Biom1 (biol. Prozesse, 1.VL) Flashcards
Nenne biologische Prozesse! (biologische Umwandlungspfade für energetische Biomassennutzung)
Fermentation (zur Erzeugung von Biogas)
Alkoholische Gärung (zur Erzeugung von Ethanol)
Welche Stoffe (Substrate) werden in einer Biogasanlage verwendet? (4)
nachwachsende Rohstoffe (52%)
Exkremente (Gülle, Mist) (43%)
kommunaler Bioabfall (3%)
Reststoffe aus Industrie, Gewerbe, Landwirtschaft (2%)
Quelle: Stromerzeugung aus Biomasse, DBFZ (2015)
Stromerzeugung aus Biomasse
Welche nachwachsenden Rohstoffe (Substrate) finden vornehmlich Verwendung?
Maissilage (73%)
Grassilage (12%)
Getreide - GPS (7%)
(…) slide 39
Quelle: Stromerzeugung aus Biomasse, DBFZ (2015)
Biogas-Anlage
Für die Biogasproduktion eignen sich ?(1)? und ?(2)?
(1) Gülle
(2) feste Biomasse
(Mit einem Rind von 500kg Gewicht kann pro Tag z.B. eine Gasausbeute von max. 1.5 Kubikmeter erzielt werden. Energetisch entspricht dies in etwa einem Liter Heizöl. Nachwachsende Rohstoffe liefern jährlich zwischen 6000 Kubikmeter (Wiesengras) und 12000 Kubikmeter (Silomais/Futterrüben) Biogas pro Hektar Anbaufläche)
Biogas-Anlage
–> siehe Aufbau und Prozess slide 40!!
…
Biogas-Anlage
Was stellt die wichtigste Komponente dar?
Fermenter
–> hier laufen die Prozesse ab, die zur Biogas-Erzeugung führen
(Die Biomasse wird je nach Anlage bei einer Temperatur von 35 bis 55 Grad Celsius von Mikroorganismen zersetzt. Dabei entsteht Biogas, das zu rund 60% aus Methan und 40% aus CO2 besteht. Hinzu kommen geringe Mengen von Spurengasen, u.a. Schwefelwasserstoff und Ammoniak)
Prozess der Biogasgewinnung wie im Schaubild slide 40:
- Energiepflanzen oder Bioabfälle werden gelagert und es bildet sich Silage (z.B. Maissilage)
- Gülle oder Mist aus der Viehhaltung wird zusammen mit der Feststoffmischung in eine Vorgrube (Sammelbecken für Biomasse) eingebracht und vermischt.
- Das Gemisch wird in den Fermenter eingebracht.
–> hier entsteht das Biogas - Das Biogas wird im Gasspeicher direkt über der Flüssigkeit gespeichert und dann entweder
a) in einem Blockheizkraftwerk zur Erzeugung von Strom und Wärme genutzt
oder
b) aufbereitet (Entfernung enthaltener CO2 und Spurengase) und in das Erdgasnetz eingespeist.
–> das Biogas kann direkt als Erdgasersatz eingesetzt werden
…
Verfahrensablauf der Biogasgewinnung (wichtig für Klausur!!!)
Beschreibe die vier Verfahrensschritte (Phasen) der Biogasgewinnung!
- Verfahrensschritt:
Anlieferung, Lagerung –>
Aufbereitung u. Vorbehandlung (optional) –>
(Substrat-) Einbringung - Verfahrensschritt: Biogasgewinnung (Vergärung im Fermenter)
- Gärrestlagerung u./o. Nachgärung Gärrestaufbereitung
- Biogasaufbereitung u. -speicherung (Trocknung, Entschwefelung)
(siehe im Detail slide 41 !!!)
–> wichtig in Klausur darauf achten ob nach den 4 Verfahrensschritten (Phasen) der Biogasgewinnung gefragt wird oder nach den 4 Phasen im Fermenter (wie hier)!
- Verfahrensschritt: Substrateinbringung
Die Substrateinbringung kann unterteilt werden in?
