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Einfluss von Prozessoptimierungen auf die mikrobielle Diversität und die Effizienz der Gasbildung in Co-Vergärungsanlagen der Abfallwirtschaft

Influence of process optimizations on the microbial diversity and the efficiency of the gas production in co-fermentation plants of waste management

  • Im Hinblick auf die Problematik der Umweltverschmutzung durch die Nutzung fossiler Brennstoffe ist es nötig, eine langfristig stabile und umweltfreundliche Energieversorgung zu gewährleisten. Eine Möglichkeit, den Energiebedarf CO2-neutral zu decken, ist die Nutzung von Biogas. Hierbei spielt der Einsatz von biogenen Reststoffen, die durch einen hohen Anteil an Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen gekennzeichnet sind und daher ein hohes Biogaspotential besitzen, eine wichtige Rolle. Voraussetzung für die Effizienz und Rentabilität solcher Anlagen ist u. a. ein stabiler Gasbildungsprozess. Da bisher noch nicht alle Aspekte der Biogasbildung vollständig verstanden sind, werden die Anlagen oft nicht optimal ausgelastet, um Prozessstörungen wie z. B. Übersäuerung zu vermeiden. Um dennoch auftretende Prozessstörungen zu beheben, können unterschiedliche Maßnahmen durchgeführt werden. Neben der Senkung der Raumbelastung, ist es möglich, den pH-Wert durch die Zugabe von Natronlauge oder Calciumoxid anzuheben. In der vorliegenden ArbeitIm Hinblick auf die Problematik der Umweltverschmutzung durch die Nutzung fossiler Brennstoffe ist es nötig, eine langfristig stabile und umweltfreundliche Energieversorgung zu gewährleisten. Eine Möglichkeit, den Energiebedarf CO2-neutral zu decken, ist die Nutzung von Biogas. Hierbei spielt der Einsatz von biogenen Reststoffen, die durch einen hohen Anteil an Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen gekennzeichnet sind und daher ein hohes Biogaspotential besitzen, eine wichtige Rolle. Voraussetzung für die Effizienz und Rentabilität solcher Anlagen ist u. a. ein stabiler Gasbildungsprozess. Da bisher noch nicht alle Aspekte der Biogasbildung vollständig verstanden sind, werden die Anlagen oft nicht optimal ausgelastet, um Prozessstörungen wie z. B. Übersäuerung zu vermeiden. Um dennoch auftretende Prozessstörungen zu beheben, können unterschiedliche Maßnahmen durchgeführt werden. Neben der Senkung der Raumbelastung, ist es möglich, den pH-Wert durch die Zugabe von Natronlauge oder Calciumoxid anzuheben. In der vorliegenden Arbeit wurden sowohl Prozessstörungen als auch Prozessregenerierungen an einer großtechnischen Biogasanlage und in Laborversuchen untersucht. Dabei galt es, neben den physikalischen und chemischen Parametern, die mikrobielle Biozönose mit Hilfe des genetischen Fingerprintings zu charakterisieren und Änderungen zu detektieren. Während der Prozessregenerierungen wurden nach der Zugabe von CaO Veränderungen des Gärrestes beobachtet. Es bildeten sich Pellets, die im Hinblick auf ihre Funktion für die Prozessregenerierung und die Prozessstabilität molekularbiologisch und mikroskopisch untersucht wurden. Es wurde weiterhin der Frage nachgegangen, welche Rolle die Mikroorganismen bei der Entstehung der Pellets spielen. Die vor allem aus Calcium und Fettsäuren bestehenden Pellets dienten als Aufwuchsflächen für verschiedene Mikroorganismen. Die Bildung von Biofilmen, wie sie auf und in den Pellets nachgewiesen wurde, bot für Mikroorganismen einen Schutz vor negativen Umwelteinflüssen wie z. B. hohe Propionsäurekonzentrationen. Unter diesen günstigen Bedingungen war die Bildung von Biogas auch unter hohen Wasserstoffpartialdrücken, die den Abbau von Propionsäure hemmten, möglich. Als Indikator für bessere Lebensbedingungen wurde im Laborversuch ein Methanoculleus receptaculi-verwandter Organismus identifiziert. Dieses methanogene Archaeon wurde im Pellet nachgewiesen, während es im Gärrest erst nach der Prozessregenerierung detektiert wurde. Der Nachweis eines im Vergleich zum umgebenden Gärrest höheren Anteils an Archaeen im Kern der Pellets sowie von Biofilmen/EPS, verschiedenen Phosphatsalzen und schwerlöslichen Calciumsalzen zeigte, dass sowohl Präzipitation und Adsorption als auch Degradation von LCFA dazu führen, dass deren Konzentration im flüssigen Gärrest gesenkt wird. Dadurch nimmt die Hemmung auf die Biozönose ab und die Biogasbildungsrate steigt. Daher ist der Abbau der Fettsäuren auch bei einem niedrigen pH-Wert und unter hohen Wasserstoffpartialdrücken möglich und der Biogasbildungsprozess ist langfristig stabil. Die Bildung von Pellets unterstützt die Prozessstabilität, sofern diese nicht zu groß werden und dann u. a. die Durchmischung behindern und den Ablauf verstopfen. Nach erfolgreicher Prozessstabilisierung wurden keine Pellets im Gärrest beobachtet. Der Abbau des organischen Materials wurde sowohl durch die steigende Calciumkonzentration als auch die steigende Gasproduktion angezeigt.show moreshow less
