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WO2003016461A2 - Bioreaktorsystem zur nutzung der wärmeentwicklung biochemischer reaktionen - Google Patents

Bioreaktorsystem zur nutzung der wärmeentwicklung biochemischer reaktionen Download PDF

Info

Publication number
WO2003016461A2
WO2003016461A2 PCT/EP2002/009246 EP0209246W WO03016461A2 WO 2003016461 A2 WO2003016461 A2 WO 2003016461A2 EP 0209246 W EP0209246 W EP 0209246W WO 03016461 A2 WO03016461 A2 WO 03016461A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
bioreactor
iii
aerobic
essentially
heat
Prior art date
Application number
PCT/EP2002/009246
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2003016461A3 (de
Inventor
Udo Hölker
Original Assignee
HöFer Bioreact GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10139348A external-priority patent/DE10139348A1/de
Priority claimed from EP01120067A external-priority patent/EP1285959A1/de
Application filed by HöFer Bioreact GmbH filed Critical HöFer Bioreact GmbH
Priority to EP02794799A priority Critical patent/EP1421171A2/de
Publication of WO2003016461A2 publication Critical patent/WO2003016461A2/de
Publication of WO2003016461A3 publication Critical patent/WO2003016461A3/de

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M21/00—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses
    • C12M21/04—Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M23/00—Constructional details, e.g. recesses, hinges
    • C12M23/58—Reaction vessels connected in series or in parallel
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M29/00—Means for introduction, extraction or recirculation of materials, e.g. pumps
    • C12M29/18—External loop; Means for reintroduction of fermented biomass or liquid percolate
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
    • C12M41/12—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of temperature
    • C12M41/18—Heat exchange systems, e.g. heat jackets or outer envelopes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the present invention relates to a bioreactor system for utilizing the microbial heat development in the metabolism of organic substrates and a continuous process for the microbial degradation of organic substrates in order to obtain thermal energy.
  • the metabolism of organic substrates by microorganisms takes place through successive oxidation of the substrate used up to CO 2 .
  • the substrate is used to store chemical energy in the form of ATP and to build up the cell mass. With each chemical reaction, part of the internal energy (H) is lost as entropy S (heat).
  • H internal energy
  • entropy S heat
  • FR 2466502 describes a method in which several aerobic and anaerobic steps are carried out with the aid of a pre-fermenter and three anaerobic fermenters.
  • the pre-fermenter is thermally insulated and contains a heat exchanger that is connected to a boiler that is also operated with the help of part of the biogas produced.
  • manure is preheated to facilitate aerobic fermentation.
  • the substrates are mixed by a stirring device, a circulation pump and a feed of the fermentation material.
  • the fermentation material is fed from one to the next fermenter from below at the base of the fermenter.
  • the reaction is carried out by stirring systems and pumps, which remove the substrates from the top of the reactor, pass them through an external heat exchanger and feed them back to the bottom of the reactor.
  • the device described in FR 2466502 is used for the production of biogas.
  • DE-A-4427644 describes a process for the treatment of bio-residues.
  • the rotting and removal of the residues takes place in one (or several parallel) mixing reactors. Parts of the residues treated in this way are then further broken down in a downstream anaerobic reactor stage.
  • DE-A-19946299 and DE-C-4115435 describe multi-stage, aerobic-anaerobic processes for the treatment of residues, in the first case organic residues e.g. B. from household waste, whereby methane is formed, which is burned, in the second case explosive residues for the purpose of disposal. Both processes use the waste heat released during or at the end of the process to heat other intermediate process stages. External use of the waste heat outside of the overall process is not possible with these processes.
  • DE-C-4227238 describes a method for operating sewage treatment plants, in which the through biodegradation processes released heat is partly used for heating domestic water or heating water outside the process.
  • this process is not a closed, regulated system with bioreactors with the aim of optimally generating externally usable thermal energy.
  • the object of the invention was to provide central or decentralized bioreactors that can be installed in every household.
  • the aim is to produce the greatest possible constant heat at the highest possible temperature, to dissipate this via a heat exchanger and to use it for hot water production and electricity generation.
  • the thermal fermentation should be carried out with high solids contents in order to be able to utilize organic household waste and to use as little water as possible.
  • the invention thus relates
  • a bioreactor system for utilizing the heat development of biochemical reactions, in particular for hot water and electricity production, with a bioreactor (1, 11) for essentially aerobic microbial degradation of organic substrates, a bioreactor (III) for essentially anaerobic microbial degradation of organic substrates, wherein the bioreactors (1, 11, 111) are connected in succession so that the degradation substrate of the upstream bioreactor (I) or (II) is fed to the downstream bioreactors (II, III), and at least one heat exchanger for removing heat from the bioreactors (1, 11, 111);
  • bioreactor system for utilizing the heat development of biochemical reactions, in particular for hot water and electricity production, with two bioreactors (1, 11) for essentially aerobic microbial degradation of organic substrates, the bioreactors (1, 11) being connected in succession so that the degradation substrate of the upstream bioreactor (I) is fed to the downstream bioreactor (II), and at least one heat exchanger for dissipating heat from the bioreactors (1, 11);
  • a heat exchanger is provided to use the heat.
  • the heat exchanger can be coupled to the individual bioreactors.
  • the provision of a single heat exchanger or a common heat exchanger for two or more bioreactors has the consequence that the temperatures of these bioreactors are coupled to one another.
  • a particular advantage of the bioreactor system according to the invention is that it is preferably possible to use heat directly for hot water preparation and / or for heating purposes, without an intermediate production of biogas.
  • biogas is generated in an anaerobic bioreactor, this is preferably used to generate electricity, which then mainly or exclusively serves to energize the entire process itself, for example for operating pumps and the like.
  • the preferred regulation according to the invention of one or both aerobic bioreactors via the supply of air or oxygen is particularly important.
  • Another important aspect of the invention is the preferred routing of exhaust air from the first aerobic bioreactor into the second aerobic bioreactor. Such recirculation of the exhaust air increases the efficiency of the bioreactor system.
  • the bioreactor system according to the invention is particularly suitable for fermentation at high solids contents (from 110-70% by weight).
  • two essentially aerobic bioreactors and one essentially anaerobic bioreactor are provided.
  • the three bioreactors are connected one after the other, the first being the two aerobically operating bioreactors and then the anaerobically operating bioreactor.
  • the first bioreactor is preferably a solid bioreactor, to which oxygen is preferably supplied through a nozzle arrangement.
  • the second bioreactor is preferably a fluidized bed bioreactor in which the organic substrates are kept in solution due to the media flow.
  • the medium continuously conveyed in the second bioreactor preferably by removal in the upper region and supply in the lower region, is preferably passed through a ventilation and regulating device. In this, the medium is preferably enriched with oxygen and the pH is regulated.
  • the exhaust gases or the exhaust air from the first bioreactor for this purpose.
  • can from the ventilation and Regulator also exhaust gases are discharged. Since these are generally combustible gases, they are preferably fed to a combustion device.
  • the combustion device can in turn be used for energy generation, in particular for hot water preparation or electricity generation.
  • the first aerobic bioreactor and the anaerobic bioreactor are preferably equipped with a plurality of grid-like sieves, so that a gradual differentiation into fractions of different particle sizes takes place within the reactors. This is advantageous compared to a fractionation between reactors connected in series, since this enables particle transport according to the degree of degradation within a reactor body.
  • the exhaust air from the second aerobic reactor and / or the third anaerobic reactor is preferably fed to a burner, if appropriate after passing through a heat exchanger, in order to minimize the emissions. Since the exhaust air from the first aerobic bioreactor can still contain relatively large concentrations of oxygen, this exhaust air is preferably fed in a ventilation and regulating device to the second aerobic bioreactor in countercurrent.
  • the figure shows a bioreactor system with three bioreactors, the first two bioreactors (I and II) being used essentially for aerobic microbial degradation of organic substrates and the bioreactor (III) serving essentially for anaerobic microbial degradation of organic substrates.
  • the bioreactors (I, II, III) are connected in series.
  • This embodiment represents a preferred solution of both of the bioreactor systems described above, with the bioreactor (I or II) can be dispensed with, so that an essentially aerobically operating bioreactor precedes an essentially anaerobically operating bioreactor (III).
  • the bioreactor (III) in which essentially anaerobic microbial decomposition of organic substances takes place, can be omitted, so that only two aerobic bioreactors connected in series are provided.
  • a schematic diagram of a first preferred embodiment of the bioreactor system is shown in FIG. 1 .
  • An upstream first bioreactor (I) can have high solids contents, e.g. organic wastes, which do not have to be processed in addition, are operated and are preferably suitable for mushrooms.
  • the fermentation rate and thus the constant heat development in the bioreactor is guaranteed by the targeted supply of the microorganisms with oxygen.
  • the proposed bioreactor allows the continuous use of the heat released during the breathing of organic materials by microorganisms.
  • the first bioreactor I which is an essentially aerobically operating bioreactor, has a reaction container 12 closed with a lid 10. By opening the lid 10 and, for example, by mechanically moving the lid 10 in the direction of the arrow 14, organic substrates with a high solids content can be fed into the reaction container 12.
