ProBioLNG - Innovative Prozesskette zur ressourceneffizienten Erzeugung von Bio-LNG; Teilprojekt DVGW-WT

Abstract

Seit Jahrzehnten ist der Klimawandel ein zentrales Thema in der Forschung. Neue Technologien werden untersucht, um die Treibhausgas-Emissionen möglichst zu verringern. Einen merklichen Beitrag kann in Deutschland die Biogasproduktion leisten. Zur Erzeugung eines einspeisefähigen Biogases wird in der Regel eine herkömmliche Nassvergärung mit einer Gasaufbereitung (z. B. Druckwasserwäsche, Druckwechseladsorption oder chemische Wäsche) kombiniert [2]. Das etablierte Verfahren der Biogaserzeugung in drucklosen Fermentern ist momentan nicht für die anschließende Aufbereitung des Biogases und die Einspeisung in Gasnetze optimiert. Insbesondere der notwendige Aufbereitungs- bzw. Einspeisedruck muss durch energie- und kostenintensive Gasverdichtung realisiert werden. Durch ihre Vermei dung können 24 - 30 % des Energieaufwandes für die Gasaufbereitung eingespart werden. Ziel des ProBioLNG Projektes war es, eine Prozesskette zu entwickeln, die verfahrenstechnisch, energetisch und ökonomisch reif für den Markt ist. Ziel von AP 2 war der komplette Aufbau und die Integration aller Verfahrensschritte der ProBioLNG-Prozesskette im Technikumsmaßstab an der Versuchsstation „Unterer Lindenhof“ der Universität Hohenheim. Die DVGW-WT hat dabei die Planung und Auslegung der Mikrofiltrationsanlage erfolgreich durchgeführt. Nach der Lieferung der Anlage im November 2020 steht sie in Unterer Lindenhof (Hohenheim) bereit für die Inbetriebnahme. Im Rahmen von AP 3 waren für DVGW-WT die folgende Ziele vorgesehen: Voruntersuchungen zur Membrantrennung (AP 3.1); Auslegung und Inbetriebnahme der Anlage für die Niederdruckumkehrosmose (LPRO) (AP 3.2); Entwicklung der Methode zur Biofilm-Charakterisierung und zur Überwachung der Membranperformance mit Hilfe von Biofilmsensoren und optischer Kohärenztomographie (OCT) (AP 3.3); Untersuchungen zur Aufkonzentrierung von Säuren und Überwachung der Foulingbildung im kontinuierlichen Betrieb. Die Erhöhung der Säureeingangskonzentration hatte zum Ziel, die Raum‐Zeit‐Ausbeute im Methanogenese Reaktor zu erhöhen, was sich positiv auf die Größe des Reaktors und somit auf die Kosten des Verfahrens auswirkt. Für die Durchführung der Versuche wurden verschiedene Membranen getestet und die Membran XLE für die Optimierungsversuche ausgewählt. Es wurde gezeigt, dass bei 22 bar und 25 bar jeweils eine Ausbeute von 33% und 44% am besten für die gesamte Rückgewinnung der organi schen Säuren ist. Bei diesen Werten erfolgt eine maximale Rückgewinnung von Acetat, und sein Verlust im Permeat wird gleichzeitig minimiert. Weiterhin wurde eine Methode für die on-line Überwachung von Fouling mit Hilfe von OCT entwickelt. Dabei erfolgte die Definition von zwei Parametern (ME und SP), die das Fouling auf dem 3 Spacer von dem auf der Membran unterscheiden. ME und SP wurden mit dem axialen Druckabfall entlang des Moduls und mit der Abnahme der Permeabilität korreliert. OCT erwies sich als nützliche Methode für die Beschreibung und die räumliche Unterscheidung von Fouling in Flachkanalmembranmodulen. Als Abschluss des AP3 wurden die Untersuchung und Weiterentwicklung der Biofilmsensoren als Monitoring für die Leistung von RO/NF Membranen durchgeführt. Erste Versuchen mit den kommerziell verfügbaren Sensoren waren nicht erfolgreich. Der DEPOSENS Sensor wurde parallel zu den Membranen betrieben und verschiedene Betriebsbedingungen getestet. Dabei wurde die Biofoulingbildung auf den Membranen und eine Abnahme der Permeabilität beobachtet. Keine Biofilmentwicklung konnte auf der glatten Oberfläche des Sen sors mittels OCT erfasst werden. Der Sensor hat, entsprechend, kein Signal geliefert. Die Oberfläche der DEPOSENS Anlegesensors wurde angeraut, was zu einer begünstigten Ansiedlung von Bakterien auf dem Sensor führte. Die OCT konnte nach der Anpassung der Sensoroberfläche den Biofilm sowohl auf der Membran als auch auf dem Sensor detektieren. Das Sensorsignal konnte die finale Abnahme der Permeabilität abbilden. Die Reinigung der LPRO-Anlage löste Teile des Biofilms auf der Membranoberfläche ab und stellte partiell die Permeabilität wieder her. Gleichzeitig wurde der Biofilm auch auf dem Sensor abgelöst, was zu einer Senkung des Sensorsignals führte. Die Ergebnisse zeigen, dass sich Biofilmsensoren für die Überwachung und für die Kontrolle von Biofouling in RO-Anlagen geeignet sind. Darüber hinaus können spezifische Reini gungsprotokolle an die vom Sensor gelieferten Daten angepasst werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Entwicklung von geeigneten Biofilmsensoren für RO-Anlagen zum Monitoring der Membranleistung, aber