Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe Ein Projektträger des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft

 

Projektverzeichnis - Details

Verbundvorhaben: Bioaugmentation von Biogasanlagen durch Starterkulturen aus definierter Feststofffermentation (MethaKomp); Teilvorhaben 1: Charakterisierung methanogener Biozönosen und Isolierung leistungsfähiger Bakterienkulturen

Anschrift
Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg - Fakultät Life Sciences
21033 Hamburg
Ulmenliet 20
Kontakt
Prof. Paul Scherer
Tel: +49 40 428 75-6355
E-Mail: paul.scherer@haw-hamburg.de
FKZ
22413612
Anfang
01.03.2015
Ende
30.06.2018
Aufgabenbeschreibung
In früheren Publikationen der Arbeitsgruppe wurde ein unerwartet stimulierender Effekt von Komposteluat auf Biogasfermentationen beobachtet. Ziel des Teilvorhabens war es, durch ein umfangreiches Screeningprogramm von verschiedenen Kompostmieten und -phasen sowie damit augmentierten Gärversuchen eine funktionelle Korrelation zwischen Prozessstimulation und zugrundeliegender Biozönose zu finden. Dabei wurde mittels quantitativem mikroskopischem Fingerprint das Vorkommen methanbildender Mikroorganismen in den unterschiedlichen Materialien untersucht. Aus daraufhin selektierten, besonders wirksamen Komposteluaten wurden anschließend mit der Amplikon-Sequenziertechnik relevante Bakteriengruppen näher bestimmt. Durch spezifische Anreicherungen mit Mais (Standard) und Stroh sollten stabile Mischkulturen gewonnen werden, die als Inokula in einer definierten Kompost-Feststofffermentation eingesetzt und vermehrt werden konnten. Auf diese Weise sollte ein vermarktungsfähiges Produkt auf Basis eines anaeroben bzw. fakultativ anaeroben Mikroorganismenkonsortiums aus Kompost entwickelt werden, welches zur Effizienzsteigerung in Biogasanlagen mit konventionellem Substrat (Mais), aber auch mit schwer abbaubarer Lignocellulose (Stroh) eingesetzt werden kann. Der innovative Ansatz lag darin, Bakterienmischkulturen aus mehreren Gruppen entlang der Biogasprozesskette aus einem unüblichen „aeroben" Biotop (hier aus Kompost) zu gewinnen und dem Biogasprozess zuzugeben und nicht einzelne, dominierende Bakterienarten, die aus Biogasanlagen selbst gewonnen wurden. Biozönosen des Fremdbiotops Kompost enthalten möglicherweise gerade solche Bakteriengruppen und -arten, die in einem typischen Biogasprozess auf NawaRo-Basis ohne Bioaugmentation nicht vorkommen. Die Zugabe und Etablierung geeigneter „externer mikrobieller Invasoren" sollte langfristig zu einer Erweiterung der Biozönose führen, sodass die Gesamtabbaufähigkeit des metabolischen Systems deutlich erhöht würde. Dies gelang.
Ergebnisdarstellung
Schon die Bioaugmentationen mit rohen, noch nicht angereicherten Komposteluaten von Betriebsanlagen zeigte bereits eine Erhöhung des Abbaus von Grassilage um bis zu 22 %, ferner eine Beschleunigung der Methanbildung um durchschnittlich 13 %. Dieser ertragssteigernde und kinetische Effekt ließ sich in nachfolgenden Anreicherungen konservieren, ferner mit einem Komposteluat aus einer damit augmentierten 1 m³ Strohkompostierung und Grassilage als methanogenes Substrat verifizieren. Damit können wiederum Mischkulturen als Starterkulturen für Biogasanlagen etabliert werden. Die Anreicherungen und damit Selektion von effizienten Biozönosen mündeten in 2 unterschiedlichen Selektkulturen. Diese wurden zur Bioaugmentation verwendet und führten bei beiden verwendeten Substraten (Mais und Stroh) sogar zu höheren Gaserträgen als die theoretisch möglichen, wenn das Klason-Lignin als schwer abbaubares Substrat aus den Berechnungen herausgenommen wurde. Dies deutet auf einen teilweisen Abbau des Lignins durch die Mikroorganismen der Selektkulturen hin. Dagegen schafften Mikroorganismen (MO) der Referenzfermenter mit Gärschlamm einer konventionellen BGA diesen zusätzlichen Abbau nicht. Es zeigte sich im Verlauf der Anreicherungen aus Komposteluaten, dass speziell die strikt anaeroben Clostridia und Bacteroidia, letztere mit der Lignocellulose-abbauenden Familie der Porphyromonadaceae, in einer stabilen methanogenen Mischkultur mit Stroh angereichert wurden. Als Hauptmethanbildner enthielten diese selektiven Mischkulturen die methanogene Klasse der H2-CO2 verwertenden Methanomicrobia mit der Gattung Methanoculleus als dominierende Untergruppe, die in produktiven Mais-Biogasanlagen ebenfalls sehr häufig vorkommt. Es lässt sich zusammenfassen, dass aus Komposteluaten selektive, auf den Abbau von Lignocellulose-haltigen Substraten spezialisierte MO stabil angereichert wurden, mit denen in Biogasprozessen durch Bioaugmentation eine hohe Effizienzsteigerung erreicht werden konnte.

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