  • a comminution device for comminuting the organic waste can also be provided, which or the like via a pipe. is connected to an opening of the reaction container 12 in order to feed the substrates.
  • the first bioreactor I has a nozzle arrangement 16 with a plurality of vertically running nozzles 18. Oxygen can be supplied to the container 12 through the nozzles 18, which are preferably distributed regularly over the entire container 12.
  • the nozzle arrangement 16 is preferably connected to a compressor.
  • the individual nozzles 18 of the nozzle arrangement 16 can end at different heights of the container 12. They preferably extend through the entire container, so that the lower nozzle openings 20 are arranged in the lower region of the container 12.
  • Each individual nozzle 18 can have a plurality of air outlet openings, which are distributed over the height of the container 12. Through the nozzle arrangement, the substrates in the container 12 are aerated and mixed.
  • a plurality of preferably horizontally arranged screens 22 are provided within the container 12, the mesh size of the screens 22 preferably being reduced in the conveying direction.
  • the substrates in the first bioreactor I are conveyed in the vertical direction from top to bottom due to gravity.
  • the mesh size of the screens 22 thus decreases from top to bottom.
  • the nozzles 18 of the nozzle arrangement 16 preferably extend in the vertical direction and penetrate the sieves 22.
  • compressed air saturated with water is fed into the reaction container 12 through the nozzle arrangement.
  • the reaction rate of those in the container 12 can be adjusted Oxidation processes taking place and thus the amount of heat released during fermentation are controlled.
  • the reaction container 12 is double-walled, so that a suitable heat transport medium, such as water, can be provided in an intermediate space 26.
  • a suitable heat transport medium such as water
  • the double-walled container 12 is connected to a pipeline 28 in which a pump 30 is arranged.
  • the heat transport medium is removed from an upper region 32 of the container 12 and fed back to the lower region 24 of the container 12.
  • Heat is removed from the heat transport medium by means of a heat exchanger 34 arranged in the pipeline 28. This heat can be used to process hot water or to generate electricity.
  • a heat exchanger 34 arranged outside the reaction container 12
  • a heat exchanger provided inside the reaction container 12 can also be provided.
  • the substrates reaching the area 24 of the container 12 are transported to a second bioreactor II via a pipeline 38 via a conveying device 36, such as a screw screw.
  • a gas phase arises in the reaction container 12 during the fermentation of the organic substrates. This is discharged through a pipe 40.
  • the heat of the discharged gases can be used to preheat the air supplied through the nozzle arrangement 16 or to preheat the third anaerobic reactor, or it can be passed through a heat exchanger.
  • the gases discharged from the reaction vessel 12 of the first bioreactor I are at least partially used in the second bioreactor II (see below).
  • the substrate becomes in solution by a substrate stream flowing in the direction of the arrows 44 held.
  • medium is removed from an upper region of the container 42 and fed back to it via a pipe 46 by means of a pump 48 in a lower region of the container 42.
  • a further heat exchanger 48 is provided within the pipeline 46 for the direct removal of heat from the area.
  • the heat exchanger 48 can be coupled to the heat exchanger 34.
  • a ventilation and regulating device 50 is provided in the pipe output 46.
  • the ventilation and regulating device 50 serves to supply oxygen to the substrate and to regulate the pH.
  • Exhaust gases of the bioreactor I can be fed directly to the substrate processed in the bioreactor II via a feed line 52, which is preferably connected to the pipe 40 of the bioreactor I;
  • the gases supplied can be discharged via a second pipeline 54.
  • the gases discharged through the pipeline 54 are preferably fed to a combustion device 56.
  • the medium removed from the container 42 in the upper region is passed through a sieve and / or a filter 58.
  • the substrate present in the reaction container 42 is in turn heated by microbial oxidation processes.
  • the container 42 is preferably also double-walled, so that a heat transport medium, such as water, is transported through a cavity 60 and can absorb heat generated within the container 42.
  • the medium is transported via pipes 62 and a pump 64.
  • the medium is passed through a heat exchanger 66 to dissipate heat.
  • the heat exchanger 66 can be coupled to the heat exchanger 48 and / or the heat exchanger 34.
  • H 2 O is added to the sediment coming from the bioreactor I.
  • This "slurry" is further oxidized in a new aerobic process.
  • the temperature in the bioreactor should be kept constant. This is achieved by varying the admixture of oxygen in the aeration tank (50). Since the development of heat is primarily due to the use of O 2 as a terminal electron acceptor, the temperature and heat should also be regulated productively here by limiting or increasing the available oxygen.
  • the selected operating temperature in bioreactors I and II depends in both cases on the temperature tolerance of the microorganisms used.
  • a conveying device 68 is again provided, which can also be a screw screw.
  • the conveyor 68 conveys substrate through a pipeline 70 in the direction of the third bioreactor III.
  • the substrate is introduced into a reaction container 72 of the bioreactor III by means of a preferably vertical nozzle arrangement 74.
  • the nozzles preferably end at different heights in the reaction container 72.
  • the substrate is mixed in the reaction container 72, in which substrate in the upper region of the reaction container 72 is removed via a pipeline 76, conveyed by a pump 78 and via nozzles 80, preferably in lower region of the reaction container 72, this is fed back.
  • the reaction container 72 is preferably also double-walled, so that heat transport medium is provided in a cavity 82 and is conveyed via a pump 84 and pipes 86 through a heat exchanger 88 for the removal of heat.
  • the heat exchanger 88 can in turn be connected to the heat exchanger 34 and / or the heat exchanger 66 and / or the heat exchanger 68.
  • a further conveyor device 90 such as a screw screw, is provided in the lower region of the reaction container 72.
  • the remaining residual substrate which is essentially humus, is removed from the conveying device 90 through a pipeline 92.
  • the gases generated in the fermentation in the bioreactor III are discharged through a pipeline 94 and fed to the combustion device 56.
  • the mixing of the substrate in the reaction container 72 takes place either, as described above, through the nozzles 80 and the pump 78 or alternatively also through an agitator provided in the reaction container 72.
  • ARS I First aerobic stage
  • the novel bioreactor for the fermentation of solid substances enables the establishment of a system of controlled thermal use of organic residues.
  • a targeted ventilation, mixing and regulation was previously not possible in stirred bioreactors.
  • the first aerobic stage (ARS I) of this process is operated in continuous operation with a solids content of around 70%, i.e. without a macroscopically visible water phase.
  • Dry, moist or H 2 O-saturated compressed air which is provided by a compressor, enters the bioreactor through vertical nozzles 18, which can be inserted into the bioreactor, and aerates it evenly.
  • the nozzles are passed through sieves 22 (grids) with a decreasing exclusion volume.
  • the grids prevent the organic residues from pouring too hard, on the other hand they also serve for homogeneous ventilation (by distributing and breaking the possible air bubbles).
  • the grating system can be provided with openings to allow additional pulsed ventilation. Anaerobic regions in the fermentation material should be avoided in this fermentation stage in order to keep the methane content in the exhaust air low.
  • the warm exhaust air is discharged parallel to the supply air line to heat the supply air (energy conservation).
  • the exhaust air is passed on through the aerator in the second aerobic stage and from there into the methane burner after the anaerobic stage III in order to oxidize all VOCs (volatile organic carbon) formed during the fermentation.
  • the fermentation process can be influenced by adding water, possible growth substances or buffers (preferably acidic buffers that are suitable for fungi).
  • the temperature in the entire bioreactor system is to be regulated via the compressed air supply and thus via the availability of O 2 .
  • Exothermic reactions generally require O 2 , that is, the less O 2 is available to the aerobic microorganisms in the first two fermentation stages, the slower their metabolism and the less heat energy is released.
  • the lid 10 with the vertical nozzles can be raised completely or partially in order to refill organic residues and to clean the bioreactor if necessary.
  • the bioreactor is only started up in a small segment, otherwise anaerobic conditions can occur due to the interrupted ventilation and the undesired methane production in this stage can begin (emission protection).
  • the preferred embodiment for refilling organic residues is an antechamber which is closed off from the surroundings or the interior of the reactor by two flaps.
  • the outer flap When the outer flap is opened, the inner one is closed. After filling in the organic residues, the outer flap is closed, a shredder mechanism in the antechamber starts and crushes and homogenizes the residues. When this is done, the inner flap opens and the organic residues fall into the reactor. This procedure has the advantage that hardly any heat and no gases can escape from the reactor.
  • the entire reactor is well insulated and surrounded by a double jacket 26 filled with heat medium, which is connected to a heat exchanger 34.
  • a screw screw 36 is attached to the bottom of the reactor and continuously transports the sedimented sediment into the second aerobic bioreactor.
  • additional screw screws can be installed in the bioreactor at different heights, which ensure additional mixing.
  • Second aerobic stage (hereinafter also "ARS II"; preferably bacteria) Substrate is transported from (ARS I) via one or more screw screws. Before ARS II, the organic residue pre-oxidized and comminuted in ARS I is diluted with water to a solids content of 40% and added to reactor 12. This reactor is a closed system without a gas phase.
  • ARS II Second aerobic stage
  • the residue suspension is pumped in a circuit and kept in suspension by the continuous media stream 44.
  • the suspension is sieved and filtered, then passed through a heat exchanger 48 to generate energy.
