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IBÖ-09: VFAsense - Entwicklung eines praxistauglichen, mikrobiell-elektrochemischen Sensors zur hochaufgelösten Prozessüberwachung anaerober Bioprozesse

KMU-innovativ22: Entwicklung katalytischer Schwimmkörper für den kombinierten Einsatz mit Ölsperren zum Abbau von Mineralölbelastungen auf Wasseroberflächen

FermKomp - Abgestimmte Effizienzsteigerung und Emissionsminderung der Feststofffermentation mit nachfolgender Kompostierung, Teilprojekt C: Effiziente Vergärung von biogenen Reststoffen und der nachfolgenden Kompostierung

In Deutschland werden ca. 12 Mio. t/a biologisch abbaubare Abfälle verschiedener Herkunft behandelt, davon ca. 4,6 t/a in Vergärungsanlagen. Aufgrund der störstoffunanfälligen Handhabung hat in den letzten Jahren vor allem die Vergärung in Garagenverfahren mit nachgeschalteter Kompostierung vermehrt Anwendung gefunden. Die anaerobe und aerobe Behandlung der Abfälle setzt eine Struktur voraus, die eine Perkolation von Flüssigkeiten bzw. die Durchdringung mit Luft ermöglicht. Unzureichende Strukturen bedeuten verringerten Abbau sowohl im aeroben als auch im anaeroben Bereich, in der Kompostierung kommen dann noch erhebliche Treibhausgasemissionen dazu. Im beantragten Vorhaben soll auf Basis einer optimierten Struktur der Abbau in beiden Verfahrensstufen verbessert sowie eine effiziente Abstimmung der Prozesse aufeinander demonstriert werden, die auch zu emissionsmindernden Effekten führt. Im Vorhaben sollen erstens Anforderungen (Materialeigenschaften) an die Substratmischungen ermittelt werden. Anschließend erfolgen mit den Mischungen in der zweiten Phase die Untersuchungen zur Effizienzsteigerung der Vergärungsstufe und die Untersuchungen einer emissionsarmen Kompostierung im Pilotmaßstab. Die Materialeigenschaften sind dabei gezielt durch Substratmischungen bzw. durch die Zugabe von Zuschlagstoffen einzustellen. Zur Validierung der Effekte in der Nachkompostierung werden Messungen an in der Praxis üblicherweise verwendeten Mieten durchgeführt, um die entweichenden Emissionen zu quantifizieren. Parallel erfolgen Messungen mit einer Methan-Messlanze, um mögliche Zusammenhänge zwischen Porenvolumen und Methanemission darzustellen und ein einfaches Messverfahren zur Prozessüberwachung zu entwickeln. Die Teilergebnisse werden zu einer Methode zusammengeführt, die auf Basis einer schnellen Substratcharakterisierung eine abbauoptimierte Prozessführung bei minimierten Emissionen ermöglicht.

Säurebasierte Hydrolyse von unbehandelten Altholzrecyclaten zur Bereitstellung von Biochemikalien, Teilprojekt: Direktfermentation Zuckerhydrolysate (HyAlt4Chem)

ELIRAS - Entwicklung eines Leitfadens zur Auswahl von standortspezifisch angepassten Rühr- und Substrataufschlussverfahren für Biogasanlagen, ELIRAS - Entwicklung eines Leitfadens zur Auswahl von standortspezifisch angepassten Rühr- und Substrataufschlussverfahren für Biogasanlagen

Eine zentrale Herausforderung für die Nutzung von Biomasse ist die Steigerung der Effizienz der Verfahren und eine damit verbundene Kostensenkung. Im Bereich der Biogasproduktion spielen vor allem Verfahren zur Substrataufbereitung eine große Rolle, da sie ein enormes Potential zur Effizienzsteigerung besitzen. Die objektive Bewertung hydrodynamischer Parameter (z.B. Rührwerkstechnologie) sowie der Wirkung von Substrataufschlussverfahren kann derzeit aufgrund fehlender einheitlicher Bewertungskriterien nicht vorgenommen werden. Ziel dieses Verbundvorhabens ist daher die Beschreibung einheitlicher Kriterien zur objektiven Bewertung der oben genannten Prozesse im Rahmen der Entwicklung eines fortschreibungsfähigen Leitfadens auf Basis verfahrenstechnischer Berechnungsgrundlagen. Dieser Leitfaden soll als Entscheidungshilfe für Anlagenbetreiber dienen. Darin sollen für unterschiedliche Biogasanlagen angepasste Rührwerkstechnologien und Verfahren für den Aufschluss biogener Reststoffe (z.B. Stroh, Grasschnitt) empfohlen werden. Übergeordnetes Ziel ist es die Gesamtenergieeffizienz von Biogasanlagen deutlich zu erhöhen und damit Emissionen z.B. aus Gärresten auf ein Minimum zu reduzieren. Aufbauend auf einer Bedarfs- und Potenzialanalyse zum Substrataufschluss und zur hydrodynamischen Optimierung von Biogasanlagen werden exemplarisch bestimmte Substrataufschlussverfahren auf potenzielle Auswirkungen auf den Substratabbau untersucht. Zudem werden weitere Effekte auf den Fermenterinhalt (Auswirkung auf die Viskosität, Partikelgröße) betrachtet und bewertet. Diese und weitere zu ermittelnde Kriterien (ökonomische und ökologische Betrachtung) und daran gekoppelte Prozesszusammenhänge (z.B. Viskosität und Rührerauslegung) bilden die Grundlage für die Entwicklung eines öffentlich zugängigen Leitfadens, dessen Kern ein Bewertungsalgorithmus von Substrataufschlussverfahren sein wird. Nach erfolgreicher Entwicklung erfolgt eine Demonstration des Algorithmus im Anlagenbetrieb.

