Forschungs- und Innovationsprojekt
Amarant als spurenelementreiches Biogassubstrat: Dauererhebung in Durchflussfermentern

Gelber und roter Amarant auf Versuchsfeld bei einer Begehung

Mais ist wegen seiner hohen Erträge und guten Vergärbarkeit nach wie vor das wichtigste Substrat für die Biogasproduktion. Er ist jedoch sehr arm an den für die Methanproduktion wichtigen Spurenelementen Kobalt, Natrium, Nickel und Selen.

Im Langzeitbetrieb mit einem hohen Maisanteil in der Futtermischung entsteht daher typischerweise ein Spurenelementmangel, der schließlich zum Prozesszusammenbruch führen kann. Um dies zu vermeiden, werden dem Gärgemisch in der Praxis meist industriell erzeugte Spurenelementpräparate zugesetzt. Der Umgang mit solchen teils äußerst giftigen Prozesshilfsstoffen ist allerdings problematisch und ihr Einsatz auch ein Kostenfaktor. Weiterhin bietet ein ausgedehnter Maisanbau keinen schönen Anblick und wird von der Bevölkerung kaum befürwortet.
Demgegenüber bietet Amarant neben einem durchaus großen Ertragspotential beim Anbau ein angenehmes Erscheinungsbild und findet daher bei der Bevölkerung leichter Akzeptanz. Zudem weist Amarant im Vergleich zu anderen Energiepflanzen wie Mais höhere Konzentrationen essentieller Spurenelemente wie z.B. Kobalt und Nickel auf. Ein Zusatz von Amarant zu spurenelementarmen Substraten wie z.B. Mais könnte also die Biogas-Prozessstabilität verbessern und es ermöglichen, den risikobehafteten Einsatz industrieller Additive zu vermindern oder sogar überflüssig zu machen.
Bevor Betriebsempfehlungen für die Praxis abgegeben werden können, müssen noch einige offene Fragen beantwortet werden: Zum einen müssen verfügbare Amarantlinien für den Anbau in unseren Breiten züchterisch optimiert werden. Weiterhin ist der Biogasprozess vor allem im Langzeitbetrieb mit Amarant als (Co-)Substrat noch kaum untersucht. Hieraus ergeben sich die im Folgenden erläuterten Forschungsziele.

Zielsetzung

Der züchterischen Optimierung widmet sich das vom Bayerischen Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten (StMELF) geförderte Projekt „Amarant als spurenelementreiches Biogassubstrat: Selektion zur Erarbeitung praxistauglicher Amarantlinien für bayerische Standortbedingungen“ (AmarantSubstrat) am Technologie- und Förderzentrum (TFZ). Mit diesem wird eng kooperiert, mit den vom TFZ bereitgestellten Silagen werden die Fragestellungen des vorliegenden Verbundvorhabens bearbeitet.
Die wesentlichen Ziele des vorliegenden Verbundvorhabens bestehen darin, die Eignung des vom TFZ gelieferten Amarants für die Biogasproduktion zu untersuchen, kritische Betriebsfaktoren zu identifizieren und Möglichkeiten der Prozessoptimierung zu prüfen. Entsprechend der jeweiligen Kompetenz übernimmt das Institut für Landtechnik und Tierhaltung (ILT) der LfL in einem eigenen Teilvorhaben den Fermenterbetrieb und prüft verfahrenstechnische Möglichkeiten der Prozessoptimierung.

Amarant als Biogassubstrat

Die Spurenelementanalytik wird im Wesentlichen vom Interdisziplinären Zentrum für Nachhaltige Entwicklung (IZNE) der Universität Göttingen geleistet.
Im vorliegenden Teilvorhaben der Abteilung Qualitätssicherung und Untersuchungswesen (AQU1c) werden die mikro- und molekularbiologischen Untersuchungen durchgeführt. Basierend auf den Ergebnissen wird im Zusammenhang mit denen von IZNE und der nasschemischen Prozessanalytik die Prozessdiagnose erstellt, und entsprechend der Prozessdiagnose Fermenterbetrieb definiert. Spezifische Zielsetzungen des Teilvorhabens von AQU1c sind:
  • Identifizierung der in den verschiedenen Varianten für die Schlüsselumsetzungen verantwortlichen Mikroorganismen bzw. Gilden (physiologische Gruppen) sowie Bestimmung ihrer quantitativen Entwicklung bei der (Co)Vergärung von Amarant
    • auf Ebene der Präsenz (Nachweis genomischer DNA)
    • auf Aktivitätsebene (mRNA- bzw. Transkript-Nachweis als cDNA; spezifische Aktivität als Transkript/Gen-Verhältnis)
  • Definition von prozesszustandsspezifischen Bioindikatoren (Präsenz- und Aktivitätsebene)
  • Identifizierung von Stresssymptomen (z.B. bei Spurenelementmangel) bei den Methanogenen zur Früherkennung von Prozessstörungen (Metabolischer Quotient, MQ)
Als wesentliche Leistung des Verbundvorhabens sollen dann Empfehlungen für den stabilen und effizienten Betrieb mit Amarant als Substrat sowie Vorsorgemaßnahmen vor Prozessstörungen definiert werden.

