sind, muss eine Volumenänderungsarbeit beim Komprimieren aufgebracht werden, die über die Erwärmung des Gases verloren geht.The feeding of the gas takes place at the bottom of the liquid column in order to obtain a sufficient residence time. However, for this, the hydrostatic pressure of the liquid column must be overcome so that higher performance compressors with a correspondingly high energy requirement must be used here. Since gases are compressible, a volume change work must be applied during compression, which is lost through the heating of the gas.

Aus der US 4,351,729 A ist ein Biofilter und ein entsprechendes Verfahren bekannt, um flüssige organische Abfälle und Abgase zu reinigen. Dabei werden diese Abfälle in Kohlendioxid und andere Gase wie Stickstoff oder in Kohlendioxid, Methan und andere Gase umgewandelt. Je nach Zusammensetzung der flüssigen organischen Abfälle oder Abgase wie Nitrose Gase oder Lachgas, wird der darin enthaltene Kohlenstoff zu Kohlendioxid und der darin enthaltene Stickstoff zu molekularem Stickstoff (N2) umgesetzt. Die Herstellung von Biogas ausschließlich aus gasförmigen Ausgangsprodukten wird nicht offenbart.From the US 4,351,729 A For example, a biofilter and corresponding method is known for cleaning liquid organic wastes and waste gases. This waste is converted into carbon dioxide and other gases such as nitrogen or carbon dioxide, methane and other gases. Depending on the composition of the liquid organic waste or waste gases such as nitrous gases or nitrous oxide, the carbon contained therein is converted to carbon dioxide and the nitrogen contained therein to molecular nitrogen (N 2 ). The production of biogas exclusively from gaseous starting products is not disclosed.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.The object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüche gekennzeichnet.The object is achieved by a method having the features of the main claim. Advantageous embodiments are characterized in the dependent claims.

Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs gelöst. The object is further achieved by a device for carrying out the method with the features of the independent device claim.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas, wobei man die folgenden Schritte ausführt:

  • a) Bereitstellen eines mit Füllkörpern versehenen Reaktors;
  • b) Immobilisieren von methanbildenden Mikroorganismen („Methanbakterien”) an der Oberfläche der Füllkörper;
  • c) Berieseln der Füllkörper mit den darauf immobilisierten methanbildenden Mikroorganismen mit einer Nährstofflösung für die Mikroorganismen;
  • d) Einleiten gasförmiger Substrate für die Biogaserzeugung in den Reaktor;
  • e) Ableiten des erzeugten Biogases aus dem Reaktor.
The invention relates to a process for the production of biogas, wherein the following steps are carried out:
  • a) providing a packed reactor with a reactor;
  • b) immobilizing methanogenic microorganisms ("methane bacteria") on the surface of the packing;
  • c) sprinkling the fillers with the methane-forming microorganisms immobilized thereon with a nutrient solution for the microorganisms;
  • d) introducing gaseous substrates for biogas production into the reactor;
  • e) deriving the biogas produced from the reactor.

Unter einer Nährstofflösung im Sinne der Erfindung wird jedes flüssige Medium verstanden, welches Komponenten enthält, die für das Aufrechterhalten der Lebensbedingungen für die Mikroorganismen erforderlich sind. Dazu gehört insbesondere auch Wasser. Die Nährstofflösung enthält bevorzugt weiterhin Nährstoffe wie N, P, S und stoffwechselbedingte Spurenstoffe.For the purposes of the invention, a nutrient solution means any liquid medium which contains components which are necessary for maintaining the living conditions for the microorganisms. This includes especially water. The nutrient solution preferably further contains nutrients such as N, P, S and metabolic trace substances.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist es dabei, dass man im Schritt b) neben methanbildenden Mikroorganismen eine Begleitflora auf den Füllkörpern immobilisiert.In accordance with the invention, it is preferred in this case that, in addition to methane-forming microorganisms, an accompanying flora is immobilized on the packing in step b).

