用于制备沼气的方法和装置与流程

沼气是在沼气发生设备中产生的，该沼气发生设备例如用于农业，并主要以动物排泄物或能量作物为底物。沼气作为有机物质发酵时细菌和微生物的代谢产物而产生。沼气是甲烷(ch4)和二氧化碳(co2)的混合气体，含有最多2％的硫化氢(h2s)和痕量气体例如氨(nh3)、氢气(h2)、氮气(n2)和一氧化碳(co)。

沼气可以由几乎所有含有脂肪、蛋白质和碳水化合物的基本成分的有机物质产生。由于总是含有纤维素和木质纤维素的秸秆(小麦秸秆、油菜籽秸秆等)在厌氧过程中非常难以分解，因此其在较小程度上使用或对其进行预处理。特别是稻草，由于高的木质素和硅酸盐含量，其与易于发酵的原料例如玉米青贮饲料相比难以分解，因此在常规沼气发生设备中导致较低的沼气产量。

ep2927308a1涉及用于从秸秆中制备沼气的方法和沼气发生设备。在本文中，提供了用于预处理秸秆的装置，以便在将秸秆放入进行厌氧细菌发酵的发酵罐之前实现其机械分解。如在ep2927308a1中所提出的，通过在锤式粉碎机中研磨来预处理秸秆是昂贵的并且会导致发酵物质的黏附，从而阻碍了渗透并因此阻碍了沼气的形成。

因此，本发明的目的是提出一种用于制备沼气的改进方法。特别地，本发明可以基于改进方法的经济效率的目的。此外，本发明还可以基于提出一种改进由秸秆制备沼气和/或允许由稻草制备沼气的方法。此外，本发明的目的是提出一种用于实施该方法的沼气发生设备。

该目的通过根据权利要求1的方法以及具有其他独立权利要求的特征的沼气发生设备来实现。有利的实施方案由从属权利要求的特征和实施方案产生。

本文提出的制备沼气的方法包括以下步骤。所描述的步骤不需要以指定的顺序执行。

含纤维素和/或含木质纤维素的底物例如秸秆或稻草在第一停留时间内在第一反应器中至少部分地被嗜温细菌发酵。在本文中，反应器中的温度为至少20℃，优选至少25℃，特别优选至少30℃和/或至多55℃，优选至多43℃，特别优选至多46℃。可以通过加热第一反应器的内容物来调节温度和/或可以至少部分地通过细菌产生甲烷的代谢过程的放热反应来设定温度。嗜温细菌适合于由乙酸制备甲烷。应该注意的是，本文的“细菌”应该作最广义的理解。古菌和细菌是否是不同的分类单元在科学上存在争议。然而，在本文中，特别是古菌也被理解为细菌。在本文中，古菌优选为甲烷杆菌目(methanobacteriales)、甲烷球菌目(methanococcales)、甲烷微菌目(methanomicrobiales)、甲烷胞菌目(methanocellales)、甲烷八叠球菌目(methanosarcinales)、甲烷八叠球菌属(methanosarcinales)、甲烷球菌属(methanococcus)、甲烷杆菌属(methanobacterium)、甲烷短杆菌属(methanobrevibacter)、甲烷热杆菌属(methanobrevibacter)和/或甲烷火菌目(methanopyrale)。细菌可包括分解乙酸的产甲烷菌以及氧化氢气的产甲烷菌。分解乙酸的产甲烷菌形成甲烷，例如由含有甲基的化合物例如乙酸形成甲烷，这是通过它们分离出甲基并将其还原为甲烷而实现的。然而，氧化氢气的产甲烷菌将二氧化碳与氢气一起还原为甲烷和水以及通过转化甲酸(hcooh)而实现。第一反应器优选以气密方式封闭，从而可以确保厌氧发酵。

第一停留时间是底物保留在第一反应器中的时间。底物可以一次性(连续地)保留在第一反应器中持续这一时间，或者第一停留时间也可以理解为附加时间，其描述了部分底物在第一次将部分底物引入沼气发生设备的时间点和部分底物离开沼气发生设备的时间点之间的在第一反应器中花费的时间。在本文中，优选的停留时间为至少20天，优选至少25天和/或至多40天，优选至多35天。含纤维素和/或含木质纤维素的底物通常是秸秆，优选稻草。然而，也可以使用混合比例的含纤维素和/或含木质纤维素的底物与易发酵物质，例如粪肥(液体粪肥、浆料)、堆肥或食物废物。在本文中，含纤维素和/或含木质纤维素的底物mc/lc与易发酵物质mlv的质量比以重量份计可以为至少mc/lc/mlv＝50/1，优选至少mc/lc/mlv＝40/1，特别优选mc/lc/mlv＝20/1。

另一个方法步骤是将至少部分发酵的底物的一部分从第一反应器转移到具有超嗜热细菌的第二可加热反应器中，其中超嗜热细菌适于分解至少部分发酵的底物。超嗜热细菌在超过60℃的温度下具有最佳生长状态。在本文中，超嗜热细菌优选为来自梭状芽孢杆菌属(chlostridia)的细菌，优选乙酸梭菌(chlostridiumaceticum)、热纤梭菌(chlostridiumthermocellum)和/或粪堆梭菌(chlostridumstecorarium)。这些细菌可以至少部分地与其他物种共同分解木质纤维素，并将其代谢为低级有机酸和短链醇。这些中间产物可以是：乙酸、甲酸、丙酸、丁酸、乙醇、丁醇和/或丁二醇。随后，这些中间产物可以通过产乙酸细菌进一步分解成氢气、二氧化碳且主要分解成乙酸。在本文中，第二反应器可以以气密方式密封，从而可以在排除氧气的情况下进行厌氧发酵。