  • In regard to the problems of the environmental pollution with the use of fossil fuels it is necessary to guarantee a long term stable and environment-friendly energy supply. The production of biogas of such organic substances as waste or renewable raw materials is an economically and ecologically interesting option, intended to reduce the effects of climate change, due to increased CO2 emissions and to replace traditional fossil fuels. The use of biogenic residues plays an important role, as they are characterised by a high amount of carbohydrates, fats and proteins and therefore have a high biogas potential. To optimise the efficiency and reliability of biogas plants, it is important to ensure a process of stable gas production. However, many aspects of the biogas production process are still unknown. Thus, biogas plants are often run below their maximum loading rate to prevent process failures. To solve occurring process failures different counter measures can be performed such as decrease of the organic loading rate or raise theIn regard to the problems of the environmental pollution with the use of fossil fuels it is necessary to guarantee a long term stable and environment-friendly energy supply. The production of biogas of such organic substances as waste or renewable raw materials is an economically and ecologically interesting option, intended to reduce the effects of climate change, due to increased CO2 emissions and to replace traditional fossil fuels. The use of biogenic residues plays an important role, as they are characterised by a high amount of carbohydrates, fats and proteins and therefore have a high biogas potential. To optimise the efficiency and reliability of biogas plants, it is important to ensure a process of stable gas production. However, many aspects of the biogas production process are still unknown. Thus, biogas plants are often run below their maximum loading rate to prevent process failures. To solve occurring process failures different counter measures can be performed such as decrease of the organic loading rate or raise the pH by adding sodium hydroxide or calcium oxide. In this work, both process failures and process recovery were studied in a large-scale biogas plant and in laboratory experiments. Physical and chemical parameters were examined, and using genetic fingerprinting the microbial biocenosis was characterised and changes were detected. During the deacidification process with CaO, the structure of the digestate changed, and pellets were observed. These were examined by molecular biology and microscopy, in terms of their function for the process recovery and process stability. Furthermore the role of microorganisms in the formation of these pellets was investigated. The pellets consisted predominantly of calcium and fatty acids and were providing a large surface for microbial growth. The detected biofilms out and inside the pellets were offering a protection from environmental influences, such as high propionic acid concentrations. These favourable conditions enabled the formation of biogas in the pellets, despite a hydrogen partial pressure in the digestate that was far too high for an energy gaining degradation of propionic acid. As an indicator of better living conditions, a Methanoculleus receptaculi-related organism was identified in laboratory studies. This methanogenic archaea was detected in the pellet during overacidification but only after process recovery in the digestate. The proof of higher abundance of archaea in the core of the pellets as well as the detection of biofilms/EPS, different phosphate minerals and sparingly soluble calcium salts indicates that both precipitation and adsorption and degradation of LCFA cause their decreasing concentration in the liquid digestate. This decreases the inhibition of the microbial biocenosis, and the biogas production rate increases. Therefore, the degradation of fatty acids is also possible with a low pH and high hydrogen partial pressures and the biogas production process is long-term stable. The formation of pellets supports process stability, providing that these are not too big and hamper the mixing or clog the drain. After successful process recovery no pellets were observed in the digestate. The degradation of organic material was evidenced by both the increasing calcium concentration and increasing gas production rate.show moreshow less

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Metadaten
Author:Marietta Liebrich
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-91066
Advisor:Ingo Schneider
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2015
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/04/14
Release Date:2016/06/08
Tag:Biogas; Pelletbildung; Phosphat akkumulierende Organismen; Prozessregenerierung; Übersäuerung
biogas; granule formation; overacidification; phosphate accumulating organisms; process recovery
Pagenumber:VII, 102
RVK - Regensburg Classification:WF 9725
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
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