Vergärung von lignocellulose-haltigen Abfällen zur Erzeugung von Biogas

Stipendiatin/Stipendiat: Ing. Bernadette-Emoke Teleky

     Vergärung von lignocellulose-haltigen Abfällen zur Erzeugung von Biogas

    Der anaerobe Verdau ist ein biochemischer Prozess, der ohne freien Sauerstoff und unter bakterieller Vergärung abläuft. Das Produkt Biogas setzt sich größtenteils aus Methan (60 %) und Kohlenstoffdioxid (40 %) zusammen. Stroh stellt ein vielversprechendes Abfallprodukt dar, welches für die Produktion von Biogas genutzt werden könnte. Stroh besitzt einen hohen Lignocelluloseanteil und kann bisher nur schwer mikrobiell unter anaeroben Bedingungen in technischen Anlagen abgebaut werden. Auf der anderen Seite können in natürlichen Umgebungen Mikroorganismen gefunden werden, die befähigt sind, Lignocellulose-haltige Biomasse abzubauen.
      Das Ziel des Projektes ist, Mikroorganismen aus dem Heviz See anzureichern, da in dieser natürlichen Umgebung Lignocellulose bei erhöhten Temperaturen verdaut wird. Proben wurden von 2 Punkten des thermalen Heviz Sees entnommen. Eine des Sediments aus der Mitte des Sees und die andere aus dem Typha-Bett nahe des Strandes am 18. April 2011. Die Wassertemperatur betrug 29°C und der pH-Wert lag zwischen 7, 1 und 7, 2.
      Die Proben aus Ungarn wurden anaerob angereichert in Komplexmedium (DSM 640) mit Stroh als Substratquelle. Die Anreicherungskulturen wurden bei 55°C inkubiert, welche als Standardtemperatur in thermophilen industriellen Biogasanlagen verwendet wird. Der Verdau des Strohs wurde durch die Messung der Gasproduktion und durch visuelle Beobachtung überprüft. Nachdem die Gasproduktion stagnierte (meist nach 3 bis 4 Wochen) aufgrund des Verdaus bioverfügbaren Substrats, wurden die Mikroorganismenkulturen in frisches Medium mit neuem Stroh transferiert. Der Luftraum der Kulturflaschen wurde mittels GC (Gaschromatographie) bezogen auf die Gaszusammensetzung der vier Gase (Kohlenstoffdioxid, Methan, Stickstoff und Wasserstoff) analysiert. Der Biogasprozess wurde zusätzlich zur Gasproduktion mittels Veränderung des pH-Wertes aufgrund von Säureproduktion überprüft. Die größte Gasproduktion trat zwischen einem pH-Wert von 6,3 und 7,2 auf, sank jedoch drastisch ab bei einem pH-Wert unter 5,9. Bei einem Absinken des pH-Wertes konnte folglich auch ein Absinken des Gasvolumens beobachtet werden.
      Die mikrobielle Zusammensetzung der Kulturen sowie deren Veränderungen über die verschiedenen Transfers hinweg wurde mit Hilfe der DNA basierten fingerprinting Methode T-RFLP (terminaler Restritkionsfragmentlängenpolymorphismus) analysiert. Zuerst wurde die DNA der Kulturen mit Hilfes des FastDNA Spin Kits for Soil isoliert. Anschließend wurden die bakteriellen 16S rRNA Gene mittels PCR (und fluorenzierendem FAM-Marker) amplifiziert und werden in Zukunft mittels T-RFLP analysiert. Die Identifizierung von Mitgliedern der mikrobiellen Gemeinschaft wird durch eine Klonierung der PCR-Produkte und die Sequenzierung von repräsentativen, predominanten Klonen erfolgen. Basiernd auf den T-RFLP Ergebnissen und der Gasproduktion werden vielversprechende Kulturen ausgewählt die später detaillierter biologisch charakterisiert werden sollen.
     In weiteren Versuchen wird der Einfluss des pH-Wertes im Bereich von 5 bis 7 auf den Abbau von Lignocellulose untersucht. Ziel dabei ist es, bei welchem pH-Wert das größte Gasvolumen produziert wird. Des Weiteren soll der Einfluss des Puffers untersucht werden. Als weitere kultivierungsbegleitende Methode (neben der Gasproduktion, der GC und dem pH-Wert) wird eine HPLC Analyse (Hochleistungsflüssigkeitschromatographie) durchgeführt, um Glucose, Ethanol sowie verschiedene organische Fettsäuren, die während des Biogasprozesses entstehen bzw. umgewandelt werden, zu bestimmen
 

Förderzeitraum:
01.09.2012 - 31.07.2013

Institut:
Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung GmbH - UFZ
in Koop. mit dem Deutschen Biomasseforschungszentrum
Department Bioenergie

Betreuer:
Dr. Marcell Nikolausz

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