将至少部分发酵的底物在至少55℃，优选至少60℃，特别优选至少65℃和/或至多80℃，优选至多75℃，特别优选至多70℃的温度下孵育第二停留时间。本文至少部分地形成乙酸。底物在第二反应器中的第二停留时间通常为至少10小时，优选至少1天和/或至多5天，优选至少2天和/或至多3天。因此可以在很大程度上抑制伴随物质(酚类、甲酚、二甲基苯酚、香草醛)的形成。此外，铁化合物可以混合到第二反应器中。在将底物引入第一反应器和/或直接引入嗜热反应器中时，铁化合物已经可被引入底物中。考虑到高浓度，可以将反应产物从嗜热反应器中取出。在分离过程中，可以从具有固体发酵残留物的系统中除去少的量/残留物。与第一停留时间一样，第二停留时间也可以是绝对的或附加的。因此，底物可以一次性(连续地)保留在第二反应器中持续第二停留时间，或者底物在第二反应器中花费的各个时间段的总和对应于第二停留时间。

将具有形成的乙酸的底物从第二反应器转移回第一反应器。在第二反应器中孵育后，包含在底物中的木质纤维素或纤维素至少部分地分解成例如乙酸。在第二孵育时间内未转化为乙酸的木质纤维素至少部分地被微生物分解成低级结构。如上所述，将具有形成的乙酸的返回污泥在第一反应器中孵育，特别是通过嗜温细菌将乙酸转化为甲烷。

在进一步的步骤中，从第一反应器中分离出含甲烷的沼气。在本文中，沼气通常包含40％至60％的甲烷(ch4)、40％至60％的二氧化碳(co2)、100ppm至5000ppm的硫化氢(h2s)和痕量气体。

该方法还具有即便使用低浓度的铵态氮也可以制备沼气的优点。尽管已知的沼气发生设备假定最低铵态氮浓度为1.1g至2.5g的nh4-n/l，但上述方法已经可以制备浓度为至少100mg的nh4-n/l、优选至少150mg的nh4-n/l、特别优选至少200mg的nh4-n/l和/或至多1g的nh4-n/l、优选至多700mg的nh4-n/l、特别优选至多400mg的nh4-n/l的沼气。此外，由于微生物适应低n负荷，因此例如通过过量施用粪肥或甚至添加化学氮产品来人为地保持n浓度不是必需的。当然，这里应该考虑碳与氮的比例。因此，本发明还可以安装在仅产生少量粪肥的田地中。这在某种程度上是常规沼气发生设备的重要组成部分。

所述沼气发生设备或所述方法的由稻草制备的特定沼气形成速率，可以是至少200nm³甲烷/(吨(t)有机干物质(odm))，优选至少210nm³甲烷/(todm)和/或最多250nm³甲烷/(todm)，优选最多330nm³甲烷/(todm)。在本文中，停留时间通常为至多30天，而对于常规沼气发生设备，对于给定的180天的相对长的停留时间，仅实现210nm³甲烷/(todm)的相对低的产量。

第二反应器和第一反应器之间的底物接收体积比，即反应器可以接收的底物体积比，通常为约为v2/v1＝1/20，优选约为v2/v1＝1/6，特别优选约为v2/v1＝1/15。因此，第一反应器可以接收例如1000m³的底物，而第二反应器可以接收50m³的底物，特别优选100m³的底物。v2与v1的有利比率可以指定为1/6至最大1/20。

体积负荷描述了在以天为单位测量的时间内，通过反应器体积测量的有机干物质(odm)的量。第一反应器中的体积负荷通常为至少2.5(kgodm)/(m³天)，优选至少3(kgodm)/(m³天)，特别优选3.5(kgodm)/(m³天)和/或至多5.0(kgodm)/(m³天)，优选至多4.5(kgodm)/(m³天)。

在一些实施方案中，第二反应器的体积负荷是第一反应器的体积负荷的5倍至20倍，优选7倍至13倍，特别优选9倍至11倍。

以秸秆，特别是稻草形式进料到反应器中的固体物质优选为进料流的至少10重量％，特别优选为20重量％至40重量％，至多70重量％。向其中加入优选30重量％至90重量％，特别优选60重量％的粪肥例如牛粪。可以作为浆料和/或水的替代物加入再循环物以用于加工液体，其优选为5重量％至8重量％，特别优选10重量％至70重量％。总之，上述固体物质可优选合计为100％。

底物可以混合，特别是在第一反应器和/或第二反应器中通过泵装置和/或搅拌装置连续混合。这可以有利于防止沉积物和底物的黏附，从而可以产生尽可能均匀的温度和营养物分布。

