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Biogas Industrielles Biogas aus optimierten High-Tech-Fermentern

Autor / Redakteur: Marc Gauert* und Johannes Gescher** et al. / Dr. Ilka Ottleben

Die Gewinnung von Biogas aus Biomasse bedarf des „Zusammenspiels“ einer hochkomplexen mikrobiellen Lebensgemeinschaft in einem luftdicht abgeschlossenen Reaktor. Die verlässliche Steuerung dieses Prozesses ist jedoch bislang kaum möglich. Ein aktuelles Verbundvorhaben will diese Limitationen nun beseitigen.

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Abb. 1: Abbildung der 10L-Elektrobiogasanlage
Abb. 1: Abbildung der 10L-Elektrobiogasanlage
(Bild: Brain)

Die Welt des 21. Jahrhunderts steht vor einer zentralen Herausforderung. Die Frage ist, wie die Weltwirtschaft nachhaltig wachsen kann? Wie lassen sich Ökonomie und Ökologie zielführend verbinden? Wirtschaftliche Abhängigkeiten und politische Unsicherheiten sind vorprogrammiert. Um mittelfristig von teuren Energieimporten unabhängig zu werden, bedarf es einer Neuausrichtung der industriellen Energiegewinnung.

Biologisierung der Energie­gewinnung

Eine Biologisierung der Energiegewinnung durch die konsequente Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen stellt dabei einen Schwerpunkt der bundesdeutschen Forschung und Entwicklung dar und ist auch Teil der Nationalen Forschungsstrategie Bioökonomie 2030. Um nicht in Konkurrenz mit der Herstellung von Nahrungs- und Futtermitteln zu gelangen, setzt Brain in Kooperation mit akademischen und industriellen Partnern klar auf die Optimierung der Verwertung von Abfallströmen wie Pflanzenresten, Holzabfällen und Gülle, die unter Verwendung mikrobieller Konsortien zu Biogas umgesetzt werden.

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Biogas ist hierbei das wohl einflussreichste Standbein der Bioenergiegewinnung in Deutschland. Es ist die Energiequelle für mehr als 50 % der aus Biomasse erstellten elektrischen Energie in der Bundesrepublik Deutschland. Zumeist wird das Bio-Methan direkt vor Ort in Blockheizkraftwerken zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt. Der verbleibende organische Rest im Biogas-Fermenter kann als Dünger auf die Felder der Landwirte ausgebracht werden. Der regionale Stoffkreislauf ist somit geschlossen. Überschüssiges Bio-Methan kann darüber hinaus ins nationale Erdgasnetz gespeist werden und ist speicherbar.

Biogas – Eine Energiequelle der Zukunft?

Ende 2012 waren in Deutschland rund 8000 Biogasanlagen (2011: 7200) mit einer installierten Anlagenleistung von über 3000 MW in Betrieb. Damit ersetzen die Biogasanlagen in Deutschland mehr als zwei Atomkraftwerke und versorgen über fünf Millionen Haushalte mit 24 Milliarden Kilowattstunden Strom. Allein in Deutschland arbeiteten in der Biogas-Branche 2013 etwa 40 000 Mitarbeiter, die insgesamt 6,6 Milliarden Euro Umsatz erwirtschafteten. Die deutsche Branche fungiert dabei als Innovator. Etwa 40 % des Umsatzes wurden mit Auslandsgeschäft erwirtschaftet.

Die biochemische Konversion von Biomasse (z.B. Holzabfälle, Energiepflanzen oder tierische Exkremente) zu Biogas ist ein überaus komplexer Vorgang, der eine hoch diverse mikrobielle Lebensgemeinschaft bedingt. Die Komplexität dieser Lebensgemeinschaft in einem luftdicht abgeschlossenen Reaktor schließt bisher eine verlässliche Steuerung des Fermentationsvorgangs weitgehend aus, was eine großtechnische industrielle Nutzung der Technologie limitiert. Neben der fehlenden Regelungsmöglichkeit ist der initiale, sehr langsame, und damit geschwindigkeitsbestimmende Aufschluss der polymeren Biomasse (z.B. Holz, Stroh) zu vergärbaren Monomeren eine weitere Limitation.

Im nachfolgend beschriebenen Verbundvorhaben werden diese Limitationen angegangen, indem zum einen eine Regelungstechnik für die Biogasherstellung etabliert wird, die den Biogas-Fermenter kontinuierlich in optimalen Biomasseumsatzraten halten soll und zum anderen eine verbesserte Hydrolyse über die vor-Ort-Produktion hydrolytischer Enzyme erfolgt.

Forschungs- und Entwicklungsvorhaben ESE-Biogas

Die Abkürzung des Vorhabens ESE-Biogas, welches vom BMBF in dem Programm „Bioenergie – Prozessorientierte Forschung und Innovation“ (BioProFi) anteilig gefördert wird, steht für Elektrogenese, Sensorik und Exoenzym-basierte Stabilitäts- und Effizienzsteigerung in der Biogasproduktion. Erreicht werden soll das durch Erweiterung bestehender Biogasreaktoren um drei Module. Die drei Module beschäftigen sich allesamt damit, den komplexen Prozess verlässlich steuern zu können und die zurzeit langwierige Konversion von Biomasse zu Biogas zu beschleunigen.

Effizienz-begrenzend für die Biogasproduktion ist der initiale enzymatische Angriff auf Polymerverbindungen sowie die Acetogenese. Dies erscheint aufgrund der geringen Wasserlöslichkeit und chemischen Stabilität der Polymere und wegen der physiologischen Anforderungen, die an die Organismen gestellt werden, logisch. Die durch sie katalysierte Umsetzung von organischen Säuren und Alkoholen verläuft nur dann optimal, wenn der Wasserstoffpartialdruck im Fermenter niedrig genug ist. Überschreitet die H2-Konzentration einen gewissen Schwellenwert, wird die Reaktion endergon und kann somit keine Stoffwechselenergie mehr liefern. Sollte der Reaktionsverlauf hier ins Stocken geraten, so äußert sich dies in einem Anstieg der Konzentration niederer Fettsäuren wie der Propionsäure. Parallel dazu sinkt der pH-Wert des Fermenters. Eine fortlaufende Prozessstörung kann leicht zu einem Umkippen der Biogasanlage führen. Die Biomasse muss in diesem Fall entfernt und der Fermenter vollständig neu angefahren werden – ein langwieriger und kostenintensiver Prozess.

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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