auch zur Optimierung von Reinigungen möglich ist. Dafür sollen sowohl der notwendige Sensorkörper, Sensormaterial und -oberfläche und Schnittstellen entwickelt und analysiert werden. Abschließend stellte DVGW-WT experimentellen Daten aus AP 2 und AP 3 zur Verfügung, um eine Ökobilanzierung des Prozesses im Sinne von AP 8 zu ermöglichen (Zusammenarbeit mit allem Partner unter der Federführung vom Air Liquide Forschung und Entwicklung GmbH. Datei-Upload durch TIB Climate change has been a central topic in research for decades. New technologies are being investigated to reduce greenhouse gas emissions as much as possible. In this context, biogas production can make a noticeable contribution in Germany. To produce high quality biogas, conventional wet fermentation is usually combined with gas treatment (e.g. pressurized water washing, pressure swing adsorption or chemical washing). The established process of producing biogas in pressureless fermenters is currently not suitable for the subsequent processing of the biogas and use into gas networks. In particular, the necessary treatment or feed pressure must be achieved through energy- and cost-intensive gas compression. By avoiding them, 24 - 30% of the energy required for gas processing can be saved. The aim of the ProBioLNG project was to develop a process chain that is ready for the market in terms of process technology, energy and economics. The DVGW-WT successfully carried out the planning and design of the microfiltration system. After the system was delivered in November 2020, it is ready for commissioning in Unterer Lindenhof (Hohenheim). As part of WP 3, the following goals were planned for DVGW-WT: preliminary investigations on membrane separation; Design and commissioning of the system for low-pressure reverse osmosis (LPRO); Development of the method for biofilm characterization and monitoring of membrane performance using biofilm sensors and optical coherence tomography (OCT) and Studies on the concentration of acids and monitoring of fouling formation in continuous operation. The aim of increasing the acid concentration in hydrolysate was to increase the space-time yield in the methanogenesis reactor, which has a positive effect on the size of the reactor and thus on the costs of the total process. At first various membranes were tested and the XLE membrane was selected for the optimization experiments. After the membrane selection, it was shown that at 22 bar and 25 bar, respectively, a yield of 33% and 44% is best for total organic acid recovery. At these values, maximum recovery of acetate occurs and its loss in the permeate is simultaneously minimized. Furthermore, a method for on-line monitoring of fouling using OCT was developed. Two parameters (ME and SP) were defined that differentiate the fouling on the spacer from that on the membrane. OCT proved to be a useful method for describing and spatially distinguishing fouling in flat channel membrane modules. Additionally, investigation and further development of biofilm sensors was carried out to monitor the performance of RO/NF membranes. The first attempts with commercially available sensors were not successful. The DEPOSENS sensor was operated in parallel with the membranes and various operating conditions were tested. The formation of biofouling on the membranes and a decrease in permeability were constantly observed. No biofilm development could be detected on the smooth surface of the sensor using OCT. Accordingly, the sensor did not provide any signals. The surface of a flat DEPOSENS sensor was then roughened, which facilitated the settlement of cells/biofilm on the sensor. OCT was able to detect the biofilm on both the membrane and the sensor. The sensor signal was able to mimic the final decrease in permeability. Cleaning the LPRO system removed part of the biofilm on the membrane surface and partially restored permeability. At the same time, the biofilm was also detached from the sensor, which led to a reduction in the sensor signal. The results show that biofilm sensors are suitable for monitoring and controlling biofouling in RO systems. In addition, specific cleaning protocols can be adapted to the data provided by the sensor. The results show that the development of suitable biofilm sensors for RO systems to monitor membrane performance but also they can be used to optimize cleaning. For this purpose, the necessary sensor body, sensor material and surface and interfaces should be further developed. Finally, DVGW-WT provided experimental data from WP 2 and WP 3 in order to enable a life cycle assessment of the process in the sense of WP 8 (collaboration with all partners under the leadership of Air Liquide G