此外，该方法可以至少部分地以循环方式进行，即可以重复步骤“将至少部分发酵的底物的一部分从第一反应器转移到具有超嗜热细菌的第二可加热反应器中，其中超嗜热细菌适合于分解至少部分发酵的底物”和“将含有乙酸的底物从第二反应器返回至第一反应器”。因此可以产生底物的循环，并且可以通过反应器的每次重新通过来进一步分解底物。反应器中的反应可以相互影响，例如第二反应器中的反应产物(乙酸)和第一反应器中的反应物。因此，第一反应器中的甲烷产生直接导致甲烷产生，但在第二反应器中间接需要纤维素或木质纤维素的分解。因此，与通过第一反应器和/或第二反应器的单次底物运行相比，有利的进一步分解，特别是分解难以发酵的底物例如木质纤维素可以产生增加的甲烷产量。

保留在第一反应器中并且在第一反应器中发酵后基本上不被细菌分解的发酵残留物可以从第一反应器中引出并排出。例如，可以通过测量装置确定沼气产量下降的时间，该测量装置测量在瞬时时间点的沼气产量有多高。如果不再产生足够程度的沼气或仅继续产生少量的沼气，则大部分残留在反应器中的底物残留物不再进一步分解。因此，这些底物残留物是发酵残留物。发酵残留物排出的时间点也可以是固定的，而不是由沼气产量决定。例如，可以在第一停留时间之后定期排出发酵残留物。相应分离的工艺流体可以通过排出导管至少部分地再次进料至第一反应器。在本文中，发酵残留物是在底物发酵后残留的液体或固体残留物。在排出时，液体可以与固体发酵残留物分离，从而产生固体发酵残留物和工艺液体。可以将固体发酵残留物带出沼气发生设备，并且可以将工艺流体进料至混合装置或直接进料至第一反应器。因此，排出导管可以通向排出装置并从那里进入第一反应器或进入混合装置。待进料至第一反应器的底物可以与混合装置中的工艺流体混合，以实现更均匀的底物稠度和/或能够调节干物质含量。在本文中，干物质是在完全除去水之后剩余的物质的份额。可以将底物和工艺液体混合物从混合装置引出至第一反应器中。

可以将任何不需要的物质带出第二反应器。例如，硅酸可以作为分解生物质的不需要的产物而产生。这可以通过循环装置进入第一反应器并以抑制甲烷形成的方式起作用。为了降低抑制甲烷形成的硅助剂和/或对细菌有害的其它物质的浓度，这些物质可以优选在已经存在于第二反应器中时被引出。因此，这可以有利于甲烷的形成并且对沼气发生设备的效率具有积极作用。

此外，如已经提到的，含纤维素的底物可包含木质纤维素。在本文中，秸秆类生物质例如稻草，特别是小麦秸秆、干草和/或稻草和/或它们的青贮饲料可优选用作底物。稻草特别合适，因为其由于木质纤维素的高份额而存在高能量含量。通过第二反应器中木质纤维素的分解，该能量可以在第一反应器中以沼气的形式使用。在本文中，底物通过乳酸菌青贮的方式被保存，其中乳酸菌将包含在底物中的糖转化为酸。此外，还可以向沼气发生设备投入粪肥或粪肥类残留物，优选鸡粪、猪粪或牛粪。

第一反应器中底物的ph值通常位于ph中性至弱碱性范围，因此嗜温细菌可以在尽可能有利的生活条件下生存，以促进甲烷的形成。有利的生存条件通常介于ph6.6至8.3之间。

第二反应器中的ph值通常为3.5，优选至少为4.5和/或至多为7.5；优选至多为6.5。这样的ph值可以促进超嗜热细菌在第二反应器中形成乙酸。反过来，甲烷可以在第一反应器中由乙酸形成，因此较高的乙酸产量间接促进了甲烷的形成。

通常，在将底物带入第一反应器之前，可以减小底物纤维的尺寸。底物纤维可以例如通过切割机进行机械预处理。在本文中，稻草通常被切成40mm的纤维长度，其中当然，对于稻草以及其他底物纤维，可以想到其他纤维长度，优选短于60mm。这样的尺寸减小可以具有以下优点：底物纤维不能将它们自身包裹在泵的搅拌装置或转子周围，从而损害它们的功能。

底物，特别是秸秆、粪肥和上清液可以在进入第一反应器之前混合。然而，也可以将秸秆特别是稻草引入第一反应器，而无需预先混合粪肥、工艺流体和/或其它生物质。这具有以下优点，可以防止在一定的停留时间后由于呼吸过程和甲烷的形成而在混合物中以溶解氧的方式导致的固有加热以及防止由此产生的能量损失。此外，供应容器通常不能被冷却，因此不会发生微生物的灭活。稻草优选是基本上干燥的、在尺寸上机械地减小、并且松散的集料。稻草可以通过例如螺旋进料器进入第一反应器。其他生物质(例如浆料和/或青贮饲料)可以类似于此进入第一反应器，例如通过泵。本发明还涉及用于制备沼气的沼气发生设备，其包括第一反应器、第二反应器和循环装置。本文中，第一反应器包含适于由乙酸、氢气和二氧化碳制备甲烷的嗜温细菌。第二反应器是可加热的并且包含适于将含纤维素，优选含木质纤维素的底物至少部分地厌氧发酵成乙酸的超嗜热细菌。用于在第一反应器和第二反应器之间产生生物质循环的循环装置包括输送装置和连接第一反应器和第二反应器的至少一个连接导管。输送装置被配置用于将底物通过连接导管从第一反应器输送至第二反应器以及从第二反应器输送至第一反应器中。在本文中，循环装置可包括将底物从一个反应器泵送至另一个反应器的泵装置。在本文中，泵装置可包括例如偏心螺杆泵。

