Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Verbundvorhaben: ProGas - Einsatz von Frühwarnindikatoren und Additiven zur Leistungssteigerung in einstufigen Biogasanlagen, Entwicklung von Regelungsverfahren zur Prozessstabilisierung; Teilvorhaben 3: Biofilme

Anschrift
Dresdner Grundwasserforschungszentrum e.V.
01217 Dresden
Meraner Str. 10
Kontakt
Andrea Kassahun
Tel: +49 173 569 20 57
E-Mail: andreakassahun@gmail.com
FKZ
22019712
Anfang
01.12.2014
Ende
30.04.2018
Aufgabenbeschreibung
Die Forschungsarbeiten des Verbundprojekts dienten der Entwicklung von Handlungsempfehlungen für einen sicheren und effizienten Betrieb von NawaRo-Biogasanlagen im Hinblick auf eine bedarfsgerechte Energiebereitstellung. Dazu zählen die Entwicklung von Indikatoren für Prozessstörungen und entsprechender Gegenstrategien zur Prozessstabilisierung. Eine Möglichkeit der Prozessstabilisierung ist die Aggregatbildung, die bei Verwendung lipidhaltiger Co-Substrate zur Leistungssteigerung von NawaRo-Biogasanlagen durch Zugabe einer Additivkombination aus Spurenelementen und Calciumoxid induziert wird. TP 3 klärte mittels zeitaufgelösten fluoreszenzmikroskopischen und chemischen Analysen der in den Versuchen von TP 1 gebildeten Aggregate die Bildungsmechanismen, die Beschaffenheit sowie die Nutzung der Aggregate durch die Mikroorganismen im Biogasreaktor auf. (Lipide, Proteine, Polysaccharide) und der Ionenbindung an der EPS (Calcium) sowie die räumliche Anordnung von EPS und Mineralbildungen in den Aggregaten. Dazu werden Mehrfachfärbungen mit verschiedenen Fluoreszenzfarbstoffen genutzt. Zur Quantifizierung der Biofilm-, Biomineral- und Aggregatbeschaffenheit erfolgen Extraktionen nach stoffspezifischen Protokollen und chemische Analytik der Extrakte auf Biomoleküle (HPLC, GC-MS, Photometer) und auf Elementgehalte (ICP, C/N-Analyser).
Ergebnisdarstellung
Im Gegensatz zu dem bisher postulierten Aggregatbildungsprozess infolge Biomineralisation an organischen Molekülen in Biofilmen wurde nachgewiesen, dass die Bildung von kolloidalen Calcium-Fettsäure-Verbindungen in den Flüssigkeitsüberständen der Biogasreaktoren die notwendige Vorstufe der Aggregatbildung darstellt, die als Vernetzung dieser amorphen Calcium-angereicherten flüssigkeitsähnlichen Gele bzw. Emulsionen abläuft (Polymer-induced Liquid-Precursor Process). Infolge unterschiedlicher oberflächendestabilisierender Faktoren wie beispielsweise der Anlagerung an aufschwimmenden Pflanzenfasern wachsen die amorphen Calcium-Lipid-Mineral-Precursor-Verbindungen zu Tröpfchen-, Trauben-, Schwamm- oder kugeligen Schichtstrukturen unter Verfestigung zusammen. Diese Morphologien wurden als Aggregatgerüste mittels Calcium-Lipid-Färbung identifiziert. Die vernetzten amorphen Schichten mineralisieren teilweise aufgrund ihres geringen Wassergehalts je nach Ionenverfügbarkeit unter Bildung von Carbonaten und Phosphaten oder bilden mesokristalline Schichten. Die Calcium-Lipid-Schichten enthalten C14–, C16– und C18–Fettsäuren und deren Ester als dominierende organische Bestandteile und grenzen die von ihnen umschlossenen Bereiche gegenüber den anderen Kompartimenten des Biogasreaktors ab. Damit wird die Voraussetzung zur Ausbildung von Mikrohabitaten geschaffen. An den Oberflächen und im Inneren der Aggregate wurden flächig Polysaccharide und DNA nachgewiesen, die aufgewachsenen Biofilmen zuzuordnen sind. Die prozessstabilisierende Wirkung der Aggregate beruht auf der Verringerung von Störstoffkonzentrationen während der drohenden Übersäuerung durch Fettsäurebindung und der Bereitstellung von Mikrohabitaten für effektiv fettsäureabbauende Biozönosen, in denen methanogene Archaea eine Reaktorübersäuerung überstehen und die den mikrobiellen Abbau der Aggregate nach Prozessstabilisierung bewirken.

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