Diskontinuierlich (Gesamter Fermenter wird in einem Schritt mit frischem Substrat gefüllt und anschließend luftdicht verschlossen. z.B. Trockengärungsanlage)
Quasikontinuierlich (Wenn mindestens einmal pro Tag Substrat in den Fermenter eingebracht wird)
Kontinuierlich (Mehrmals täglich werden kleinere Mengen Substrat (Automatisierung des Einbringsystems) in den Fermenter eingebracht. Gewährleisten einen kontinuierlichen Gasertrag)
- Verfahrensschritt: Biogasgewinnung
Anhand welcher Kriterien können die Verfahren unterschieden werden? (4)
Anzahl der Prozessstufen (einstufig, zweistufig, mehrstufig)
Prozesstemperatur (psychrophil, mesophil, thermophil)
Art der Beschickung (diskontinuierlich, quasikontinuierlich, kontinuierlich)
Trockensubstanzgehalt der Substrate (Nassvergärung, Trockenvergärung)
- Verfahrensschritt - Biogasgewinnung
Prozesstemperaturen:
- Psychrophil: 15 - 25 °C
- Mesophil: 32 - 38 °C
- Thermophil: 42 - 55 °C
Landwirtschaftliche Anlagen sind meist ?(1)? arbeitende Anlagen.
mesophil
- Verfahrensschritt - Biogasgewinnung
Prozesstemperaturen: Nenne einen Vor- und Nachteil thermophiler Anlagen!
Vorteile: höhere Biogasausbeute
Nachteile: Der Vergärungsprozess ist nicht so stabil wie z.B. bei mesophilen Anlagen und der Prozesswärmebedarf ist höher!
- Verfahrensschritt - Biogasgewinnung
Nenne 3 typische Fermenter!
Speicheranlage
Durchflussanlage
Durchfluss-Speicher Anlage
- Verfahrensschritt - Biogasgewinnung
typische Fermenter:
Die Gasproduktion ist bei einer Speicheranlage nicht so gleichmäßig wie bei einem Durchflussverfahren.
Wahr/Falsch?
Wahr
- Verfahrensschritt - Biogasgewinnung
Typische Fermenter: Speicheranlage, Durchflussanlage, Durchfluss-Speicher-Anlage
Zeichne den jeweiligen Aufbau!
slide 47-49!
- Verfahrensschritt - Biogasgewinnung
Typische Fermenter: Speicheranlage
Nenne typische Merkmale!
Fermenter und Lager für Gärreste in einem Behälter
Beim Ausbringen wird das gesamte Substrat entnommen (lediglich ein kleiner Rest wird zum Animpfen des frischen Substrats verwendet)
Diskontinuierliche Fahrweise
Fermenter ist gleichbedeutend mit dem Begriff Bioreaktor
…
- Verfahrensschritt - Biogasgewinnung
Typische Fermenter: Durchfluss-Speicher Anlage
Nenne typische Merkmale!
Auch das Gärrestlager (Nachgärbehälter) ist abgedeckt
-> das dort anfallende Biogas kann auch genutzt werden
Quasikontinuierliche oder kontinuierliche Fahrweise möglich (Gasproduktion erfolgt gleichmäßig)
- Verfahrensschritt - Biogasgewinnung
Typische Fermenter: Durchflussanlage
Nenne typische Merkmale!
Aus einer Vorgrube wird Substrat entnommen und gleichzeitig wird die gleiche Menge Substrat in den Gärrestbehälter gepumpt
Quasikontinuierliche oder kontinuierliche Fahrweise möglich (Gasproduktion kann gleichmäßig erfolgen)
- Verfahrensschritt - Biogasgewinnung
Nenne die 4 Phasen im Fermenter und beschreibe sie! (wichtig für Klausur!)