用于将底物从第一反应器输送或递送至第二反应器的连接导管可包括通气装置。这可能是有利的，因为第一反应器的厌氧细菌菌株至少部分地被杀死或灭活。在一些实施方案中，在通气装置的上游和下游在连接导管中设置阀门，优选单向阀门和泵。例如，在通气装置下游有闭合的阀门的情况下，底物可以通过该泵通过在通气装置上游打开的阀门从第一反应器中泵出，进入通气装置并在那里通气。与连接导管离开第一反应器的出口相比，通气装置可以任选地位于更高的水平，使得泵向上(即，在与重力相反的方向上)泵送底物，以使得底物受到伯努利方程的压力。这可以通过例如将底物泵送至垂直柱形式的通气装置中来实现。通气装置上游的阀门在通气之后或在通气装置填充之后关闭。通气后，通气装置下游的阀门打开。在底物受到压力的那些实施方案中，底物由于压力差以及在打开第二阀门的情况下底物所产生的压力补偿的趋势而流入第二反应器。其他实施方案还可以设想通过另外的泵将底物从通气装置泵送至第二反应器中。

在一些实施方案中，第二反应器可包括另外的进料导管。例如，易于发酵的物质可以通过该进料导管直接进入第二反应器，以优化在那里发生的发酵过程和/或调节难以发酵的物质与易于发酵的物质的比例。因此可以鼓励将ph值调节到酸性范围。因此通常不需要添加化学品。

沼气发生设备还可包括排出装置，以用于在排出发酵残留物时分离工艺流体。在本文中，第一反应器可以通过排出导管连接到排出装置，以用于排出发酵残留物。排出导管可以设计为例如导管或软管。同样可以想到将发酵残留物泵送至另外的容器中。

发酵残留物是那些在第一反应器和/或第二反应器中发酵后基本上不再被嗜温细菌和/或超嗜热细菌分解的底物残留物。

沼气发生设备可包括设置在第一反应器的上游并通过进料导管连接到该第一反应器的混合装置。因此，底物可以以这样的方式与工艺流体混合，以使得可以调节可通过进料导管进料至第一反应器的底物的干物质含量。在本文中，干物质含量通常为至少8％，优选至少12％和/或至多30％，优选至多20％。

沼气发生设备还可包括用于将工艺流体返回至第一反应器的返回装置。工艺流体可以被引入混合装置和/或第一反应器中，因此可以与待发酵的底物混合。在本文中，工艺流体可以是有意义的，因为它使难以发酵的底物液化和均质化，以使得细菌更好地接近底物并辅助发酵。

在一些实施方案中，第一反应器和第二反应器之间的连接导管包括双向阀门布置和/或通气装置。另外地或可替代地，循环装置还可包括在第一反应器和第二反应器之间的两个连接导管。因此可以产生第一反应器和第二反应器之间的底物循环。不能通过嗜温细菌代谢成甲烷或难以仅通过嗜温细菌代谢成甲烷的底物在第二反应器中进一步分解。在本文中，特别是在第二反应器中进一步分解含木质纤维素的底物。在优选含木质纤维素的底物分解后，可以将其引导通过连接导管返回至第一反应器，以便在那里至少部分地发酵成甲烷。可以根据需要重复该循环。

循环装置可包括泵例如偏心螺杆泵，以用于递送底物。当然，也可以想到适合于输送至少黏性生物质的任何其他泵系统，例如回转泵。蠕动泵的使用特别适用于处理稻草污泥。

沼气发生设备通常可包括至少一个搅拌装置和/或泵装置，以用于在第一反应器和/或第二反应器中混合底物。搅拌装置可以是搅拌器，例如中央搅拌器、潜水式电动搅拌器和/或桨式搅拌器。当然也可以使用其他搅拌器。在本文中，可以有利地改善底物或生物质的流动特性，确保基本上恒定的生物质组成，并且由此改善发酵过程。

第一反应器可以以可设定温度为至少30℃，优选至少35℃，特别优选至少40℃的方式加热。第二反应器可以以可设定温度为至少55℃，优选至少60℃，特别优选至少65℃的方式加热。

在另一个实施方案中，沼气发生设备可包括用于减小底物纤维尺寸的预处理装置。其中，底物纤维可以切割成可调节的纤维长度，优选最大40mm，使得可以通过泵或搅拌器实现底物的基本均匀的混合，并且可以防止底物纤维围绕搅拌器叶片的缠绕或者通过底物纤维的黏附或打结堵塞导管或泵。

第二反应器优选包含选自梭状芽孢杆菌，优选乙酸梭菌、热纤梭菌和/或粪堆梭菌和/或热袍菌科(thermotogaceae)的细菌。

在一些实施方案实施例中，在第一次投入底物之前进行超嗜热反应器的接种。接种培养物可以例如取自根据所述专利权利要求的现有超嗜热反应器(所谓的活性污泥)。此外，可以通过添加来自厌氧/好氧分解过程(腐烂、堆肥、呼吸过程)的动物残留物质和/或生物质，在第二反应器中繁殖超嗜热微生物。

