Verbundvorhaben IBMN: Intensivierung des anaeroben Biomasseabbaus zur Methanproduktion aus NawaRo

a. Optimierung der Verfahrenstechnik und Prozessautomatisierung, Prozessmonitoring und Datenmanagement;

b. Identifikation und Quantifizierung funktionell relevanter Mikroorganismen bei der Vergärung LCB-reicher nachwachsender Rohstoffe

Zielsetzung:

Durch das novellierte EEG gewinnt die Biogaserzeugung aus NawaRo stark an Bedeutung. Allerdings sind Biogasanlagen ohne oder mit nur geringen Anteilen von Gülle noch nicht Stand der Technik. Sie sind aber von zunehmendem Interesse. Steigende Investitionskosten sowie Beschaffungskosten der Rohstoffe erfordern Maßnahmen, um die Effizienz der Prozesse und die Methanausbeute entscheidend zu verbessern. Insbesondere besteht für energiereiche, lignozellulosehaltige (und deshalb schwer abbaubare) nachwachsende Rohstoffe wie Mais- oder Grassilage großer Entwicklungsbedarf hinsichtlich eines effizienten, energieertragsreichen und stabilen Betriebes von Biogasanlagen. Dabei gilt es auch aus ökologischer Sicht besonders für den Biomasseaufwuchs von marginalen Standorten (z.B. Dauergrünland), die organische Substanz weitestgehend für die Methanproduktion zu erschließen. Um solche lignocellulosehaltige Biomasse (LCB) unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten in Biogas umzusetzen, müssen sowohl die verfahrenstechnischen, wie auch die biologischen Prozesse möglichst weitgehend verstanden und auf dieser Basis optimiert werden. Besonders der biologischen Umsetzung dieser schwer abbaubaren Stoffe kommt große Bedeutung zu. Chemische Aufschlussverfahren sind weniger kosteneffizient, physikalische Verfahren in der Regel weniger energieeffizient.
Im Rahmen dieses Verbundes werden interdisziplinär agrarwissenschaftliche, verfahrenstechnische, mathematische, sowie mikro- und molekularbiologische Methoden zur Bearbeitung von Fragen der Prozessoptimierung in Biogasanlagen eingesetzt.

Methode:

Die Kombination von Methoden aus der funktionellen molekularen Mikrobenökologie, der Verfahrenstechnik und der Prozessmodellierung sollte es im Verbundvorhaben ermöglichen, die Prozesskinetik zu verbessern und die Effizienz und Stabilität entsprechender Anlagen zu steigern, um damit auch die Akzeptanz der Biogasproduktion in Deutschland zu verbessern.
Gegenstand des Themenschwerpunkts Verfahrenstechnik waren im Teilvorhaben a) die Optimierung von Verfahrenstechnik und Prozessautomatisierung sowie das Prozessmonitoring und Datenmanagement bei der Mono-Vergärung von lignocellulosereicher Biomasse (LCB, Mais- und Grassilage) zur Biogasproduktion. Um die Prozesseffizienz zu verbessern, wurde der Einsatz einer Online-Sensorik (NIRS-Analytik) geprüft, die Vergärung bei verschiedenen Prozesstemperaturen untersucht und der Einsatz von Fermenterkaskaden (2-phasige Prozessführung) mit verschiedenen Thermiestufen sowie von Enzympräparaten getestet. Daneben wurden die Parameter Fütterungsintervall, Rührintervall/-intensität sowie Gasrückführung für eine verbesserte Prozesseffizienz untersucht.
Ein Gegenstand des Themenschwerpunkts Mikrobiologie innerhalb des Teilvorhabens war die Identifikation und Quantifizierung funktionell relevanter Mikroorganismen bei der Vergärung der LCB-NawaRo. Hierzu dienten molekularbiologische Techniken wie qPCR und PCR-SSCP für das Schlüsselgen der Methanogenese mit Klonierung und phylogenetischen Sequenzanalysen. Weiterhin wurden spezifisch auf Cellulolyse gescreente Inokula im Rahmen eines mikrobiologischen Upscalings vom Labor-Batch-System bis zum Pilotmaßstab vermehrt und auf Praxistauglichkeit untersucht.
Ein weiterer Untersuchungsschwerpunkt war die Evaluierung der Langzeitstabilität der Monovergärung von Mais- und Grassilage, die Identifizierung entstehender Prozesslimitierungen sowie die Vorstellung von Maßnahmen, diesen entgegenzuwirken.