  • a ventilation / measuring / control unit 50 Downstream of the heat exchanger is a ventilation / measuring / control unit 50, in which the O 2 concentration is measured and regulated by changing the compressed air supply in ARS I.
  • the air flow in ARS I increases, the O 2 content in its exhaust air increases, which is used again in the ARS II aerator.
  • additional compressed air is provided via the compressor preceded by ARS I.
  • the pH of the medium is regulated in the aerator (preferably neutral because of bacteria).
  • the solution is slightly alkalized and the HCO 3 formed during microbial breathing is complexed and precipitated by calcium.
  • the precipitated calcium carbonate is then regenerated in an acid scrubber, in which the bicarbonate is released as CO 2 .
  • the exhaust air from the aerator is passed through the methane burner of bioreactor III (ANRS III, see below) in order to burn the VOCs generated during fermentation.
  • a pump 49 feeds the medium enriched with oxygen back into the bioreactor at the bottom.
  • This bioreactor is also surrounded by a double jacket 60 which is filled with a heating medium and is coupled to a heat exchanger 66.
  • a worm screw 68 is attached to the bottom of the bioreactor and transfers sedimented residues into bioreactor III (ANRS III; see below).
  • ANRS III Third anaerobic stage
  • Substrate is transported from ARS II via one or more screw screws and diluted to a solids content of 10% by adding water.
  • the suspension is introduced through nozzles 78 projecting vertically into the reactor space (need not, but should be short).
  • the anaerobic reactor is mixed by a vertical nozzle system 80.
  • the suspension is pumped off at the top of the reactor and pressed in pulses through the nozzle system into the bioreactor.
  • the electricity generated in this way should be sufficient to energize all energy-consuming steps of the fermentation, such as shredders, pumps, heat pumps, screw screws and the compressor.
  • a screw screw 90 which transports the constituent not to be metabolized into waste containers.
  • the residue can be used as humus.
  • the method according to embodiment (3) of the invention comprises at least one essentially anaerobic and one essentially aerobic method step in discrete reaction vessels connected in series. It is preferred that at least one anaerobic process step is carried out first.
  • the process according to embodiment (4) of the invention comprises a continuous process for the microbial degradation of organic substrates for the production of thermal energy, comprising at least two essentially aerobic process steps in discrete reaction vessels connected in series.
  • the method according to embodiment (3) is used for the production of biogas, whereas that of embodiment (4) is suitable for the thermal use of the organic substrates.
  • the methods according to the invention comprise at least three fermentation steps, namely a first aerobic step (a), a second essentially aerobic step (b) and an essentially anaerobic step (c).
  • a first aerobic step (a) serving as supply air from step (b)
  • a second essentially aerobic step (b) serving as supply air from step (b)
  • an essentially anaerobic step (c) it is preferred that the process is operated as an essentially closed system, the exhaust air from step (a) serving as supply air from step (b), and the exhaust air from step (b) is burned together with the biogas generated in step (c).
  • the first two steps are controlled by the oxygen supply of step (a) (by using the exhaust air from step (a) as supply air from step (b), the oxygen supply of step (b) is also influenced thereby ).
  • (ii) is operated at a pH ⁇ 6, preferably a pH of 3 to 5, the degradation taking place essentially by fungi (e.g. mold, yeast, etc.); and or
  • citrate buffer
  • (i) is operated with a solids content of at least 25% by weight, preferably from 30 to 50% by weight; and or
  • (ii) is operated at a pH of> 7, preferably at a pH of 7 to 9, the degradation being carried out essentially by bacteria, in particular
  • Phosphate buffer and / or the addition of salts, in particular CaCl 2 , for
  • Step (c is an obligatory anaerobic fermentation reaction that
  • steps (a) - (c) the heat of reaction is removed by heat exchangers and / or that the exhaust air from step (c) is fed to an internal combustion engine.
  • - ARS I, ARS II, ANRS III are in a steady state when the system is in operation.
  • ARS I, ARS II and ARS III The daily turnover rates in ARS I, ARS II and ARS III correspond to 5, 10 and 20%.
  • ARS I a filling quantity of approx. 1100 kg (solids content 70%), this corresponds to a reaction volume of approx. 1500 I.
  • ARS II a filling quantity of approx. 400 kg (solids content 40%), this corresponds to a reaction volume of approx. 1000 I.
  • ANRS III a filling quantity of approx. 140 kg (solids content 10%), this corresponds to a reaction volume of approx. 1400 I.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bioreaktorsystem zur Nutzung der mikrobiellen Wärmeentwicklung bei der Verstoffwechselung organischer Substrate und ein kontinuierliches Verfahren zum mikrobiellen Abbau organischer Substrate zur Gewinnung thermischer Energie.

Description

Bioreaktorsystem zur Nutzung der Wärmeentwicklung biochemischer
Reaktionen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bioreaktorsystem zur Nutzung der mikrobiellen Wärmeentwicklung bei der Verstoffwechselung organischer Substrate und ein kontinuierliches Verfahren zum mikrobiellen Abbau organischer Substrate zur Gewinnung thermischer Energie.
Hintergrund der Erfindung
Die Metabolisierung von organischen Substraten durch Mikroorganismen erfolgt durch sukzessive Oxidation des eingesetzten Substrates bis hin zum CO2. Das Substrat wird dabei zur Speicherung von chemischer Energie in Form von ATP und zum Aufbau der Zellmasse verwendet. Dabei geht bei jeder chemischen Reaktion ein Teil der inneren Energie (H) als Entropie S (Wärme) verloren. Bei Fermentationen in denen Mikroorganismen aus einem Substrat ein gewünschtes Endprodukt herstellen, ist die Produktion von Wärme eine unerwünschte Begleiterscheinung. Überschüssige Wärme muss aus dem Prozess durch Kühlsysteme abgeleitet werden.
Es ist bekannt, dass Bioreaktoren zur Produktion von thermischer Energie verwendet werden können. Dies geschieht in den meisten Fällen indirekt. Zunächst wird das aufbereitete Substrat in Wasser gelöst und von den Mikroorganismen anaerob zu Methan reduziert. Anschließend wird das Methan zu CO2 verbrannt und die frei werdende thermische Energie genutzt. Auch aerobe Versuche zur Kompostierung von organischen Substraten in einer der Prozesssteuerung und Regelung nicht zugänglichen Miete wurden durchgeführt. Die Nutzung der Abwärme von Kompostierungsprozessen ' in großen Kompostierungsanlagen zu Heizwerken ist Stand der Technik. In FR 2466502 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem mehrere aerobe und anaerobe Schritte mit Hilfe eines Vorfermenters und drei anaeroben Fermentern durchgeführt werden. Der Vorfermenter ist wärmeisoliert und enthält einen Wärmetauscher, der mit einem Kessel, der zusätzlich mit Hilfe eines Teils des produzierten Biogases betrieben wird, verbunden ist. Hierdurch erfolgt ein Vorwärmen von Gülle zur Erleichterung der aeroben Fermentation. In den anaeroben Fermentern erfolgt das Durchmischen der Substrate durch eine Rührvorrichtung, eine Umwälzpumpe sowie einer Zuführung des Fermentationsguts. Die Zuführung des Fermentationsgutes von einem zum nächsten Fermenter erfolgt von unten an der Basis der Fermenter. Die Umsetzung erfolgt durch Rührsysteme und Pumpen, die die Substrate oben aus dem Reaktor entnehmen, durch einen externen Wärmetauscher führen und dem Reaktor am Boden wieder zuführen. Die in FR 2466502 beschriebene Vorrichtung dient zur Produktion von Biogas.
In DE-A-4427644 wird ein Verfahren zur Behandlung, von Bio-Reststoffen beschrieben. Hierbei erfolgt zunächst eine Verrottung und Auslagerung der Reststoffe in einem (oder mehreren parallelen) Mischreaktoren. Teile der so behandelten Reststoffe werden dann in einer nachgeschalteten anaeroben Reaktorstufe weiter abgebaut. In DE-A-19946299 und DE-C-4115435 werden mehrstufige, aerob-anaerobe Verfahren zur Behandlung von Reststoffen beschrieben, im ersten Fall organischer Reststoffe z. B. aus Hausmüll, wobei Methan ensteht, das verbrannt wird, im zweiten Fall explosivstoffhaltiger Reststoffe zum Zweck der Entsorgung. Beide Verfahren nutzen die während oder am Ende des Verfahrens frei werdende Abwärme zur Erwärmung anderer, zwischengeschalteter Prozessstufen. Eine externe Nutzung der Abwärme ausserhalb des Gesamtprozesses ist mit diesen Verfahren nicht möglich. Gleiches gilt für das in DE-C-19615551 beschriebene mehrstufige Verfahren zur anaeroben Behandlung von Biomasse unter Erzeugung von Biogas. Dieses Verfahren nutzt ausserdem nicht die durch die aerobe Oxidation organischer Substanzen frei werdende Wärme. DE-C-4227238 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben von Kläranlagen, bei dem die durch biologische Abbauprozesse freiwerdende Wärme teilweise für die Erwärmung von Brauchwasser oder Heizwasser ausserhalb des Prozesses genutzt wird. Bei diesem Verfahren handelt es sich jedoch nicht um ein geschlossenes, geregeltes System mit Bioreaktoren mit dem Ziel der optimalen Erzeugung von extern nutzbarer thermischer Energie.
