Forschungs- und Innovationsprojekt
Chemische Verfügbarkeit von Elementen, Nährstoffen und Spurenelementen im Biogasprozess

Periodensystem und verschiedene Glasgefässe aus der chemisch, analytischen Praxis
Die Biogaserzeugung stellt ein sehr komplexes System von ineinandergreifenden physikalischen, chemischen, biochemischen und mikrobiologischen Schritten dar. Dazu arbeiten während der Prozesse eine Vielzahl verschiedener spezialisierter Mikroorganismen, die zum Teil sehr unterschiedliche Ansprüche und Bedürfnisse haben, an der Zerlegung der organischen Masse. Letztendlich entstehen aus diesen Bruchstücken Methangas, Kohlendioxid und Wasser.
Die an diesen Vorgängen beteiligten Mikroorganismen benötigen wie alle Lebewesen zur Aufrechterhaltung des Stoffwechsels und zur eigenen Vermehrung zunächst einmal Nährstoffe, die sog. Mengenelemente. Diese Mengenelemente sind: Wasserstoff (H), Kohlenstoff (C), Stickstoff (N), Sauerstoff (O), Phosphor (P) und Schwefel (S). Daneben ist eine ausreichende Verfügbarkeit von z.B. Natrium (Na), Kalium (K), Kalzium (Ca), Eisen (Fe) und Magnesium (Mg) sowie die Spurenelemente wie Nickel (Ni), Kobalt (Co), Molybdän (Mo) und Selen (Se) für die Mikroorganismen von großer Bedeutung. Diese sind in sehr geringen Konzentrationen an enzymatischen Umsätzen, bei der Bildung von Co-Faktoren, an Redoxreaktionen und anderen Vorgängen in den Lebewesen beteiligt.

Zielsetzung

Für die Effizienzsteigerung sowie den stabilen Betrieb fehlen Methoden die schnell und zuverlässig die verfügbaren Elementgehalte bei vorgegebenen Konzentrationen von Komplexbildnern und Fällungsreagenzien wie z.B. Schwermetalloxyden und Hydroxyden, Schwefelwasserstoff, Ammoniak einschätzen können. Ziel des Projektes ist es daher, Methoden zur Bestimmung verfügbarer Elementgehalte im Fermenter bereitzustellen und Aussagen zum chemischen Gleichgewicht relevanter Substanzen im Fermenter abzuschätzen. Dies würde Überdosierungen vermeiden und die Effizienz der Biogaserzeugung steigern.
Als Beispiel sei das wichtige Phosphat genannt: Ist Phosphat in der Laboranalyse ausreichend vorhanden, so heißt das nicht, dass es im Reaktor auch verfügbar ist. Hohe Eisengehalte können z. B. das Phosphat nahezu vollständig fällen und der Fermenter leidet unter Phosphatmangel.

Methode

Computertastatur und pH-Teststreifen
Entsprechend dem Massenwirkungsgesetz stehen komplexierte oder ausgefällte Elemente in einem Gleichgewicht mit einem löslichen, bioverfügbaren Anteil. Je nach äußeren, Bedingungen, z. B. Temperatur, pH, Puffern der Lösung, Redoxpotenzial usw. sind die Elemente auf den gebundenen oder löslichen Anteil verteilt. Dieses Gleichgewicht lässt sich jedoch verschieben. Ähnlich wie bei der Faseranalytik im Biogasbereich (NDF, ADF, ADL) oder bei der sequentiellen Bodenanalytik können durch unterschiedliche pH-Bedingungen, Detergentien und Pufferlösungen unterschiedliche Stoffe bzw. Elemente in unterschiedlichen Konzentrationen in Lösung gebracht werden.

Analytik

Analytisch sollen zunächst mit Hilfe von Modelllösungen und kleinen Batchansätzen diese Gleichgewichtslagen getestet werden. Dazu soll eine chromatographische Methode entwickelt werden, die Veränderungen der löslichen Anteile in der Flüssigkeit messen kann. Unterstützt wird diese Methode von einem spektroskopischen Verfahren zur Elementbestimmung ausgewählter Elemente. Durch Variation der Lösungsmittel, Puffer, Carbonsäurekonzentrationen, pH usw. soll geprüft werden, welche Löslichkeiten auftreten und wie hoch die Konzentration der verfügbaren, nicht gebundenen Bestandteile in der Lösung ist. Mit vorhandenen Kleinfermentern werden die optimalen Bedingungen für die Elementversorgung im Fermenter geprüft und der Einfluss von Komplexbildnern auf die Verfügbarkeit der Elemente untersucht werden.
Projektinformation
Projektleitung: Günter Henkelmann, Abteilung Qualitätssicherung und Untersuchungswesen (AQU 1), Analytik der Rohstoffqualität pflanzlicher Produkte und Bioenergie, Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL)
Laufzeit: 01.01.2019 bis 31.12.2021 (3 Jahre)
Fördernummer: G2/KS/18/04
Fördernde Institution: Bayerisches Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten (StMELF)