Erfindungsgemäß bevorzugt ist es dabei, dass man im Schritt c) die Nährstofflösung zum Berieseln kontinuierlich im Umlauf führt.According to the invention, it is preferred that in step c) the nutrient solution for sprinkling continuously circulates.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist es dabei, dass man im Schritt d) die gasförmigen Substrate auswählt aus Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffen, Kohlenwasserstoffverbindungen, die optionale Heteroatome wie Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel oder Halogene enthalten, und aus deren Mischungen.According to the invention, it is preferred that in step d) the gaseous substrates selected from hydrogen, carbon dioxide, hydrocarbons, hydrocarbon compounds containing optional heteroatoms such as oxygen, nitrogen, sulfur or halogens, and mixtures thereof.

Als Substrate bevorzugt sind im Wesentlichen alle gasförmigen Stoffe, welche die für die Bildung von Methan notwendigen Bestandteile, nämlich Kohlenstoff und Wasserstoff derart zur Verfügung stellen, dass die zur Bildung von Methan notwendigen Bestandteile von der methanbildenden Mikroorganismen stofflich verwertet werden können.Substances which are preferred are essentially all gaseous substances which provide the constituents necessary for the formation of methane, namely carbon and hydrogen, in such a way that the constituents necessary for the formation of methane can be utilized by the methane-forming microorganisms.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist es dabei, dass man im Schritt d) die gasförmigen Substrate zuvor in der Nährlösung oder in Wasser oder in einer anderen Einspeiseflüssigkeit löst.According to the invention, it is preferred that in step d) the gaseous substrates are previously dissolved in the nutrient solution or in water or in another feed liquid.

Erfindungsgemäß bevorzugt ist es dabei, dass man im Schritt d) die gasförmigen Substrate im Verhältnis zur Nährstofflösung im Gleichstrom, im Gegenstrom, im Kreuzstrom oder in anderen Stromvarianten führt.In accordance with the invention, it is preferred that in step d) the gaseous substrates be conducted in cocurrent, countercurrent, crosscurrent or other flow variants relative to the nutrient solution.

Erfindungsgemäß sind somit als Substrate alle Stoffe geeignet, welche gasförmig vorliegen oder in die Gasform überführbar sind. Somit können auch solche Stoffe als Substrate verwendet werden, welche zwar bei Normaltemperatur flüssig oder auch fest sind, aber bei der jeweiligen Betriebstemperatur im Bioreaktor gasförmig sind. Da methanbildende Mikroorganismen bei Temperaturen zwischen ca. 0°C und 70°C, bis hin zu ca. 90°C stoffwechseln, sind alle Stoffe und Verbindungen als Substrate geeignet, welche einen Siedepunkt bis in die Nähe der maximalen Stoffwechseltemperatur der Mikroorganismen haben, also ca. 90°C.According to the invention are therefore suitable as substrates all substances which are present in gaseous form or can be converted into the gaseous form. Thus, such substances can be used as substrates, which are liquid or solid at normal temperature, but are gaseous at the respective operating temperature in the bioreactor. Since methane-forming microorganisms at temperatures between about 0 ° C and 70 ° C, up to about 90 ° C metabolism, all substances and compounds are suitable as substrates, which have a boiling point in the vicinity of the maximum metabolic temperature of microorganisms, ie about 90 ° C.

Beim Einleiten oder Einspeisen von Substraten, die bei Normaltemperatur nicht gasförmig sind, kann es vorteilhaft sein, diese Substrate zuvor zu erwärmen und in den gasförmigen Zustand zu überführen.When introducing or feeding substrates which are not gaseous at normal temperature, it may be advantageous to previously heat these substrates and to convert them into the gaseous state.

