19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 1
Biomasse Energieerzeugung
Kapitel 3.1Mikrobiologische Grundlagen Biomasseenergieerzeugungenergy from renewable raw materials
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GliederungGliederung
- Kohlenstoffkreislauf- Photosynthese,Atmung, Vergärung- Mikroorganismen Biogaserzeugung- Methanbakterien- Stoffwechsel und Sauerstoffempfindlichkeit- 4 Phasen der Fermentation- Wachstumsbedingungen der MO- Wachstumskurve im geschlossenen System- Verschiedene Wachstumssysteme- Wachstum im System (etablierte Verfahren)- Vergärung eines „Salatblattes“
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Der KohlenstoffkreislaufC-Kreislauf
1) Assimilation: CO2 wird aus der Atmosphere von Pflanzen aufgenommen. 2) Respiration: der MO und höheren Lebewesen, CO2 wird produziert, was in die Atmosphäre gelangt.3) Inkohlung: Bildung von fossilen Brenn-stoffen unter O2-Abschluss, hohem Druck 4) Verbrennung: dieser Brennstoffe, wird Kohlenstoffdioxid frei 5) Weitere C-Speicher im Boden (CaCO3, MgCO3, Kalk)6) Wechselwirkungen zwischen der Hydrosphäre und der Atmosphäre, CO2-Diffusionsvorgänge.7) Phytoplankton assimiliert CO2, Meerestiere (Fische), Exkremente,
Meeresablagerungen 8) Fäulnis, Vergärung, Verwesung: abgestorbenen C-haltige Materie, Exkremente werden zu CO2 und CH4 abgebaut
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Photosynthese, Atmung, VergärungEnergiegewinnung
6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 Fixierung von N u. P in der Pflanze/Boden
C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + E Freisetzung von großen Energiemengen, N u. P Schnelles Wachstum möglich
C6H12O6 3 CH4 + 3 CO2 + E Freisetzung von geringen Energiemengen, N u. P Nur langsames Wachstum möglich
Photosynthese (Assimilation)
Atmung (aerob – unter Sauerstoff – Dissimilation)
Vergärung (anaerob – ohne Sauerstoff – Produkte Methan und Kohlenstoffdioxid)
Licht
Glukose
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Mikroorganismen BiogaserzeugungMikroorganismen
Als Methanbildner oder Methanogene (früher auch Methanbakterien genannt) werden Archaeen (Archaea) bezeichnet, bei deren Energiestoffwechsel Methanbildung stattfindet. Sie werden in den Klassen Methanobacteria, Methanococci und Methanomicrobia zusammengefasst, zu denen fünf Ordnungen gehören.
Die Methanbildner sind strikt anaerob, sie stoffwechseln bei Temperaturen zwischen 0 und 70 °C, wenige Arten sogar bei bis zu 90 °C, bei höheren Temperaturen werden sie abgetötet. Erhöhte Temperaturen steigern die Effizienz der Methanbildner. Sie benötigen anoxisches, pH-neutrales oder schwach alkalisches Milieu mit mindestens 50 % Wasser.
Anoxische Gewässersedimente, wassergesättigte oder -überstaute Böden (z. B. Moore und Reisfelder), Mist, Gülle und der Verdauungstrakt von Wiederkäuern sind besonders gute Lebensräume für Methanbakterien. Weitere Habitate von Methanbildnern sind der Dickdarm von Wirbeltieren sowie Rumen von Wiederkäuern.
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Methanbakterien (eine kleine! Auswahl)Mikroorganismen
Methanosaeta sp. (x4000)
Methanospirillum sp. strain TM20-1 (x5000)
Methanosarcina sp. (x4000)
Methanococcus (x4000) Methanobacterium formicicum (x4000)
Methanosarcina barkeri (x5000)
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Stoffwechsel und SauerstoffempfindlichkeitMikroorganismen
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Stoffwechsel der MikroorganismenMikroorganismen
Die Stoffwechselleistung der Mikroorganismen aus dem Anabolismus (Biosynthese) und dem Katabolismus (Energiestoffwechsel) ergeben sich 6 Stoffwechseltypen.
