@phdthesis{Buschmann2015, author = {Buschmann, Jeannette}, title = {Erh{\"o}hung der Leistungsf{\"a}higkeit von Feststoffverg{\"a}rungen in zweistufigen-zweiphasigen Systemen}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-35826}, school = {BTU Cottbus - Senftenberg}, year = {2015}, abstract = {Der anaerobe Umsatz fester, komplexer biogener Substrate zu Biogas in großtechnischen Anlagen zeigt h{\"a}ufig Defizite auf. Die (Mono)Verg{\"a}rung pflanzlicher Biomassen ist in der Regel durch eine unzureichende Nutzung vorliegender energetischer Potenziale, geringe Prozessgeschwindigkeiten und dementsprechend geringe Produktausbeuten und Durchs{\"a}tze sowie hohe G{\"a}rrestaufkommen charakterisiert. Insbesondere die Verwendung von Energiepflanzen als Biogassubstrate setzt vor dem Hintergrund von bestehenden Fl{\"a}chen- und Nutzungskonkurrenzen eine maximale Potenzialnutzung im Verg{\"a}rungsprozess voraus. Grundlegend zeigen zweistufige-zweiphasige Systeme aufgrund der Ber{\"u}cksichtigung der unterschiedlichen Milieuanspr{\"u}che fermentativer und methanogener Mikroorganismen eine h{\"o}here Effizienz sowie Prozessstabilit{\"a}t in der anaeroben Degradation gegen{\"u}ber den klassischen einstufigen Systemen, dass mit zunehmender Komplexit{\"a}t der Substrate einen st{\"a}rkeren Effekt einnimmt. Vor diesem Hintergrund bestand das Ziel dieser Arbeit darin, {\"u}ber eine detaillierte Prozessanalyse und eine Erweiterung des Prozessverst{\"a}ndnisses, die Bestimmung leistungsbeeinflussender Prozessspezifika und relevanter Prozessbedingungen sowie die Ermittlung geeigneter Prozessfahrweisen eine maximale Substratnutzung und effiziente Prozessf{\"u}hrung in zweistufigen-zweiphasigen Feststoffverg{\"a}rungen zu erm{\"o}glichen. Ein hoher Feststoffdegradationsgrad sowie hohe Feststoffabbauraten sind Grundvoraussetzungen f{\"u}r einen effizienten Anlagenbetrieb, die Gew{\"a}hrleistung hoher CH4-Ertragsgrade sowie geringer Feststoffverweilzeiten, jedoch gleichzeitig ein h{\"a}ufiges Defizit von Feststoffverg{\"a}rungen. Grundlage in der Zielerreichung bildete die Ermittlung, Analyse und Optimierung leistungs- und prozessbestimmender Parameter und Zusammenh{\"a}nge in experimentellen Untersuchungen anhand zweier Technologien zur zweistufigen-zweiphasigen Feststoffverg{\"a}rung am Beispiel von Maissilage. Da die Leistungsf{\"a}higkeit des (Feststoff)Verg{\"a}rungsprozesses maßgeblich durch die Substrathydrolyse bestimmt wird, wurde der Fokus der Untersuchungen auf die erste Prozessstufe gerichtet. Die Untersuchungsergebnisse zum anaeroben Umsatz von Maissilage zu Biogas unter Nutzung eines Perkolations-/Festbett(PE/FBR)-Verfahrens und ASBR/ASBR-Verfahrens belegen grundlegend die potenziell hohe Leistungsf{\"a}higkeit zweistufiger-zweiphasiger Prozesse in der anaeroben Behandlung fester, komplexer Einsatzstoffe. Die Feststoffhydrolyse wird {\"u}ber die Milieubedingungen f{\"u}r die hydrolytisch und fermentativ aktive Mikroflora bestimmt und kann {\"u}ber relevante Prozessparameter beeinflusst werden. Die Ergebnisse der grundlegenden Optimierungsuntersuchungen im PE/FBR-System belegen dabei die Relevanz einer thermophilen und gasdichten Fahrweise der Hydrolyse f{\"u}r einen leistungsf{\"a}higen, potenzialnutzenden Prozess. In