Als Substrate sind daher neben Kohlenwasserstoffen auch Verbindungen wie Ether, Ester, Alkohole, Ketone oder organische Säuren erfindungsgemäß geeignet und auch bevorzugt.As substrates, therefore, in addition to hydrocarbons, compounds such as ethers, esters, alcohols, ketones or organic acids are suitable according to the invention and also preferred.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas in einem Biogasreaktor, wobei man in dem Bioreaktor Füllkörper vorsieht, an deren Oberfläche ein Biofilm immobilisiert ist, welcher Methanbakterien und gegebenenfalls Begleitflora enthält, und die Füllkörper mit einer Flüssigkeit berieselt, wobei sich ein Flüssigkeitsfilm an der Oberfläche der Füllkörper bildet. Bevorzugt ist es, dass die Flüssigkeit Nährstoffe für den Biofilm und/oder Substrate für die Biogaserzeugung enthält. Es ist auch vorgesehen, dass die in der Flüssigkeit enthaltenen Substrate Feststoffe, Flüssigkeiten und/oder Gase sind. Bevorzugt ist es, dass man weiterhin ein Gas in den Bioreaktor einspeist. Dabei ist es bevorzugt, dass man Gas im Verhältnis zur Flüssigkeit im Gleichstrom, im Gegenstrom, im Kreuzstrom oder in anderen Stromvarianten führt. Bevorzugt ist es, dass das Gas gasförmige Substrate umfasst, welche Kohlenwasserstoffverbindungen oder Kohlenstoffverbindungen und Wasserstoff enthalten.The invention thus relates to a process for the production of biogas in a biogas reactor, wherein in the bioreactor packing is provided, on the surface of which a biofilm is immobilized, which contains methane bacteria and possibly accompanying flora, and the packing is sprinkled with a liquid, wherein a liquid film forms on the surface of the filler. It is preferred that the liquid contains nutrients for the biofilm and / or substrates for biogas production. It is also contemplated that the substrates contained in the liquid are solids, liquids and / or gases. It is preferred that one continues to feed a gas into the bioreactor. It is preferred that one gas in relation to the liquid in the DC, in the countercurrent, in the cross flow or in other flow variants leads. It is preferred that the gas comprises gaseous substrates containing hydrocarbon compounds or carbon compounds and hydrogen.

Der Kern der Erfindung ist somit die ausschließliche oder nahezu ausschließliche Nutzung gasförmiger Substrate für die Bildung von Biogas.The essence of the invention is thus the exclusive or almost exclusive use of gaseous substrates for the formation of biogas.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, umfassend mindestens einen Biogasreaktor, darin eingefüllte Füllkörper, an deren Oberfläche immobilisierte Mikroorganismen vorgesehen sind, eine Berieselungsvorrichtung zum Berieseln der Füllkörper mit einer Nährstofflösung; eine Einleitvorrichtung zum Einleiten der gasförmigen Substrate in den Bioreaktor und eine Ableitvorrichtung zum Ableiten des gebildeten Biogases.The invention also provides an apparatus for carrying out a method according to the invention, comprising at least one biogas reactor, filling bodies filled therein, at the ends thereof Surface immobilized microorganisms are provided, a sprinkler for sprinkling the filler with a nutrient solution; an introduction device for introducing the gaseous substrates into the bioreactor and a discharge device for discharging the biogas formed.

Gegenstand der Erfindung ist somit auch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Biogas, umfassend einen Biogasreaktor, darin eingefüllte Füllkörper, wobei die Füllkörper an der Oberfläche einen immobilisierten Biofilm tragen, eine Einspeisevorrichtung für Flüssigkeiten, welche derart ausgebildet ist, dass diese die Füllkörper mit der Flüssigkeit derart berieselt, um auf den Füllkörpern einen Flüssigkeitsfilm auszubilden. Vorgesehen ist es ferner, dass die Vorrichtung weiterhin mindestens eine Einspeisevorrichtung für Gase umfasst. Vorteilhaft ist es, dass der Biofilm Methanbakterien und gegebenenfalls Begleitflora enthält.The invention thus also relates to a device for the production of biogas, comprising a biogas reactor, filled therein filler, wherein the filler carry on the surface of an immobilized biofilm, a feed device for liquids, which is designed such that it is the filler with the liquid such sprinkled to form a liquid film on the packing. It is further provided that the device further comprises at least one feed device for gases. It is advantageous that the biofilm contains methane bacteria and possibly accompanying flora.