Keines der vorstehenden Verfahren ermöglicht und beabsichtigt jedoch eine direkte Nutzung der bei jeder chemischen (biologischen) Reaktion frei werdenden Wärme außerhalb des Prozesses selbst. Dies ist jedoch äußerst wünschenswert, da es eine nachhaltige Entlastung der Umwelt und der globalen Ressourcen bedeuten würde.
Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, zentrale oder dezentrale Bioreaktoren zur Verfügung zu stellen, die in jedem Haushalt installiert werden können. Dabei soll eine größtmögliche konstante Wärme bei einer größtmöglichen Temperatur produziert werden, diese über einen Wärmetauscher abgeleitet und zur Warmwasserproduktion sowie zur Elektrizitätsgewinnung genutzt werden. Insbesondere soll die thermische Fermentation mit hohen Feststoffgehalten durchgeführt werden, um organische Haushaltsabfälle verwerten zu können und um möglichst wenig Wasser zu verbrauchen.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die Erfindung betrifft somit
(1) ein Bioreaktorsystem zur Nutzung der Wärmeentwicklung biochemischer Reaktionen, insbesondere zur Warmwasser- und Stromproduktion, mit einem Bioreaktor (1,11) zum im Wesentlichen aeroben mikrobiellen Abbau organischer Substrate, einem Bioreaktor (III) zum im Wesentlichen anaeroben mikrobiellen Abbau organischer Substrate, wobei die Bioreaktoren (1,11,111) nacheinander geschaltet sind, so dass den nachgeschalteten Bioreaktoren (II, III) das Abbausubstrat des vorgeschalteten Bioreaktors (I) bzw. (II) zugeführt wird, und zumindest einem Wärmetauscher zur Wärmeabfuhr aus den Bioreaktoren (1,11,111);
(2) ein Bioreaktorsystem zur Nutzung der Wärmeentwicklung biochemischer Reaktionen, insbesondere zur Warmwasser- und Stromproduktion, mit zwei Bioreaktoren (1,11) zum im Wesentlichen aeroben mikrobiellen Abbau organischer Substrate, wobei die Bioreaktoren (1,11) nacheinander geschaltet sind, so dass dem nachgeschalteten Bioreaktor (II) das Abbausubstrat des vorgeschalteten Bioreaktors (I) zugeführt wird, und zumindest einem Wärmetauscher zur Wärmeabfuhr aus den Bioreaktoren (1,11);
(3) ein kontinuierliches Verfahren zum mikrobiellen Abbau organischer Substrate zur Gewinnung thermischer Energie, umfassend wenigstens einen im Wesentlichen aeroben und einen im Wesentlichen anaeroben Verfahrensschritt in nacheinander geschalteten diskreten Reaktionsgefäßen; und
(4) ein kontinuierliches Verfahren zum mikrobiellen Abbau organischer Substrate zur Gewinnung thermischer Energie, umfassend wenigstens zwei im wesentlichen aerobe Verfahrensschritte in nacheinander geschalteten diskreten Reaktionsgefäßen.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Bioreaktorsystems ist es insbesondere möglich, organische Haushaltsabfälle mikrobiell abzubauen und hierbei Energie für die Warmwasseraufbereitung und/oder die Stromproduktion zu erzeugen. Es findet somit nicht nur eine erhebliche Reduzierung des organischen Mülls durch mikrobiellen Abbau, sondern auch eine Nutzung der hierbei entstehenden Wärme statt. Zur Nutzung der Wärme ist erfindungsgemäß ein Wärmetauscher vorgesehen. Der Wärmetauscher kann mit den einzelnen Bioreaktoren gekoppelt sein. Das Vorsehen eines einzigen Wärmetauschers oder eines gemeinsamen Wärmetauschers für zwei oder mehr Bioreaktoren hat zur Folge, dass die Temperaturen dieser Bioreaktoren miteinander gekoppelt sind. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Bioreaktorsystems besteht darin, dass vorzugsweise eine direkte Wärmenutzung für die Warmwasserbereitung und/oder zu Heizzwecken möglich wird, ohne eine zwischengeschaltete Produktion von Biogas. Vorzugsweise wird, sofern in einem anaeroben Bioreaktor Biogas entsteht, dies zur Stromerzeugung genutzt, die sodann überwiegend oder ausschließlich der Energetisierung des gesamten Verfahrens selbst, z.B. zum Betreiben von Pumpen und dgl., dient. Besonders wichtig ist die bevorzugte erfindungsgemäße Regulierung des einen oder der beiden aeroben Bioreaktoren über die Zufuhr von Luft bzw. Sauerstoff. Ein weiterer wesentlicher erfindungsgemäßer Aspekt ist die bevorzugte Führung von Abluft aus dem ersten aeroben Bioreaktor in den zweiten aeroben Bioreaktor. Eine derartige Rezirkulierung der Abluft erhöht den Wirkungsgrad des Bioreaktorsystems. Das erfindungsgemäße Bioreaktorsystem ist insbesondere zur Fermentation bei hohen Feststoffgehalten (von 110-70 Gew.-%) geeignet.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind zwei im wesentlichen aerobe Bioreaktoren und ein im Wesentlichen anaerober Bioreaktor vorgesehen. Die drei Bioreaktoren sind nacheinander geschaltet, wobei zuerst die beiden aerob arbeitenden Bioreaktoren und dann der anaerob arbeitende Bioreaktor vorgesehen ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem ersten Bioreaktor um einen Feststoffbioreaktor, dem vorzugsweise durch eine Düsenanordnung Sauerstoff zugeführt wird. Es handelt sich bei dem zweiten Bioreaktor vorzugsweise um einen Wirbelschicht-Bioreaktor, bei dem die organischen Substrate auf Grund des Medienstroms in Lösung gehalten werden. Das in dem zweiten Bioreaktor vorzugsweise durch eine Entnahme im oberen Bereich und ein Zuführen im unteren Bereich kontinuierlich geförderte Medium wird vorzugsweise durch eine Belüftungs- und Regulierungseinrichtung geführt. In dieser erfolgt vorzugsweise die Anreicherung des Mediums mit Sauerstoff sowie die Regulierung des pH- Werts. Besonders bevorzugt ist es, hierzu die Abgase bzw. die Abluft aus dem ersten Bioreaktor zu nutzen. Ggf. können aus der Belüftungs- und Regulierungseinrichtung auch Abgase abgeführt werden. Da es sich hierbei im Allgemeinen um brennbare Gase handelt, werden diese vorzugsweise einer Verbrennungseinrichtung zugeführt. Die Verbrennungseinrichtung kann wiederum zur Energiegewinnung, insbesondere zur Warmwasseraufbereitung oder Stromerzeugung, genutzt werden.
Sofern drei Bioreaktoren vorgesehen sind, ist der erste aerobe Bioreaktor und der anaerobe Bioreaktor vorzugsweise mit mehreren gitterartigen Sieben ausgestattet, so dass eine sukzessive Differenzierung in Fraktionen unterschiedlicher Teilchengröße innerhalb der Reaktoren erfolgt. Dies ist gegenüber einer Fraktionierung zwischen hintereinander geschalteten Reaktoren vorteilhaft, da dies einen Partikeltransport gemäß dem Abbaugrad innerhalb eines Reaktorkörpers ermöglicht. Die Abluft des zweiten aeroben Reaktors und/oder des dritten anaeroben Reaktors wird - gegebenenfalls nach Passieren eines Wärmetauschers - vorzugsweise einem Brenner zugeführt, um die Emissionen zu minimieren. Da die Abluft des ersten aeroben Bioreaktors noch relativ große Konzentrationen an Sauerstoff enthalten kann, wird diese Abluft vorzugsweise in einer Belüftungs- und Regulierungseinrichtung dem zweiten aeroben Bioreaktor im Gegenstrom zugeführt.
Besonders bevorzugt ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im folgenden wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform des Bioreaktorsystems näher erläutert.
Die Figur zeigt ein Bioreaktorsystem mit drei Bioreaktoren, wobei die ersten beiden Bioreaktoren (I und II) im Wesentlichen zum aeroben mikrobiellen Abbau organischer Substrate und der Bioreaktor (III) im Wesentlichen zum anaeroben mikrobiellen Abbau organischer Substrate dient. Die Bioreaktoren (I, II, III) sind nacheinander geschaltet. Diese Ausführungsform stellt eine bevorzugte Lösung beider vorstehend beschriebenen Bioreaktorsysteme dar, wobei bei dem einen Bioreaktorsystem erfindungsgemäß der Bioreaktor (I oder II) entfallen kann, so dass ein im Wesentlichen aerob arbeitender Bioreaktor einem im Wesentlichen anaerob arbeitenden Bioreaktor (III) vorgeschaltet ist. Bei dem anderen erfindungsgemäßen Bioreaktorsystem kann der Bioreaktor (III), in dem im Wesentlichen ein anaerober mikrobieller Abbau organischer Stoffe erfolgt, entfallen, so dass nur zwei hintereinander geschaltete aerobe Bioreaktoren vorgesehen sind.
