DE3529461A1 - Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von biogas - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Gewinnung von Biogas durch anaerobe Vergärung der bei der Herstellung von Tapioka aus Cassave-Wurzelknollen anfallenden Abfall­ masse.

Die Wurzelknollen des Cassave-Strauches stellen in den Tropenländern die wichtigste Stärkequelle dar. Die Wurzel­ knollen werden dazu geschält, anschließend zerschnitten oder zerstampft, um dann die Stärkekörner herauszulösen, die als Tapioka in den Handel kommen. Die industrielle Aufbereitung der Cassave-Wurzelknollen erfordert deshalb einen hohen Energieaufwand. Auch sind die bei der Aufberei­ tung anfallenden Abfallmengen erheblich. Sie betragen bei einer durchschnittlichen Anlage z. B. 30 m³ am Tag. Diese Abfälle werden derzeit ungenutzt z. B. in Flüsse oder in das Meer geleitet. Sie führen damit zu einer erheblichen Umweltbelastung.

Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen angegeben ist, liegt die Aufgabe zugrunde, für diese Abfälle eine umweltfreundliche Nutzungsmöglichkeit anzugeben.

Nach der Erfindung werden die Cassave-Abfälle also zur Energieerzeugung herangezogen, und zwar durch ihre anaerobe Vergärung zu Biogas, also einem hauptsächlich aus Methan bestehenden und daher als Energieträger geeigneten Gas.

Es hat sich nämlich herausgestellt, daß die Casave-Abfälle noch erhebliche Mengen an Stärke enthalten. So haben Analysen ergeben, daß diese Abfälle zu ca. 90 Gew.-% aus Stärke und anderen Kohlehydraten bestehen, während sich der Rest hauptsächlich aus Faserstoffen und Mineralstoffen zusammensetzt. Dieser hohe Stärkegehalt läßt diese Abfälle an sich als zur Herstellung von Biogas äußerst geeignete Biomasse erscheinen. Eine anaerobe Vergärung dieser Abfälle zu Biogas ist jedoch mit den herkömmlichen Methoden nicht durchführbar.

Es hat sich aber gezeigt, daß sich die anaerobe Vergärung dann durchführen läßt, wenn die Cassave-Abfallmasse zuvor angesäuert worden ist. Wie festgestellt wurde, enthalten die Cassave-Abfälle nämlich cyanidhaltige Verbindungen, beispielsweise pro kg Abfallmasse 100 mg derartiger cyanidhaltiger Verbindungen, bezogen auf das Gewicht der Cyanidgruppe. Diese Verbindungen dürften die Ursache dafür sein, daß bei den herkömmlichen Biogasanlagen der Gärpro­ zess bei den Cassave-Abfällen zum Erliegen kommt, und zwar durch Vergiftung der durch das Biogas bildenden Mikroorga­ nismen durch die cyanidhaltigen Verbindungen.

Durch das Ansäuern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aus diesen cyanidgruppenhaltigen Verbindungen das Cyanid jedoch offenbar freigesetzt, das dann aus der sauren Abfallmasse als Cyanwasserstoffgas entweicht. Auf diese Weise kommen die Biogas bildenden Mikroorganismen mit den cyanidgruppenhaltigen Verbindungen nicht mehr in Berührung, so daß ein Inhibierung dieser Mikroorganismen vermieden wird.

Die Cassave-Abfallmasse wird dabei bevorzugt auf einen pH-Wert von 1 bis 4 angesäuert. Das heißt, obgleich Cyanwasser­ stoff sich theoretisch schon bei einem pH-Wert von 6 austreiben läßt, wird in der Praxis eine höhere Wasser­ stoffionenkonzentration, also ein pH-Wert von mindestens 4 gewählt, um den Vorgang zu beschleunigen. Ein pH-Wert von weniger als 1 ist demgegenüber wegen der großen zuzusetzen­ den Säuremenge und der anschließenden zur Neutralisation der Säure zuzugebenden großen Basemenge nachteilig.

