Forschung

Projekte Bioverfahrenstechnik

MEMBIO – Membranbasiertes Verfahren zur weitergehenden Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen in Biogasanlagen

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR)
Laufzeit: 7/2017 bis 12/2019
Verbundpartner: BTN Biotechnologie Nordhausen GmbH

Kurzfassung des Vorhabens:
Im Rahmen des Vorhabens soll das von den Kooperationspartnern entwickelte membranbasierte Verfahren zur weitergehenden Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen in Biogasanlagen weiterentwickelt und im Anschluss an die halbtechnischen Laboruntersuchungen in die landwirtschaftliche Praxis überführt werden. Im Ergebnis soll verringerter Substrateinsatz mit effizienter Nutzung der biogasierten Ressourcen erreicht werden. Die Untersuchungsergebnisse lassen dann auch eine erste Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zu.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Uta Breuer
Tel.: +49 (0) 3631 420-708
E-Mail: uta.breuerhs-nordhausen.de

Optimierung der internen biologischen Schwefelwasserstoffelimination aus Biogas durch den Einsatz der fadenförmigen Sulfurikanten Beggiatoa und Thiothrix

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR)

Laufzeit: 1/2014 bis 12/2016
Verbundpartner: BTN Biotechnologie Nordhausen GmbH

Kurzfassung des Vorhabens:
Die energetische Effizienz von Biogasanlagen wird wesentlich durch die Laufzeiten der Blockheizkraftwerke (BHKW) bestimmt. Hohe Schwefelwasserstoffgehalte im Biogas bewirken durch Verschleiß der Zylinderwände der Gasmotoren und Korrosion in den Lagern hohe Wartungs- und Reparaturkosten.
Für eine möglichst lange Nutzungszeit der Motorenöle muss der Schwefelwasserstoffgehalt im Biogas dauerhaft niedrig gehalten werden.
Ziel des geplanten Forschungsvorhabens ist, die interne biologische Entschwefelung, die wegen der geringen Kosten mit Abstand am häufigsten eingesetzt wird, zu optimieren. Dafür sollen derzeit noch nicht eingesetzte, aber als potent erachtete neuartige Schwefelwasserstoffoxidanten verwendet werden.
Im Ergebnis des Vorhabens liegen spezifische Daten zu den vorhandenen und dominierenden Sulfurikanten in Biogasanlagen vor. Es können genaue Aussagen zur Effizienzsteigerung durch den Einsatz der Sulfurikanten Beggiatoa und Thiothrix abgeleitet sowie Immobilisierungsansätze empfohlen werden.
Über molekularbiologische Methoden sollen zunächst die natürlich in Biogasanlagen vorkommenden Sulfurikanten identifiziert werden. Nach einer Adaptionsphase sollen die Sulfurikanten Beggiatoa und Thiothrix im Fermenter einer Pilotanlage immobilisiert und deren Entschwefelungsleistung bei unterschiedlichen Schwefelwasserstoffgehalten bewertet und verglichen werden.

Dem Forscherteam gelang es, das Ergebnis des o.g. Drittmittelprojektes über eine biologische Entschwefelung, das gegenwärtig im Rahmen eines Patentierungsverfahrens geprüft wird, als Machbarkeitsstudie erfolgreich auf der IENA 2017 (internationale Fachmesse Ideen – Erfindungen-Neuheiten Nürnberg) zu präsentieren. Dafür wurde die Bronzemedaille verliehen.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Uta Breuer, Tel.: +49 (0) 3631 420-708, E-Mail: uta.breuerhs-nordhausen.de

Einsatz von Membrantechnik zur erschöpfenden Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen in Biogasanlagen-TV2

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR)

Laufzeit: 9/2010 – 3/2014
Verbundpartner: BTN Biotechnologie Nordhausen GmbH

Kurzfassung des Vorhabens:
An der Fachhochschule Nordhausen wurde in einem vom Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) geförderten Forschungsvorhaben der Einsatz von Membrantechnik zur erschöpfenden Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen in Biogasanlagen untersucht. Als Beispielsubstrat diente Maissilage.
Neu an dem Verfahren war die Anbindung von Rohrmembranen an den Fermenter der hochschulinternen 1m³ Versuchsbiogasanlage. Die installierten Membranmodule trennen den Fermenterinhalt in eine Feststoff-(Retentat) und eine Flüssigphase (Permeat). Während die Feststoffe zum weiteren Abbau in den Fermenter rückgeführt wurden, wurde das Permeat separat vergoren. Das Verfahren basiert auf dem Gedanken der Entkopplung der hydraulischen Verweilzeit von leicht und schwer bzw. bisher nicht abbaubaren Fermenterinhaltsstoffen und einem daraus resultierenden weitergehenden Abbau der organischen Substanz. Das separierte Permeat enthält in Form von Carbonsäuren ein erhebliches Restgaspotenzial, das in parallellaufenden Versuchen beim Verbundpartner BTN Biotechnologie Nordhausen GmbH erfasst wurde. Hierbei kamen verschiedene Fermenterkonfigurationen wie beispielsweise der Schlammbett- und der Etagenreaktor zum Einsatz.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Uta Breuer, Tel.: +49 (0) 3631 420-708, E-Mail: uta.breuerhs-nordhausen.de