Dabei ist eine Vorrichtung bevorzugt, wobei die Einspeisevorrichtung für Gase derart angeordnet ist, dass das Gas im Verhältnis zur Flüssigkeit im Gleichstrom, im Gegenstrom, im Kreuzstrom oder in anderen Stromvarianten führbar ist.In this case, a device is preferred, wherein the feed device for gases is arranged such that the gas in relation to the liquid in the DC, countercurrent, cross flow or other flow variants is feasible.

Es wird ein Bioreaktor vorgeschlagen, der mit Aufwuchskörpern (Füllkörper aus hydrophobem Kunststoff mit großer volumenspezifischer Oberfläche) gefüllt ist, auf denen ein aktiver Biofilm immobilisiert wurde. Der Biofilm enthält dabei sowohl die Methanbakterien als auch die notwendige Begleitflora. Die bekannten Anordnungen dieser Biogasreaktoren sind jedoch vollständig mit Flüssigkeit gefüllt, welche die Füllkörper vollkommen umspült.A bioreactor is proposed, which is filled with growth bodies (filler of hydrophobic plastic with a large volume-specific surface) on which an active biofilm has been immobilized. The biofilm contains both the methane bacteria and the necessary accompanying flora. However, the known arrangements of these biogas reactors are completely filled with liquid, which completely surrounds the filling bodies.

Erfindungsgemäß werden diese Füllkörper mit den darauf immobilisierten Mikroorganismen nun lediglich berieselt (analog zu einem aerob betriebenen Tropfkörper in der Abwassertechnik). Die gesamte im Reaktor befindliche Flüssigkeit bildet nunmehr einen langsam über die Füllkörper abwärts fließenden Flüssigkeitsfilm. Über diesen Flüssigkeitsfilm wird der Biofilm mit Wasser und mit Nährstoffen ausreichend versorgt. Durch den Wegfall der gespannten Flüssigkeit entfallt der statische Druck der Flüssigkeitssäule. Der Druck im Inneren des Reaktors ist daher nahezu konstant, wird nur durch den von außen aufgeprägten Systemdruck (üblicherweise einige zehn mbar) und nicht durch die Flüssigkeitssäule (etwa 1 bar pro 10 m Höhe) bestimmt.According to the invention, these random packings are then merely sprinkled with the microorganisms immobilized thereon (analogously to an aerobically operated trickling filter in sewage technology). The entire liquid in the reactor now forms a slowly flowing over the packing down liquid film. This liquid film provides the biofilm with sufficient water and nutrients. The elimination of the tensioned liquid eliminates the static pressure of the liquid column. The pressure inside the reactor is therefore almost constant, determined only by the system pressure applied from the outside (usually tens of mbar) and not by the liquid column (about 1 bar per 10 m height).

Das Zwischenraumvolumen im Reaktor ist nun flüssigkeitsleer bzw. mit Gas gefüllt. Das (strömende) Gas hat somit einen sehr niedrigen Druckverlust. Die Verweilzeit des Gases wird nur durch den Gasstrom und nicht mehr durch die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit bestimmt und kann daher in belieben Größenordnungen gesteuert werden.The interspace volume in the reactor is now empty of liquid or filled with gas. The (flowing) gas thus has a very low pressure drop. The residence time of the gas is determined only by the gas flow and no longer by the bubble ascent rate and can therefore be controlled in arbitrary orders of magnitude.