Eine Prinzipskizze einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Bioreaktorsystems.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Ein vorangeschalteter erster Bioreaktor (I) kann mit hohen Feststoffgehalten, z.B. organischen Abfällen, die nicht zusätzlich aufbereitet werden müssen, betrieben werden und ist bevorzugt für Pilze geeignet. Die Fermentationsgeschwindigkeit und damit die konstante Wärmeentwicklung im Bioreaktor wird über die gezielte Versorgung der Mikroorganismen mit Sauerstoff gewährleistet.
Der vorgeschlagene Bioreaktor erlaubt die kontinuierliche Nutzung der bei der Veratmung von organischen Materialien durch Mikroorganismen freigesetzten Wärme.
Der erste Bioreaktor I, bei dem es sich um einen im Wesentlichen aerob arbeitenden Bioreaktor handelt, weist einen mit einem Deckel 10 verschlossenen Reaktionsbehälter 12 auf. Durch Öffnen des Deckels 10 und beispielsweise durch ein mechanisches Verfahren des Deckels 10 in Richtung des Pfeils 14 können in den Reaktionsbehälter 12 organische Substrate mit hohem Feststoffgehalt zugeführt werden. Zusätzlich oder anstatt des Deckels 10 kann auch eine Zerkleinerungseinrichtung zum Zerkleinern der organischen Abfälle vorgesehen sein, die über ein Rohr o.dgl. mit einer Öffnung des Reaktionsbehälters 12 verbunden ist, um die Substrate zuzuführen. Ferner weist der erste Bioreaktor I eine Düsenanordnung 16 mit mehreren vertikal verlaufenden Düsen 18 auf. Durch die Düsen 18, die vorzugsweise regelmäßig über den gesamten Behälter 12 verteilt sind, kann dem Behälter 12 Sauerstoff zugeführt werden. Hierzu ist die Düsenanordnung 16 vorzugsweise mit einem Kompressor verbunden. Die einzelnen Düsen 18 der Düsenanordnung 16 können in unterschiedlicher Höhe des Behälters 12 enden. Vorzugsweise erstrecken sie sich durch den gesamten Behälter, so dass die unteren Düsenöffnungen 20 im unteren Bereich des Behälters 12 angeordnet sind. Jede einzelne Düse 18 kann mehrere Luftaustrittsöffnungen, die über die Höhe des Behälters 12 verteilt sind, aufweisen. Durch die Düsenanordnung erfolgt ein Belüften und Durchmischen der in dem Behälter 12 befindlichen Substrate.
Innerhalb des Behälters 12 sind mehrere vorzugsweise horizontal angeordnete Siebe 22 vorgesehen, wobei sich vorzugsweise die Maschenweite der Siebe 22 in Förderrichtung verringert. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Förderung der Substrate in dem ersten Bioreaktor I in vertikaler Richtung von oben nach unten auf Grund von Schwerkraft. Die Maschenweite der Siebe 22 nimmt somit von oben nach unten ab.
Die Düsen 18 der Düsenanordnung 16 erstrecken sich vorzugsweise in vertikaler Richtung und durchdringen die Siebe 22. Insbesondere erfolgt durch die Düsenanordnung eine Zufuhr von mit Wasser gesättigter Druckluft in den Reaktionsbehälter 12. Mit Hilfe der Menge des eingeleiteten Sauerstoffs kann die Reaktionsgeschwindigkeit der in dem Behälter 12 stattfindenden Oxidationsprozesse und damit die bei der Fermentation freiwerdende Wärmemenge gesteuert werden.
Zersetzte, d.h. oxidierte, Substrate sedimentieren und fallen durch die Siebe 22 nach unten. Durch die Siebe 22 ist sichergestellt, dass in einem unteren Bereich 24 des Behälters 12 nur Substrat einer durch die Maschenweite des unteren Siebes 22 definierten Größe vorkommt. Zur Wärmeabfuhr ist der Reaktionsbehälter 12 doppelwandig ausgebildet, so dass in einem Zwischenraum 26 ein geeignetes Wärmetransportmedium, wie beispielsweise Wasser, vorgesehen sein kann. Zum Umwälzen des Wärmetransportmediums ist der doppelwandige Behälter 12 mit einer Rohrleitung 28 verbunden, in der eine Pumpe 30 angeordnet ist. Das Wärmetransportmedium wird aus einem oberen Bereich 32 des Behälters 12 entnommen und im unteren Bereich 24 des Behälters 12 diesem wieder zugeführt. Mittels eines in der Rohrleitung 28 angeordneten Wärmetauschers 34 wird dem Wärmetransportmedium Wärme entnommen. Diese Wärme kann zur Aufbereitung von Warmwasser oder zur Gewinnung von Strom genutzt werden. Anstelle eines außerhalb des Reaktionsbehälters 12 angeordneten Wärmetauschers 34 kann auch ein innerhalb des Reaktionsbehälters 12 vorgesehener Wärmetauscher vorgesehen sein.
Die in den Bereich 24 des Behälters 12 gelangenden Substrate werden über eine Fördereinrichtung 36, wie beispielsweise eine Schraubenschnecke, zu einem zweiten Bioreaktor II über eine Rohrleitung 38 transportiert.
Ferner entsteht in dem Reaktionsbehälter 12 bei der Fermentation der organischen Substrate eine Gasphase. Diese wird durch ein Rohr 40 abgeführt. Die Wärme der abgeführten Gase kann zum Vorwärmen der durch die Düsenanordnung 16 zugeführte Luft oder zum Vorwärmen des dritten anaeroben Reaktors genutzt werden oder sie kann durch einen Wärmetauscher geführt werden. Insbesondere werden die aus dem Reaktionsbehälter 12 des ersten Bioreaktors I abgeführten Gase zumindest teilweise in dem zweiten Bioreaktor II genutzt (s.u.).
Das durch die Fördereinrichtung 36 in Richtung des zweiten Bioreaktors II geförderte Substrat gelangt zusammen mit dem hinzugefügten Wasser in einen Reaktionsbehälter 42. In dem Reaktionsbehälter 42 wird das Substrat durch einen in Richtung der Pfeile 44 strömenden Substratstrom in Lösung gehalten. Hierzu wird in einem oberen Bereich des Behälters 42 Medium entnommen und über eine Rohrleitung 46 mittels einer Pumpe 48 in einem unteren Bereich des Behälters 42 diesem wieder zugeführt. Hierbei handelt es sich um ein Kreislaufsystem. Innerhalb der Rohrleitung 46 ist ein weiterer Wärmetauscher 48 zur unmittelbaren Entnahme von Wärme aus dem Bereich vorgesehen. Der Wärmetauscher 48 kann mit dem Wärmetauscher 34 gekoppelt sein. Im Anschluss an den Wärmetauscher 48 ist in der Rohrleistung 46 eine Belüftungs- und Regulierungseinrichtung 50 vorgesehen. Die Belüftungs- und Regulierungseinrichtung 50 dient zur Zufuhr von Sauerstoff zu dem Substrat sowie zur Regulierung des pH-Wertes. Über eine Zuführleitung 52, die vorzugsweise mit der Rohrleitung 40 des Bioreaktors I verbunden ist, können Abgase des Bioreaktors I unmittelbar dem in dem Bioreaktor II verarbeiteten Substrat zugeführt werden; Über eine zweite Rohrleitung 54 können die zugeführten Gase abgeleitet werden. Die durch die Rohrleitung 54 abgeleiteten Gase werden vorzugsweise einer Verbrennungseinrichtung 56 zugeführt. Das aus dem Behälter 42 im oberen Bereich entnommene Medium wird durch ein Sieb und/oder einen Filter 58 geleitet. Die Erwärmung des in dem Reaktionsbehälter 42 vorhandenen Substrats erfolgt wiederum durch mikrobielle Oxidationsvorgänge.
Der Behälter 42 ist vorzugsweise ebenfalls doppelwandig ausgebildet, so dass ein Wärmetransportmedium, wie Wasser, durch einen Hohlraum 60 transportiert und innerhalb des Behälters 42 erzeugte Wärme aufnehmen kann. Der Transport des Mediums erfolgt über Rohrleitungen 62 und eine Pumpe 64. Hierbei wird das Medium durch einen Wärmetauscher 66 zur Abfuhr von Wärme geleitet. Der Wärmetauscher 66 kann mit dem Wärmetauscher 48 und/oder dem Wärmetauscher 34 gekoppelt sein.
Vor dem Bioreaktor II wird dem aus Bioreaktor I kommenden Sediment H2O zugesetzt. Diese "Slurry" wird in einem erneut aeroben Verfahren weiter oxidiert. Die Temperatur im Bioreaktor soll konstant gehalten werden. Dies wird durch die Variation der Sauerstoffbeimischung im Belüftungstank (50) erreicht. Da die Wärmeentwicklung in erster Linie durch die Nutzung von O2 als terminalem Elektronenakzeptor bedingt ist, soll auch hier die Temperatur und Wärme produktiv über eine Limitierung oder Erhöhung des verfügbaren Sauerstoffs reguliert werden.
Die gewählte Betriebstemperatur in den Bioreaktoren I und II ist in beiden Fällen abhängig von der Temperaturtoleranz der eingesetzten Mikroorganismen.
