14.04.2017

Biogasentschwefelung

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Daniel Heid, Adrian Huck, Rafael Quadbeck

Mit ihrem Bundessieg Jugend forscht 2014 am 1. Juni 2014 für die beste interdisziplinäre Arbeit hat das siegreiche Trio aus Gengenbach gleichzeitig eine Einladung zum 26th EU Contest for Young Scientists in Warschau erhalten und tritt hier nun im September 2014 mit seinem Thema Biogas gegen europäische Jungwissenschaftler an.

Kurzüberblick über das Projekt:

Ein Hauptziel der Biogasreinigung ist die Entfernung des korrosiven und giftigen Schwefelwasserstoffs. Unser Ziel war es, ein Bakterium für eine biologische Entschwefelung zu finden und prozessrelevante Parameter zu untersuchen. In vergleichenden Voruntersuchungen erschien uns der Stamm Thiothrix sp. am geeignetsten, weshalb dieser genauer untersucht wurde. Dabei wurde u. A. gezeigt, dass der Stamm Schwefelwasserstoff zu elementarem Schwefel abbaut, dieser zunächst im Bakterium ein- und vermutlich später ausgelagert wird.

Mit den gewonnen Erkenntnissen wurde ein vollautomatischer Pilotreaktor entwickelt, um die technische Umsetzbarkeit zu untersuchen.

Aufbau und Funktion unserer technischen Umsetzung:

Bildergalerie 

Zusammenfassung:

Biogas gilt als eine der Energiequellen der Zukunft, denn Methan kann aus biologischen Abfällen gewonnen werden, die es teilweise in großen Mengen gibt. Zudem ist diese Methode der Energiegewinnung das ganze Jahr verfügbar, denn man ist nicht auf Umwelteinflüsse wie die Sonne angewiesen. Deshalb ist Biogas auch in Zeiten der Energiewende und dem damit verbundenen Atomausstieg eine sehr gefragte regenerative Energiequelle. Gaskraftwerke haben den großen Vorteil, dass sie in Phasen mit hohem elektrischen Energiebedarf und gleichzeitiger mangelnder Verfügbarkeit von elektrischer Energie aus regenerativen Energieerzeugern (Energieumladern), wie z.B. Windkraft oder Photovoltaik, sehr schnell hochgefahren und sehr flexibel geregelt werden können.

Die Technologie der Biogaserzeugung hat jedoch auch Nachteile, denn das produzierte Gas der Bakterien enthält nicht nur Methan, sondern auch andere Gase wie Kohlenstoffdioxid und Schwefelwasserstoff. Unerwünschte Gase senken nicht nur den Heizwert, sondern, wie im Falle des Schwefelwasserstoffes, das selbst schon korrosiv wirkt, verbrennen sie zu problematischen Gasen, wie zum Beispiel SO2 .  Folglich ist die Schwefelwasserstoff-Entfernung ein zentraler Bestandteil der Biogas-Aufbereitung.

Nach Recherche zu den gängigen Entschwefelungsverfahren kamen wir auf die Idee, den Schwefelwasserstoff mit Hilfe von Bakterien zu verstoffwechseln und in nicht korrosive Verbindungen zu überführen.

In Voruntersuchungen wurden vier verschiedene schwefeloxidierende Bakterien mit unterschiedlichen Eigenschaften vergleichend untersucht. Dabei wurden mit einfachen Methoden prozessrelevante Parameter (Temperatur, Abbaugeschwindigkeit, Kulturbedingungen) der Stämme Thiothrix sp., Thiothrix nivea, Acidithiobacillus thiooxidans und Chlorobium limicola bestimmt. Dabei zeigte sich, dass Thiothrix sp. sich wohl am besten eignen würde.

Deshalb haben wir, basierend auf den Ergebnissen der Vorversuche,  den Stamm Thiothrix sp. systematisch mit hohem apparativem Aufwand untersucht. Dazu wurden A) Schwefelwasserstoff-Abbaukurven unter verschiedenen Gasatmosphären und B) Temperaturbedingungen erstellt, C) die Stoffwechselendprodukte analysiert und D) mikroskopische Untersuchungen zu Einlagerungsmechanismen durchgeführt.

Der Stamm zeigte schon bei niedrigen Temperaturen von 27-30°C gute Schwefelwasserstoff-Abbauraten. Es ist ebenfalls nur eine sehr geringe Konzentration an Sauerstoff nötig, vermutlich reicht etwa die Hälfte der Konzentration im Vergleich zu Schwefelwasserstoff. Bei der Oxidation von Schwefelwasserstoff wird von den Bakterien zunächst elementarer Schwefel gebildet, was mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) nachgewiesen werden konnte. Bei geringen Sauerstoffkonzentrationen konnte mit Ionenchromatografie  nachgewiesen, dass kein Sulfat metabolisiert wurde. Es konnte keine Schwefelsäure-Bildung gezeigt werden. Mikroskopisch konnten viele neue Erkenntnisse über Wachstum und Stoffwechsel gewonnen werden. So kam es beim Kontakt mit Schwefelwasserstoff zur Einlagerung von Schwefel-Granula, im Weiteren Verlauf vermutlich sogar zur Auslagerung von Schwefel- Makromolekülen. Das sind gute Voraussetzungen für eine technische Umsetzung in einem „Biowäscher“,  wo es vor allem um  Kosten, Kulturbedingungen, die Entfernung der Stoffwechselendprodukte und Sauerstoff-Bedarf geht.

Mit den erlangten Erkenntnissen aus den Versuchsreihen haben wir parallel eine Pilot-Anlage (Technische Umsetzung) mit Steuerung entwickelt, um zu untersuchen, wie sich die Bakterien in größerem Maßstab verhalten und welche Probleme auftreten. Die Pilot-Anlage besteht neben einem Biogasreaktor, Medienwäscher und der Steuerung vor allem aus dem Gaswaschtrakt. Sie funktioniert vollautomatisch und wird über Sensoren (Schwefelwasserstoff und Sauerstoff) geregelt. Mit unserer Anlage konnten wir auch Abbaumessungen direkt am Biogasreaktor durchführen. Diese Ergebnisse sind sehr wichtig für die Beurteilung der technischen Umsetzbarkeit unseres Projektes.

Ansprechpartner:

Daniel Heid
Daniel.heid@fro-ev.de

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