用于发酵青贮的可再生的原料的方法

专利名称：用于发酵青贮的可再生的原料的方法
技术领域：
本发明涉及生物化学领域和能源产生领域和涉及用于发酵青贮的 可再生的原料的方法，所述原料随后被用于生物气产生设备并具有改 善的性能。可被用于可再生的原料的单发酵和在农业生物气设备中与 商品肥料(例如，液体肥料)的共发酵，或者被用于在居民污水处理 设备上与污水污泥的共发酵。
背景技术：
通过充分使用微生物的厌氧混合群体的生物化学性能，将生物量 转化成能量上待利用的生物气不仅在农业生物气设备而且在居民污水 处理设备的消化塔中均可工业性地实现。在此使用的方法技术在发酵 罐的结合和数量以及连接、过程温度(嗜温，嗜热)、底物处理
(Substratbehandlung)、装料状况、彻底搅拌、停留时间和容量负荷 方面包括非常宽的范围。
使用可再生的原料作为生物气产生的主-底物或共-底物避免其化 学结构完全转化成生物气。对于微生物，这些植物材料的较大部分由 难得到或完全不可得到的纤维素、半纤维素和木质素组成。另外，青 贮的原料的颗粒尺寸属于厘米范围并且由此相对粗糙。约60-80%的干 燥质量具有大于1毫米的颗粒尺寸。作为该粗糙部分的比表面积的计 量标准的周长/面积的比例为平均l-2毫米/平方毫米。用于进行物质转 换的、起水解作用的微生物和酶能作用于其上的每底物量的比表面积 相对较小。在传统发酵技术的应用中，颗粒尺寸和化学结构均造成不 令人满意的和部分不经济的分解度。底物在厌氧发酵罐中的停留时间， 根据现有技术为50至150天是非常长的，并且同时达到的分解度不够， 这给设备的经济效益产生负面作用。不同的装料底物在搅拌槽(Vorgrube)中互相混和(拌和)或者分别加入发酵罐。有针对性的生物预水解或粉碎几乎不可实践。然而公知地，水解是厌氧分解链(Abbaukette)中的限制速度步骤。基于该原因，其在原本的发酵罐中与所有其他分解步骤共同实现被评价为不易实现的。在发酵罐中，作为所有结束的生化过程的结果使得环境条件调节。特别对于水解而言，这些条件并非最佳，因此在现有技术中这些步骤与最好比例的调整相脱离，然而对于青贮的材料并非如此。
青贮的材料的预水解的问题是其极高的有机酸含量，该有机酸在青贮过程中作为天然的防腐剂存在。在没有相应缓冲物质时，以青贮料运转的水解阶段的pH值在一定范围内下降，其不允许进一步释放有机酸(保存/自抑)。在青贮料和液体肥料的共发酵中，液体肥料的缓冲作用足够完成用于生物水解的环境条件。尽管如此，仍然通过青贮料中的有机酸负载(Fracht)限制(迅速梯度平衡(Gradientenausgleich))
期望的底物溶解的过程。这意味着所述阶段运转不够有效(基于在单位时间内释放的易于支配的成分)。
在扩大生产再生能源的过程中使用可再生的(青贮的)原料具有重大意义。与此不同，由于待使用的液体肥料量同样残留，目前或未来将安装更多的装置，所述装置几乎或完全不使用液体肥料。对于所述装置，使用前置水解阶段受到显著阻碍，因为迄今为止没有可用的用以中和青贮料酸的适合液体肥料的缓冲底物。
此外，在串联的反应器(级联)中仅第一反应器完全装载，因为大部分可供微生物使用的有机物质己经在首先的20至30天内转化。所有下游反应器在其分解活性和速度方面受到强烈限制。原因是留下的有机部分极慢的水解。这导致甲垸生成的欠缺，甲垸生成仍具有相当的保留。
5在产生的生物气的能量利用中，其质量对于使用体系具有非常大的意义。在此特别强调的是硫化氢和甲垸的含量。由于腐蚀性对运行稳定性造成第一影响的同时，较高的甲烷含量意味着较大的功率密度和进而意味着例如成组加热电厂的较高的效率。根据现有技术，生物气设备的甲垸含量不直接被影响，而是一般取决于使用的底物。例外是向燃气或燃油网准备进料，为此而准备了大量的技术方案，这些技术方案的操作耗能。为了减少硫化氢含量可以使用生物脱硫(加氧气)也可以使用外部脱硫装置。
