@phdthesis{Lu2017, author = {Lu, Yanjuan}, title = {Optimization of converting food waste to hydrogen and Biogas in double-stage-fermentation}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-43209}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2017}, abstract = {Aim of this study The aim of this research is to develop batch scale and continuous reactor systems to evaluate technical and practical feasibility of sequential hydrogen and methane from food waste by two step dark fermentation process. Methodology The effects of limiting factors, like pH, temperature, as well as inoculum sources and pretreatment methods on H₂ yields were studies in batch assays. In addition, the feasibility of sequencing producing H₂+CH₄ via two stage dark fermentation process was evaluated in lab-scale tests based on batch assay results. Three kinds of Acid producing reactor, like CSTR, semi-percolator, and ASBR had been tested for bioH₂ production and well inoculated ASBR methane was used for further degradation of volatile organic acids produced in these acid producing reactor which acts as by-products of bioH₂. Different limiting factors on fermentation process have been investigated in each reactor type for optimum energy recovery. Monodigestion of food waste for methane production was also studied and used as reference value for energy recovery from food waste. Main results and technical application from this study Hydrogen production results from food waste were shown to be possible with aerated inoculum in batch assays in thermophilic range, with highest H₂ yields of 19.72L/(kg oTS) from food waste. The inoculated HPB (Hydrogen producing bacterial) sludge taken from ASBR acid producing reactor was proved the optimum H₂ yields with the value of 61.41 L/(kg oTS) in this batch test. Inoculum to substrates ratio at 3 was found the best situ for H₂ yields in batch test. Even H₂ productivity at hyperthermophilic range has been confirmed with faster and higher performance, thermophilic fermentation process was taken in continuously lab-scale investigation due to too high process requirements in hyperthermophilic process. Two-stage sequencing producing H₂+CH₄ was shown the potential in H₂ yields in the first acid producing phase. Methane yields from monodigestion in ASBR methane reactor with OLR of 3.88 kg oTS/(m3.d) and average CH₄ yields at 312.71L/kg oTS were achieved and act as reference value for total energy recovery. In CSTR+ASBRMe system, the max. hydrogen yields of 69.15 L/(kg oTS) and CH₄ yields at 291.77. L/(kg oTS) were achieved; In semi-Percolator+ASBRMe system, the max. hydrogen yields of 77.34 L/kg oTS and average CH₄ yields at 293.87 L/(kg oTS) were achieved; In ASBR+ASBRMe system, the max. hydrogen yields of 196.85L/(kg oTS) and average CH₄ yields at 293.87 L/(kg oTS) were achieved. The max. H₂ concentration in hydrolysis gas was got in ASBR acid producing reactor at 54\%. The experimental results indicated that food wastes can be considered as suitable substrates for BioH₂ and CH₄ sequencing production. Moreover, the less production cost for H₂ due to higher OLR and shorting HRT.}, subject = {CSTR; Semi-percolator; ASBR; Methane; Two stage dark fermentation process; Biohydrogen; Food waste; Factor; OLR; Biogas; Biowasser; Methan; Speiseabf{\"a}lle; Verg{\"a}rungsprozess; Faktor; ASBR; CSTR; Perkulator; ORB; Biogas; Fermentation; G{\"a}rung; Lebensmittelabfall; Biogas}, language = {en} } @phdthesis{Burkhardt2012, author = {Burkhardt, Marko}, title = {Die Leistungsf{\"a}higkeit anaerober Rieselbettreaktoren zur Methanisierung fl{\"u}ssiger und gasf{\"o}rmiger organischer Verbindungen durch biofilmgebundene methanogene Archaeen}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus-25249}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2012}, abstract = {Die Anwendung anaerober Biofilme zur Umsetzung organischer Substrate zu Biogas bietet viele Vorteile. Durch die Immobilisierung methanogener Archaeen im System k{\"o}nnen kurze Verweilzeiten unter hohen Raumbeladungen in sogenannten Hochleistungsfestbettreaktoren erm{\"o}glicht werden. Mittlerweile finden sie recht erfolgreich im Rahmen verschiedener, meist zweistufiger Verfahren, eine Anwendung in der Praxis. Das Prinzip eines Rieselbettreaktors als Methanstufe ist bislang unbekannt. Es konnte gezeigt werden, dass sich der vorgeschlagene und patentierte Aufbau eines Rieselbettreaktors im Rahmen eines zweistufigen Verfahrens zur Methanisierung fl{\"u}ssiger und gasf{\"o}rmiger organischer Substrate eignet. Der direkte Vergleich zwischen einem klassischen {\"u}berstauten Festbettreaktor und dem Rieselbettreaktor zeigte, dass sich beide Prinzipien f{\"u}r die Umsetzung von Essigs{\"a}ure aber auch von Praxissubstraten (Maishydrolysat) eignet. Die pH-Werte im Ablauf lagen {\"u}ber 7,0, die Methankonzentration im Biogas ist jeweils {\"u}ber 70 Vol\%. Bis zu den hohen Raumbeladungen von bR=10-12 kgCSB/(m³FB•d) wurde der theoretische Wert der spezifischen Methanproduktion von P=3-4 Nm³CH4/(m³FB•d) erreicht. Im eingefahrenen und kontinuierlichen Betrieb lag der Methanertrag YoTR,∑ im Rieselbettreaktor zwischen 231-275 NlCH4/kgoTR und im {\"u}berstauten Festbettreaktor zwischen 246-270 NlCH4/kgoTR. Dem theoretischen Wert von 293 NlCH4/kgoTR wird nahe gekommen. Beide Systeme sind daher sehr gut vergleichbar. Die Zugabe und die Unterbrechung des Substrates die Steuerung der Methanbildung mit einer Reaktionszeit von 3,4-5 Stunden. Der Rieselbettreaktor zeigte ein schnelleres Ansprechverhalten der Methanbildung nach erneuter Substratzugabe aufgrund der Rezirkulation durch das gesamte Festbett. In Hinblick auf den Flexibilit{\"a}tsbonus im Rahmen der aktuellen Novelle des EEG 2012 wird das Kriterium der Reaktion auf den st{\"u}ndlichen Energiebedarf erf{\"u}llt. Im Rieselbettreaktor konnte die Abh{\"a}ngigkeit des Stoffumsatzes von der Raumbeladung bR, der Rezirkulation RV, der Rieselzeit Rt, dem Prozesswasservolumen Vfl bzw. der hydraulischen Verweilzeit Ʈfl nachgewiesen werden. Ʈfl ist dabei entkoppelt von der Kontaktzeit am Biofilm, dem Ort des Stoffumsatzes. In Hinblick auf einen hohen CSB Abbau konnte insbesondere der direkte Zusammenhang zur Rezirkulation ermittelt werden. Zudem zeigte die differenzierte Betrachtung des Rieselverhaltens, dass aufgrund der Ausbildung eines d{\"u}nneren Rieselfilmes bei einer geringen Rieselzahl R ein h{\"o}herer Stofftransport in den Biofilm und letztlich ein h{\"o}herer CSB-Abbau pro Verrieselung stattfand. Der maximale absolute CSB Abbau lag bei einer Raumbeladung von bR=19 m³/(m³FB•d). Diese Abh{\"a}ngigkeiten wurden durch die Kontaktzeit Ct des Substrates mit dem Biofilm zusammengefasst, sodass das ƞCSB-Ct-bR Diagramm dargestellt werden konnte. Mit Hilfe von Ct wurde ein Modell erstellt, wobei die Umsatzrate k und der Korrekturfaktor k* empirisch ermittelt wurden. Als gasf{\"o}rmige Substrate wurden erfolgreich Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid methanisiert. Unter Kreislauff{\"u}hrung des Gasstromes im batch-Betrieb erfolgte ein bis zu 98 \%-iger Wasserstoffumsatz. Der Methangehalt betrug maximal 97,7 \%. Die Raumbeladung lag maximal bei bR=4,43 Nm³H2/(m³FB•d), wobei eine spezifische Methanproduktivit{\"a}t von 1,17 Nm³CH4/(m³FB•d) erreicht wurde. Im Ausblick f{\"u}hrt der kontinuierliche Betrieb zu einem vollst{\"a}ndigen Umsatz bei einer 100\%igen Methankonzentration. Damit konnte erstmals Wasserstoff (beispielsweise elektrolytisch erzeugt) und Kohlenstoffdioxid unter moderaten Temperatur- und Druckbedingungen methanisiert werden. Es liegt ein Energietr{\"a}ger vor, der sehr gut in klassischen Speichern (Erdgasnetz) ohne aufwendige Aufreinigung eingespeist werden kann. Die Inbetriebnahme und der Betrieb sowohl des {\"u}berstauten Festbettreaktors als auch des Rieselbettreaktors erm{\"o}glichte die Beobachtung der Biofilmentwicklung. Dabei wurde eine vergleichbare Biofilmausbildung festgestellt. Im Rieselbettreaktor erfolgte ein erh{\"o}hter Biomasser{\"u}ckhalt, vermutlich aufgrund einer ungleichen Str{\"o}mungsverteilung. Nach 239 Versuchstagen konnte ein vergleichbarer Biomasseanteil f{\"u}r beide Reaktorprinzipien von 14 gFM/FK (35 goTR/m²FKAO) bei einer mittleren Biofilmdicke von 600 µm bestimmt werden. Der Biomasseertrag YoTR/CSB entspricht mit 0,016-0,020 goTR/gCSB in beiden Reaktoren den Literaturwerten von 0,01-0,06 goTR/gCSB. Unter Betrachtung der Str{\"o}mungsverh{\"a}ltnisse der Fl{\"u}ssigkeitsschicht am Biofilm, der Konzentrationsgrenzschicht, des Stoff{\"u}berganges und des Stoffabbaus konnte eine Umsatzlimitierung festgestellt werden. Im Rieselbettreaktor lag eine Reaktionslimitierung bis zu einer mittleren Biofilmdicke von 174 µm vor. Bei einer h{\"o}heren Biofilmdicke erfolgte eine Diffusionslimitierung. Die Bestimmung der methanogenen Archaeen im Rieselbettreaktor zeigte, dass sowohl beim fl{\"u}ssigen als auch gasf{\"o}rmigen Substrat der hydrogenotrophe und der acetoklastische Stoffwechsel parallel erfolgte.}, subject = {Biogas; Wasserstoff; Rieselreaktor; Biofilm; Methan; Biogas; Wasserstoff; Rieselbett; Biofilm; Methan; Biogas; Hydrogen; Tickle bed; Biofilm; Methane}, language = {de} }