Hydrolytische Enzyme zur Erhöhung der Effizienz der Vergärung .Produktion und Charakteristik von

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  • Hydrolytische Enzyme zur Erhöhung der

    Effizienz der Vergärung

    Matthias Gerhardt* & Dorothea Telschow** *BIOPRACT GmbH **Cowatec AG

    Fachtagung Biogas 2008

    Entwicklungen und Erfahrungen aus der Praxis

    23. Oktober 2008, Potsdam

  • Der Abbau von Karton innerhalb von zwei Wochen:

    Produktion und Charakteristik von MethaPlus®

    ohne MethaPlus® mit MethaPlus® (100 mg/kg TM)

    2

  • 3

  • Fette,

    Polysaccharide

    Proteine

    Fettsäuren,

    Mono-, Oligozucker

    Aminosäuren

    Propionsäure,

    Buttersäure, ...

    Essigsäure,

    H2

    CH4

    Essigsäure,

    H2,

    HYDROLYSE

    ACIDOGENESE

    ACETOGENESE

    METHANOGENESE

    dS

    dt

    dFS

    dt = k2

    dCH4

    dt = k1 = k3

    dAc

    dt = k4

    dH2

    dt 4

    Die Grundlagen des Biogasprozesses

  • 5

    1 Remaining stochiometric potential for gas/methane formation

    2 All Reference of practical gas/methane yield results, KTBL (Ed.). 2005. Gasausbeute in

    landwirtschaftlichen Biogasanlagen. Kuratorium fr Technik und Bauwesen in der

    Landwirtschaft e.V. Darmstadt

    0 Nm3/t

    200 Nm3/t

    400 Nm3/t

    600 Nm3/t

    800 Nm3/t

    1.000 Nm3/t

    1.200 Nm3/t

    Potenzial

    Tatsächlich

    Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess Theoretische / Praktische Biogaserträge für unterschiedliche Substrate

  • NSP (51%)

    Lignin (2%)

    Protein (8%)

    Fat (2%)

    Starch (37%)

    Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess Beispiel: Zusammensetzung von Maissilage

  • NSP sind Polysaccharide, sie erfordern für ihre Verwertung

    die (enzymatische) Hydrolyse zu Oligomeren / Monomeren

    NSP behindern auf Grund ihrer Struktur den Abbau

    enthaltener leicht abbaubarer Substanzen („Käfigeffekt“)

    NSP führen zu einem Anstieg der Viskositäten und

    begrenzen die möglichen Trockenmassegehalte

    NSP: Nicht-Stärke-Polysaccharide

    Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess

    7

  • Fette Fettsäuren

    Polysaccharide (Mono) Zucker Methan

    Proteine Aminosäuren

    Essigsäure

    Wasserstoff

    Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess

    Externe

    Enzyme Enzyme

    Endogener Mikroben

    • Enzyme sind der Schlüssel der Hydrolyse polymerer Substrate • Wird durch den Zusatz von Enzymen der Prozess beeinflusst?

    8

  • Die Antwort ist: Ja!

    • Steigerung der Gesamtgasbildung / Steigerung der Geschwindigkeit

    • Substanzielle Abnahme der Viskosität im Fermenter

    + 15 % Gas

    - 50 % in 3 h

    Der Einsatz von MethaPlus® im Biogasprozess

    9

  • • Die Energieausbeute anaerober Reaktionen ist gering

    • Enzyme zur Hydrolyse von Polymeren sind an der Zellwand der

    Mikroorganismen einzeln oder verbunden als „Cellulosom“

    gebunden oder

    • lose an der Zellwand adheriert oder

    • in geringen Mengen in freier Form ausgeschüttet

    Geringe Effizienz

    Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess Enzymsynthese im anaeroben System

  • • Die Induktion der Bildung und Ausschüttung

    erfolgt bei Mangel an leicht abbaubaren

    Substraten

    • Die gebildeten Enzyme werden in das Medium

    ausgeschieden

    • Die Hydrolyse der Polymere erfolgt im freien

    Medium

    • Die Zellen nehmen die entstandenen Spalt-

    produkte (Mono- und Oligomere) über die

    Zellwand auf

    Die aerobe Enzymsynthese ist die

    Basis der industriellen Produktion

    Der Einsatz von Enzymen im Biogasprozess Enzymsynthese im aeroben System

  • Preserved Strain

    Shaker Culture

    Inoculation Culture

    Fermentation

    Cell Removal

    Concentration

    Stabilisation

    Fluid Product

    Drying

    Solid Product

    Produktion und Charakteristik von MethaPlus®

    12

  • Praxis des Einsatzes von Enzymen

    Bewertung einer Biogasanlage

    • Visuelle Beurteilung der Ausrüstungen und des Hofes

    • Hersteller der Anlage

    • Betriebsführung (Betriebstagebuch, Wartung, Bilanzierungen)

    • Biologische und technische Analytik/Beratung

    • Ableitung des Handlungsbedarfes ready for MethaPlus®?

