Im Folgenden werden die einzelnen Teilprozesse dargestellt und der innovative Charakter des Gesamtprozesses (Abb. 1) erläutert.
Kernstück des Projekts sind die Produkte der mechanischen Holzentwässerung, die Holzhackschnitzel und der Holzpresssaft. Beim Pressvorgang fallen pro Tonne Frischholz 200 – 250 Liter Pressswasser an, welches wertvolle Minerale und Nährstoffe enthält. Bislang musste der Holzpresssaft kostenpflichtig als Indirekteinleiter entsorgt werden.
In diesem Projekt soll der Holzpresssaft im Biofermenter als mineralstoffreiches Substrat eingesetzt und zu Backhefen oder Enzymen als exemplarische Bioprodukte umgesetzt werden.
Biofermentationsprozess
Die biotechnologische Produktion von Wertstoffen ist hinsichtlich des komplizierten strukturellen Aufbaus der Bioprodukte häufig alternativlos. Dies gilt im besonderen Maße für die großtechnische Produktion von Enzymen oder für die Backhefeproduktion.
Im Labor- und Technikumsmaßstab werden häufig definierte Mineralsalzmedien zur Kultivierung von Mikroorganismen verwendet, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen. Im Produktionsmaßstab ist dies zu kostspielig. Hier kommen zumeist sogenannte Komplexmedien zum Einsatz. Diese können sich aus verschiedenen Naturprodukten wie Malzextrakt, Hefeextrakt, Pepton oder Melasse zusammensetzen.
Diese Medienbestandteile verfügen zumeist über eine ausreichende Menge an essentiellen Nährstoffen, die zum Wachstum der Mikroorganismen notwendig sind. Die zunehmende Verwertung der Komplexmedienbestandteile im industriellen Maßstab ist aber auch mit einer Kostensteig
erung dieser Medienbestandteile verbunden.
Aus diesem Grund könnte der Einsatz von Holzpresssaft als Kulturmedienbestandteil eine sinnvolle Verwertungsmöglichkeit darstellen und den biotechnologischen Produktionsprozess technologisch und ökonomisch verbessern.
Biogasprozess
Alternativ lässt sich der Holzpresssaft als Kosubstrat mit einem Abfallstoff aus der Lebensmittelindustrie in einem Biogasreaktor zu Biogas umwandeln. Die Verwertung von zuckerhaltigen Lebensmittelreststoffen in Biogasanlagen kann zu verschiedenen Problemen führen. Zum Einen kann die hohe Konzentration an einfachen Zuckern schon bei geringen Substratvolumenströmen zu einer schnellen Versäuerung im Biogasreaktor führen, so dass der Biogasprozess irreversibel geschädigt wird. Es ist bekannt, dass die Beimischung von biologisch schwerer abbaubaren Kosubstraten eine schnelle Säurebildung verzögert und den Biogasprozess stabilisiert. Für den Holzpresssaft als Kosubstrat gilt dies zu überprüfen.
Zum Anderen fehlen den Abwässern häufig wichtige Nährstoffe, um eine vollständige Methanisierung des Kohlenstoffs zu erzielen. Durch die Beimischung des mineralstoffreichen Holzpresssafts könnte auch in diesem Fall eine Erhöhung der Biogasausbeute erzielt werden.
Um einen vollständigen Abbau der Lebensmittelreststoffe zu realisieren, müsste mit sehr langen Aufenthaltszeiten (üblich sind 45 bis 70 Tage) des Substrats im Fermenter und damit auch mit entsprechenden Behältergrößen gerechnet werden. Eigene Versuche konnten zeigen, dass bei den meisten Biogassubstraten ca. 80 % des Biogases in den ersten 3-4 Tagen im Batchversuch produziert wird. Der vollständige Umsatz des zur Verfügung stehenden Kohlenstoffs bedarf eines wesentlich längeren Zeitraums (meist größer als 30 Tage).Vor diesem Hintergrund gilt es in diesem Projekt zu überprüfen, wann es ökonomisch und technisch sinnvoll ist, den Biogasprozess vorzeitig abzubrechen. Nicht umgesetzte, schwer abbaubare Inhaltsstoffe könnten dann als Biogasreststoffe wesentlich wirtschaftlicher im Holzvergaser zu Synthesegas gewandelt werden. Als Folge könnten (bei gegebenem Anfall von Lebensmittelreststoffen) die Biogasbehälter wesentlich kleiner dimensioniert werden.
Vergasungsprozess
Bei der Vergasung wird ein inhomogener fester Brennstoff unter Zugabe eines Vergasungsmittels (i.d.R. Luft) zu einem brennbaren Synthesegas mit den nützlichen Bestandteilen Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Methan und den Inertgasen Kohlendioxid und Stickstoff umgesetzt. Um einen störungsfreien Betrieb des Vergasers zu gewährleisten, muss der Brennstoff diese Voraussetzungen erfüllen:
- Der Hohlraum der Brennstoffschüttung muss auf die Oberfläche der Brennstoffstücke angepasst sein, gute Ergebnisse werden mit Kantenlängen zwischen 20 und 80 mm erzielt.