Dieses System ist sowohl für flüssige als auch für gasförmige Substrate geeignet. Bei der Verwendung flüssiger Substrate werden die Substrate und die Nährstoffe den Mikroorganismen über die herab rieselnde Flüssigkeit zugeführt.This system is suitable for both liquid and gaseous substrates. When using liquid substrates, the substrates and the nutrients are supplied to the microorganisms via the trickling down liquid.

Bei der Verwendung von gasförmigen Substraten werden die Mikroorganismen über die Flüssigkeit lediglich mit Nährstoffen (Makro- und Mikronährstoffe) versorgt, das Substrat wird hingegen als Gas zugeführt.When using gaseous substrates, the microorganisms are supplied by the liquid only with nutrients (macro and micronutrients), the substrate, however, is supplied as a gas.

Da die Flüssigkeitsmenge im Reaktor sehr gering ist und die Flüssigkeit als Oberflächenfilm vorliegt, erfolgt ein sehr guter Stoffaustausch zwischen Gas und Flüssigkeit. Gleichgewichte werden rasch eingestellt. Das ist die Voraussetzung für die Verwendung von gasförmigen Substraten, die aus dem Gas in den Flüssigkeitsfilm diffundieren und von dort an die Mikroorganismen transportiert werden. Die Reaktionsprodukte nehmen den umgekehrten Weg. Die Transportwege sind dabei außerordentlich kurz (einige Zehntel Millimeter), was gleichbedeutend mit einer hohen Prozessintensität ist.Since the amount of liquid in the reactor is very low and the liquid is present as a surface film, there is a very good mass transfer between gas and liquid. Balance weights are set quickly. This is the prerequisite for the use of gaseous substrates, which diffuse from the gas into the liquid film and are transported from there to the microorganisms. The reaction products take the opposite route. The transport routes are extremely short (a few tenths of a millimeter), which is synonymous with a high process intensity.

Beim Einspeisen der gasförmigen Substrate muss kein hoher Druck angewendet werden. Auch das gebildete Gas kann unter geringem Druckverlust abgeführt werden. Gleichgewichtsverschiebungen, wie sie bei flüssigkeitsgefüllten Reaktoren aufgrund des statischen Druckes auftreten, finden hier nicht statt. Darüber hinaus kann das Gas im Verhältnis zur Flüssigkeit im Gleichstrom, im Gegenstrom, im Kreuzstrom oder in anderen Stromvarianten geführt werden. Die Reaktoren können beliebige Formen haben, da sie lediglich das Gewicht der Füllkörper, nicht aber eine große Wassermenge zu tragen haben. Das erlaubt eine geringere Wandstärke und die preiswertere Gründung.When feeding the gaseous substrates no high pressure must be applied. Also, the gas formed can be removed with little pressure loss. Equilibrium shifts, as they occur in liquid-filled reactors due to the static pressure, do not take place here. In addition, the gas can be conducted in cocurrent, countercurrent, crosscurrent or other flow variants relative to the liquid. The reactors can have any shape, since they only have to bear the weight of the packing, but not a large amount of water. This allows a lower wall thickness and the cheaper foundation.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die Flüssigkeitssäule in einem Methanreaktor durch einen Flüssigkeitsfilm zu ersetzen. Dieses ist dann möglich, wenn auf Einbauten oder Füllkörpern im Reaktor ein Biofilm mit der aktiven Bakterienmasse immobilisiert werden kann. Dann müssen nur noch die Lebensbedingungen dieses Biofilms aufrechterhalten werden, was nicht notwendiger Weise durch die Füllung des gesamten Reaktors mit Flüssigkeit geschehen muss. Eine ständige Befeuchtung des Biofilms und die Versorgung mit Nährstoffen ist ausreichend.The advantage of the device according to the invention and of the method according to the invention consists in replacing the liquid column in a methane reactor with a liquid film. This is possible if a biofilm with the active bacterial mass can be immobilized on internals or packing in the reactor. Then only the living conditions of this biofilm have to be maintained, which does not necessarily have to be done by filling the entire reactor with liquid. A constant moistening of the biofilm and the supply of nutrients is sufficient.

