Anaerobe Vergärung von Reststoffen der lebensmittelproduzierenden Industrie

153 Pages·2017·1.52 MB·English

Anaerobe Vergärung von Reststoffen
der lebensmittelproduzierenden
Industrie

Dissertation

zur Erlangung des Doktorgrades Dr. rer. nat. an der
Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Ulm
Institut für Systematische Botanik und Ökologie

Vorgelegt von:

Dipl.-Biol. Daniel Schropp
aus Memmingen

Ulm 2016

Amtierender Dekan: Prof. Dr. Peter Dürre
1. Gutachter: Prof. Dr. Marian Kazda
2. Gutachter: PD Dr. Christian Riedel
Tag der Promotion: 07.02.2017

Inhalt I

Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis .......................................................................... III
Zusammenfassung ................................................................................. V
Summary.............................................................................................. VII
1. Einleitung ............................................................................................ 1
1.1 Weltweite Abfallproblematik und Bewusstseinsbildung ..................................... 1
1.2 Anaerobe Verwertung von organischen Reststoffen ......................................... 3
1.3 Hemmstoffe in der anaeroben Vergärung ......................................................... 6
1.4 Die Rolle von CO2 in der anaeroben Vergärung ............................................... 8
2. Problemstellung und Hypothesen ...................................................... 11
3. Material und Methoden ...................................................................... 13
3.1 Aufbau der Laboranlage .................................................................................. 13
3.2 Substrate ......................................................................................................... 16
3.3 Bestimmung der Prozessparameter ................................................................ 19
3.3.1 Trockensubstanz und organische Trockensubstanz ................................. 19
3.3.2 Abbaurate ................................................................................................. 19
3.3.3 pH- und FOS/TAC-Werte ......................................................................... 19
3.3.4 Ammoniumbestimmung ............................................................................ 20
3.3.5 Bestimmung flüchtiger organischer Verbindungen ................................... 21
3.3.5.1 Versuche mit Flotatfetten ................................................................... 21
3.3.5.2 Versuche mit Reststoffmischungen .................................................... 22
3.3.6 Kohlenstoff-/Stickstoffbestimmung ........................................................... 23
3.3.7 Phospor-/Kaliumbestimmung.................................................................... 23
3.3.8 Bestimmung der CO2-Partialdrücke .......................................................... 24
3.3.9 Auswertung............................................................................................... 25
3.4 Versuche mit Flotatfetten ................................................................................ 26
3.5 Versuche mit Reststoffmischungen ................................................................. 27
3.6 Versuche mit Speiseresten ............................................................................. 29
4. Ergebnisse ........................................................................................ 30
4.1 Biogasproduktion mit Flotatfetten .................................................................... 30
4.1.1 Biogas- und Methanerträge ...................................................................... 30
4.1.2 pH- und FOS/TAC-Werte ......................................................................... 32
4.1.3 Flüchtige organische Säuren .................................................................... 34
Inhalt II

