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Biogas

Industrielles Biogas aus optimierten High-Tech-Fermentern

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Die häufig zu beobachtende Akkumulation organischer Säuren im Biogasprozess geht meist mit einer Störung der Umsetzung von Biomasse durch die Mikroorganismen einher. Der sinkende pH-Wert erschwert dabei die Methanogenese oder lässt sie ganz zum Erliegen kommen. Durch eine Art „physiologischen Bypass“ im Biogas-Reaktor, der – einfach ausgedrückt – aus der Anode einer mikrobiellen Brennstoffzelle besteht, soll dem entgegengewirkt werden. Die Anode stellt einen zuschaltbaren Elektronenakzeptor dar, an dem organische Säuren zu CO2 oxidiert werden können. Eine pH-Wert-Erniedrigung kann somit verhindert werden. Die Acetogenese wird beschleunigt. Im Modul 2 wird vor Ort in unmittelbarer Nähe zur Biogasanlage ein zweiter Reaktor aufgebaut, in dem bestimmte Mikroorganismen wie Pilze auf einem speziellen Polymermaterial Exoenzyme für den hydrolytischen Aufschluss der Biomasse bilden. Diese werden dem Biogasreaktor kontinuierlich zugefügt und beschleunigen den Biomasse-Aufschluss. Last but not least ist im Modul 3 eine Mikrostrukturtechnik-basierte Biosensorik in Entwicklung, die eine Regelung der Abläufe im Fermenter erlauben soll. Dieser Biosensor wird die Konzentration einer Fettsäure bestimmen und über eine Stromantwort die Regelung ermöglichen.

Auf der Suche nach besseren mikrobiellen „Kostverwertern“

Bei Brain wurde die Stabilität methanogener Starterkulturen und so genannter exoelektrogener Bakterien durch eine Art „Barcoding“ erfasst. Bei der Suche nach besseren mikrobiellen Substratverwertern wurde nach dem Primärscreening von 18 711 Mikroorganismen das Sekundärscreening der insgesamt 1819 mikrobiellen Hits abgeschlossen. Aus dem Sekundärscreening wurden nach 16S/18S rDNA-Sequenzierung elf unterschiedliche bakterielle und sechs fungale Hitkandidaten bestimmt, die nun im optimierten Fermentationsprozess eingesetzt werden.

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Die Rolle der fungalen Exoenzyme im Prozess

Beim natürlich vorkommenden Polymerabbau kommt den aerob lebenden Pilzen eine besondere Rolle zu. Das Innere eines Biogasreaktors ist aber anaerob und selbst bei einer Sauerstoffkontamination käme es in kürzester Zeit zu einer Reduktion des Sauerstoffs zu Wasser. Dies macht deutlich, dass beide Prozesse räumlich getrennt verlaufen müssen.

Daher wurde räumlich getrennt vom Biogasreaktor ein Verfahren entwickelt, bei dem in einer so genannten Exoenzymfarm (s. Abb. 4) durch aerobe Anzucht ausgewählter Pilzkulturen auf Polymer-Materialien Exoenzyme produziert werden. Die Ausführung einer solchen Exoenzymfarm kann im Submersverfahren oder Festbettverfahren erfolgen. In beiden Fällen erfolgt eine kontinuierliche Zufuhr eines Puffer- bzw. Nährstoffstroms (z.B. Berieselungswasser in einem Feststofffermenter). Gleichzeitig wird ein entsprechender Abflussstrom, der eine komplexe Mischung von Enzymen aus den Familien der Laccasen, Xylanasen und Zellulasen enthält, über die Kathode des Biogasfermenters geleitet. Diese Exoenzyme dienen zur Verbesserung der Elektronenabgabe an der Kathode des Systems sowie zur Hydrolyse von Polymeren im Biogasreaktor, was auch im Verlauf der Fermentation in dem von Brain erarbeiteten System eindeutig in höheren Stromflüssen zu messen ist. Biotechnologisch betrachtet, katalysieren Laccasen die Sauerstoffreduktion mit den Elektronen der Kathode. Die exoenzymhaltige Flüssigkeit wird anschließend dem Fermenter für einen beschleunigten Abbau der Polymere zugeführt. Eventuell wird noch darüber zu reflektieren sein, ob eine getrennte Kultivierung von Laccasebildnern bzw. Zellulase- und Xylanasebildnern für getrennte Volumenströme sinnvoll wäre, da z.B. Kupferionen für die Laccaseaktivität wichtig sind, jedoch für Zellulase- und Xylanasebildner toxisch sein könnten.

Notwendiges Scale-up des Biogas-Prozesses

Über eine Regelung des Anodenpotenzials soll dazu eine Steuerung der Abbauprozesse im Fermenter erfolgen. Die vorgestellte Methodik ermöglicht eine teilweise direkte Verstromung der oxidierten Kohlenstoffverbindungen mit dem Vorteil der Verlustminimierung, da die Brennstoffzellen in den Biogasreaktor integriert sind und durch Immobilisation der exoelektrogenen Mikroorganismen an der Anode direkt, die aus den Umsetzungen entstehenden Elektronen, für den äußeren Stromkreis zur Verfügung stehen. Bei der Optimierung der Biogasanlagen ist es ein Ziel, einen Brennstoffzellenaufbau zu konstruieren, der zum einen das typische Durchmesser-/Höhen-Verhältnis einer Biogasanlage in Deutschland berücksichtigt, zum anderen aber eine möglichst große Brennstoffzellenoberfläche erlaubt. Da die Brennstoffzellen aufgrund ihrer Sandwich-artigen Bauweise derzeit nur planar darstellbar sind, ergibt sich eine zehneckige Behälterkonstruktion mit einem Durchmesser von 400 mm und einer Höhe von 130 mm (entspricht ca. 15 L Behältervolumen bzw. ca. 10 L Arbeitsvolumen).

* Dipl.-Ing. (FH) Gauert, J. Helfrich, Dr. M. Langer, Dr. G. Meurer, Dr. W. Aehle: BRAIN AG, 64673 Zwingenberg

* *Prof. Dr. J. Gescher: KIT Institut für angewandte Biowissenschaften, 76131 Karlsruhe

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