Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4895
Main Title: Der Einsatz magnetisierbarer Aufwuchsträger in der Biogasproduktion
Translated Title: Application of magnetisable carriers in production of biogas
Author(s): Ramm, Patrice
Advisor(s): Szewzyk, Ulrich
Linke, Bernd
Referee(s): Szewzyk, Ulrich
Linke, Bernd
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Biomasse, inklusive Biogas, war im Jahr 2008 die am meisten genutzte regenerative Energiequelle. Am weltweiten Energieverbrauch in Höhe von 492 EJ lag der Anteil von Energie aus Biomasse bei 10,2 %. Bis zum Jahr 2050 könnte die Energieproduktion aus Biomasse auf 100 bis 300 EJ pro Jahr ausgebaut werden. In der Optimierung von Verfahren zur Produktion von Biogas liegt demnach ein großes Potential zur Erhöhung des Anteils regenerativer Energiequellen am Energieverbrauch. In der Biogasproduktion ist die Nutzung einfacher Rührkesselreaktoren (CSTRs) mit Abstand am weitesten verbreitet. Die Leistung dieser Reaktoren ist durch Ausspülen von Mikroorganismen begrenzt, da sie über keine Mechanismen zu deren Rückhaltung verfügen. Eine Möglichkeit, die Rückhaltung von Mikroorganismen auch beim CSTR zu erreichen, ist der Einsatz magnetisierbarer Aufwuchsträger. Solche Aufwuchsträger können einfach mit Hilfe magnetischer Kräfte aus dem Ablauf des Reaktors abgetrennt und in den Reaktor zurückgeführt werden. Ziel dieser Arbeit war der Vergleich verschiedener neuartiger magnetisierbarer Aufwuchsträger aus Schaumglas hinsichtlich der Immobilisierung von Mikroorganismen. Es sollten Rückschlüsse zur Kinetik der Ausbildung eines Biofilms auf den Aufwuchsträgern in einem kontinuierlich betriebenen CSTR gewonnen und der Nutzen des Einsatzes der Aufwuchsträger hinsichtlich der methanogenen Leistung eines CSTRs ermittelt werden. Bei Aufwuchsträgern, die im CSTR inkubiert wurden, konnten bis zu 34626,0 x 109 16s rRNA Genkopien (Archaeen und Bakterien) je g Aufwuchsträger festgestellt werden. Der Anteil methanogener Mikroorganismen (Archaeen) erreichte dabei bis zu 62,77 %, in der flüssigen Phase kam dieser Anteil nie über 3 % hinaus. Mit Hilfe der intensiv besiedelten Aufwuchsträger war es möglich, die hydraulische Verweilzeit des CSTRs auf bis zu 4,65 Tage zu reduzieren. Die Leistung des Reaktors wurde dabei kaum beeinflusst und erreichte übliche Werte: die Methanausbeute lag bei 0,344 Norm-L goS-1 bei einer Raumbelastung in Höhe von 6,42 goS L-1 d-1. Die Leistung eines Kontrollreaktors ohne Aufwuchsträger ist dagegen bei einer hydraulischen Verweilzeit von 8,48 Tagen vollkommen zusammengebrochen. Die Reduzierung der hydraulischen Verweilzeit wurde durch eine gezielte Verdünnung des eingesetzten Substrats Zuckerrübensilage erreicht, der oTS-Gehalt im Substrat wurde von 17,3 auf 3,0 % FM gesenkt. Es war ebenfalls möglich, einen CSTR nur mit Hilfe von auf magnetisierbaren Aufwuchsträgern eingebrachten Mikroorganismen mit einer Raumbelastung in Höhe von 3,66 goS L-1 d-1 in Betrieb zu nehmen, eine Anlaufzeit war nicht notwendig. Dabei wurde eine Methanausbeute in Höhe von 0,378 Norm-L goS-1 erreicht. Diese Ergebnisse zeigen das hohe Potential der untersuchten magnetisierbaren Aufwuchs-träger. Durch die Reduzierung der hydraulischen Verweilzeit und dem damit verbundenen hohen Volumendurchsatz wird die Nutzung von Substraten mit einem geringeren Organikgehalt, z.B. Gülle, bei deutlich höheren Raumbelastungen möglich. Der Einsatz eines mit magnetisierbaren Aufwuchsträgern ausgestatteten CSTRs in der Abwasserbehandlung wäre ebenfalls vorstellbar. Die Verwendung der Aufwuchsträger in einer Pilotanlage könnte unmittelbar erfolgen und erscheint sehr erfolgsversprechend.
With a share of 10.2 % in the total global primary energy supply (492 EJ) the use of bioenergy, including biogas, was the most important source of renewable energy in 2008. Until 2050 the annual production of energy from biomass might be enhanced up to 300 EJ. According to that, the improvement of technologies used for the production of biogas includes a high potential in increasing the share of renewable energy in total energy supply. The use of continuously stirred tank reactors (CSTRs) is mostly spread in the production of biogas. The performance of these reactor is limited by losses of microorganisms hence it does not possess installations for retention of microorganisms. A possible retention technique for the CSTR is the use of magnetic carriers for microorganisms. These carriers are easy to remove from reactor effluent by magnetic forces and can be put back into the reactor. Aim of this work was to compare different kinds of novel magnetic carriers made of foam glass according to the retention of microorganisms. Furthermore kinetics of the formation of biofilm on magnetic carriers incubated in a continuously operated CSTR and the effect on the methanogenic performance of a CSTR caused by the use of magnetic carriers should be investigated. Magnetic carriers incubated in a CSTR showed a microbial population (Archaea and Bacteria) up to 34626.0 x 109 16s rRNA gen copy numbers (g carrier)-1. The share of methanogenic microorganisms (Archaea) increased up to 62.77 %, in the liquid phase of the reactor these share never exceeded 3 %. It was possible to decrease the hydraulic retention time of the CSTR up to 4.65 days by means of the carriers. The methanogenic performance was hardly influenced in that case and achieved usual values: the reactor reached methane yields of 0.344 Norm-L goS-1 at an organic loading rate of 6.42 goS L-1 d-1. The performance of a control reactor without magnetic carriers dropped to zero at a hydraulic retention time of 8.48 days. The redurction of the hydraulic retention time was realized by diluting the used substrate sugar beet silage, the organic dry matter content of the substrate was decreased from 17.3 to 3.0 % FM. Furthermore it was possible to start-up a CSTR with a microbial community only consisting of microorganisms immobilised on the carriers. The organic loading rate was 3.66 goS L-1 d-1 right from the start, there was no need for a start-up period. The methane yield reached a value of 0.378 Norm-L goS-1. These results confirm a high potential of the magnetic carriers. By reducing the hydraulic retention time that is associated with a high volume flow the use of substrates showing lower organic solids contents, e.g. slurries, is possible at considerably higher organic loading rates. The use of a CSTR equipped with magnetic carriers in wastewater treatment is conceivable, too. The application of the carriers in a pilot plant could follow immediately and seems to be very promising.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5198
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4895
Exam Date: 5-Nov-2015
Issue Date: 2015
Date Available: 14-Dec-2015
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften::620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Biogaserzeugung
Biomasserückhaltung
Rührkesselreaktor CSTR
magnetisierbare Aufwuchsträger
Vergärung
Zuckerrübensilage
biogas production
biomass retention
continuously stirred tank reactor (CSTR)
magnetisable carrier
digestion
sugar beet silage
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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