Effizienzsteigerung von Biogasanlagen durch Etablieren der Hochlastfaulung (am Beispiel von Mais) mit Nachweis der Mikroorganismenflora (HoLaFlor)

Im Hinblick auf die etwas mehr als 7500 Biogasanlagen im Jahr 2012, sowie die angestrebte Erhöhung des Anteils von Biogas an erneuerbaren Energien ist es das Gesamtziel des Forschungsprojektes, eine effizientere Nutzung der eingesetzten Biomasse zu ermöglichen: Durch die Vorgabe einer vergleichsweise kurzen Verweilzeit sollen dem Biogasprozess zuträgliche Mikroorganismen in der Biogasanlage gehalten und nachgewiesen werden, die Abbauleistung soll im Vergleich zur herkömmlichen Biogasanlage verbessert, die Biogasrate erhöht und als Konsequenz daraus eine reduzierte Methanfreisetzung aus den Gärresten erreicht werden. Die Mikroorganismenflora wird charakterisiert. Zunächst wird ein Screening hinsichtlich eines für die Vergärung von Maissilage geeigneten Inokulums durchgeführt. Anschließend soll am Beispiel von Mais untersucht werden, inwieweit die Biogasanlage mit diesem geeigneten Inokulum und einer vergleichsweise kurzen Verweilzeit von 15 - 20 Tagen betrieben werden kann und dabei im Vergleich zur herkömmlich betriebenen Biogasanlage eine erhöhte Abbauleistung und eine erhöhte Biogasausbeute erreicht werden können. Es werden kontinuierliche Untersuchungen zum maximalen Abbau bei kleinstmöglicher Verweilzeit und maximaler Raumbelastung beispielhaft mit dem Substrat Maissilage durchgeführt. Die für eine höhere Last charakteristischen Mikroorganismen sollen durch eine angepasste Prozessführung in der Anlage gehalten und durch Metagenomanalysen basierend auf Hochdurchsatztechnologien (Next Generation DNA Sequenzierung) nachgewiesen werden. Parallel zur Hochlastfaulung wird eine Anaerobanlage nach herkömmlicher Betriebsweise mit langen Verweilzeiten zum Vergleich der Abbauleistung, Biogasausbeute sowie Mikroorganismenpopulation betrieben. Im Anschluss daran wird der Einfluss von Rindergülle als Cosubstrat auf die Biogasausbeute, den Abbaugrad sowie die Mikroorganismenpopulation der beiden Betriebsweisen untersucht. Die Methanemission der Gärreste wird ermittelt.

Teilvorhaben 2^Teilvorhaben 4^Systematische Evaluation der mechanischen Zerkleinerung als Substratvorbehandlung in der Biogaserzeugung^Teilvorhaben 3, Teilvorhaben 1

Im Kontext dieses Projektes soll folgende auf Laborexperimenten und vereinzelten Praxistests basierende Hypothese durch einen unabhängigen wissenschaftlich-technischen Vergleich von verfügbaren Marktlösungen verbunden mit einer fundierten Kosten-Nutzen-Analyse systematisch analysiert und quantifiziert werden: Mechanische Zerkleinerung als Vorbehandlung von pflanzlichen Biogas-substraten führt zu einer signifikanten Erhöhung der Biogasausbeute. Fünf verschiedene der am Markt vorherrschend angebotenen mechanischen Zerkleinerungstechnologien werden verglichen. Der Vergleich erfolgt durch Anwendung der Zerkleinerungstechnologien auf eine Auswahl an Biomassesubstraten. Es sind dies die nachfolgend genannten Substrate: Maissilage, Grassilage, Rindermist, Ungarisches Energiegras (Szarvasigras) Bei nichterwarteter Nichtverfügbarkeit eines der vorstehenden Substrate ist 'Altgras (Pferdegras) als Reserve vorgesehen. Die ausgewählten Substrate sind von Haus aus fest (ca. 30 - 40 % TS). Die nachfolgend ausgewählten Technologien sind Trockenzerkleinerer, d.h. das zerkleinerte Gut hat die gleiche Feuchte wie das Rohsubstrat (ca. 30 - 40 % TS). Folgende Auswahl von Marktprodukten wird unte3rsucht: Lehmann - Bio-Extruder, MEWA - Bio-QZ, GEA-TDS Zerkleinerer, PlanET - Rotacrex 750 und Huning Biocutter HZ460. Die zerkleinerten Substrate und unterschiedlichen Zerkleinerungstechnologien werden in Batchversuchen in Anlehnung an VDI 4630 sowie durch Versuche in semikontinuierlichen Durchflussfermentern untersucht. Technische, wissenschaftliche und betriebs-wirtschaftliche Daten aus dem Praxisbetrieb werden erhoben und mehrere Anlagen einem vor-Ort Monitoring unterzogen. Die erzielten Ergebnisse werden vergleichend im Hinblick auf Ihre Praxisrelevanz bewertet und münden in Entscheidungshilfen für Biogasanlagenbetreiber und -planer sowie -hersteller.