Die vorliegende Erfindung weist somit eine Reihe von Vorteilen auf, welche die im Stand der Technik beschriebenen Nachteile überwindet.The present invention thus has a number of advantages which overcomes the disadvantages described in the prior art.

Im Stand der Technik, insbesondere in der US-4,351,729 A , wird lediglich die Zufuhr von Wasserstoff zur Methananreicherung im Produktgases beschrieben. Gemäß der Erfindung wird auch die Zuführung von Kohlendioxid zusätzlich zum Wasserstoff im Gemisch oder separat vorgeschlagen, sodass nur mit diesen Gasen das Produktgas gebildet wird. Es wird kein zusätzliches flüssiges Substrat zugeführt (lediglich das enthaltene Rezirkulationsmedium). Somit fällt hierbei auch kein Abwasser an.In the prior art, in particular in the US 4,351,729 A , only the supply of Hydrogen for methane enrichment in the product gas described. According to the invention, the addition of carbon dioxide in addition to the hydrogen in the mixture or separately proposed, so that only with these gases, the product gas is formed. No additional liquid substrate is supplied (only the recirculation medium contained). Thus, there is no wastewater.

Zudem ist erfindungsgemäß vorgesehen, alternative organische Gase einzusetzen, die ebenfalls zu Methan umgesetzt werden können. Dieser Aspekt wird im Stand der Technik weder vorgeschlagen noch nahe gelegt.In addition, the invention provides to use alternative organic gases, which can also be converted to methane. This aspect is neither suggested nor suggested in the prior art.

In der vorliegenden Erfindung wird ein Biofilm mit Begleitflora beschrieben. Dieser Biofilm weist eine Schichtung verschiedener, am Stoffwechsel beteiligter Mikroorganismen auf, welche zu einer besonderen Stabilität des Abbauvorganges bzw. des gesamten Reaktionsprozesses im Reaktor führt. Diese Schichtung in einem Rieselbettreaktor wird bislang in Stand der Technik noch nicht beschrieben.In the present invention, a biofilm with accompanying flora is described. This biofilm has a layering of various microorganisms involved in the metabolism, which leads to a particular stability of the degradation process or of the entire reaction process in the reactor. This layering in a trickle bed reactor has not yet been described in the prior art.

Neu ist dabei ferner, dass sehr schnell zwischen verschiedenen Substraten gewechselt werden kann. Dies wird ebenfalls noch nicht beschrieben.Another novelty is that it is possible to change very quickly between different substrates. This is also not described yet.

Die Leistungsfähigkeit eines solchen Systems bzw. die Ausbildung und Stabilität des Biofilmes ist stark von der Betriebsweise abhängig. Im Stand der Technik sind keine Angaben oder Erkenntnisse zum Rücklaufverhältnis, Flüssigkeitsvolumen und Raumbelastung im Verhältnis zur aktiven Biofilmfläche beschrieben, bzw. deren Einfluss auf die Strömungsverhältnisse im Rieselbett ausgeführt worden. Derartige Anpassungen lassen sich aber mit dem erfindungsgemäßen Verfahren leicht durchführen, da die Wachstumsbedingungen der Mikroorganismen optimal angepasst werden können. Dies ist dem Fachmann leicht und ohne weiteres möglich, da die Berieselung der Mikroorganismen ausschließlich mit einer Nährlösung für eben diese Mikroorganismen erfolgt. Negative Einflüsse durch flüssige Substrate werden vermieden.The performance of such a system or the formation and stability of the biofilm is highly dependent on the mode of operation. In the prior art, no information or findings on the reflux ratio, liquid volume and volume loading in relation to the active biofilm surface have been described or their influence on the flow conditions in the trickle bed has been carried out. However, such adjustments can easily be carried out with the method according to the invention, since the growth conditions of the microorganisms can be optimally adapted. This is easily and readily possible for the person skilled in the art, since the sprinkling of the microorganisms takes place exclusively with a nutrient solution for precisely these microorganisms. Negative influences by liquid substrates are avoided.