Ergebnisse:

Bei der Kalibrierung der Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) ließen sich für die Parameter TS, oTS und NH4-N befriedigende Vorhersagen (r² > 0,9) erstellen. Für höhere Acetat-Gehalte im Fermenter war die Prognosesicherheit bei Maissilage-Fütterung ebenfalls hoch. Weniger sicher war die Vorhersagewahrscheinlichkeit für die anderen kurzkettigen Fettsäuren und die FOS/TAC-Werte, was den Einsatzbereich der NIRS für die Erfassung des Prozessstatus und die Prozesssteuerung limitiert.
Ohne gleichzeitiges mechanisches Rühren konnte die Gasrückführung im gegebenen 3,5 m³ Fermentersystem nicht für eine befriedigende Durchmischung sorgen. Ein verlängertes Rührintervall senkte zwar den Energieeintrag, ein zu langes Rührintervall verhinderte eine homogene Durchmischung und verursachte starke Schwankungen der Methanproduktion. Ein kurzes Fütterungsintervall unterstützte die Prozessstabilität. Ein langes Fütterungsintervall hatte bei hoher Raumbelastung und bei Prozessdefizienzen eine erhöhte Prozesstörungsanfälligkeit zur Folge.
Eine stabile und leistungsstarke Biogasproduktion aus Maissilage mit Methangehalten von 50 - 55 % erforderte die Einstellung einer Mindestkonzentration von Spurenelementen im Fermenter. Im Langzeit-Durchflussbetrieb wurden insbesondere Kobalt und Natrium für die methanogenen Archaeen limitierend und mussten über Zusatz auf einen Mindestgehalt von ca. 0,025 bzw. 10 mg / L eingestellt werden. Unter diesen Schwellengehalten versäuerte der Prozess und brach zusammen. Im stabilen Prozess wurden ca. 75 % des gefütterten C in die Gasphase überführt, ca. 400 NL Methan wurden pro kg organischer Trockenmasse produziert. Es ließ sich eine hohe organische Raumbelastung erreichen (OLR 6 kg oTS / m³ * d), wobei bis zu 10exp10 methanogene Archeen / mL (überwiegend Methanosarcinaceae und Methanobacteriaceae) vorlagen. Im versäuerten Prozess wurden dagegen bis zu fünf 10log-Stufen weniger Methanogene nachgewiesen, wobei bestimmte Arten der Methanomicrobiales dominierten. Vorwiegend operative taxonomische Einheiten der Gattungen Methanospirillum, Methanomicrobium und Methanogenium wurden hier nachgewiesen. Neben dem verstärkten Auftreten dieser Markerorganismen eigneten sich der FOS/TAC-Wert, der Gehalt an Propionsäure und das Auftreten von iso-Fettsäuren als Frühindikatoren einer Prozessversäuerung mit Maissilage als Substrat. Über die unterschiedlichen Prozesszustände bestand ein (allerdings schwacher) Zusammenhang zwischen dem Logarithmus der Konzentration methanogener Archaeen und der Methanproduktivität.
Bei thermophilem Betrieb (ca. 55°C) war die Methanproduktion aus Maissilage ca. 10 % intensiver als mesophil (ca. 38°C), die Diversität der Methanogenen war aber deutlich geringer. Mit Mais- und Grassilage wurde eine ausgeprägte Dominanz von Methanothermobacter-Arten im thermophilen Betrieb festgestellt.
Der zweiphasige Betrieb mit Maissilage ergab zwar Methangehalte bis zu 75 % in der methanogenen Phase, die Effizienz war der einphasigen Prozessführung aber deutlich unterlegen. Hauptsächlich lag das am hohen Anteil verworfenen Pflanzenstrukturmaterials und an Wasserstoff-Verlusten im "Hydrolysegas".
Der Zusatz von Enzymen (Cellulase, Xylanase) konnte die mesophile Methanproduktion um ca. 8 % steigern. Der Zusatz substratadaptierter cellulolytischer Bakterienanreicherungen blieb für beide Substrattypen und Thermiestufen ohne positiven Effekt. Im Durchflussbetrieb mit Maissilage wurden auch nach der Inokulation prioritär die leicht verdaulichen Substratbestandteile umgesetzt. Die Wirkungslosigkeit ist vor dem Hintergrund der sich natürlicherweise einstellenden sehr effizienten Biomasse-Konversion zu Biogas zu sehen, der ständigen Nachlieferung einer leicht metabolisierbaren Substratfraktion und der schweren Zugänglichkeit der Zellulosefibrillen.
Eine längerfristig stabile und leistungsstarke Biogasproduktion aus Grassilage im Durchfluss war nur bis zu einer OLR von ca. 2,5 kg oTS / m³ * d mesophil möglich, thermophil war der Prozess noch instabiler. Ein Zusammenhang mit der Bildung von toxischem Ammoniak war zu erkennen. Die Gehalte methanogener Archaeen lagen immer unter 10exp9 / mL. Nicht in allen Fällen war ein zusammengebrochener Prozess auch versäuert. Gängige Prozessindikatoren wie der FOS/TAC-Wert und die Gehalte kurzkettiger Fettsäuren eignen sich also für den Betrieb mit Grassilage nicht immer zur Frühwarnung.

Dezember 2010
Dr. M. Lebuhn
Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft
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