在开放的水解阶段特别向大气中释放二氧化碳和硫化氢。在随后发酵阶段的生物气中缺少该分离的反应产物，从而改善其质量。
公知的技术方案的缺点在于相比较长的反应时间和生产的生物气性能的部分较大量的波动。

发明内容
根据本发明的方案的目的是提供一种用于发酵青贮的可再生的原料的方法，通过该方法减少用于制备生物气的总时间，提高甲垸产量并实现生产的生物气质量的微小波动幅度。
通过权利要求书中描述的本发明解决上述目的。从属权利要求的主题是优选的具体实施方式
。
在根据本发明的用于发酵青贮的可再生的原料的方法中，清洗和粉碎青贮的可再生原料，随后使被清洗和粉碎的、除去至少部分清洗水的青贮的可再生的原料经历独立的水解，然后使水解产物在发酵罐中经历用于生物气生产的公知方法。
优选地，用清洗水混合或喷洒青贮的可再生原料。进一步优选地，使用稀薄液体物质作为清洗水，在发酵罐中产生生物气的方法中，该稀薄液体物质对于随后的厌氧分解步骤不产生不利影响，其中特别优选使用废水、工业用水、饮用水或脱水设备的过程用水作为清洗水。
同样优选地，使用以待清洗的青贮料质量(初始物质)计20质量%至500质量％的清洗水量。
进一步优选地，通过有针对性地彻底搅拌原料进行青贮的可再生的原料的清洗。
也优选地，在rc至60。c的温度范围内进行青贮的可再生的原料
的清洗。
并且也优选地，在l秒至IO小时的时间内进行青贮的可再生的原
料的清洗。
优选地，通过挤压、过滤或在重力场或离心力场中分离被清洗的青贮料以除去清洗水。
进一步优选地，在清洗之前机械粉碎青贮的原料。
同样优选地，在清洗过程和脱水过程期间同时机械粉碎该青贮的和与清洗水混合的原料。
并且也优选地，机械粉碎青贮的和至少部分脱水的可再生的原料。
也优选地，借助切割、压碎、研磨和擦磨(Zerfasern)进行机械粉碎。并且也优选地，在1秒至IO分钟内进行机械粉碎。
同样优选地，除了清洗的青贮的和至少部分脱水的可再生的原料
之外，以产生的总混合物计，在水解过程中添加10%-70%来自特定生物气制备方法的消化残渣(Garrest)或10%-40%液体肥料，或5%-25%液体肥料连同5-25%消化残渣，其中所有变动方案可与0%-50%居民污水处理设备的活性污泥(Belebtschlamm)和/或0%至50%过程用水结
并且也优选地，在随后的用于生物气产生的方法步骤中，将该至少部分被除去的清洗水计量加入发酵罐中。
通过根据本发明的方法，可以加速从青贮的可再生的原料制备生物气的总过程和整体地实现期望地縮短方法时间。
同时，由每使用的底物量所产生的甲烷量得以升高，并且产生的生物气的性能质量得以改善。
此外，通过根据本发明的方法，无需强制使用更大的液体肥料量即可完成用于酸化青贮的底物的生物水解阶段的运作的先决条件。由此使得前置与用于制备生物气的原本的发酵阶段相脱离的过程步骤成为可能，该过程步骤在优化的环境条件下对限制速度步骤进行加速。在随后发酵阶段中必要的停留时间得以縮短，由此减小容器尺寸并减小必要的投资费用。
在使用串联发酵罐时均匀负荷单个过程阶段，并且第一发酵罐的
过载部分传递到后面的发酵罐上。总过程被稳定并且每输送的底物负载的气体产量升高。
关于甲垸含量和硫化氢含量方面气体质量得以改善。这通过如下方式达到，即通过清洗青贮的可再生的原料消除或降 低所述的由于引入来自青贮料的有机酸所导致的水解的自抑。此外， 通过在清洗之前、期间或之后尽可能强地机械粉碎青jC的可再生的原 料显著改善原料的混合行为及其反应性。特别地，这通过增加原料的 表面积得以实现。通过根据本发明机械粉碎的过程阶段继续加速水解 过程。为了缓冲pH-值和为了输送水解的微生物，将消化残渣再循环至 水解阶段十分重要。