- Die sich im Prozess bildende Holzkohle muss mechanisch stabil sein, damit die Hohlräume zwischen den Brennstoffstücken für den Gasdurchfluss offen bleiben.
- Die Brennstofffeuchte ist zu begrenzen, damit der Heizwert des feuchten Brennstoffs die in der Vergasung optimalen Temperatur (mindestens 1200 °C) erreicht.
Der für dieses Projekt vorgesehene Vergaser ist ein Gleichstromvergaser, welcher schon bei kleinen Dimensionen hohe Gas- und Biomassedurchsätze und damit hohe Energiedichten erzielt. Im Versuchsreaktor der Hochschule Offenburg wird mit ca. 200 Liter Reaktorvolumen eine Brennstoffeingangsleistung von bis zu 60 kW erzielt.
Im Gesamtprozess nimmt der Holzvergaser eine zentrale Stellung ein. Alle Reststoffe, die entweder nicht mehr biologisch verwertbar sind (Fermentationsreststoffe) oder eine Verwertung nicht wirtschaftlich ist (Biogasreststoffe) werden mit den Holzhackschnitzeln thermisch in Synthesegas überführt. Diese intelligente Nutzung der Biomasse führt zu einer zusätzlichen, energetischen Nutzung bisheriger Abfallstoffe.
Katalytische Reinigung des Holzgases
Die katalytische Reinigung des Synthesegases stellt einen wichtigen Teilprozess zur schadstoffarmen Verwertung von Biomasse dar. In Holzvergasern verursacht auskondensierender Teer in der nachfolgenden, energetischen Synthesegasnutzung Probleme wie verstopfte Rohrleitungen, verklebte Sensoren oder beschädigte Verbrennungsmotoren.
Es existieren zwar verschiedene Katalysatoren um Teer zu reformieren, aber die hohen Anforderungen wie die effektive Teerentfernung durch Methanreforming, geringe Deaktivierung des Katalysators (Ablagerung/Sinterprozesse), mögliche Regenerierung der aktiven Phase, hohe mechanische Belastbarkeit, gute Wärmeleiteigenschaften in Verbindung mit einem marktfähigen Preis sind zurzeit nicht realisiert. Aus diesem Grund ist die Entwicklung und Erprobung von neuen Katalysatormaterialien Gegenstand dieses Projekts.
Die Bedeutung der sensorbasierten Analysetechnik für das Gesamtprojekt
Der Gesamtprozess kann nur optimiert und die einzelnen Teilprozesse miteinander kombiniert werden, wenn auf Änderungen der jeweiligen Prozessparameterwerte verlässlich und schnell reagiert wird. Im Fall der Biogasreaktoren ist es wichtig den aktuellen „Säurestatus“ im Reaktor zu kennen. Durch die Information von Art und Menge z.B. von Essigsäure, Buttersäure oder Propionsäure lassen sich Rückschlüsse auf den mikrobiellen Zustand im Biogasreaktor ziehen. Sie könnten dann von Anwender genutzt werden, die Fütterrate des Biogasreaktors anzupassen.
Für diesen Zweck soll eine neuartige, membranbasierte Trägergassonde verbunden mit einem thermozyklisch betriebenen Metalloxid-Sensorray, erstmals entwickelt werden. Dieses Sensorsystem [11, 12] soll verschiedene, organische Säuren kontinuierlich detektieren. Hierzu sind geeignete gassensitive Metalloxide zu synthetisieren und entsprechende Sensorchips, nach den am ISIS verfügbaren Technologien, zu fertigen.
Im Bereich des Holzvergasers führt eine wechselnde Zusammensetzung des Biomasseguts zu Prozessschwankungen. Diese können zu einer Erhöhung der Teerkonzentration im Synthesegas führen. Durch eine Online-Bestimmung des Teergehalts im Synthesegas könnte auf diese Schwankungen regeltechnisch eingegangen werden. Ein neuartiges Sensorsystem wird entwickelt, um die Analyse von Teer in Gegenwart von hohen Konzentrationen oxidierbarer Gaskomponenten kontinuierlich zu messen.
Die Analyse der Umweltbelastung
Ein dauerhafter Einsatz und die gleichbleibende Funktionalität dieser neu zu entwickelnden Katalysatoren setzen die Kenntnisse der Inhaltsstoffe im Rohsynthesegas voraus. Die enthaltenen Partikel und Gaskomponenten müssen in Qualität und Quantität erfasst werden, um die Katalysatoren vor Überlastung und Vergiftung zu schützen. Zur Verstromung der beiden Produktgase in BHKW's müssen die Gase Reinheits- und Qualitätsanforderungen erfüllen, welche durch eine katalytische Behandlung erreicht werden können. Auch an dieser Stelle ist eine entsprechende Partikel- und Gasmesstechnik zu etablieren.