Methoden

Die Bereitstellung der Amarantsilagen ist Gegenstand des TFZ-Teilvorhabens. IZNE übernimmt die Spurenelementanalytik. Zur Untersuchung der langfristigen Prozessstabilität der Amarantvergärung betreibt ILT Durchflussfermenter mit Mais-Amarant-Mischungen sowie mit Mono-Mais-Fütterung mit und ohne Spurenelementzugabe als Kontrollen.

Durchflussfermenter

Nach dem Einfahren wird ein stabiler Prozess etabliert. Um die Betriebsgrenzen auszuloten, wird schließlich bei Steigerung der organischen Raumbelastung eine Prozessstörung induziert. ILT übernimmt die Probenahme u.a. auch für die konventionelle nasschemische Prozessanalytik an AQU.
Im Teilvorhaben von AQU1c werden von den genannten Varianten ausgewählte Proben aus dem Einfahrbetrieb, von den stabilen Prozessen und im Zustand der Prozessstörung molekularbiologisch untersucht, um differentiell Effekte der Spurenelementverarmung und eine Stabilisierung des Fermentationsprozesses durch Zusatz von Amarant darzustellen.
Zur Früherkennung von Prozessstörungen wird der Metabolische Quotient (MQ) bestimmt. Er wird aus den Ergebnissen von quantitativer Real-Time PCR, qPCR, (Methyl-Coenzym M-Reduktase, mcrA/mrtA als Zielgen, Schlüsselenzym der Methanogenese) aus DNA-Extrakten und der zugeordneten Methanproduktivität ermittelt. Plausibilisiert werden die Ergebnisse mit den Daten von den physikalisch-chemischen Prozessanalysen.
Zur Bestimmung der spezifischen (transkriptionellen) Aktivität der untersuchten Gilden werden Transkript/Gen- (cDNA/DNA-) Verhältnisse aus DNA- bzw. RNA-Extrakten gemessen. Die hierzu nötigen Daten werden durch qPCR-Analysen (genomische DNA als Ziel) bzw. qPCR-Analysen nach vorgeschaltetem DNA-Verdau und Reverser Transkription erhalten (RNA als Ziel).
Zur Definition von Bioindikatoren des Prozesszustands wird die Zusammensetzung der Gilden der methanogenen Archaeen und verschiedener Gilden der Bacteria bestimmt. Die Untersuchungen erfolgen auf Aktivitäts- und Präsenzebene mittels Transkript- und Amplikonanalysen in Abhängigkeit des Prozesszustands, der aus den Ergebnissen zum MQ und den physikalisch-chemischen Prozessanalysen ermittelt wird.

Ergebnisse

Nach dem Anfahren der Fermenter musste wegen Ausfall der Heizungsregelung (Überhitzung) erneut gestartet werden. Eine erste Probenahme fand statt, jedoch liegen die Analyseergebnisse hierzu noch nicht vor.
Projektinformation
Verbundvorhaben zwischen der LfL (ILT und AQU1c), dem TFZ und dem IZNE.
Projektbearbeiter (AQU1c): Dr. Anthony Callaghan, Bernadette Lerch
Projektleiter (AQU1c): Dr. Michael Lebuhn
Kooperationspartner: TFZ (Dr. Maendy Fritz), IZNE (Dr. Benedikt Sauer)
Laufzeit: 01.01.2016 – 31.12.2018
Finanzierung (LfL-Teilvorhaben): Bayerisches Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie
Förderkennzeichen: BE/16/01