首先清洗青贮的可再生的原料，优选地，这通过用清洗水混合或 喷洒待使用的青贮料实现，其中以待清洗的青贮料质量(潮湿质量-初
始青贮料)计使用20质量％至500质量％的清洗水量。可以使用稀薄 液体(0%至5%干燥物质含量)物质作为清洗介质，其是可用的并且对 随后的用于制备生物气的厌氧分解步骤不产生不利作用。优选地，对 此使用废水、工业用水、饮用水或脱水阶段的滤除液。
清洗水和青贮料之间的接触时间优选为l秒至IO小时。同样优选 地，在接触时间内通过使具有清洗水的青贮料机械运动而进行剧烈彻 底搅拌。
随后需要至少部分地从青贮料分离清洗水。优选除去至少50%的 清洗水。在此借助重力或离心力或通过挤压取出大部分。当然优选通 过使用机械设备支持所述过程(例如螺旋分离器)。因此，优选地， 相对于初始使用的清洗水量也能达到100至200%的极高的挤压水量。
根据本发明的清洗阶段结果获得两个产物。其中之一是被除去的 清洗水，其尽可能地不含粗糙颗粒并且强烈负载有有机酸和其他溶解 的易分解的底物，并且优选地，其可作为可快速利用的底物被引入发 酵罐。特别的优点在于非常简单的操作，该操作使得均匀的计量添加 成为可能。对于一级装置，可以实现用于优选的均匀的装料负载的、
9在装料间歇中的计量添加。对于多级装置，优选特别在第二发酵罐或 其它的发酵罐中添加被分离的清洗水。后者使得通常高负载的第一发 酵罐卸载，并使得更好地利用现有容量。
获得被清洗的和至少部分脱水的青贮料作为第二产物，其性能(干 燥残余，处理)与未清洗的青贮料非常相似。然而，重要的区别在于
溶解物质(例如有机酸)的负载减少了 20%至80%。
根据本发明，可以在清洗之前(粗青贮料)也可以在清洗之后(挤 压物)进行青贮的原料的机械粉碎。 一大优点在于结合粉碎的第三种 可能性，其中在清洗过程中，例如在挤压清洗水的过程中，同时机械 粉碎青贮料。后者降低了机器耗费，因为仅需要一个用于清洗和粉碎 的设备。
优选地，在切割研磨机、挤出机或冲击式研磨机中机械粉碎(被 清洗的)青贮料，其中切割、压碎、研磨和擦磨粗糙成分。需要持续
时间为1秒至IO分钟之间。该操作之后，大于l毫米的颗粒份额仅为 20%。此外，对于该粗糙成分，达到约6至10毫米/平方毫米的颗粒周 长/面积比例。
随后该被清洗和粉碎的挤压物进入水解阶段。在水解阶段中以产 生的总混合物计，混合物可以具有10%至70%消化残渣(该消化残渣 从下游发酵再循环而来)和0%至50%居民污水处理设备的活性污泥和 /或0%至50%过程用水。另一可能性是该混合物具有10%至40%液体 肥料和0%至50%居民污水处理设备的活性污泥和/或0%至50%的过程 用水。与所述的活性污泥份额和过程用水份额相结合添加5%至25%消 化残渣和5%至25%液体肥料也描述了一种可能的变动方案。通过与所 述底物混合将青贮料转化成可搅拌状态(干燥残余=7%至15%) ， pH-值被缓冲并且向过程阶段输送足够量的活性微生物。为此，机械粉碎 材料带来进一步的优点。当放弃使用液体肥料时，将消化残渣或脱水的消化残渣(液体部分)再循环至水解阶段特别有利。在水解步骤停
留时间为6小时至5天(分别根据搅拌强度和过程温度)时，所使用 的青贮料的固体物质部分转化为溶液。在随后的发酵步骤中释放的物 质易于支配并导致加速的气体形成。
对于具有两个发酵罐的装置，根据本发明的方法在第一发酵罐中 设定停留时间为20至30天。然后，对于后发酵罐10至20天是足够 的，因为其一方面获得具有微小的气体势能的主发酵罐排出物作为输 入物，另一方面获得具有极快转化时间的清洗阶段挤压水作为输入物。 因此有利的减少了发酵罐中的总停留时间。