所描述的沼气发生设备可用于实施所述方法。关于该方法所描述的特征因此可以应用于沼气发生设备，并且关于沼气发生设备所描述的特征可以进一步应用于该方法。

在现有的生物处理系统中，不能排除易于发酵的物质(己糖、淀粉)通过呼吸(有氧)过程代谢成二氧化碳。由于这些物质，高能甲烷的形成可能无法实现。在所述方法中避免了这种情况，因为新鲜物质首先以厌氧方式分解/发酵。不会发生有氧呼吸过程。只有难以分解的物质(优选纤维素、半纤维素、木质纤维素和/或蜡)可用于形成有机酸和醇的特定微生物。与现有系统相比，热量供给是相同的。不会发生增加的能量供给。

下面参考附图说明本发明的实施方案。其显示为：

图1a：沼气发生设备的示意图，

图1b：具有通气装置的沼气发生设备的示意图，

图2a：具有双向阀门布置的沼气发生设备的示意图，

图2b：具有双向阀门布置和通气装置的沼气发生设备的示意图；

图3：具有排出装置的沼气发生设备的示意图，

图4：具有混合装置、尺寸减小装置和排出装置的沼气发生设备的示意图，和

图5：用于制备沼气的方法的示意图。

图1a显示了具有第一反应器1和第二反应器2的沼气发生设备。第一反应器1的内容物含有嗜温细菌以及含纤维素和含木质纤维素的底物，其中含纤维素和含木质纤维素的底物包括稻草、稻草青贮饲料和鸡粪。在所示的实施例中，第一反应器1是可加热的，并且第一反应器1的内容物已被加热至33℃的温度。然而，还可以想到，第一反应器1是不可加热的，并且由于所含的嗜温细菌的放热发酵过程，温度设置为20℃至40℃。嗜温细菌(在本实施例中这些是古菌，特别是甲烷杆菌目、甲烷球菌目、甲烷微菌目、甲烷胞菌目)适合于由乙酸制备甲烷。包含在第一反应器1中的底物在第一反应器1中保留例如30天并且至少部分地发酵，从而产生甲烷。通过循环装置3将至少部分发酵的底物的一部分从第一反应器1引出至第二反应器2中。本文的循环装置包括第一连接导管4和第二连接导管5，其中至少部分发酵的底物经由第一连接导管4从第一反应器1通过泵装置，优选偏心螺杆泵输送至第二反应器2中。第二反应器2是可加热的，并且第二反应器2的内容物被加热至68℃的温度。在第二反应器2中，超嗜热细菌例如为梭状芽孢杆菌，优选乙酸梭菌、热纤梭菌和/或粪堆梭菌。超嗜热细菌适于进一步分解至少部分发酵的底物，特别是木质纤维素。为此，至少部分发酵的底物在第二反应器中保留至多3天的停留时间。在那里，木质纤维素被超嗜热细菌至少部分地转化为乙酸、丁醇和其他酸/醇。含有乙酸的底物通过偏心螺杆泵经由第二连接导管5从第二反应器2引回至第一反应器1中。通过嗜温细菌在第一反应器1中孵育含有乙酸的底物，并且产生含有至少50％甲烷、30％二氧化碳、1000ppm硫化氢和痕量气体的含甲烷沼气。沼气至少部分地被分离并通过排出装置6(即气体导管)从第一反应器1中转移出来。剩余的至少部分发酵的底物再次通过第一连接导管4转移至第二反应器2中并进一步分解，以便在第二反应器2中进一步停留5天后通过第二连接导管5再次进入第一反应器1并再次在那里孵育。因此，底物在第一反应器1和第二反应器2中发酵并进一步分解。重复该底物循环，直到几乎不能从底物获得沼气或仅从底物获得很少的沼气。

在将至少部分发酵的底物进一步从第一反应器1转移至第二反应器2中时，由于高操作温度，大多数嗜温细菌在第二反应器2中死亡。当超嗜热细菌通过第二连接导管5进入第一反应器1时，由于较低的温度，超嗜热细菌(至少大多数)在第一反应器中死亡。第一反应器1和第二反应器2分别包括搅拌装置7、8，其中第一搅拌装置7连续地将第一反应器1的内容物混合且第二搅拌装置8将第二反应器2的内容物混合，以防止内容物的沉积和黏附，并保持底物尽可能地均匀。以重量份计，在第一反应器中的底物比第二反应器2中的底物大20倍。

图1b显示了沼气发生设备，其基本上对应于图1a，但在连接导管4中包含通气装置28。单向阀门29和泵30设置在通气装置28的上游。另一个单向阀门30’设置在通气装置的下游。在打开阀门29和关闭阀门31的情况下，泵30将底物从第一反应器1泵送至通气装置中。然后闭合阀门29。底物在通气装置中通气。在本文中，待通气的底物中的来自第一反应器1的主要厌氧细菌通过通气被灭活或杀死。随后打开阀门31并将通气的底物引入第二反应器2中。因此，在很大程度上成功地防止了在第二反应器2中发生形成甲烷的发酵。反应器2的细菌，主要是梭状芽孢杆菌由于第二反应器2和第一反应器1中的温度差以及由于这些细菌需要与反应器2中的温度相对应的更高温度来保持存活和/或主动代谢而失活或死亡，因此第二反应器2至第一反应器1的回流导管中的底物不需要通气。

