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Biogasproduktion

Diät für Biogasanlagen steigert Methan-Ausbeute

| Redakteur: Manja Wühr

Marcell Nikolausz testet im Labor, wie die Biogasproduktion über die Fütterungsfrequenz gesteuert werden kann.
Marcell Nikolausz testet im Labor, wie die Biogasproduktion über die Fütterungsfrequenz gesteuert werden kann. (Bild: UFZ/André Künzelmann)

Weniger Nahrung bedeutet weniger Power. Könnte man meinen. Doch wie Forscher nun herausgefunden haben, gilt das nicht für Biogasanlagen. Hier kommt eine Diät der Methan-Ausbeute zugute.

Leipzig – "Wird der Reaktor seltener gefüttert, lässt sich mehr Strom produzieren", umschreibt Dr. Marcell Nikolausz, UFZ-Forscher am Department Umweltmikrobiologie, die zentrale Erkenntnis eines Forschungsprojektes zur Machbarkeit einer flexiblen Biogasproduktion. Einem Team internationaler Wissenschaftler unter Beteiligung von Mikrobiologen des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) und Ingenieuren des Deutschen Biomasseforschungszentrums (DBFZ) gelang es unter Laborbedingungen, die Produktion von Methan als wertvollstem Bestandteil des Biogases um bis zu 14 Prozent zu steigern.

Um Biogas dann zu produzieren, wenn es gebraucht wird, gaben sie das Substrat nicht alle zwei Stunden in den Gärkessel, sondern in zeitlich größeren Abständen von einem Tag beziehungsweise alle zwei Tage. Das Resultat: Größere Zeitabstände führen zu mehr Biogas.

Die Forscher hatten über insgesamt fast vier Monate zwei 15 Liter große Reaktoren unter identischen Bedingungen mit Getreideschlempe gefüttert. Getreideschlempe fällt bei der Produktion von Bioethanol aus stärkehaltigen Getreiden an. Während die Forscher in einen Reaktor alle zwei Stunden Schlempe gaben, fütterten sie die Gesamtmenge an Schlempe in dem anderen Reaktor in einem ersten Experiment einmal täglich, in einem zweiten Experiment alle zwei Tage. Das verblüffende Ergebnis: Gibt man nur einmal am Tag die Gesamtmenge an Biomasse auf einen Schlag in den Gärkessel, steigt die Produktion von Methan um 14 Prozent, die von Biogas insgesamt um 16 Prozent. Füttert man alle zwei Tage, nimmt die Methanausbeute um 13, die Biogasausbeute um 18 Prozent zu.

Bakterielle Artenvielfalt bewirkt bessere Verarbeitung

Eine Erklärung für die Zunahme könnte sein, dass durch die sich stark ändernden Umweltbedingungen, insbesondere die Substratkonzentration, die mikrobielle Gemeinschaft diverser wird und so mehr funktionelle Gruppen von Bakterien entstehen. "Die Bakterien haben dadurch mehr Möglichkeiten, die Getreideschlempe effizienter zu verarbeiten", sagt Mikrobiologe Nikolausz. Dies kurble die Produktion an und gibt den Mikroorganismen bessere Bedingungen, um vor allem die schwer aufzuschließenden Bestandteile der Biomasse effizienter zu verarbeiten, erklärt der UFZ-Forscher.

Auf die Stabilität des Prozesses der Biogasproduktion hat das flexiblere Fütterungsmanagement keine negativen Auswirkungen. Das konnten die Forscher anhand von T-RFLP-Profilen der Mikroorganismen belegen. Mit der Methode lässt sich der genetische Fingerabdruck von Bakterien und methanogenen Archaeen belegen, die im Kessel das organische Material in Gas umwandeln. Bei den Bakterien, die Bestandteile der Biomasse wie Zellulose und Proteine in mehreren Stufen in Kohlenstoffdioxid, Wasserstoff und Essigsäure zerlegen, variiert allerdings die Zusammensetzung der Bakteriengemeinschaft in den verschiedenen Fütterungsregimes, da sich die Konzentrationen des Ammoniumstickstoffs und des Wasserstoffs sowie der pH-Wert ändern.

"Die Umgebung in dem Kessel, der einmal pro Tag oder alle zwei Tage mit Substraten gefüttert wird, ist dynamischer. Weil dadurch mehr funktionelle Nischen entstehen, profitieren bestimmte säurebildende und hydrolysierende Bakterien", sagt Nikolausz. Stabil blieb dagegen die Gemeinschaft der methanogenen Archaeen, die im finalen Schritt Methan, Wasser und Kohlenstoffdioxid produzieren. Egal, wie oft der Reaktor mit Biomasse gespeist wurde, stets dominierte mit einem Anteil von bis zu 83 Prozent die Gattung Methanosarcina vor der Gattung Methanobacterium mit bis zu 31 Prozent. "Beide Gattungen kommen mit den wechselnden Bedingungen offensichtlich am besten zurecht", sagt der Wissenschaftler.

Die Forschung zum Thema flexibleres Fütterungsmanagement steht erst am Anfang. Nun wollen die UFZ-Forscher die Ergebnisse aus der Studie vertiefen. Notwendig sei, sagt Nikolausz, die Forschungsergebnisse in größeren Reaktoren zu bestätigen. Und auch der Einsatz anderer Substrate sei eine interessante Fragestellung. "Spannend ist, ob sich die höheren Produktionsmengen von Methan auch beim Einsatz von Maissilage oder Zuckerrüben bestätigen lassen", sagt Nikolausz.

Publikation

Daniel Girma Mulat, H. Fabian Jacobi, Anders Feilberg, Anders Peter S. Adamsen, Hans-Hermann Richnow, Marcell Nikolausz 2016: "Changing Feeding Regimes to Demonstrate Flexible Biogas Production: Effects on Process Performance, Microbial Community Structure, and Methanogenesis Pathways", Applied and Environmental Microbiology, 82:438-449.

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