Anwendungen

Die Gewinnung von Biogas als regenerativer Energieträger ist aktuell von hoher Bedeutung, weshalb die Anzahl von landwirtschaftlichen Biogasanlagen mit Vergärung von organischen Substraten (NaWa­Ros, Gülle etc.) stetig ansteigt. Ultraschall spielt dabei eine wichtige Rolle, um die Grenzen der Fermentation zu überwinden.

Obwohl Fermenter auf landwirtschaftlichen Biogasanlagen mit höheren Verweilzeiten dimensioniert werden, muss auch hier der geschwindigkeitsbestimmende Hydrolyseschritt überwunden werden. Dazu hat sich die Beschallung der aktiven Bakterien­Biomasse aus dem Fermenter oder Nachgärer mit Ultraschall bewährt. Daraus ergeben sich ein intensivierter anaerober Abbau mit erhöhter Biogasproduktion sowie in der Regel auch ein höherer Methangehalt.

Technische Grenzen der Fermentation und deren Überwindung mit Ultraschall

Die anaerobe Fermentation von organischem Substrat (Biomasse) ist eine ausgereifte Technologie. Die Biomasse wird im Fermenter bei Temperaturen um 37°C durch Bakterien zersetzt. Dabei fällt Biogas als Stoffwechselprodukt an, dessen Hauptkomponente und eigentlicher Energieträger Methan ist. Der anaerobe biologische Abbauprozess verläuft, bedingt durch die für Bakterien schwer aufzulösende feste Biomasse, allerdings sehr langsam. Der erste Schritt in der Abbaukette ist die sogenannte Hydrolyse, welche eine Reduktion der Partikel­ bzw. Molekülgröße bewirkt und damit die Geschwindigkeit des gesamten Abbauprozesses bestimmt.

Bei der Hydrolyse setzt die Wirkung unseres Ultraschalls an. Die Ultraschallschwingungen wirken sowohl auf die Struktur der Substrate (Aufschluss der Zellen) als auch auf die aktiven Mikroorganismen (Stimulierung durch Schallwechseldruck und Kavitation, Vermeidung von Agglomeratbildung, Freisetzen von Enzymen). Die biologische Hydrolyse wird somit durch den Einsatz der Ultraschallsysteme unterstützt oder gänzlich substituiert, sodass ein beschleunigter und erweiterter Abbau erfolgt.

Intensivierung der Fermentation durch Ultraschall

Ultraschall intensiviert die Fermentation in Biogasanlagen. Die fermentierenden Mikroorganismen produzieren die zum Abbau der organischen Substanz notwendigen Enzyme (Exoenzyme). Bei Anwendung unseres Hochleistungs­Ultraschalls führt bereits geringer Energieeintrag zu verstärkter Freisetzung dieser Enzyme, sodass die Aktivität der Mikroorganismen gesteigert wird. Beschallung führt auch immer zur Erhöhung der Grenzfläche zwischen flüssiger und fester Phase (Partikel und Flocken werden zerlegt), was den enzymatischen Angriff erleichtert.

Weitere Energiezufuhr zerstört auch Wände von pflanzlichen und bakteriellen Zellen und führt damit zur Freisetzung von organischen gelösten Zellinhaltsstoffen, die nun wiederum sehr gut fermentativ abbaubar sind. Im Endeffekt entsteht ein intensivierter Faulprozess mit weitergehendem Abbau der organischen Substrate und erhöhter Biogasproduktion.

Bei gleicher Biomassefütterung kann durch den Einsatz von Ultraschall damit einerseits mehr Biogas produziert werden, andererseits ist die Reduktion der Fütterungsmenge bei unveränderter Biogasproduktion möglich. Darüber hinaus verbessert sich die Qualität des Biogases durch Erhöhung des Methangehaltes. Aufgrund der schwer abbaubaren landwirtschaftlichen Biomassen liegt der Methananteil auf herkömmlichen Biogasanlagen teilweise unter 50%. Zusätzlich wird durch Beschallung des zugeführten Volumenstroms die Viskosität des Fermenterinhaltes reduziert und somit fließfähiger. Damit sinkt die Leistungsaufnahme an Rührwerken und Pumpen und infolgedessen der Strombedarf der Biogasanlage.

Design und einfache Einbindung

Üblicherweise genügt es, eine Teilmenge des Fermenter­ oder Nachgärerinhaltes mit Ultraschall zu behandeln und in die Fermentation zurückzuführen. Dieser Volumenstrom entspricht gewöhnlich 30 bis 50% der täglich zugeführten Substratmenge. Das Standard­Ultraschallsystem (Anschlussleistung 5 kW) ist bei einer Grundfläche von 1,45 m x 0,25 m sehr kompakt und benötigt somit nur wenig Platz. Vor Ort sind lediglich Zu­ und Ablaufanschlüsse sowie ein Strom­ und Wasseranschluss erforderlich. Die Ultraschallsysteme selbst sind in der Regel 24 Stunden im Betrieb.

Einbindung der Ultraschalltechnologie in Biogasanlagen

Bildergalerie