4.1.4 Beurteilung des Gärrestes ........................................................................ 38
4.2 Biogasproduktion aus Reststoffmischungen ................................................... 39
4.2.1 Biogas- und Methanerträge ...................................................................... 39
4.2.2 pH- und FOS/TAC-Werte ......................................................................... 45
4.2.3 Organische Säuren ................................................................................... 50
4.2.4 Ammonium- und Ammoniakkonzentrationen ............................................ 55
4.2.5 Nährstoffpotential der Substrate ............................................................... 59
4.2.6 Nährstoffpotential des Gärrestes .............................................................. 65
4.2.7 Beurteilung und Korrelation der Prozessparameter .................................. 67
4.3 Biogasproduktion mit Speiseresten ................................................................. 72
4.4 CO2-Partialdrücke ........................................................................................... 76
4.4.1 pCO2 im Fermenterinhalt .......................................................................... 76
4.4.2 Zusammenhang von pCO2 und Methanbildungsrate ................................ 79
5. Diskussion ......................................................................................... 83
5.1 Versuche mit Flotatfetten ................................................................................ 83
5.1.1 Prozessparameter .................................................................................... 83
5.1.2 Gesamtbeurteilung des Versuchs ............................................................. 89
5.2 Versuche mit verschiedenen Reststoffmischungen......................................... 92
5.2.1 TS- und oTS-Werte .................................................................................. 92
5.2.2 Biogas- und Methanerträge ...................................................................... 93
5.2.3 pH- und FOS/TAC-Werte ......................................................................... 95
5.2.4 Organische Säuren ................................................................................... 96
5.2.5 Ammonium- und Ammoniakkonzentrationen ............................................ 97
5.2.6 Nährstoff- und Düngepotential ................................................................ 101
5.3 Prozessverlauf mit Speiseresten ................................................................... 105
5.4 Bedeutung der CO2-Partialdrücke ................................................................. 106
5.4.1 pCO2 im Fermenterinhalt ........................................................................ 106
5.4.2 Zusammenhang von pCO2 und Methanbildung ...................................... 107
6. Schlussfolgerung ............................................................................. 110
7. Literatur ........................................................................................... 113
8. Abbildungsverzeichnis ..................................................................... 130
9. Tabellenverzeichnis ........................................................................ 134
10. Erklärung ....................................................................................... 137
11. Danksagung .................................................................................. 138
12. Lebenslauf .................................................................................... 141
Abkürzungsverzeichnis III

Abkürzungsverzeichnis

µl Mikroliter FID Flammenionisations-
detektor
ρ Luftdruck
Air
FOS flüchtige organische

Säuren
A

A- Anion nach Brønsted
G

g Gramm
C
GC Gaschromatograph
C elementarer Kohlenstoff

CO 2- Carbonat
3
H
°C Grad Celsius
H Wasserstoff
2
CH Methan
4
H CO Kohlensäure
2 3
cm Zentimeter
HCO - Bicarbonat
3
CO Kohlenstoffdioxid
2
ha Hektar
CsNO Caesiumnitrat
3
HA Säure nach Brønsted

HCl Salzsäure
D
He Helium
DBFZ Deutsches Biomasse
HNO Salpetersäure
3
Forschungszentrum
hPa Hektopascal
d Tage

K
E
K Kalium
EEG Erneuerbare Energien-
Gesetz K O Kaliumoxid
2
k.A. keine Angabe
F Kb Basenkonstante
FNR Fachagentur für K Säurekonstante
w
Nachwachsende

Rohstoffe
L
FM Frischmasse
L Liter
Abkürzungsverzeichnis IV

LTZ Landwirtschaftliches P
Technologiezentrum
P Phosphor

P O Phosphorpentoxid
2 5
M
pCO CO -Partialdruck
2 2
m Masse
pKs Negativer dekadischer
M Molar Logarithmus der
Säurekonstante
m3 Kubikmeter
PTFE Polytetrafluorethylen
max. maximal

mg Milligramm
T
min. Minuten
t Zeit
ml milliliter
T Temperatur
mM Stoffmengen-
konzentration TAC Gesamter anorganischer
Kohlenstoff
mol Molekulargewicht
TM Trockenmasse
mmol Millimol
TS Trockensubstanz

N
U
N Stickstoff
U Umdrehungen
NaWaRo Nachwachsende
Rohstoffe
Nl Normliter
nm Nanometer
Na Natrium
NH Ammoniak
3
NH + Ammonium
4