图1b的第二反应器还包括进料导管32。可通过该进料导管32将易于发酵的物质混入反应器内容物中。

图2a显示了图1的沼气发生设备的另一个实施方案，其中用于混合底物的泵装置9用于第一反应器中。用搅拌装置8完全搅拌第二反应器2的内容物。因此，同样可以想到用于沼气发生设备的第一反应器1和/或第二反应器2中的搅拌装置8和/或泵装置9的组合。特别地，这可以是有利的，以便能够根据反应器的尺寸选择尽可能便宜且节能的混合装置，以降低沼气发生设备的制造和操作成本。

图2b显示了沼气发生设备，其基本上对应于图2a的沼气发生设备，但包括连接导管10，其另外设置有通气装置28、两个泵30和两个双向阀门11。通过阀门11的相应打开和关闭，可以将底物从第一反应器泵送至第二反应器2中，反之亦然。优选在从第一反应器1泵送至第二反应器2中时对底物进行通气。为此，首先关闭通气装置下游的双向阀门11(类似于图1b中的单向阀门)，并且将底物从第一反应器1泵送至通气装置28中。然后关闭通气装置28上游的双向阀门11，并在通气装置28中对底物通气。在通气过程之后打开通气装置下游的双向阀门11’，从而将底物引入第二反应器2中。可以这样的方式打开双向阀门11和11’：使得底物只能在第一反应器1的方向上流动，以使底物从第二反应器2返回到第一反应器中，以便允许循环。为此提供另外的泵30’，所述另外的泵将底物从第二反应器2泵送至第一反应器1中。此外，可以在通气装置28上设置另一个在返回时关闭的阀门，使得底物在被引回到第一反应器中时不可能再次被不必要地通气。这种阀门未在图2b中显示，但可以任选地添加。

第一反应器的内容物的ph值为7。第二反应器2的内容物的ph值为5.5。这些ph值对应于引入第一反应器1和第二反应器2中的细菌的优选ph值。

在图2中，第一反应器1的体积是第二反应器2的体积的二十倍。图2a和图2b中的两个反应器1、2连接至循环装置3，其中循环装置包括偏心螺杆泵形式的输送装置或递送装置和具有双向阀门布置11的连接导管10。可以通过双向阀门布置11设定底物的通流方向，使得从第一反应器1流入第二反应器2的底物以及从第二反应器2流入第一反应器1的底物可以通过连接导管10。如已经在图1a和图1b中描述和显示的那样，可以通过排出装置6分离和引出沼气。当然也可以通过将底物从一个反应器(例如反应器1)转移至中间容器中并且从中间容器转移至另一个容器(例如第二反应器2)中来产生底物的循环。这可能是有利的，例如，如果第一反应器和第二反应器在位置上彼此远程安装并且相聚较远，则需要具有复杂路径的连接导管。

此外，停留时间可以有效地与反应器体积相关。第一反应器的体积是第二反应器的体积的二十倍。因此，第一反应器中仅一部分量的底物可以装入第二反应器中，在该实施例中该量是二十分之一。由于第一反应器的全部内容物将通过第二反应器并且在第二反应器中一次孵育2.5天，因此在第一个反应器中的第一停留时间为50天。然后在50天后将例如作为发酵残留物的底物引出第一反应器。

图3显示了具有排出装置12的沼气发生设备，该排出装置通过排出导管13连接至第一反应器1。然后，在第一反应器1和/或第二反应器2中发酵后产生的发酵残留物经由排出导管13引入排出装置12中。这可以例如在沼气产量下降并且排出装置6中的体积流量下降到测量的极限值以下的时间点来实现，例如在比先前的沼气体积流量值[nm³/h]下降5％至10％的时间点来实现。当然，在第一停留时间之后，例如在50天之后，发酵残留物也可以从第一反应器排出至排出装置中。在那里，工艺流体与发酵残留物分离。该工艺流体通过返回装置14至少部分地引入第一反应器中，并通过搅拌装置7与底物混合。因此，可以抵消底物的凝结，并且可以调节底物的液体含量与底物的干物质含量的比率。固体发酵残留物，即排出的发酵残留物可以通过排出元件15(例如管)从排出装置12中进一步排出。至少部分发酵的底物通过泵装置16在第二反应器2中充分混合，优选以连续方式充分混合。

与图2a中的沼气发生设备的构造相对应的沼气发生设备在图4中显示。然而，它包括其他元件，例如排出装置12、混合装置16、预处理装置17和硅酸排出装置20。在将底物加入第一反应器1之前，在预处理装置17中将其尺寸减小至优选40mm的纤维长度，优选通过机械切割机或切割机。尺寸减小到40mm的底物纤维，特别是稻草和麦秆通过管18引入混合装置中。还如图3中设置排出装置12。这使得分离的工艺流体经由返回装置14进入混合装置16。尺寸减小的底物和工艺流体在混合装置16中混合，然后其通过进料导管19进一步引入第一反应器1。在所示的实施例中，除了尺寸减小的底物和工艺流体之外，没有其他物质进料至混合装置16。当然，其他物质成分例如粪肥，可以通过另外的导管引入混合装置16。

