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

dt4

Die Grundlagen des Biogasprozesses

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1Remaining stochiometric potential for gas/methane formation

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

landwirtschaftlichen Biogasanlagen. Kuratorium f�r 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 BiogasprozessTheoretische / Praktische Biogaserträge für unterschiedliche Substrate

NSP (51%)

Lignin (2%)

Protein (8%)

Fat (2%)

Starch (37%)

Der Einsatz von Enzymen im BiogasprozessBeispiel: 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

EnzymeEnzyme

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 BiogasprozessEnzymsynthese 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 BiogasprozessEnzymsynthese im aeroben System

Preserved Strain

Shaker Culture

Inoculation Culture

Fermentation

Cell Removal

Concentration

Stabilisation

Fluid Product

Drying

Solid Product

Produktion und Charakteristik von MethaPlus®

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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 BiogasprozessPraxiseinsatz

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)

Sch

ub

span

nun

g (en

tsp

r. K

raft)

"Viskosität“ = 136 mPa.s

"Viskosität" = 37 mPa.s

Löbnitz (vor MethaPlus-Einsatz)

Pitschütz (mit MethaPlus-Einsatz)

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• 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 BiogasprozessIn der Praxis: Steigerung der Biogasbildung

Der Einsatz von MethaPlus® im BiogasprozessWirtschaftlichkeit 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

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MethaConcept ® - Erfolg mit Biogas

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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