Als Säure zum Aufschließen der cyanidgruppenhaltigen Verbindungen und zum Austreiben der Cyanwasserstoffsäure kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren praktisch jede Säure verwendet werden. Jedoch werden Mineralsäuren bevor­ zugt, da der gewünschte pH-Wert mit einer relativ geringen Säuremenge erhalten werden kann. Aus Kostengründen wird dabei Chlorwasserstoffsäure bevorzugt, während Schwefelsäu­ re weniger geeignet ist, weil die damit in die Abfallmasse eingeführten Sulfationen im Bioreaktor zu Schwefelwasser­ stoff reduziert werden können, der giftig ist und zur Korrosion der Stahlteile der Biogasanlage führt.

Der Säureaufschluß der Abfallmasse und das Austreiben des Cyanwasserstoffs aus derselben erfolgt vorzugsweise unter Umwälzen der Masse und bei erhöhter Temperatur von beispielsweise 30 bis 60°C.

Die Reaktionszeit zum Aufschließen der Masse und zum Austreiben des Cyanwasserstoffs hängt von mehreren Faktoren ab, insbesondere von dem zum Ansäuern verwendeten pH-Wert, der Umwälzgeschwindigkeit und der Temperatur der angesäuer­ ten Masse sowie von der Menge der cyanidgruppenhaltigen Verbindungen in der Masse, wobei diese Menge von der jeweiligen Cassave-Sorte, vom Klima, von der Bodenbeschaf­ fenheit und dergleichen abhängig ist. Der giftige Cyanwas­ serstoff, der aus der Abfallmasse als Gas entweicht, wird vorzugsweise gebunden, und zwar zweckmäßig mit einer Base, z. B. nach einem Naßverfahren durch Waschen der Abgase mit einer Lauge, beispielsweise Calciumhydroxid.

Da bei dem in der Praxis angewendeten pH-Wert von 4 oder weniger die Biogas bildenden Mikroorganismen inhibiert werden, ist es erforderlich, die Säure vor der Vergärung der Masse wieder so weitgehend zu neutralisieren, daß ein für die Biogas bildenden Mikroorganismen zulässiger pH-Wert vorliegt, d. h. ein pH-Wert, bei dem ein ausreichendes Wachstum der Mikroorganismen und damit eine hohe Vergärungsrate gewährleistet ist.

Als Base zur Neutralisation der angesäuerten Masse kann praktisch jede Base verwendet werden. Aus Kostengründen werden jedoch Calciumhydroxid, Natronlauge oder Soda bevorzugt. Anstelle oder zusätzlich zu diesen Basen ist es von Vorteil, eine stickstoffhaltige Base zu verwenden. Da, wie erwähnt, die Cassave-Abfallmasse nämlich fast aus­ schließlich aus Kohlehydraten, also praktisch keinen Proteinen besteht, andererseits für das Wachstum der Mikroorganismen ein bestimmtes C/N-Verhältnis unerläßlich ist, wird auf diese Weise der zu vergärenden Masse der erforderliche Stickstoff zugeführt. Als stickstoffhaltige Basen kommen dabei insbesondere Ammoniak, Ammoniumsalze, wie Ammoniumcarbonat, oder Amine in Frage. Um eine schnelle und vollständige Neutralisation zu erreichen, wird dabei die Masse vorzugsweise umgewälzt.

Die Vergärung der so neutralisierten Abfallmasse kann dann nach herkömmlicher Prozessführung in einem herkömmlichen Bioreaktor erfolgen, z. B. nach einem Verfahren bzw. in einem Bioreaktor, wie er in der DE-PS 31 02 739 beschrieben ist.

Das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnene Biogas kann zur Energieerzeugung herangezogen werden, und zwar bevorzugt zum Betrieb der Anlagen, die zur Aufbereitung der Cassave-Wurzelknollen zu Tapioka erforderlich sind.

Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der ein Fließschema wiedergebenden Zeichnung beschrieben.

Danach ist einem Vergärungsraum 1 in Form eines Bioreaktors eine Einrichtung 2 zur Zufuhr einer Säure vorgeschaltet, und zwischen der Säurezufuhreinrichtung 2 und dem Vergä­ rungsraum 1 eine Einrichtung 3 zur Zufuhr einer Base angeordnet.