Im unteren Bereich des Behälters 42 des zweiten Bioreaktors II ist wiederum eine Fördereinrichtung 68 vorgesehen, bei der es sich ebenfalls um eine Schraubenschnecke handeln kann. Durch die Fördereinrichtung 68 wird Substrat durch eine Rohrleitung 70 in Richtung des dritten Bioreaktors III gefördert. Das Substrat wird in einen Reaktionsbehälter 72 des Bioreaktors III mittels einer vorzugsweise vertikalen Düsenanordnung 74 eingebracht. Vorzugsweise enden die Düsen auf unterschiedlichen Höhen in dem Reaktionsbehälter 72. Zusätzlich erfolgt eine Durchmischung des Substrats in dem Reaktionsbehälter 72, in dem im oberen Bereich des Reaktionsbehälters 72 Substrat über eine Rohrleitung 76 entnommen, mit einer Pumpe 78 gefördert und über Düsen 80, vorzugsweise im unteren Bereich des Reaktionsbehälters 72, diesem wieder zugeführt wird.
Der Reaktionsbehälter 72 ist vorzugsweise ebenfalls doppelwandig ausgebildet, so dass in einem Hohlraum 82 Wärmetransportmedium vorgesehen ist, das über eine Pumpe 84 und Rohrleitungen 86 durch einen Wärmetauscher 88 zur Entnahme von Wärme gefördert wird. Der Wärmetauscher 88 kann wiederum mit dem Wärmetauscher 34 und/oder dem Wärmetauscher 66 und/oder dem Wärmetauscher 68 verbunden sein. Im unteren Bereich des Reaktionsbehälters 72 ist eine weitere Fördereinrichtung 90, wie eine Schraubenschnecke, vorgesehen. Von der Fördereinrichtung 90 wird das verbleibende Restsubstrat, bei dem es sich im Wesentlichen um Humus handelt, durch eine Rohrleitung 92 abgeführt. Die bei der Fermentation in dem Bioreaktor III entstehenden Gase werden durch eine Rohrleitung 94 abgeführt und der Verbrennungseinrichtung 56 zugeführt.
Die Durchmischung des Substrats in dem Reaktionsbehälter 72 erfolgt entweder, wie vorstehend beschrieben, durch die Düsen 80 und die Pumpe 78 oder alternativ auch durch ein in dem Reaktionsbehälter 72 vorgesehenes Rührwerk.
Erste aerobe Stufe (nachfolgend auch "ARS I"; bevorzugt für Pilze) Der neuartige Bioreaktor zur Fermentation fester Substanzen ermöglicht die Etablierung eines Systems der kontrollierten thermischen Nutzung organischer Reststoffe. Eine gezielte Belüftung, Durchmischung und Regulation war zuvor in gerührten Bioreaktoren nicht möglich.
Die erste aerobe Stufe (ARS I) dieses Prozesses wird im kontinuierlichen Betrieb mit einem Feststoffgehalt um 70%, dass heißt ohne makroskopisch sichtbare Wasserphase betrieben.
Trockene, feuchte oder mit H2O gesättigte Druckluft, die von einem Kompressor bereit gestellt wird, gelangt durch vertikale Düsen 18, die in den Bioreaktor eingefahren werden können, in den Bioreaktor und belüftet diesen gleichmäßig. Die Düsen werden durch Siebe 22 (Gitter) mit abnehmendem Ausschlussvolumen geführt. Die Gitter verhindern zum Einen eine zu feste Schüttung der organischen Reststoffe, dienen zum Anderen aber auch der homogenen Belüftung (durch verteilen und brechen der möglichen Luftblasen). Das Gittersystem kann mit Öffnungen versehen sein, um ein zusätzliches gepulstes Belüften zu ermöglichen. Anaerobe Regionen im Fermentationsgut sollen in dieser Fermentationsstufe vermieden werden, um den Methan-Gehalt in der Abluft klein zu halten. Die warme Abluft wird parallel zur Zuluftleitung abgeführt, um die Zuluft zu erwärmen (Energieerhalt). Die Abluft wird weitergeleitet durch den Belüfter in der zweiten aeroben Stufe und von da aus weiter in den Methan-Brenner nach der anaeroben Stufe III, um alle während der Fermentation gebildeten VOCs (volantile organic carbon) zu oxidieren.
Zusätzliche kurze Düsen am Deckel 10 des Bioreaktors 12 dienen der Regulation. Über die Zugabe von Wasser, möglichen Wuchsstoffen oder Puffer (bevorzugt saure Puffer, die für Pilze geeignet sind), kann auf den Fermentationsverlauf Einfluss genommen werden.
Die Temperatur im gesamten Bioreaktorsystem soll über die Druckluftversorgung und damit über die Verfügbarkeit von O2 reguliert werden. Exotherme Reaktionen benötigen in der Regel O2, dass heißt je weniger O2 den aeroben Mikroorganismen in den ersten beiden Fermentationsstufen zu Verfügung steht, um so langsamer läuft ihr Stoffwechsel und um so weniger Wärmeenergie wird freigesetzt.
Der Deckel 10 mit den vertikalen Düsen kann ganz oder teilweise hochgefahren werden, um organische Reststoffe nachzufüllen und den Bioreaktor im Bedarfsfall zu reinigen. Zum Befüllen wird der Bioreaktor nur in einem kleinen Segment hochgefahren, da sonst durch die unterbrochene Belüftung anaerobe Verhältnisse entstehen können und damit die in dieser Stufe unerwünschte Methanproduktion einsetzen kann (Emissionsschutz).
Die bevorzugte Ausführung zum Nachfüllen von organischen Reststoffen ist eine Vorkammer, die durch zwei Klappen von der Umgebung beziehungsweise dem Reaktor-Innerem abgeschlossen ist. Beim Öffnen der äußeren Klappe ist die innere geschlossen. Nach Einfüllen der organischen Reststoffe wird die äußere Klappe geschlossen, ein Schredder-Mechanismus in der Vorkammer setzt ein und zerkleinert und homogenisiert die Reststoffe. Ist dies geschehen, öffnet sich die innere Klappe und die organischen Reststoffe fallen in den Reaktor. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass kaum Wärme und keine Gase aus dem Reaktor entweichen können.
Der gesamte Reaktor ist gut isoliert und mit einem mit Wärmemittel gefüllten Doppelmantel 26 umgeben, der an einen Wärmetauscher 34 angeschlossen ist.
Am Boden des Reaktors ist eine Schraubenschnecke 36 angebracht, die kontinuierlich den sedimentierten Bodensatz in den zweiten aeroben Bioreaktor transportiert. Optional können im Bioreaktor in verschiedenen Höhen zusätzliche Schraubenschnecken angebracht sein, die für eine zusätzliche Durchmischung sorgen.
Zweite aerobe Stufe (nachfolgend auch "ARS II"; bevorzugt Bakterien) Von (ARS I) wird über eine oder mehrere Schneckenschrauben Substrat herantransportiert. Vor ARS II wird der in ARS I voroxidierte und zerkleinerte organische Reststoff mit Wasser auf einen Feststoffgehalt von 40% verdünnt und in den Reaktor 12 gegeben. Bei diesem Reaktor handelt es sich um ein geschlossenes System ohne Gasphase.
Die Reststoffsuspension wird im Kreislauf gepumpt und durch den kontinuierlichen Medienstrom 44 in Schwebe gehalten. An der Oberseite des Reaktors wird die Suspension gesiebt und gefiltert, dann zur Energiegewinnung durch einen Wärmetauscher 48 geführt.
Dem Wärmetauscher nachgeschaltet ist eine Belüftungs-/ Mess- / Regeleinheit 50, in der die O2-Konzentration gemessen und durch eine Änderung der Druckluftversorgung in ARS I reguliert wird. Bei einer Steigerung des Luftstroms in ARS I steigt der O2-Gehalt in dessen Abluft, die im Belüfter von ARS II erneut genutzt wird. Bei einer möglichen Unterversorgung mit O2 von ARS II, das zu einem ungewünschten Absinken der Temperatur führt, kann zusätzlich Druckluft über den ARS I vorangestellten Kompressor bereit gestellt werden.
Im Belüfter wird der pH des Mediums reguliert (bevorzugt neutral, da Bakterien). Hierzu wird die Lösung leicht alkalisiert und das während der mikrobiellen Atmung entstehende HCO3 durch Calzium komplexiert und ausgefällt. Das ausgefällte Calzimcarbonat wird anschließend in einem Säurewäscher regeneriert, im dem das Bicarbonat als CO2 freigesetzt wird. Die Abluft des Belüfters wird durch den Methan-Brenner des Bioreaktors III (ANRS III, s. u.) geleitet, um die bei der Fermentation entstehenden VOCs zu verbrennen.
Eine Pumpe 49 führt das mit Sauerstoff angereicherte Medium an der Unterseite wieder in den Bioreaktor ein.
Auch dieser" Bioreaktor ist mit einem Doppelmantel 60, der mit einem Wärmemittel gefüllt ist, umgeben und an einen Wärmetauscher 66 gekoppelt.
Am Boden des Bioreaktors ist eine Schneckenschraube 68 angebracht, die sedimentierte Reststoffe in Bioreaktor III (ANRS III; s. u.) überführt.