Fazit für die Biomasse Energiegewinnung:
Aerob: Kompostierung, Entschwefelung von Biogas
Anaerob: Biogaserzeugung
Gärung: Silage (Milchsäuregärung), Bioethanol (alkoholische Gärung)
Alle diese Prozesse setzen auch bei der Lagerung von Biomasse und deren Reststoffen ein und führen zu Verlusten oder Geruchsbelästigungen.
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Die 4 Phasen der Fermentation (Biogas)Mikroorganismen
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Wachstumsbedingungen für die MOMikroorganismen
pH-Wert: pH 5: vorwiegend PilzepH 8: vorwiegend Bakterien.
Substrateigenschaften: 20 Elemente sind notwendig, C:N:P = 37-55 :5:1
Temperatur: psychrophile T-Optimum bei 15 - 20 °Cmesophile T-Optimum bei 20 - 37 °Cthermophile T-Optimum bei 50 - 65 °C
Sauerstoffversorgung: Sauerstoffreiches Milieu bei aeroben MikroorganismenSauerstofffreies Milieu bei anaeroben MO und Vergärung
Streng, also obligat anaerobe Organismen, erfordern eine Sauerstofffreie Umgebung, also Nährmedium ebenso wie Gasatmosphäre -> Biogasproduktion
Fakultative Anaerobier können ihre Lebensform bei Vorhandensein von Sauerstoff umstellen -> Hydrolyse
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Wachstumskurve im geschlossenem SystemMikroorganismen
I) Lag-Phase/Akzelerations-Phase, Anpassen auf die Umgebungsbedingungen, Animpfmenge cB0 mindestens 5% (Konzentration Biomasse 5% zum Zeitpunkt 0)
II) Exponentielle Phase, maximales Wachstum
III) Übergansphase (Verzögerungsphase), essentielle Substratbestandteile cSi sind verbraucht, hemmende Stoffwechselprodukte gebildet, verlangsamtes Wachstum
IV) Stationäre Phase, Reservestoffe und abgestorbenen MO werden genutzt, Gleichgewicht zwischen Wachsen und Absterben
V) Absterbe Phase, Absterben überwiegt
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Wachstumskurve im geschlossenem SystemMikroorganismen
I) II) III) IV) V)
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Verschiedene Wachstumssysteme Systeme
Bereitstellung der Mikroorganismen und Nährstoffe notwendig!
Batchsystem: abgeschlossen hinsichtlich fest und Flüssiger Phase, offen für Gasphase, einmalige Zufuhr von MO und Substrat, Anreicherung von MO und Produkten -> z.B. Herstellung von Hefe, Trockenfermentation, Boxenfermenter -> wenn kontinuierlich dann mind. 3 Reaktoren (Hochfahren/Produktion/Vorbereitung)
Kontinuierliches System: offen für flüssige und gasförmige Phase, wahlweise für die feste Phase, ständige Zufuhr von Substrat, ggf. nach Animpfung ständige Zufuhr von MO, keine Anreicherung von MO und Produkten -> z.B. Produktion von Biogas
Quasikontinuierliche Systeme: wie kontinuierliches System, Zufuhr von Substrat in kleineren, kontinuierlichen Etappen -> z.B. Produktion von Biogas
Fed-batch-Systeme: Fed-batch-Verfahren zeichnen sich durch eine zeitlich begrenzte, kontinuierlich oder in Intervallen erfolgende Zufütterung der Substrate ohne Entnahme von Nährlösung aus dem Reaktor aus -> z.B. Penicillin
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Wachstum im System (etablierte Verfahren)Systeme
Batchsystem (Boxenfermenter): (Quasi)-Kontinuierliches System:
-Trockenvergärung -Nassvergärung
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Vergärung eines Salatblattes (Konz.-Zunahme)
Beispiel „Salatblatt“
http://www.gbiu.de/
80% H2O30 - 40% H2O
950 g oTS
50 g inert 1000gTS Salat, enthält 50 mgZn/kgTS
50 g inert
15 g oTS
Masseverlust durch
Vergärung und
Kompostierung93,5 %TS-Abbau (1000g -> 65g)
98,4 %oTS-Abbau (950g -> 15g)
65gTS Kompost, enthält 769 mgZn/kgTS!!!!!!
Kann über einen antiproportionlaen Dreisatz berechnet werden