TY - RPRT A1 - Thema, Martin A1 - Kaul, Anja A1 - Sterner, Michael A1 - Heberl, Michael T1 - Optimierung eines Rieselbett-Bioreaktors für die dynamische mikrobielle Biosynthese von Methan mit Archaeen-Mikroorganismen in Power-to-Gas-Anlagen N2 - Das übergeordnete Ziel des Vorhabens war die Entwicklung neuer technologischer Möglichkeiten für den biologischen Methanisierungsprozess mit Archaeen1 in Power-to-Gas-Anwendungen. Im Gegensatz zur technisch ausgereiften chemisch-katalytischen Methanisierung sind hier noch Potenziale zur Optimierung verfahrenstechnischer und biologischer Prozesse für das Speicherkonzept Power-to-Gas [7] vorhanden. Dabei sollte zum einen ein Rieselbett-Bioreaktor optimiert, simuliert und für die Hochskalierung vorbereitet werden. Zum anderen sollte eine Kombination optimal geeigneter Mikroorganismen und Packungsmaterialien selektiert und deren Verhalten und Eignung im Reaktor analysiert werden. Das Verhalten des entwickelten Systems sollte zunächst im Labor- und Technikumsmaßstab und anschließend im Feldtest an einer bestehenden Power-to-Gas-Anlage untersucht werden. Hauptziel während des Feldtests war die Produktion von einspeisefähigem Methan sowie dessen Einspeisung ins Gasnetz. Ein Hauptziel des Projektes war es, die Normung und Standardisierung notwendiger Systemparameter und Semantik zur Beschreibung und Einbindung biologischer Methanisierungseinheiten in Power-to-Gas-Anlagen voranzutreiben. Dies sollte zum einen die Vergleichbarkeit der wissenschaftlichen Erkenntnisse verbessern und zum anderen unterstützend bei der Kommerzialisierung der Technologie wirken. Aus dem Projekt heraus wurde so die neue Normungsreihe VDI 4635 Power-to-X beim Verein Deutscher Ingenieure angestoßen. KW - Biologische Methanisierung KW - Power-to-Gas KW - Erneuerbare Energien KW - Rieselbett-Bioreaktor KW - Archaeen Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.2314/KXP:1815321555 ER - TY - INPR A1 - Kaul, Anja A1 - Böllmann, Andrea A1 - Thema, Martin A1 - Kalb, Larissa A1 - Stöckl, Richard A1 - Huber, Harald A1 - Sterner, Michael A1 - Bellack, Annett T1 - Identification of Robust Thermophilic Methanogenic Archaea and Packing Material for High Liquid Hold-Up at Low Volumetric Gas Flow Rates for Use in Trickle-Bed Reactors for Biological Methanation T2 - SSRN Electronic Journal N2 - he hydrogen gas-to-liquid mass transfer is the limiting factor in biological methanation. In a trickle-bed reactor, mass transfer can be increased by high flow velocities in the liquid phase, by adding a packing material with high liquid hold-up, or by choosing methanogenic archaea with a high methane productivity. This study analyzed various packings and methanogenic strains from a hydrodynamic and microbial perspective. By analyzing twelve pure cultures of thermophilic methanogens for their ability to produce high quality methane and to form biofilms on different packings, strains of Methanothermobacter were found to perform better than thus of the genus Methanothermococcus. Best methane production and adherence was observed on DuraTop®, Bioflow 9, and filter foam. DuraTop® and Bioflow 9 had also a high dynamic liquid hold-up, but the maximum hold-up was determined for expanded clay. The ideal combination for use in the ORBIT-trickle-bed reactor was identified as Methanothermobacter thermoautotrophicus IM5 and DuraTop®. KW - Liquid hold-up maximization KW - Methane production KW - Methanothermobacter KW - Methanothermococcus KW - Optimized packing-organism combination Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.2139/ssrn.3940878 N1 - final peer reviewed article published under: https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.126524 ER - TY - JOUR A1 - Thema, Martin A1 - Weidlich, Tobias A1 - Kaul, Anja A1 - Böllmann, Andrea A1 - Huber, Harald A1 - Bellack, Annett A1 - Karl, Jürgen A1 - Sterner, Michael T1 - Optimized biological CO2-methanation with a pure culture of thermophilic methanogenic archaea in a trickle-bed reactor JF - Bioresource Technology N2 - In this study, a fully automated process converting hydrogen and carbon dioxide to methane in a high temperature trickle-bed reactor was developed from lab scale to field test level. The reactor design and system performance was optimized to yield high methane content in the product gas for direct feed-in to the gas grid. The reaction was catalyzed by a pure culture of Methanothermobacter thermoautotrophicus IM5, which formed a biofilm on ceramic packing elements. During 600 h in continuous and semi-continuous operation in countercurrent flow, the 0.05 m3 reactor produced up to 95.3 % of methane at a methane production rate of 0.35 mCH43mR-3h-1. Adding nitrogen as carrier gas during startup, foam control and dosing of ammonium and sodium sulfide as nitrogen and sulfur source were important factors for process automation. KW - Biological methanation KW - Power-to-Gas KW - Reactor concept KW - Thermophilic archaea KW - Trickle-bed reactor Y1 - 2021 U6 - https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125135 IS - 333 PB - Elsevier ER - TY - THES A1 - Thema, Martin Jiří T1 - Process optimization for microbial biosynthesis of methane in a trickle-bed reactor for Power-to-Gas applications: the ORBIT-process N2 - This thesis identifes Power-to-Gas in general and biological CO2-methanation in trickle-bed reactors in particular as promising energy storage and sector coupling technology ready for application but with further optimization potential. It reviews the global status and development of Power-to-Gas technology as to be of exponentially growing importance in energy systems changing towards renewable power supply and analyzes optimization and standardization potential for biological CO2-methanation in tricklebed reactors deriving an improved methanation process. Process development and experiments on hydrodynamical and biological improvement of such a setup were performed, leading to an optimized combination of a packing and microorganisms in pure culture embedded in the new ORBIT-process. First experimental results give evidence of successful application of different optimization approaches implemented in a technical center scale setup. N2 - Die vorliegende Arbeit analysiert Status und Entwicklung der Power-to-Gas-Technologien Wasserelektrolyse und CO2-Methanisierung hinsichtlich Kosten, technischer Parameter und energiepolitischer Stellung in den wichtigsten Einsatzländern. So konnte ein exponentieller Trend in zugebauter Anlagenleistung sowie deutliche Investitionskostendegressionen für alle untersuchten Technologien abgeleitet werden. Die Arbeit entwickelt Optimierungs- und Standardisierungsansätze für die biologische CO2-Methanisierung im Rieselbett-Reaktor, welche als eine der vielversprechenden Power-to-Gas-Anwendungen identifiziert wird. Mit Versuchen zur Verbesserung der hydrodynamischen Bedingungen im Reaktor sowie zu einer optimierten Verbindung aus Packungselementen und Mikroorganismen in Reinkultur wird daraus der neue ORBIT-Prozess abgeleitet. Erste Versuchsergebnisse aus einer realisierten Anlage im Technikumsmaßstab deuten hin auf die erfolgreiche Umsetzung der identifzierten Optimierungsansätze. T2 - Prozessoptimierung zur biologischen CO2-Methanisierung im Rieselbettreaktor f¨ur Power-to Gas-Anwendungen: der ORBIT-Prozess KW - CO2-methanation KW - ORBIT-process KW - Power-to-Gas KW - biological methanation KW - biomethanation KW - trickle-bed reactor Y1 - 2021 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:29-opus4-150567 SN - 978-3-8440-7656-1 ER -