Dritte anaerobe Stufe (nachfolgend auch "ANRS III"; methanogene Bakterien) Von ARS II wird über eine oder mehrerer Schneckenschrauben Substrat herantransportiert und durch Zumis.chung von Wasser auf einen Feststoffgehalt von 10% verdünnt. Die Suspension wird durch vertikal in den Reaktorraum ragende Düsen 78 eingebracht (müssen nicht, sollten aber kurz sein). Durchmischt wird der anaerobe Reaktor durch ein vertikales Düsensystem 80. An der Oberseite des Reaktors wird die Suspension abgepumpt und in Pulsen durch das Düsensystem in den Bioreaktor gedrückt.
Bei der Vergärung in diesem Reaktor wird weniger Wärme pro Volumeneinheit frei als in den aeroben ARS I und ARS II. Die Restwärme wird dennoch über einen Doppelmantel 82 mit Wärmemittel durch einen Wärmetauscher 88 genutzt. Bevorzugt soll in dieser dritten Stufe Methan produziert werden. Das Methan wird über ein Leitung 94 abgeführt, gesammelt und in einem Verbrennungsmotor 56 in dem die Abluft der beiden vorangegangenen Stufen verbrannt wird, zur Stromerzeugung genutzt.
Der hierbei erzeugte Strom soll ausreichen, um alle Energie verbrauchenden Schritte der Fermentation, wie Schredder, Pumpen, Wärmepumpen, Schraubenschnecken und den Kompressor zu energetisieren.
Am Boden des anaeroben Reaktors ist eine Schraubenschnecke 90, die den nicht zu metabolisierenden Bestandteil in Reststoffbehälter transportiert. Der Reststoff kann als Humus genutzt werden.
Das Verfahren gemäß Ausführungsform (3) der Erfindung umfasst wenigstens einen im Wesentlichen anaeroben und einen im Wesentlichen aeroben Verfahrensschritt in nacheinander geschalteten diskreten Reaktionsgefäßen. Es ist dabei bevorzugt, dass zunächst wenigstens ein anaerober Verfahrensschritt erfolgt. Das Verfahren gemäß Ausführungsform (4) der Erfindung umfasst ein kontinuierliches Verfahren zum mikrobiellen Abbau organischer Substrate zur Gewinnung thermischer Energie, umfassend wenigstens zwei im wesentlichen aerobe Verfahrensschritte in nacheinander geschalteten diskreten Reaktionsgefäßen. Das Verfahren gemäß Ausführungsform (3) dient dabei der Produktion von Biogas, wohingegen das der Ausführungsform (4) für die thermische Nutzung der organischen Substrate geeignet ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfassen die erfindungsgemäßen Verfahren wenigstens drei Fermentationsschritte, nämlich einen ersten aeroben Schritt (a), einen zweiten im Wesentlichen aeroben Schritt (b) und einen im Wesentlichen anaeroben Schritt (c). Aus Gründen des Geruchs ist es dabei bevorzugt, dass das Verfahren als im Wesentlichen geschlossenes System betrieben wird, wobei die Abluft des Schrittes (a) als Zuluft des Schrittes (b) dient, und wobei die Abluft des Schrittes (b) zusammen mit dem in Schritt (c) erzeugten Biogas verbrannt wird. Bei dieser Reaktionsführung ist bevorzugt, dass die ersten beiden Schritte durch die Sauerstoffzufuhr des Schrittes (a) gesteuert werden (durch die Verwendung der Abluft von Schritt (a) als Zuluft von Schritt (b) wird dadurch auch die Sauerstoffzufuhr des Schritts (b) beeinflusst).
In besonders bevorzugten Ausführungsformen werden die
Reaktionsbedingungen der Schritte (a) - (c) wie folgt eingestellt:
Schritt fa)
(i) wird mit einem Feststoffgehalt von wenigstens 50 Gew.-% betrieben; und/oder
(ii) wird bei einem pH < 6, vorzugsweise einem pH von 3 bis 5, betrieben, wobei der Abbau im Wesentlichen durch Pilze (z. B. Schimmelpilze, Hefen usw.) erfolgt; und/oder
(iii) es erfolgt eine pH-Pufferzugabe, insbesondere die Zugabe eines
Citratpuffers; und/oder
(iv) die Sauerstoffzufuhr ist so geregelt, dass eine Reaktortemperatur von 30 +
15 °C herrscht.
Schritt (b
(i) wird mit einem Feststoffgehalt von wenigstens 25 Gew.-%, vorzugsweise von 30 bis 50 Gew.-%, betrieben; und/oder
(ii) wird bei einem pH von > 7, vorzugsweise bei pH von 7 bis 9, betrieben, wobei der Abbau im Wesentlichen durch Bakterien, insbesondere
Pseudomonaden, erfolgt; und/oder
(iii) es erfolgt eine pH-Pufferzugabe, insbesondere die Zugabe eines
Phosphatpuffers, und/oder die Zugabe von Salzen, insbesondere CaCI2, zur
Fällung von CO2.
Schritt (c ist eine obligat anaerobe Fermentationsreaktion, die
(i) mit einem Feststoffgehalt von < 20 Gew.-%, vorzugsweise von 5 bis 15
Gew.-%, betrieben wird; und/oder
(ii) bei einem neutralen pH betrieben wird, wobei der Abbau im Wesentlichen durch methanogene Bakterien erfolgt und/oder (iii) pH-Puffer zugegeben werden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es weiterhin bevorzugt, dass in den Schritten (a) - (c) die Reaktionswärme durch Wärmetauscher abgeführt wird und/oder dass die Abluft von Schritt (c) einem Verbrennungsmotor zugeführt wird.
Die erfinderische Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren dienen somit zur
• Nutzung der freiwerdenden Wärmeenergie biochemischer Reaktionen zum Zwecke der Energienutzung
• In Bioreaktoren
• Durch verschiedene Mikroorganismen
• In verschiedenen für bestimmte Mikroorganismen optimierten Reaktoren
• In Aeroben und anaeroben Prozessen
• In einer Verschachtelung aerober und anaerober Reaktoren
• In einem kontinuierlichen Verfahren.
Die energetische Durchführbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie die Dimensionierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird anhand der nachfolgenden Modellrechnung näher erläutert:
Modellrechnung
Modellrechnung für ein Einfamiliehaus mit einem Bedarf von 11000 KWh/a (Heizung/Warmwasser)
- Pro Tag sind 30 KWh erforderlich.
- Für den organischen Reststoff wird eine Zusammensetzung von Kohlenhydraten, Eiweiß und Fett im Verhältnis 2: 1: 1 angenommen. Der Brennwert dieser Mischung entspricht 6 KWh/kg
- Bei einem Wirkungsgrad von 100% reichen somit 5 kg Reststoff/d. - Unter der Voraussetzung, dass die Mikroorganismen nur 60% der eingesetzten Menge verstoffwechseln, steigt der Bedarf an Reststoff auf 8,33 kg/d.
- Unter der Voraussetzung eines 15prozentigen technischen Wirkungsgrades der Wärmeumwandlung steigt der Bedarf an Reststoffen auf 55,5 kg/d.
- Täglich fallen dabei 22,2 kg nicht umgesetzte Reststoffe an.
- ARS I, ARS II, ANRS III befinden sich bei Betrieb der Anlage in einem Fließgleichgewicht.
- Von den insgesamt 60% der verstoffwechselbaren Reststoffmenge werden 30% in ARS I, 20% in ARS II und 10% in ANRS III umgesetzt.
- Die täglichen Umsatzraten in ARS I, ARS II und ARS III entsprechen 5, 10 und 20%.
Damit ergibt sich im Fließgleichgewicht für
ARS I eine Füllmenge von ca. 1100 kg (Feststoffgehalt 70%), dies entspricht einem Reaktionsvolumen von ca. 1500 I.
ARS II eine Füllmenge von ca. 400 kg (Feststoffgehalt 40%), dies entspricht einem Reaktionsvolumen von ca. 1000 I.
ANRS III eine Füllmenge von ca. 140 kg (Feststoffgehalt 10%), dies entspricht einem Reaktionsvolumen von ca. 1400 I.

Claims

Patentansprüche
1. Bioreaktorsystem zur Nutzung der Wärmeentwicklung biochemischer Reaktionen, insbesondere zur Warmwasser- und Stromproduktion, mit
einem Bioreaktor (1,11) zum im Wesentlichen aeroben mikrobiellen Abbau organischer Substrate,
einem Bioreaktor (III) zum im Wesentlichen anaeroben mikrobiellen Abbau organischer Substrate,
wobei die Bioreaktoren (I,II,III) nacheinander geschaltet sind, so dass den nachgeschalteten Bioreaktoren (II, III) das Abbausubstrat des vorgeschalteten Bioreaktors (I) bzw. (II) zugeführt wird, und
mindestens einem Wärmetauscher (34,48,66,88) zur Wärmeabfuhr aus den Bioreaktoren (I, II, III).
2. Bioreaktorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei im Wesentlichen aerobe Bioreaktoren (1,11) vorgesehen sind, die nacheinander geschaltet sind und dass der im Wesentlichen anaerobe Bioreaktor (III) dem zweiten aeroben Bioreaktor (II) nachgeschaltet ist.