Teilvorhaben 4^Teilvorhaben 3^Systematische Evaluation der mechanischen Zerkleinerung als Substratvorbehandlung in der Biogaserzeugung, Teilvorhaben 2

Pflanzliche Biomasse ist zu einem begehrten Rohstoff geworden. Neben der Suche nach alternativen Pflanzen ist besonders die verbesserte Ausnutzung des energetischen Potenzials von Biomasse von Bedeutung, da die geeigneten anaeroben mikrobiologischen Verfahren die Lignocellulosematrix der Pflanze nur sehr langsam und unvollständig aufschließen können. Insofern besteht dringender Bedarf an ökonomisch vertretbaren Technologien zur Vorbehandlung von Biomasse, die die nachfolgende mikrobiologische Verwertung verbessern. Hier ist die rein mechanische Zerkleinerung, welche zu einer Vergrößerung der Oberfläche der Substrate führt und deren Zugänglichkeit für die anaeroben Mikroorganismen erleichtert, Gegenstand der Untersuchungen. Herstellerfirmen entsprechender Aggregate versprechen eine Erhöhung der Biogasausbeute um bis zu 20%, was einer 80%igen Ausbeute der Celluloseanteile entsprechen würde, bisher jedoch noch nicht verifiziert wurde. Ziel des Vorhabens ist es, die zugrunde liegenden Prozesse systematisch zu untersuchen und umfassend vergleichend zu bewerten. Im Rahmen der Arbeiten werden fünf verschiedene marktgängige mechanische Zerkleinerungstechnologien untersucht. Der Vergleich erfolgt durch Anwendung der Zerkleinerungstechnologien auf eine Auswahl an Biomassesubstraten, die für die Praxis der Biogasproduktion repräsentativ ist. Die zerkleinerten Substrate werden neben ihren Substrateigenschaften hinsichtlich des anaeroben Abbaus in Batchversuchen sowie in semikontinuierlichen Durchflussfermentern untersucht. Technische, wissenschaftliche und betriebs-wirtschaftliche Daten aus dem Praxisbetrieb von ausgewählten Biogasanlagen werden erhoben und mehrere Anlagen einem vor-Ort Monitoring unterzogen. Die erzielten Ergebnisse werden vergleichend im Hinblick auf Ihre Praxisrelevanz bewertet und münden in Entscheidungshilfen für Biogasanlagenbetreiber und -planer sowie -hersteller.

Teilvorhaben 4^Systematische Evaluation der mechanischen Zerkleinerung als Substratvorbehandlung in der Biogaserzeugung, Teilvorhaben 3

Innerhalb des Verbundprojekts kommt dem ILT die Aufgabe zu, die Effizienz von marktüblichen Technologien der mechanischen Zerkleinerung von Substraten für die Biogaserzeugung zu prüfen. Dies geschieht in semi-kontinuierlich betriebenen Laborfermentern, welche die Bedingungen in der Praxis am besten widergeben. Ziel ist es, praxisnahe Erkenntnisse zur Effizienz mechanischer Zerkleinerungstechnologien zu gewinnen. Um eine Auswahl möglichst effizienter Technologien für die Durchflussversuche vornehmen zu können, werden durch die Verbundpartner eine größere Auswahl an Substraten und Zerkleinerungstechnologien zunächst in kostengünstigeren Batchversuchen geprüft. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden dann in gemeinsamer Abstimmung zur detaillierten Konzeptionierung der semi-kontinuierlichen Durchflussversuche herangezogen.

Systematische Evaluation der mechanischen Zerkleinerung als Substratvorbehandlung in der Biogaserzeugung, Teilvorhaben 4

Innerhalb des Verbundprojektes kommt der LUFA die Aufgabe zu, die Akquisition der Zerkleinerungsmaterialien zu begleiten sowie deren Charakteristik durch Batchversuche durchzuführen. Darüber hinaus stehen die analytischen Arbeiten für die Projektpartner an. Ziel ist es, praxisnahe Erkenntnisse zur Effizienz mechanischer Zerkleinerungstechnologien zu gewinnen. Um eine Auswahl möglichst effizienter Technologien für die bei der LfL durchzuführenden Durchflussversuche vornehmen zu können, werden durch die Verbundpartner eine größere Auswahl an Substraten und Zerkleinerungstechnologien zunächst in kostengünstigen Batchversuchen geprüft. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden dann in gemeinsamer Abstimmung zur detaillierten Konzeptionierung der semikontinuierlichen Versuche der LfL herangezogen und die Ergebnisse gemeinsam praxisgerecht aufgearbeitet und präsentiert.

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