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Monofermentation of Nutritional Waste in Biogas Plants - Laboratory Investigations
(2004) Adolph, Jan; Beck, Jürgen; Mukengele, Michael; Jungbluth, Thomas
In the following publication a joint project with the partners Ing. Frie- drich Bauer GmbH from Kemmelbach, Austria, Enersys GmbH, Donaueschingen, the Institute of Agricultural Engineering and the Insti- tute of Environmental and Animal Hygiene and Veterinary Medicine (with Animal Clinic), (head: Prof. Dr. R. Böhm), both University of Hohenheim will be presented. In the project a process engineering tech- nique was developed for the anaerobic monofermentation of low - fibre and high - energy material. For a period of 126 days systematic labora- tory investigations have been accomplished in twelve horizontal lab - fermenters with 16 litre net volume. After a starting period of 29 days to adapt the microorganisms to the substrate, the influence of different tem- peratures (mesophilic operation with 40 °C and thermophilic operation with 55 °C) and different organic loading rates (high organic loading with 5.1 kg odm/m³ reactor volume per day and low organic loading with 3.5 kg odm/m³ reactor volume per day) were tested in three experiments. Moreover a two - stage treatment with a doubled organic loading rate of 10.1 kg odm/m³ reactor volume per day was monitored in the methanisa- tion - stage. In this experiment hydrolysis und methanisation were sepa- rated in back to - back reactors. Because of the high energy content of up to 18.3 MJ ME / kg odm the used nutritional waste are predestined for monofermentation in biogas plants with anticipated high gas yields. Comparing the different tempera- ture levels the reactor specific methane yields were equal with approxi- mately 2.12 l CH4 /l reactor volume per day. In the last third the perform- ance of the mesophilic variant decreased down to 50 % of the thermo- philic reactors. Varying the loading rate in interaction with the tempera- ture range the thermophilic variant with high loading rate showed the highest reactor specific methane yields with 2.25 l CH4 /l reactor vol- ume per day in comparison to only 0.86 l CH4 /l reactor volume per day in the mesophilic variant with a low organic loading rate. By dividing the fermentation into a hydrolysis- and a methanogenic step it was possible to stabilise the process.
Monofermentation of Nutritional Waste in Biogas Plants : Pilot - Biogas Plant
(2004) Adolph, Jan; Beck, Jürgen; Jungbluth, Thomas
In a joint project of the partners Ing. Friedrich Bauer GmbH (Kemmelbach, Aus- tria), Enersys GmbH (Donaueschingen, Germany) as general planner, the Biogas - Systemtechnik Deutschland (BST - D company) as constructor and the Institutes of Agricultural Engineering as well as Environmental and Animal Hygiene with Vet- erinary Clinic (head: Prof. Dr. R. Böhm) at Hohenheim University a process engi- neering technique was developed and tested for the anaerobic monofermentation of nutritional wastes with high energy concentrations and low contents of structural components. The research project started with systematic investigations in the bio- gas laboratory of the Institute of Agricultural Engineering at Hohenheim University about monofermentation of nutritional waste to obtain information about the fer- mentation behaviour and the performance of the substrate (compare long version, LANDTECHNIK-NET, volume 01/2004). In a second step intensive process engi- neering and hygienic investigations followed at the pilot biogas plant being erected by Biogas Systemtechnik Deutschland GmbH at Donaueschingen. The general planning was done by Enersys GmbH, Donaueschingen. The trials included two phases in a period of in total 192 days. In phase I the fer- mentation process was started and the tube fermenters of the plant got filled at first exclusively with inoculant material and afterwards they were fed with slowly in- creasing amounts of nutritional waste. After 130 days phase I finished by the end of November 