Effektive Schwefeleliminierung aus Biogas durch den Einsatz neuartiger Mikroorganismen

Fördermittelgeber: Thüringer Ministerium für Bildung, Bildung, Wissenschaft und Kultur (TMBWK)

Laufzeit: 7/2008 – 6/2010

Kurzfassung des Vorhabens:
Hohe Konzentrationen an Schwefelwasserstoff im Biogas bewirken Korrosionserscheinungen an Armaturen und Motorteilen sowie zu einer beschleunigten Motorölversäuerung, was direkte negative ökonomische Folgen für den Betreiber hat. Die Biogasreinigung von Schwefelwasserstoff hat somit einen hohen Stellenwert. Hierfür gibt es verschiedene technische Möglichkeiten, die meist sehr aufwendig und dadurch wirtschaftlich schwer darstellbar sind. Ziel des Vorhabens war es eine Grundlage für eine innovative Schwefelwasserstoffeinigung aus Biogas zu erarbeiten. Es sollten effektive Mikroorganismenstämme identifiziert und vermehrt werden, deren Reinigungsleistung bisher genutzte Populationen übertreffen. Im Vorhaben wurden insgesamt fünf Reinkulturen und dreizehn Wildstämme auf ihre Eignung zur effektiven biologischen Entschwefelung von Biogas untersucht. Die Fermentierung erfolgte zunächst in 1-Liter-Gärflaschen und später in 10-Liter-Laborfermentoren. Ferner wurden zwei verschiedene Aufwuchsträger auf ihre Eignung zur Immobilisierung der Schwefelbakterien getestet. In einer Diplomarbeit konnte der Zusammenhang des Schwefelwasserstoffgehalts im Biogas und den kurzkettigen Fettsäuren in der Biogasgülle untersucht und bestätigt werden.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Uta Breuer, Tel.: +49 (0) 3631 420-708, E-Mail: uta.breuerhs-nordhausen.de

Anwendung einer Fuzzy-Logikregelung für eine Hochlastbiogasanlage

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz (BMELV) über die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR)

Laufzeit: 11/2006 – 7/2010
Verbundpartner: Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW)

Kurzfassung des Vorhabens:
Neuere Strategien zur Regelung von Biogasanlagen sehen die Anwendung von Neuro-Fuzzy-Methoden (NMF) vor. Es gibt in der Literatur etwa 20 Publikationen bislang, die sich mit Fuzzy-Regelung bei der Vergärung beschäftigen, aber es gibt äußerst wenig Literatur, die eine Fuzzy-Regelung tatsächlich anwendet, insbesondere bei Feststoffen. Ziel des Vorhabens war es, die vom Projektpartner Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg im Labormaßstab auf Basis von Speiseresten und saurer Rübensilage entwickelte Fuzzy-Logikregelung an die 1m³ Versuchsbiogasanlage der Fachhochschule Nordhausen anzubinden und zu optimieren, sodass im Endziel eine effizientere Raumzeitausbeute bzw. bessere Auslastung einer Biogasanlage erreicht werden kann. Die angewendete Fuzzy-Logikregelung regelte über die drei konventionell zugänglichen Prozessparameter pH-Wert, Methananteil und spezifische Gasproduktion (spez. GPR) den gesamten Prozessbereich. Neu als Regelparameter war die spez. GPR. In einer ersten Versuchsreihe wurden die Abbauraten bei steigender Fermenterbelastung ohne Fuzzy-Logikregelung betrachtet, um in der folgenden Versuchsreihe mit Fuzzy-Logikregelung den Unterschied zu bewerten. Die Fermenterbeschickung erfolgte mit Triticale unter Zugabe von Wasser im Verhältnis 1:2 und Rückführung von Medium aus dem Auffangbehälter. Mit Hilfe der neuen Regelstrategie konnte unter betriebssicherer Prozessführung bei Monovergärung von Triticale eine Raumbelastung von 9 kg oTS/m³*d erreicht werden. Dies ist ein Vielfaches mehr, als bisher bei landwirtschaftlichen Biogasanlagen unter Monovergärung von Getreide prozesssicher gefahren wird. Die im Vorhaben angewandte Fuzzy-Logikregelung kann problemlos an bestehenden landwirtschaftlichen Biogasanlagen ohne Umbaumaßnahmen nachgerüstet werden.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Uta Breuer, Tel.: +49 (0) 3631 420-708, E-Mail: uta.breuerhs-nordhausen.de

Entwicklung einer Hochlastbiogasanlage

Fördermittelgeber: Thüringer Aufbaubank

Laufzeit: 1/2006 - 12/2007
Verbundpartner: Apparatebau Nordhausen GmbH, BTN Biotechnologie Nordhausen GmbH

Kurzfassung des Vorhabens:
Gesamtziel des Vorhabens war es, ein Hochleistungsfermenter für die Erzeugung von Biogas zu konzipieren und zu erproben.
Dazu wurden Anlagenkomponenten von Nordthüringer Herstellern in einer Pilotanlage getestet und technisch optimiert, um das Potenzial der Region im Bereich der Biogastechnologie zu erschließen und weiterzuentwickeln.

Ansprechpartner:
Prof. Dr. Uta Breuer, Tel.: +49 (0) 3631 420-708, E-Mail: uta.breuerhs-nordhausen.de