图4中所示的沼气发生设备还包括硅酸排出装置20。优选将其组装到第二反应器2上，从而在将底物进一步转移至第一反应器1之前，可以排出硅酸，该硅酸部分由于梭状芽孢杆菌分解木质纤维素而产生，并且能够以抑制甲烷形成的方式起作用。因此，可以成功地使嗜温细菌在第一反应器中的甲烷形成不受到抑制，并因此可以提高沼气发生设备的效率。硅酸可以例如通过硅酸盐过滤器和硅酸过滤器进行分离，或者也可以通过预先的沉淀反应从液相中分离出来，然后从第二反应器2中排出。

图5示意性地描述了用所述沼气发生设备制备沼气的方法的示例性顺序。在第一步骤21中，首先在第一反应器中，在30℃至48℃的温度下，将包含稻草和牛粪的含纤维素底物至少部分地发酵30天的第一停留时间。可以代谢底物的嗜温细菌包含在第一反应器中。

在第二步骤22中，将至少部分发酵的底物从第一反应器引出至第二反应器中。加热第二反应器，其内容物的温度为68℃。适于分解至少部分发酵的底物，特别是木质纤维素的超嗜热细菌在第二反应器中。

在第三步骤23中，超嗜热菌在优选2天的停留时间期间在第二反应器中孵育至少部分发酵的底物。超嗜热细菌，特别是梭状芽孢杆菌属细菌，在本文中分解部分分解的底物，特别是纤维素和木质纤维素，并且在本文中优选除了产生其他有机酸外还产生乙酸。

然后在第四步骤24中将至少部分分解的底物从第二反应器中引出至第一反应器中。

在第五步骤25中，通过第一反应器中的嗜温细菌再次孵育引回的底物。在本文中，在第六步骤26中，至少部分地产生含甲烷的沼气，并且将其分离并从第一反应器引出。

另外，至少部分分解的底物被进一步引回第二反应器，并且重复所述的步骤22、23、24、25和26，从而产生回路27。重复步骤22至26，例如在重复三次之后，直到几乎不再能提取含甲烷的沼气。之后可以排出发酵残留物，向沼气发生设备重新投入底物，并且再次进行该方法。

当然，也可以部分地同时进行一些步骤，特别是在第一反应器和第二反应器中的孵育，即步骤21、23和25。此外，还可以想到以连续的方式进行产生底物、孵育底物和排出甲烷的循环。因此，所有步骤21至26也可以按时间间隔进行(所谓的补料分批方法)。

在下文中，在实施方案中更详细地解释在该方法的过程中第一反应器和第二反应器中的典型底物组成。当然，下文中指定的细节在其他实施方案中也可以不同。

在下文中更详细地解释另一个实施方案。在考虑该方法时，假设固定操作。在该方法开始时，第一反应器包含例如3000m³底物的内容物。用于沼气过程的必需微生物包含在其中。通过热源确保40℃至48℃的温度。通过搅拌器和/或混合装置以时间间隔的方式混合底物，并将形成的沼气从液相排出。进一步产生新的生物质/细菌悬浮液分布。

每天将100t底物加入第一反应器中。在本文中，固体物质进料可以是每次进料14t。这又由混合物中的60干质量％(dm％)至65dm％的稻草(含水量为15％)、20dm％至25dm％的牛粪、10dm％至20dm％的具有嗜温细菌的再循环物构成。在第一次转移后的观察时间段开始时，将约100t干质量份额为10dm％至12dm％的底物/污泥加入第二反应器中。固体物质份额可以由例如60dm％至65dm％稻草、25dm％重量百分比的牛粪构成。剩余份额包括短路流量的残留物质以及无机物质、草木灰以及其他异物。不考虑10t固体物质，进料流包含最高90t的水。

在第二反应器中，最高30％的干物质被分解成可溶性成分，停留时间例如为3天。这通常通过可以在55℃至80℃下培养的超嗜热微生物的性能来实现。最佳温度取决于底物及其组成的添加。在本文中，在分解过程中可以累积最高10g/l的乙酸，并且将其引回至第一反应器1中并转化成沼气。

本申请尤其包括以下方面：

1.一种制备沼气的方法，其包括以下步骤：

在第一反应器(1)中，将含纤维素的底物在20℃至50℃的温度下至少部分地发酵第一停留时间，所述第一反应器(1)具有适于由乙酸制备甲烷的嗜温细菌，

将至少部分发酵的底物的一部分从第一反应器转移至具有超嗜热细菌的第二可加热反应器(2)中，其中所述超嗜热细菌适于分解至少部分发酵的底物，

将至少部分发酵的底物在55℃至80℃的温度下孵育第二停留时间，其中至少部分地形成乙酸，

将含有乙酸的底物从第二反应器(2)返回至第一反应器(1)中，

在第一反应器(1)中孵育含有乙酸的底物，

从第一反应器(1)中分离出含甲烷的沼气。

2.根据方面1的方法，其中通过泵装置(9、16)和/或搅拌装置(7、8)在第一反应器(1)和/或第二反应器(2)中混合底物(1)。

3.根据方面1的方法，其中重复以下步骤至少一次：

将至少部分发酵的底物的一部分从第一反应器(1)转移至具有超嗜热细菌的第二可加热反应器(2)中，其中所述超嗜热细菌适于分解至少部分发酵的底物，和

将含有乙酸的底物从第二反应器(2)返回至第一反应器(1)中。

4.根据方面1、2或3的方法，其中将保留在第一反应器(1)中并且在第一反应器(1)中发酵后基本上不被嗜温细菌进一步分解的发酵残留物从第一反应器(1)引出并排出，其中相应分离的工艺液体至少部分地通过排出导管(14)返回至第一反应器(1)。