Ein weitere Vorteil der Erfindung ist die Druckminderung und der damit verbundene Vorteil der Vermeidung von Gasverlusten. Dies wird im Stand der Technik nicht erkannt.Another advantage of the invention is the pressure reduction and the associated advantage of avoiding gas losses. This is not recognized in the prior art.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die nahezu vollständige Steuerbarkeit der Biogasbildung. Im Vergleich zu den bisher beschriebenen Festbettmethanreaktoren ist hier eine gesteigerte Steuerbarkeit der Gasproduktion möglich, da der eigentliche Reaktionsraum deutlich kleiner ist, und nach dem Abschalten der Substratzufuhr das Ausklingen der Gasbildung deutlich kürzer ist. Es ist eine rasche Regenerierung des Biofilms möglich, da negative Einflüsse der Substrate auf das Wachstum des Biofilms kurzfristig durch das Abschalten der Substratzufuhr abgestellt werden können.Another advantage of the invention is the almost complete controllability of biogas formation. In comparison to the previously described fixed-bed methane reactors, an increased controllability of the gas production is possible here, since the actual reaction space is significantly smaller, and after switching off the supply of substrate, the fading of the gas formation is significantly shorter. A rapid regeneration of the biofilm is possible because negative influences of the substrates on the growth of the biofilm can be stopped in the short term by shutting off the substrate supply.

Ausführungsbeispiel der Erfindung.Embodiment of the invention.

Es wird ein Reaktor mit vorher angeimpften Füllkörpern befüllt. Im Gegensatz zur bekannten Verfahrensweise wird der Reaktor nicht mit Flüssigkeit geflutet, sondern von oben nur mit Flüssigkeit gleichmäßig berieselt, sodass ein Flüssigkeitsfilm an den Füllkörpern herab läuft.It is a reactor filled with previously seeded packing. In contrast to the known procedure, the reactor is not flooded with liquid, but evenly sprinkled from above with liquid, so that a liquid film runs down the packing.

Je nach gewünschter Betriebsweise kann diese Flüssigkeit das gelöste Substrat enthalten – in diesem Fall ist die Flüssigkeit das Hydrolysat einer vorgeschalteten Hydrolysestufe – oder auch nur die notwendigen Mikro- und Makronährstoffe, wobei zusätzlich ein Gas als Substrat zugeführt wird.Depending on the desired mode of operation, this liquid may contain the dissolved substrate - in this case the liquid is the hydrolyzate of an upstream hydrolysis stage - or else only the necessary micronutrients and macronutrients, wherein a gas is additionally supplied as a substrate.

Mit dieser Anordnung ist es erfindungsgemäß vorgesehen, aus einem Kohlendioxid-Wasserstoffgemisch Methan zu bilden. Das Kohlendioxid kann z. B. aus Verbrennungsprozessen stammen, der Wasserstoff konnte mit Hilfe von Überschussenergie (Windkraftwerke!) in Schwachlastzeiten durch Elektrolyse gewonnen werden. Das Kohlendioxid dient dabei als Kohlenstoffquelle für die Methanbildung Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können in folgenden Anwendungsgebieten eingesetzt werden:

  • – Biogasanlagen, die mit Füllkörpern in der Methanstufe ausgerüstet sind
  • – Windkraftanlagen
  • – Kohlekraftwerken, um CO2 nicht abzulagern, sondern zumindest teilweise energetisch zu verwerten
  • – Produktionsanlagen mit organikreichen Abgasen.
With this arrangement, it is inventively provided to form methane from a carbon dioxide-hydrogen mixture. The carbon dioxide may, for. B. from combustion processes, the hydrogen could be obtained by means of excess energy (wind power!) In low load times by electrolysis. The carbon dioxide serves as a carbon source for methane formation. The device according to the invention and the method according to the invention can be used in the following fields of application:
  • - Biogas plants equipped with fillers in the methane stage
  • - wind turbines
  • - Coal-fired power plants, not to deposit CO 2 , but at least partially utilize energy
  • - Production plants with organic exhaust gases.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 4351729 A [0010, 0039] US 4351729 A [0010, 0039]