2002. During that time in the tube fermenters 0.971 m3 CH4 m-3 RV d -1 , was produced in average, and in the second fermenter stage 0.431 m3 CH4 m-3 RV -1 were generated under a hydraulic loading rate of 3.18 kg odm m-3 RV d -1 and with a theoretical retention time of the fermentation substrate in both fermenter stages of about 118 d. The gas quality from both fermenter stages reached in average 56.3% CH4 and 36.1% CO2 . Due to a defective temperature measurement device in com- bination with malfunction of the gas counter whose signals were basis for the de- termination of the specific input mass of fresh substrate, the horizontal fermenters got overloaded in the beginning of October. Subsequently the concentration of vola- tile fatty acids increased rapidly up to 16500 ppm, whereby especially the concen- tration of propionic acid strongly increased up to 4690 ppm. As a result the pH - value in the horizontal fermenters dropped down to values of 6.4. By re-inoculating with fermented material from the second fermentation stage methane generation was restarted again. In phase II over a duration of 62 days and after having stabi- lized the process conditions there were generated in average 0.95 m3 CH4 m-3 RV d -1 in the tube fermenters and 0.64 m3 CH4 m-3 RV d-1 in the second fermentation stage with 58.7 % CH4 and 36.6 % CO 2 in the mixed gas. The concentration of volatile fatty acids was at a level of in average 5070 ppm of acidic acid and 3680 ppm of propionic acid. It can be followed that the process has been overloaded due to the high contents of volatile fatty acids. The results from the lab scale investigations and from the pilot plant confirmed that a monofermentation of nutritional waste is feasible but that there are several starting points to optimize the process and the strategies as well concerning aspects of process engineering and fermentation biol- ogy.
Monofermentation von Nahrungsmittelabfällen in Biogasanlagen : Laboruntersuchungen
(2004) Adolph, Jan; Beck, Jürgen; Mukengele, Michael; Jungbluth, Thomas
In einem Gemeinschaftsprojekt der Partner Ing. Friedrich Bauer GmbH aus Kemmelbach, ?-sterreich, der Firma Enersys GmbH, Donaueschingen und den Instituten für Agrartechnik sowie für Umwelt- und Tierhygiene mit Tierklinik (Leiter: Prof. Dr. R. Böhm) der Universität Hohenheim wird ein Verfahren zur Monofermentation von Speiseresten entwickelt. In einem Laborversuch wurden systematische Untersuchungen über einen Zeitraum von 126 Tagen mit zwölf liegenden Laborfermentern mit jeweils 16 l Nettovolumen durchgeführt. Nach einer Einlauf-phase zur Adaption der Mikroorganismen an das Substrat wurden in drei Teilexperimenten die Einflüsse von unterschiedlichen Temperaturbereichen (mesophil bei 40 °C und thermophil bei 55 °C) und verschiedenen Raumbelastungen (hoch mit 5,1 kg oTS/m³ Reaktorvolumen (RV) ?EUR? d und niedrig mit 3,5 kg oTS/m³ RV ?EUR? d) getestet. Darüber hinaus wurde ein zwei stufiges Verfahren mit doppelter Raumbelastung und 10,1 kg oTS/m³ RV ?EUR? d simuliert. Hydrolyse und Methanisierung liefen hierbei in zwei nacheinander geschalteten Reaktoren getrennt voneinander ab. Die eingesetzten Speisereste waren aufgrund ihres hohen Energie-inhaltes von durchschnittlich 18,3 MJ ME / kg TS für eine Monofermentation in Biogasanlagen geeignet. Beim Vergleich der unterschiedlichen Temperaturniveaus waren die reaktorspezifischen Methanerträge zu-nächst gleich hoch mit etwa 2,12 l CH4/l RV ?EUR? d. Im letzten Drittel fiel die Leistung der mesophilen Varianten jedoch bis auf 50 % der thermophilen Vergleichsreaktoren. Bei der Variation von Raumbelastung in Wechselwirkung mit dem Temperaturbereich ergab die thermophile Variante mit hoher Raumbelastung die höchsten reaktorspezifischen Methan-erträge mit 2,25 l CH4/l RV ?EUR? d im Vergleich zu nur 0,86 l CH4/l RV ?EUR? d in der mesophilen Variante mit niedriger Raumbelastung. Durch Aufteilung der Faulung in Hydrolyse- und Methanisierungsstufe in der abschließenden zweistufigen Fermentation gelang es, den Prozess weitgehend stabil zu halten.