den leistungscharakterisierenden Untersuchungen wurde eine hohe Eignung des zweistufigen-zweiphasigen ASBR-Verfahrens zur Monoverg{\"a}rung von Maissilage nachgewiesen. In der Gegen{\"u}berstellung der zweistufigen-zweiphasigen Verfahren wurde zudem eine h{\"o}here Leistungsf{\"a}higkeit des ASBR/ASBR-Verfahrens gegen{\"u}ber dem Perkolations-/Festbett-Verfahren ermittelt, welche aus einem erh{\"o}hten Hydrolysierungsgrad des Feststoffes, einem besseren Metabolisierungsgrad der Intermediate zu gasf{\"o}rmigen Produkten sowie einer erh{\"o}hten Umsatzrate resultiert. Als limitierende Faktoren im Hinblick auf die mikrobielle Feststoffdegradation in der Perkolationshydrolyse wurden der Wasserhaushalt im System, der Lagerungszustand des Substrates sowie die Charakteristik der fl{\"u}ssigen, intermedi{\"a}ren Phase bestimmt. Milieubeeinflussend wirkt zudem das Hydrolyseverfahren selbst {\"u}ber differente Bedingungen hinsichtlich der Substratzug{\"a}nglichkeit, der Oberfl{\"a}chenbesiedlung sowie des Stofftransfers in zwei separierten Phasen (Perkolation) und Zweiphasengemischen (ASBR-Hydrolyse). Im zweistufigen ASBR-Verfahren wurde als weiterer beg{\"u}nstigender Faktor in der Feststoffdegradation eine teilweise Verlagerung fermentativer Prozesse in die Methanisierung {\"u}ber den Transport partikul{\"a}rer Stoffe in der intermedi{\"a}ren fl{\"u}ssigen Phase ermittelt. Desweiteren erfolgte im Rahmen der Prozesscharakterisierung eine Analyse der methanogenen Aktivit{\"a}t in der Hydrolyse anhand der Produktion an CH4. Die Beschreibung der Abh{\"a}ngigkeit der CH4-Bildung in der Hydrolyse vom vorliegenden pH-Wert erlaubt einen R{\"u}ckschluss auf die Prozessf{\"u}hrung im Hinblick auf die Rezirkulation von Prozessfl{\"u}ssigkeit und den entsprechend bedingten Eintrag an Puffersubstanz. In der Verg{\"a}rung von Maissilage in den zweistufigen-zweiphasigen Systemen bestimmen CH4-Produktionen in der Hydrolyse den Gesamtmethanertrag zu ca. 30 \%. Eine Unterbindung bzw. Verminderung methanogener Aktivit{\"a}ten {\"u}ber die Milieubedingungen im Hydrolysesystem (z.B. pH, O2-Gehalt) erfolgt aufgrund der Beeinflussung der gesamten mikrobiellen Bioz{\"o}nose sowie mitunter der Enzymreaktionen grunds{\"a}tzlich auf Kosten des CH4-Ertragsgrades. Eine Reduzierung methanogener Aktivit{\"a}ten in der ersten Prozessstufe sollte daher {\"u}ber eine Unterbindung des Eintrags Methanogener in die Hydrolyse erfolgen. Die Untersuchungsergebnisse zeigen, dass mit einer thermischen Behandlung des Methanisierungsablaufs (= Rezirkulat) eine effektive Inaktivierung methanogener Zellen erfolgt und damit Methanproduktionen in der Hydrolysestufe tempor{\"a}r vermieden werden k{\"o}nnen. Auf Grundlage der ermittelten leistungsbestimmenden Faktoren und Zusammenh{\"a}nge sowie des gewonnenen Prozessverst{\"a}ndnisses zur Feststoffverg{\"a}rung in zweistufigen-zweiphasigen Systemen wurden Empfehlungen f{\"u}r den Betrieb von zweistufigen Feststoffverg{\"a}rungsanlagen abgeleitet.}, subject = {Biogas; Feststoffverg{\"a}rung; Zweistufige-zweiphasige Verg{\"a}rung; Perkolation; Anaerobic sequencing batch reactor; Solid-state fermentation; Two-stage/two-phase digestion; Percolation; ASBR; Biogas; Feststoff; Verg{\"a}rung; Perkolation}, language = {de} }