Die bei der Herstellung von Tapioka aus Cassave-Wurzel­ knollen anfallende Abfallmasse wird dabei über eine Leitung 4 in die als Reaktor ausgebildete Einrichtung 2 eingetra­ gen. Der Reaktor 2 ist mit einer Umwälzeinrichtung 5 und einer Heizung versehen. Über eine Leitung 6 wird ihm eine Mineralsäure, z. B. Salzsäure, zugeführt, wobei die Säurezufuhr durch ein pH-Wert-Meßgerät 7 im Reaktor 2 gesteuert wird.

Der durch den Säureaufschluß aus der Cassave-Abfallmasse vertriebene Cyan-Wasserstoff geht über eine Leitung 8 aus dem Reaktor 2 ab, welche mit einer Wascheinrichtung 9 versehen ist, in der der Cyanwasserstoff aus dem Abgas gewaschen wird, das dann ins Freie abgelassen wird.

Die angesäuerte, cyanidfreie Masse wird dann über eine Leitung 10 der Einrichtung 3 zugeführt, die ebenfalls durch einen Reaktor gebildet wird. Der Reaktor 3 ist mit einer Umwälzeinrichtung 11 versehen. Über eine Leitung 12 wird dem Reaktor 3 eine Base, z. B. eine Lösung aus Soda und Ammoniumcarbonat zugeführt, wobei die Menge der zugeführten Base durch ein pH-Wert-Meßgerät 13 im Reaktor 3 geregelt wird. Der Istwert der Neutralisation entspricht dabei einem pH-Wert, bei dem bei hoher Biogasbildungsrate ein zuverläs­ siger Betrieb des Bioreaktors 1 gewährleistet ist. Eine Leitung 14 dient zur Entlüftung des Reaktors 3, z. B. zur Entfernung des bei der Neutralisation aus Soda und Ammoniumcarbonat freigesetzten Kohlendioxids.

Von dem Reaktor 3 wird die Masse übereine Leitung 15 dem Bioreaktor 1 zugeführt, der irgendein herkömmlicher Bio­ reaktor sein kann, z. B. ein Bioreaktor, wie er in der DE-PS 31 02 739 beschrieben ist. Aus dem Bioreaktor 1 wird über eine Leitung 16 das Biogas und über eine Leitung 17 der nicht abbaubare Rest der Abfallmasse ausgetragen. Das Biogas kann dann z. B. zum Betrieb eines Stromgenerators herangezogen werden.

Das Ansäuern und Neutralisieren in den Reaktoren 2 und 3 kann absatzweise durchgeführt werden. Es ist jedoch auch eine kontinuierliche Betriebsweise möglich. Auch kann nur ein Reaktor anstelle der beiden Reaktoren 2 und 3 vorgesehen sein, indem nacheinander angesäuert und an­ schließend neutralisiert wird. Ebenso ist es möglich, einen Vorratsbehälter mit neutralisierter, zur Vergärung geeigne­ ter Masse zwischen der Neutralisationseinrichtung 3 und dem Bioreaktor 1 anzuordnen, um den Bioreaktor problemlos kontinuierlich betreiben zu können.

Claims (8)

1. Verfahren zur Gewinnung von Biogas durch anaerobe Vergärung der bei der Herstellung von Tapioka aus Cassave-Wurzelknollen anfallenden Abfallmasse, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfallmasse vor der Vergä­ rung angesäuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die angesäuerte Abfallmasse vor ihrer Vergärung durch Neutralisation auf einen für die Biogas bildenden Mikroorganismen zulässigen pH-Wert eingestellt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Neutralisation eine stickstoffhaltige Base verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der angesäuerten Abfallmasse entweichenden Gase einer Reinigung mit einer Base unterworfen werden.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dem Vergärungsraum (1) vorgeschaltete Einrichtung (2) zur Zufuhr einer Säure zu der zu vergärenden Abfall­ masse.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine dem Vergärungsraum (1) vorgeschaltete Einrichtung (3) zur Zufuhr einer solchen Menge einer Base zu der angesäuerten Abfallmasse, daß ein für die Biogas bildenden Mikroorganismen zulässiger pH-Wert eingestellt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (9) zur Reinigung der aus der angesäu­ erten Abfallmasse entweichenden Gase.

8. Verwendung des nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 gewonnenen Biogases zur Erzeugung der für die Herstellung von Tapioka aus Cassave-Wurzel­ knollen erforderlichen Energie.