Monofermentation von Nahrungsmittelabfällen in Biogasanlagen : Pilotbiogasanlage
(2004) Adolph, Jan; Beck, Jürgen; Jungbluth, Thomas
In einem Gemeinschaftsprojekt der Partner Ing. Friedrich Bauer GmbH aus Kemmelbach, ?-sterreich, der Firma Enersys GmbH, Donaueschingen als Generalplaner der Pilotanlage, der Firma Biogas-Systemtechnik Deutsch-land GmbH als Bauherr und den Instituten für Agrartechnik sowie für Um-welt- und Tierhygiene mit Tierklinik (Leiter: Prof. Dr. R. Böhm) der Universität Hohenheim wurde ein Verfahren zur Monofermentation von strukturarmen Materialien mit hohem Energieinhalt entwickelt und getestet. Zu Beginn des Forschungsvorhabens wurden im Biogaslabor des Instituts für Agrartechnik der Universität Hohenheim grundlegende systematische Untersuchungen zur Monofermentation von Speiseresten, um Informationenüber das Gärverhalten und die Leistungsfähigkeit des Substrats zu erhalten. In einem zweiten Schritt folgten umfangreiche verfahrenstechnische und hygienische Untersuchungen an der Pilotanlage. Die Versuche beinhalteten zwei Phasen über einen Zeitraum von insgesamt192 Tagen. In Phase I wurde der Vergärungsprozess gestartet und die Rohrfermenter der Anlage zuerst ausschließlich mit Impfmaterial und anschließend mit langsam steigenden Speiserestmengen befüllt. Nach 130 Tagen war Phase I Ende November 2002 abgeschlossen. In den Rohrfermentern wurde während dieser Zeit im Durchschnitt 0,971 m3 CH4 m-3 RV d-1, in der zweiten Fermenterstufe 0,431 m3 CH4 m-3 RV d-1 bei einer Raumbelastung von3,18 kg oTS m-3 RV d-1 und einer theoretischen Verweilzeit des Gärmaterials in beiden Fermenterstufen von etwa 118 d erzeugt. Die Gasqualität betrug durchschnittlich 56,3 % CH4 und 36,1 % CO2. Eine fehlerhafte Temperaturmessung in den Rohrfermentern in Kombination mit einer defekten Gasmengenerfassung führte Anfang Oktober zu überhöhten Beschickungsmengen mit Frischsubstrat. Daraus resultierte eine ?oeberlastung der Rohrfermenter, so dass es zu einem starken Anstieg der Fettsäurekonzentrationen auf bis zu 16500 ppm kam, wobei vor allem die Propionsäurekonzentration bis auf 4690 ppm stark zunahm. Infolgedessen sank der pH - Wert in den Rohrfermentern auf bis zu 6,4 ab. Durch ?oeberimpfung mit Gärmaterial aus der zweiten Fermenterstufe konnte die Methanerzeugung in den Rohrfermentern wieder neu gestartet werden. In Phase II wurden über eine Dauer von 62 Tagen nach vorher wieder stabilisierten Betriebsbedingungen durchschnittlich 0,95 m3 CH4 m-3 RV d-1 in den Rohrfermentern und 0,64 m3 CH4m-3 RV d-1 in der zweiten Fermenterstufe mit 58,7% CH4 und 36,6 % CO2imMischgas erzeugt. Die Fettsäurekonzentration lag in diesem Versuchsabschnitt bei durchschnittlich 5070 ppm Essigsäure und 3680 ppm Propionsäure. Das sowohl im Labormaßstab als auch unter Praxisbedingungen untersuchte Verfahren bestätigt, dass eine Monovergärung von Speiseresten technisch realisierbar ist. In verfahrenstechnischer und gärbiologischer Hinsicht gibt es dabei Ansatzpunkte zu Optimierungsstrategien und technischen Weiterentwicklungen.

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