5.根据方面1至4中任一项的方法，其特征在于所述嗜温细菌选自古菌，优选甲烷杆菌目、甲烷球菌目、甲烷微菌目、甲烷胞菌目、甲烷八叠球菌目、甲烷八叠球菌属、甲烷球菌属、甲烷杆菌属、甲烷短杆菌属、甲烷热杆菌属和/或甲烷火菌目。

6.根据方面1至5中任一项的方法，其特征在于所述超嗜热细菌选自梭状芽孢杆菌属的细菌，优选乙酸梭菌、热纤梭菌和/或粪堆梭菌。

7.根据方面1至6中任一项的方法，其中还加热第一反应器(1)的内容物。

8.根据方面1至7中任一项的方法，其中将硅酸从第二反应器(2)中排出以降低抑制甲烷形成的硅酸的浓度。

9.根据方面1至8中任一项的方法，其特征在于含纤维素的底物包含木质纤维素。

10.根据方面1至9中任一项的方法，其特征在于含纤维素的底物包括秸秆，特别是稻草。

11.根据方面1至10中任一项的方法，其特征在于第一反应器(1)中的底物的ph值处于ph中性至弱碱性范围，并且ph值优选为至少6.6，特别优选为至少6.8和/或为至多8.3，特别优选为至多8.0。

12.根据方面1至11中任一项的方法，其特征在于第二反应器(2)中的底物的ph值为至少4.5和/或至多6.5。

13.根据方面1至12中任一项的方法，其中在将底物加入第一反应器(1)之前减小底物纤维的尺寸。

14.一种用于制备沼气的沼气发生设备，其包括

-包含嗜温细菌的第一反应器(1)，所述嗜温细菌适于由乙酸、氢气和二氧化碳制备甲烷，

-包含超嗜热细菌的第二可加热反应器(2)，所述超嗜热细菌适于优选将含纤维素的底物厌氧发酵成乙酸，

-用于在第一反应器(1)和第二反应器(2)之间产生生物质循环的循环装置(3)，其中循环装置(3)包括输送装置和至少一个连接第一反应器(1)和第二反应器(2)的连接导管(4、5)，并且所述输送装置被配置为通过连接导管(4、5)将底物从第一反应器输送至第二反应器(2)以及从第二反应器(2)输送至第一反应器(1)。

15.根据方面14所述的沼气发生设备，其特征在于用于分离工艺液体的排出装置(12)排出在第一反应器(1)中发酵后基本上不再被嗜温细菌分解的发酵残留物，其中第一反应器(1)通过排出导管(13)连接至排出装置(12)，以用于排出发酵残留物。

16.根据方面14或15中任一项的沼气发生设备，其特征在于混合装置(16)用于混合底物与工艺流体，使得可以调节可通过进料导管(19)进料至第一反应器(1)的底物的干物质含量，所述混合装置(16)设置在第一反应器(1)的上游并通过进料导管(19)连接至第一反应器(1)。

17.根据方面14或15的沼气发生设备，由于这又涉及方面13，其特征在于用于将工艺流体返回至第一反应器(1)中的返回装置(14)。

18.根据方面14至17中任一项的沼气发生设备，其特征在于连接导管(4、5)包括双向阀门(11)和/或循环装置包括第一反应器(1)和第二反应器(2)之间的两个连接导管(4、5)。

19.根据方面14至18中任一项的沼气发生设备，其特征在于循环装置(3)包括用于输送底物的泵。

20.根据方面14至19中任一项的沼气发生设备，其特征在于用于混合第一反应器(1)和/或第二反应器(2)中的底物的至少一个搅拌装置(7、8)和/或泵装置(9、16)。

21.根据方面14至20中任一项的沼气发生设备，其特征在于第一反应器(1)可以以可设定温度为至少30℃的方式进行加热。

和/或

第二反应器(2)可以以可设定温度为至少65℃的方式进行加热。

22.根据方面14至21中任一项的沼气发生设备，其包括用于减小底物纤维尺寸的预处理装置(17)。

23.根据方面14至22中任一项的沼气发生设备，其特征在于用于将底物从第一反应器(1)递送至第二反应器(2)的连接导管(4)包括通气装置(28)。

24.根据方面14至22中任一项的沼气发生设备，其特征在于第二反应器(2)包括用于投入易发酵的物质的进料导管(32)。

25.根据方面14至24中任一项的沼气发生设备，其特征在于第二反应器(2)包含选自梭状芽孢杆菌属的细菌，优选乙酸梭菌、热纤梭菌和/或粪堆梭菌。

26.根据方面14至25中任一项的沼气发生设备用于实施根据方面1至11中任一项的方法的用途。