相对于现有技术的方案，本发明加速青贮的可再生的原料的厌氧 分解并提高每使用的底物的甲垸产量。对于水解阶段的运转，可以放 弃使用液体肥料，这使得生物气设备的位置不取决于液体肥料或牲畜 厂的存在。当涉及废物处理厂与可再生的原料结合时，该观点是特别 有趣的。
本发明进一步地改善了气体质量、过程稳定性和现有容量的充分 利用。后者具有其原因特别是在于使用积累的挤压水时的灵活性。
同样，在通过液体肥料运作的现有的装置上，清洗和粉碎青贮的 装料底物并伴随随后的水解也带来上述优点。


下面通过两个实施例详细解释本发明。其中 图1为具有水解过程步骤的用于生物气生产的总方法的图解， 图2为具有粉碎过程步骤和水解过程步骤的用于生物气生产的总 方法的图解。
具体实施方式
实施例1
将1000千克青贮料送入清洗反应器，该青]t料由60%玉米和40% 黑麦完整植物青贮料(Roggen GPS)组成。随后在清洗反应器中添加 1000升液体，所述液体由工业用水(污水处理设备排出物)组成。填 充液体之后，通过揉捏捣锤使青贮料运动IO分钟。然后使该被清洗的 青贮料在清洗反应器中停留5分钟，此时通过挤压青贮料从青贮料中 除去100%的清洗水。接取被挤出的清洗水。其具有组成为2.5%的干燥 物质含量和50克/升溶解的CSB，并将其添加至存在于随后过程阶段的 发酵罐中。将被清洗和部分脱水的青贮料送入水解反应器中，向该水 解反应器中送入0质量％的液体肥料、15质量％的居民污水处理设备的 活性污泥和50质量％的来自自身生物气生产方法的消化残渣。这些物 质在水解反应器中停留2天，然后送入用于生物气生产的公知程序。
根据本发明的用于生物气生产的总方法需要37天的时间，相比之 下根据现有技术的方法需要60天。此外，通过清洗青贮料使得组成统 一，使得被送给公知生物气生产程序的水解的青贮料具有均一的组成， 由此使得生产的生物气也具有改善的气体质量。
实施例2
将1000千克青jt料送入清洗反应器中，所述青贮料由60%玉米和 40%黑麦完整植物青贮料组成。随后在清洗反应器中添加500升液体， 所述液体由工业用水(污水处理设备排出物)组成。然后，该被清洗的青 贮料在清洗反应器中停留5分钟，由此使得清洗水由于重力的作用通 过青n料体渗透并聚集在底部。通过排空整个容器将水合青贮料重新 混合，不进行进一步的机械彻底搅拌。通过输送装置将该青贮料-水-混合物送入螺旋压力机并在那里挤出清洗水。脱水结果获得约800升 含有4.5%干燥物质含量和55克/升溶解的CSB的挤出水。将该挤出水 全部送入二级串联装置的后发酵罐中。借助行星式辊挤出机连续粉碎 被清洗和部分脱水的青贮料，其中大于1毫米的粗糙物质的质量含量 由80%降低至20%，或者75%的该粗糙物质被粉碎为小于1亳米。机组中的停留时间为约15秒，其中颗粒的周长与面积的比例从1.5毫米/ 平方毫米上升至9毫米/平方毫米。
随后将被清洗、挤压和粉碎的青贮料送入水解反应器，向该水解 反应器中送入0质量％的液体肥料，10质量％居民污水处理设备的活性 污泥和65质量％来自自身生物气产生方法的消化残渣。将该物质在水 解反应器中保留2天，然后在第一发酵罐中进行第一发酵阶段，其中 水合的停留时间为25天。随后将产物送入后发酵罐中并在那里再停留 平均10天。
根据本发明的用于生物气产生的总方法需要37天的时间，相比之 下根据现有技术的方法需要60天。此外，通过清洗和机械粉碎青贮料 使得组成统一，使得被送给公知生物气生产程序的水解的青贮料具有 均一的组成，由此使得生产的生物气也具有改善的气体质量。
权利要求
1.用于发酵青贮的能再生的原料的方法，其中，清洗和粉碎所述青贮的能再生的原料，随后使被清洗和粉碎的、除去了至少部分清洗水的所述青贮的能再生的原料经历独立的水解，然后使水解产物在发酵罐中经历用于生物气产生的公知方法。