Claims (7)

Verfahren zur Erzeugung von Biogas, wobei man die folgenden Schritte ausführt: a) Bereitstellen eines mit Füllkörpern versehenen Reaktors; b) Immobilisieren von methanbildenden Mikroorganismen („Methanbakterien”) an der Oberfläche der Füllkörper; c) Berieseln der Füllkörper mit den darauf immobilisierten methanbildenden Mikroorganismen mit einer Nährstofflösung für die Mikroorganismen; d) Einleiten gasförmiger Substrate für die Biogaserzeugung in den Reaktor; e) Ableiten des erzeugten Biogases aus dem Reaktor.Process for the production of biogas, carrying out the following steps: a) providing a packed reactor with a reactor; b) immobilizing methanogenic microorganisms ("methane bacteria") on the surface of the packing; c) sprinkling the fillers with the methane-forming microorganisms immobilized thereon with a nutrient solution for the microorganisms; d) introducing gaseous substrates for biogas production into the reactor; e) deriving the biogas produced from the reactor. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man im Schritt b) neben methanbildenden Mikroorganismen eine Begleitflora auf den Füllkörpern immobilisiert.Process according to Claim 1, characterized in that, in addition to methane-forming microorganisms, an accompanying flora is immobilized on the packing in step b). Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man im Schritt c) die Nährstofflösung zum Berieseln kontinuierlich im Umlauf führt.Process according to Claim 1, characterized in that, in step c), the nutrient solution for irrigating is continuously circulated. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man im Schritt d) die gasförmigen Substrate auswählt aus Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffen, Kohlenwasserstoffverbindungen, die optionale Heteroatome wie Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel oder Halogenen enthalten, und aus deren Mischungen.A method according to claim 1, characterized in that one selects in step d) the gaseous substrates selected from hydrogen, carbon dioxide, hydrocarbons, hydrocarbon compounds containing optional heteroatoms such as oxygen, nitrogen, sulfur or halogens, and mixtures thereof. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man im Schritt d) die gasförmigen Substrate zuvor in der Nährlösung oder in Wasser oder in einer anderen Einspeiseflüssigkeit löst.A method according to claim 1, characterized in that in step d), the gaseous substrates previously dissolved in the nutrient solution or in water or in another feed liquid. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man im Schritt d) die gasförmigen Substrate im Verhältnis zur Nährstofflösung im Gleichstrom, im Gegenstrom, im Kreuzstrom oder in anderen Stromvarianten führt.A method according to claim 1, characterized in that in step d), the gaseous substrates in relation to the nutrient solution in cocurrent, countercurrent, cross-flow or in other current variants leads. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß Anspruch 1, umfassend mindestens einen Biogasreaktor, darin eingefüllte Füllkörper, an deren Oberfläche immobilisierte Mikroorganismen vorgesehen sind, eine Berieselungsvorrichtung zum Berieseln der Füllkörper mit einer Nährstofflösung, eine Einleitvorrichtung zum Einleiten der gasförmigen Substrate in den Bioreaktor und eine Ableitvorrichtung zum Ableiten des gebildeten Biogases.Apparatus for carrying out a method according to claim 1, comprising at least a biogas reactor, filling bodies filled therein, on the surface of which immobilized microorganisms are provided, a sprinkling device for sprinkling the filling bodies with a nutrient solution, an introduction device for introducing the gaseous substrates into the bioreactor and a discharge device for discharging the biogas formed.
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