- Hydrolyse:
Ausgangsmaterial (Eiweiße, Fette, Kohlenhydrate usw.) werden von hydrolytischen Bakterien in einfache organische Bausteine (Aminosäuren, Fettsäuren, Zucker umgewandelt - Säurebildung:
Die einfachen organischen Bausteine werden von fermentativen Bakterien in Organische Säuren (Milchsäure usw.) und weitere Verbindungen (Alkohole usw.) umgewandelt. Teilweise aber auch in Essigsäure oder Hydrogencarbonat + Wasserstoff (HCO3 + H2) - Acetatbildung:
Die Organischen Säuren und weitere Verbindungen (Alkohol usw.) werden durch essigsäurebildende Bakterien ebenfalls in Essigsäure oder HCO3 + H2 umgewandelt - Methanbildung:
Essigsäure (Verwertung Essigsäure) und HCO3 + H2 (Verwertung Wasserstoff) werden durch methanbildende Bakterien zu Biogas (also Methan (CH4) + CO2) umgewandelt.
(siehe slide 50)
–> wichtig in Klausur darauf achten ob nach den 4 Verfahrensschritten (Phasen) der Biogasgewinnung gefragt wird oder nach den 4 Phasen im Fermenter (wie hier)!
- Verfahrensschritt - Biogasgewinnung
Welche Bakterien arbeiten gerne/haben ihre optimalen Lebensbedingungen im sauren Milieu (pH 4,5 - 6,3), bei Temperaturen von ca. 30°C und der Zuführung von Sauerstoff (aerob)?
Hydrolytische und fermentative Bakterien
(Mehrstufige Biogaserzeugung im Fermenter auch nochmal auf slide 51 aufgezeigt.)
- Verfahrensschritt - Biogasgewinnung
Welche Bakterien arbeiten gerne/haben ihre optimalen Lebensbedingungen im neutralen Milieu (pH 6,5 - 7,5), bei Temperaturen von ca. 40°C und einem strikten Ausschluss von Sauerstoff (anaerob)?
acetogene und methanogene Bakterien
- Verfahrensschritt - Biogasgewinnung
Einstufige Biogaserzeugung
Nenne die Besonderheiten der einstufigen Biogaserzeugung! (3)
Die Verschiedenen Prozessphasen (Hydrolyse, Säurebildung, Acetatbildung und Methanbildung) werden in einem Behälter durchlaufen
Den hydrolytischen und fermentativen Bakterien werden die gleichen Lebensbedingungen wie den acetogenen und methanogenen Bakterien aufgezwungen
Im einstufigen Fermenter können die auf unterschiedliche Bedingungen angepassten Mikroorganismen ihre Arbeit nur langsam und unvollkommen verrichten.
- Verfahrensschritt - Biogasgewinnung
Im einstufigen Fermenter können die auf unterschiedliche Bedingungen angepassten Mikroorganismen ihre Arbeit nur langsam und unvollkommen verrichten.
Wahr/Falsch?
Wahr
- Verfahrensschritt - Biogasgewinnung
Trockenvergärung (wird oft als einstufiges Verfahren verwendet)
Schüttfähiges, trockenes Substrat wird verwendet (Trockenmassegehalt im Fermenter über 16%)
1) Nenne Vorteile dieses Verfahrens! (3)
2) Nenne Probleme!
1)
hohe Raumbelastung (viel Substratvolumen pro Fermentervolumen einbringbar)
–> entsprechend Geringer Platzbedarf
–> dadurch: niedrige Investitionskosten
2)
Ausgasung bei nicht durchmischten Reaktoren
–> dadurch: Gefahr der Zonenbildung (Wassergehalt lokal zu hoch oder zu niedrig –> wodurch sich Versäuerungszonen ohne Methanproduktion ausbilden können)
Die Trockenvergärung wird häufig in Betrieben benutzt in denen keine Gülle anfällt. Warum?
Da sonst das Trockensubstrat mit hohem Energie- und Wasserbedarf angemaischt (verflüssigt) werden müsste. –> zu hoher Energie- und Wasserbedarf
- Verfahrensschritt: Gärrestelagerung und/oder Nachgärung
Nachgärung im Nachgärlager kann z.B. bei einer Durchfluss-Speicheranlage noch zur ?(1)? beitragen.
Anschließend erfolgt Lagerung bis zur ?(2)?
–> gesamter Gärrest wird ausgebracht oder es erfolgt eine Fest-Flüssig-Trennung mit getrennter Ausbringung
(1) Biogasproduktion
(2) Düngemittelausbringung
- Verfahrensschritt: Biogasaufbereitung
Typische Zusammensetzung von Biogas.