2. 根据权利要求l所述的方法，其中，用所述清洗水混合或喷洒所述青贮的能再生的原料。
3. 根据权利要求l所述的方法，其中，使用稀薄液体物质作为清 洗水，在发酵罐中生物气产生的方法中，所述稀薄液体物质对于随后 的厌氧分解步骤不产生不利影响。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，使用废水、工业用水、饮 用水或脱水设备的过程用水作为清洗水。
5. 根据权利要求l所述的方法，其中，使用基于待清洗的青贮料 质量(初始物质)计20质量％至500质量％的清洗水量。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中，通过有针对性地彻底搅拌 原料进行所述青贮的能再生的原料的清洗。
7 . 根据权利要求1所述的方法，其中，在1。C至60。C的温度范围 内进行所述青贮的能再生的原料的清洗。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中，在1秒至10小时的时间 内进行所述青贮的能再生的原料的清洗。
9. 根据权利要求l所述的方法，其中，通过挤压、过滤或在重力场或离心力场中分离被清洗的所述青贮料以除去所述清洗水。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中，在清洗之前机械粉碎青 贮的所述原料。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中，在清洗过程和脱水过程 期间同时机械粉碎青贮的和与清洗水混合的所述原料。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中，机械粉碎青贮的和至少部分脱水的能再生的所述原料。
13. 根据权利要求1所述的方法，其中，通过切割、压碎、研磨 和擦磨进行所述机械粉碎。
14. 根据权利要求1所述的方法，其中，在1秒至10分钟内进行 所述机械粉碎。
15. 根据权利要求1所述的方法，其中，在水解过程中除了被清 洗的青贮的和至少部分脱水的能再生的所述原料之外，以产生的总混 合物计，添加10%-70%来自自身生物气制备方法的消化残渣或 10%-40%液体肥料，或5%-25%液体肥料连同5-25%消化残渣，其中所 有变动方案能与0%-50%居民污水处理设备的活性污泥和/或0%至50% 过程用水结合。
16. 根据权利要求1所述的方法，其中，在随后的用于生物气产 生的方法步骤中，将至少部分除去的清洗水计量加入所述发酵罐中。
全文摘要
本发明涉及生物化学领域和能源产生领域，并涉及用于发酵青贮的可再生的原料的方法，该原料随后被用于生物气产生设备中并且通过根据本发明的预处理而具有改善的性能。可被用于可再生的原料的单发酵和在农业生物气设备中与商品肥料(例如，液体肥料)的共发酵，或者被用于在居民污水处理设备上与污水污泥的共发酵。根据本发明的方案的目的是提供一种方法，通过该方法减少制备生物气的总时间并达到所制备生物气质量的较低波动幅度。该目的通过如下方法解决，其中首先清洗并机械粉碎青贮的可再生的原料，随后使该被清洗和粉碎的、除去了至少部分清洗水的青贮的可再生的原料经历独立的水解，然后使该水解产物在发酵罐中经历用于生物气产生的公知方法。
文档编号C12P5/02GK101646777SQ200880010098
公开日2010年2月10日 申请日期2008年3月20日 优先权日2007年3月27日
发明者亚历山大·米夏埃利斯, 埃伯哈德·腓特烈, 安内洛雷·腓特烈, 布格哈特·法萨索尔, 比约恩·施瓦茨 申请人:弗朗霍夫应用科学研究促进协会