    Bewertung der Leistung / Funktion

    • Substrateinsatz (Natur, Menge, Fütterungsregime, Messung)

    • Basisverfahren, Fermentervolumina, Rezirkulation

    • Biogas- / Methan- / Stromproduktion

    • Substratbezogene Biogasausbeute

    • Verweilzeit / Faulraumbelastung / Produktivität

    • Ableitung der Leistungsreserven Einsatz MethaPlus® 13

  • Der Einsatz von MethaPlus® im Biogasprozess Praxiseinsatz

  • In der Praxis: Steigerung der Biogasbildung

    detected gas production: Gemessene Gasproduktion

    expected gas production: kalkulierter Gasertrag (KTBL)

    + 100 g MethaPlus® /t oDM x d

    + 19,7 % gas

    Biogasanlage #10057: 760 m3 fermentor, 145 kWel.

    Der Einsatz von MethaPlus® im Biogasprozess

    15

  • In der Praxis: Viskositätssenkung BGA Pitschütz / BGA Löbnitz

    Der Einsatz von MethaPlus® im Biogasprozess

    Fließverhalten Fermenterinhalte (Vgl. BGA Pitschütz und BGA Löbnitz)

    0 Pa

    5 Pa

    10 Pa

    15 Pa

    20 Pa

    25 Pa

    0 1/s 50 1/s 100 1/s 150 1/s 200 1/s 250 1/s 300 1/s 350 1/s 400 1/s 450 1/s 500 1/s

    Schergefälle (entspr. Drehgeschwindigkeit)

    S c h

    u b

    s p a n

    n u n

    g ( e n

    ts p

    r. K

    ra ft )

    "Viskosität“ = 136 mPa.s

    "Viskosität" = 37 mPa.s

    Löbnitz (vor MethaPlus-Einsatz)

    Pitschütz (mit MethaPlus-Einsatz)

    16

  • • Bessere Substratumsetzung / schnellere Hydrolyse = mehr Biogas

    • Einsetzbarkeit faserreicher Substrate

    • Verbesserte Wirtschaftlichkeit der Biogasanlage

    • Reduzierte Methanemissionen des Gärrestes

    30 t Substrat

    0.001 t Enzym

    4.500 m³ Biogas

    + 18 % Biogas

    Der Einsatz von MethaPlus® im Biogasprozess In der Praxis: Steigerung der Biogasbildung

  • Der Einsatz von MethaPlus® im Biogasprozess Wirtschaftlichkeit des Enzymeinsatzes

    Position 100 kW 500 kW

    Vergütung nach EEG (NaWaRo, TF) 0,175 €/kWh 0,159 €/kWh

    Gülle 8,0 t FM/Tag 40,0 t FM/Tag

    Maissilage 6,7 t FM/Tag 32,0 t FM/Tag

    oTS Zulauf 2,6 t oTM/Tag 12,6 t oTM/Tag

    Gasproduktion standard (KTBL)

    Gas mit MethaPlus (+18%)

    MethaPlus Einsatz (100 g/t oTM) 85 kg/Jahr 427 kg/Jahr

    Erlös Standard 140.045 €/Jahr 636.211 €/Jahr

    Erlös mit MethaPlus (+18%) 165.253 €/Jahr 750.729 €/Jahr

    Aufwendungen MethaPlus (32,80 €/kg) 2.799 €/Jahr 13.996 €/Jahr

    Nettoerlös 22.409 €/Jahr 100.522 €/Jahr

    18

  • MethaConcept ® - Erfolg mit Biogas

    19

    MethaPlus®

    Das Enzymkonzentrat zur Aufspaltung pflanzlicher

    Fasern.

    Der Gasertrag steigt, die Viskosität im Fermenter

    verringert sich.

    MethaTrace®

    Das Spurenelementekonzentrat zur Stabilisierung des

    biologischen Prozesses.

    Optimale Bedingungen für die Mikroorganismen sorgen für

    eine höhere Effizienz der Biogasanlage.

    MethaServ®

    Das Servicepaket für Beratung und Laboranalyse.

    Die Betreuung Ihrer Biogasanlage in erfahrenen Händen.

  • BIOPRACT GmbH Dr. Ing. Matthias Gerhardt

    Magnusstrasse 11 Dipl. Ing. Vincent Pelenc

    12489 Berlin Dipl. Ing. Torsten Unmack

    www.biopract.de

    www.methaconcept.de

    BIOPRACT, Partner der

    Vertrieb:

    Salvana Tiernahrung GmbH

    EnergyPlus Service GmbH (Cowatec AG)

    Öko Gas Produktions- und Handelsges. M.b.H., Österreich

    Novaenergo, Tschechien