3. Bioreaktorsystem zur Nutzung der Wärmeentwicklung biochemischer Reaktionen, insbesondere zur Warmwasser- und Stromproduktion, mit
mindestens zwei Bioreaktoren (1,11) zum im Wesentlichen aeroben mikrobiellen Abbau organischer Substrate,
wobei die Bioreaktoren (1,11) nacheinander geschaltet sind, so dass dem nachgeschalteten Bioreaktor (II) das Abbausubstrat des vorgeschalteten Bioreaktors (I) zugeführt wird und
BESTATIGUNGSKOPIE mindestens einem Wärmetauscher zur Wärmeabfuhr aus den Bioreaktoren (1,11).
4. Bioreaktorsystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Bioreaktor (III) zum im Wesentlichen anaeroben mikrobiellen Abbau organischer Substrate, der den im Wesentlichen aeroben Bioreaktoren (1,11) nachgeschaltet ist.
5. Bioreaktorsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bioreaktor (I) eine Zuführöffnung zum Zuführen organischer Reststoffe, insbesondere organischem Hausmüll, aufweist.
6. Bioreaktorsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bioreaktor eine, vorzugsweise vertikal angeordnete Düsenanordnung (16), insbesondere zur Sauerstoffzufuhr, aufweist.
7. Bioreaktorsystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bioreaktor (I) mehrere in Förderrichtung nacheinander geschaltete, vorzugsweise horizontal angeordnete Siebe (22) aufweist.
8. Bioreaktorsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschenweite der Siebe (22) in Förderrichtung abnimmt.
9. Bioreaktor nach einem oder mehreren der Ansprüche 2-8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bioreaktor (II) eine Fördereinrichtung (48) zur Erzeugung eines, vorzugsweise vertikal nach oben gerichteten Medienstroms (44) innerhalb des Bioreaktors (II) aufweist.
10. Bioreaktorsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Medienstrom durch einen Wärmetauscher (48) geführt ist.
11. Bioreaktorsystem nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Medienstrom durch eine Belüftungs- und Regulierungseinrichtung (50) geführt ist.
12. Bioreaktorsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Belüftungs- und Regulierungseinrichtung (50) eine Sauerstoff- und pH- Wert-Regulierung erfolgt.
13. Bioreaktorsystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Belüftungs- und Regulierungseinrichtung (50) mit einem Abgasauslaß (40) des ersten Bioreaktors (I) verbunden ist.
14. Bioreaktorsystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Belüftungs- und Regulierungseinrichtung (50) einen mit einer Gasverbrennungseinrichtung (56) verbundenen Auslaß (54) aufweist.
15. Bioreaktorsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1,2,4-14, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte, im Wesentlichen anaerobe Bioreaktor (III) eine, vorzugsweise vertikal angeordnete Düsenanordnung (74) zum Einbringen des Abbausubstrats aus dem zweiten Bioreaktor (II) in den dritten Bioreaktor (III) aufweist.
16. Bioreaktorsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Bioreaktor (III) eine Fördereinrichtung (78) zur Erzeugung eines Substratstroms in dem Bioreaktor (III) aufweist.
17. Bioreaktorsystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (78) mit der Düsenanordnung (74) verbunden ist, so dass das Einbringen des Abbausubstrats aus dem zweiten Bioreaktor (II) und das aus dem dritten Bioreaktor (III) entnommene Substrat über eine gemeinsame Düsenanordnung (74) erfolgt.
18. Bioreaktorsystem nach einem oder mehreren der Ansprüche 1,2,4-17, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Bioreaktor (III) mit einer Verbrennungseinrichtung (56) zum Verbrennen von Biogas verbunden ist.
19. Bioreaktorsystem nach Anspruch 14 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennung zur Energiegewinnung insbesondere zur Warmwasser- und Stromproduktion eingesetzt wird.
20. Kontinuierliches Verfahren zum mikrobiellen Abbau organischer Substrate zur Gewinnung thermischer Energie, umfassend wenigstens einen im wesentlichen aeroben und einen im Wesentlichen anaeroben Verfahrensschritt in nacheinander geschalteten diskreten Reaktionsgefäßen.
21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei zunächst wenigstens ein aerober Verfahrensschritt erfolgt.
22. Kontinuierliches Verfahren zum mikrobiellen Abbau organischer Substrate zur Gewinnung thermischer Energie, umfassend wenigstens zwei im wesentlichen aerobe Verfahrensschritte in nacheinander geschalteten diskreten Reaktionsgefäßen.
23. Verfahren nach Anspruch 22, das weiterhin einen im wesentlichen anaeroben Verfahrensschritt in einem diskreten Reaktionsgefäß umfasst, der den aeroben Verfahrensschritten nachgeschaltet ist.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 - 23, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
(a) einen ersten aeroben Schritt;
(b) einen zweiten im Wesentlichen aeroben Schritt und
(c) einen im Wesentlichen anaeroben Schritt.
25. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 20-24, wobei das Verfahren als geschlossenes System betrieben wird und die Abluft des Schritts (a) als Zuluft des Schritts (b) dient und die Abluft des Schritts (b) mit dem in Schritt (c) erzeugten Biogas verbrannt wird.
26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Reaktion durch die Sauerstoffzufuhr des Schritts (a) gesteuert wird.
27. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 22-26, wobei Schritt (a)
(i) mit einem Feststoffgehalt von wenigstens 50 Gew.-% betrieben wird;
(ii) bei einem pH < 6, vorzugsweise einem pH von 3 bis 5 erfolgt, wobei der
Abbau im Wesentlichen durch Pilze erfolgt;
(iii) eine pH-Pufferzugabe, insbesondere die Zugabe eines Citratpuffers umfasst und/oder
(iv) die Sauerstoffzufuhr so geregelt ist, dass eine Reaktortemperatur von 30 +
15 °C herrscht.
28. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 22-27, wobei Schritt (b)
(i) mit einem Feststoffgehalt von wenigstens 25 Gew.-%, vorzugsweise von 30 bis 50 Gew.-%, betrieben wird;
(ii) bei einem pH von > 7, vorzugsweise bei pH von 7 bis 9, erfolgt, wobei der
Abbau im Wesentlichen durch Bakterien, insbesondere Pseudomonaden, erfolgt und/oder
(iii) eine pH-Pufferzugabe, insbesondere die Zugabe eines Phosphatpuffers, und/oder die Zugabe von Salzen, insbesondere CaCI2, zur Fällung von CO2 umfasst.
29. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 22-28, wobei Schritt (c) eine obligat anaerobe Fermentationsreaktion ist, die (i) mit einem Feststoffgehalt von < 20 Gew.-%, vorzugsweise von 5 bis 15
Gew.-%, erfolgt;
(ii) bei einem neutralen pH erfolgt, wobei der Abbau im Wesentlichen durch methanogene Bakterien erfolgt und/oder
(iii) eine pH-Pufferzugabe umfasst.
30. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 22-29, wobei in Schritten (a) bis (c) die Reaktionswärme durch Wärmetauscher abgeführt wird und/oder die Abluft von Schritt (c) einem Verbrennungsmotor zugeführt wird.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2248886A3 (de) * 2009-02-16 2013-09-25 Sang Bum Lee Anaerober Faultank
EP3732282A4 (de) * 2017-12-28 2021-10-13 Locus IP Company, LLC Reaktoren und unterwasserfermentationsverfahren zur herstellung von produkten auf mikrobenbasis

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU493415B2 (en) * 1976-12-07 1978-06-15 Western Pacific Water Treatment Corporation Effluent treatment system
FR2466502A2 (fr) * 1979-10-04 1981-04-10 Wilkie Bernard Installation de desodorisation et de mise en valeur de dechets organiques par fermentation
JPS57174093A (en) * 1981-04-21 1982-10-26 Syst Nogyo Center:Kk Methane fermentation method and apparatus
NL8303129A (nl) * 1983-09-09 1985-04-01 Gist Brocades Nv Werkwijze en inrichting voor het anaeroob vergisten van vaste afvalstoffen in water in twee fasen.
CH655948A5 (fr) * 1983-11-09 1986-05-30 Armand Cotton Procede et installation de production de biogaz et de compost.
DE4427644A1 (de) * 1994-08-04 1996-02-08 Hese Gmbh Maschf Ernst Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von organischen Bio-Reststoffen
DE19946299C2 (de) * 1999-09-28 2001-03-29 Mostofizadeh Ghalamfarsa S M C Verfahren und Vorrichtung zur gemeinsamen Vergärung von kohlenhydrat-, fett- und eiweisshaltigen Bioabfällen, cellulosereichen Bioabfällen, Faulschlamm aus Kläranlagen sowie Papierschlamm und Molke

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2248886A3 (de) * 2009-02-16 2013-09-25 Sang Bum Lee Anaerober Faultank
EP3732282A4 (de) * 2017-12-28 2021-10-13 Locus IP Company, LLC Reaktoren und unterwasserfermentationsverfahren zur herstellung von produkten auf mikrobenbasis
US12187999B2 (en) 2017-12-28 2025-01-07 Locus Solutions Ipco, Llc Reactors and submerged fermentation methods for producing microbe-based products

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