O
oTM organische
Trockenmasse
oTS organische
Trockensubstanz
Zusammenfassung V

Zusammenfassung
In unserer konsumorientierten Überflussgesellschaft fallen organische Reststoffe in
beträchtlichen Mengen sowohl in privaten Haushalten als auch in der lebensmittel-
erzeugenden Industrie an. Diese Reststoffe müssen wie andere Reststoffe auch
entweder vermieden oder ökologisch möglichst sinnvoll verwertet werden. Die
Zielsetzung einer ökologisch sinnvollen Verwertung der organischen Reststoffe sollte
die Schließung der Nährstoffkreisläufe beinhalten, aber auch gleichzeitig nur geringe
Emissionen an Treibhausgasen verursachen. Die Erzeugung von Biogas aus
Reststoffen zur Erzeugung von Elektrizität und Wärme und eine anschließende
Verwertung des Gärrestes als Dünger stellen dabei die ökologischste Möglichkeit
dar. Bislang wird der Großteil an organischen Reststoffen kompostiert bzw. thermisch
verwertet, da der Einsatz in der anaeroben Vergärung als problematisch angesehen
wird. Dies liegt vor allem an der Tatsache, dass es sich bei organischen Reststoffen
meist um proteinreiches Substrat handelt, welches dadurch große Mengen an
Stickstoff enthält. Durch den Abbau der proteinreichen Substrate kann es zu einer
Akkumulation von Ammoniak (NH ) kommen. NH wirkt als Zellgift und kann dadurch
3 3
die Mikroorganismen im Fermenter schädigen. Kohlenstoffdioxid (CO ) stellt
2
zusammen mit Wasserstoff (H ) einen für die Methanogenese entscheidenden
2
Ausgangsstoffe dar. Die Dynamik der CO -Partialdrücke (pCO ) im Fermenterinhalt
2 2
ist daher entscheidend für den Biogasprozess.
Um die Potentiale bei der Vergärung von organischen Reststoffen zu untersuchen,
wurden insgesamt vier Gärversuche mit 11 Fermentern im Labormaßstab
durchgeführt. Bei den Reststoffen handelte es sich um organisches Material, welches
während des Betriebsprozesses in einer Großschlachterei anfällt. Für die
Betrachtung des pCO im Fermenterinhalt wurden fünf Versuche mit Speiseresten
2
als Substrat ausgewertet.
Die eingesetzten Substrate wiesen in ihrer strukturellen Zusammensetzung teils
deutliche Schwankungen auf. Die Versuche zeigten niedrige Methanerträge und
einen geringen Abbau der organischen Substanz, die durch eine Schädigung der
mikrobiellen Gemeinschaft durch NH hervorgerufen wurde. Die Messung der
3
Ammonium (NH +) Konzentrationen erfolgte bisher nur selten über den gesamten
4
Prozessverlauf. Unsere Messungen zeigten hohe NH + Konzentrationen und
4
deutliche Schwankungen, die vor allem in der Dynamik des Gesamtprozesses
Zusammenfassung VI

begründet sind. Die gemessenen Nährstoffgehalte weisen den Gärrest als einen sehr
guten Dünger aus. Vor allem die Konzentrationen an Stickstoff (N), Phosphor (P) und
Kalium (K) im Gärrest sind deutlich höher als in Schweine- oder Rindergülle. Zudem
besitzt der Gärrest durch den großen Anteil an organischer Substanz eine
humusbildende Wirkung. Die Messungen des pCO zeigten einen Überschuss an
2
CO bei nicht optimalem Prozessverlauf auf. Dies lässt darauf schließen, dass
2
ausreichend CO für die Methanbildung vorhanden wäre, allerdings nicht optimal
2
genutzt wird.
Es zeigte sich, dass eine Monovergärung von Abfällen aus der
lebensmittelproduzierenden Industrie grundsätzlich möglich ist. Allerdings muss bei
der Vergärung hohen NH -Konzentrationen entgegengewirkt werden. Die Analyse
3
der Nährstoffgehalte der Gärreste ergab ein beträchtliches Potential für die
Pflanzendüngung. Eine Nutzung der Gärreste als Pflanzendünger führt zu einem
geschlossenen Nährstoffkreislauf, was letztlich klare ökologische Vorteile mit sich
bringt. Die Ergebnisse aus der Analyse des pCO zeigen neue Möglichkeiten auf, um
2
die Biogasqualität, beispielsweise durch Zugabe von H , zu steigern. Eine Steigerung
2
der Methanerträge ist dabei sowohl aus ökologischen als auch aus ökonomischen
Gesichtspunkten wichtig, da dadurch eine höhere Energieausbeute erreicht werden
könnte.