Nenne die Bestandteile von Biogas! (7)
Methan (CH4) -> Konzentration: 50-75 Vol.-%
Kohlendioxid (CO2) -> Konzentration: 25-45 Vol.-%
Wasser -> Konzentration: 2-7 Vol.-% (20-40°C)
Schwefelwasserstoff (H2S)
Stickstoff (N2)
Sauerstoff (O2)
Wasserstoff (H2)
- Verfahrensschritt - Biogasaufbereitung
Welche Schritte werden durchlaufen?
Biogas –>
Verdichtung –>
Schwefelwasserstoff (H2S) -Entfernung –>
Konditionierung (Kühlung, Trocknung) –>
CH4-Rückgewinnung –>
CH4-Reichgas entsprechend Erdgasqualität
(Details siehe slide 56)
- Verfahrensschritt: Biogasaufbereitung
Beispiel für eine Biogasanlage mit Druckwechseladsorption mit Kohlenstoffmolekularsieben und katalytischer H2S-Abscheidung
siehe Daten 57
…
- Verfahrensschritt: Biogasaufbereitung
Verfahrensprinzip: Druckwellenabsorption
siehe technische Zeichnung slide 58!!
…
Verwertung von Biogas
Welche Verwertungswege gibt es? (Gehe sie durch!
a)
Biogas
–> Dampfreformierung (H2-Erzeugung)
–> H2-Reininung
–> Wasserstoff
–> Industriegas/Brennstoffzelle/Kraftstoff
b)
Biogas
–> Gasmotor/BHKW
–> Strom/Wärme
c)
Biogas
–> Methananreicherung
–> Dampfreformierung (H2-Erzeugung) und dann a) oder Gasmotor/BHKW und dann b) oder –> Erdgas-Substitut “Bio-Erdgas” –> Kraftstoff/Einspeisung Erdgasnetz (dezentrale Energienutzung)
(siehe slide 59)
Verwertung von Biogas
Biogaseinspeisung ins Gasnetz
Welche Schritte sind notwendig vor der Einspeisung ins Netz?
Aufbereitung zu Bio-Methan:
–> H2S-Entfernung
–> Abtrennung von CO2
(Ablauf detailliert slide 60)
Biologische Prozesse: Ethanol
Kraftstoffverbrauch Deutschland 2022
–> Anteil Bioethanol: 1,4%
–> siehe slide 62
…
Bei Biomasse wird zwar CO2 freigesetzt, aber durch die neugepflanzte Biomasse wird das CO2 wieder gebunden (Unterscheidung zu fossilen Energieträgern)
…
Ethanolherstellung
Ethanol wird traditionell durch die alkoholische Gärung von den in Pflanzen enthaltenen Rohstoffen ?(1)? und ?(2)? gewonnen
Die Erzeugung aus lignocellulosehaltigen Rohstoffen mittels säurebasierter und enzymatischer Hydrolyseverfahren ist derzeit noch im Forschungsstadium
Darüber hinaus ist es möglich Ethanol mit Hilfe der Ethanolsynthese aus ?(3)? und ?(4)? herzustellen.
(1) Zucker
(2) Stärke
(3) Erdgas
(4) Erdöl
Alkoholische Gärung
Stelle die Prozessgleichung auf!
Glucose (C6H12O6)
–> Kohlendioxid (2CO2) + Ethanol (2 C2H5OH)
Wie wird der Zucker/Glucose für die alkoholische Gärung gewonnen?
Durch den Aufschluss von stärkehaltigen Rohstoffen
Stärke + Wasser –> Glucose
Verfahrensschritte bei der Ethanolherstellung
Nenne die Verfahrensschritte! (6)
Rohstoffaufbereitung bzw. Zuckeraufschluss
–> Fermentation des aufgeschlossenen Zuckers
–> Destillation und Rektifikation
–> Entwässerung
–> Reststoffaufarbeitung
–> Lagerung und Transport der gewonnen Produkte
Verfahrensschema der Bioethanolherstellung aus Getreide nach dem Kaskaden-Verfahren
siehe slide 66!!
…
