Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Entwicklung und Optimierung einer temperaturgeführten thermophilen Hydrolysestufe zur Steigerung des Abbaugrades und des Methanertrages cellulosereicher Substrate in Biogasanlagen

Für eine nachhaltige und wirtschaftliche Erzeugung von Biogas ist eine verstärkte Substitution von Energiepflanzen durch alternative Einsatzstoffe unabdingbar. Cellulosereiche Substrate wie mehrjährige Gräser, Reststoffe aus der Landschaftspflege und strohhaltige Wirtschaftsdünger stehen besonders im Fokus, zeichnen sich aber im Vergleich zum Mais durch ein deutlich reduziertes Biogaspotential aus. Die Entwicklung von Vorbehandlungsmethoden zur Steigerung des Abbaugrades, ist eine wesentliche Voraussetzung für eine effiziente Biogaserzeugung auf Basis alternativer Substrate.

Ziel des Projektes ist es, den Abbaugrad und die Abbaugeschwindigkeit von cellulosereichen Substraten durch eine spezielle thermophile Vorhydrolyse im Temperaturbereich von > 60 °C signifikant zu steigern. Hierzu werden die optimalen Hydrolyseparameter im Labormaßstab bestimmt und die Effekte auf das Biogaspotential geprüft. Auf Basis eines molekularbiologischen Screenings erfolgt die Identifizierung hydrolytischer Bakterien. Durch gezielte Isolierung aus besonders effektiven Hydrolyseansätzen sollen leistungsfähige Celluloseabbauer in Reinkultur gewonnen werden. Im Anschluss erfolgen praxisnahe Untersuchungen im technischen Maßstab. Hierbei wird auch die Eignung der Isolate als Starterkulturen geprüft. Auf dieser Grundlage erfolgt die Analyse der technischen und wirtschaftlichen Umsetzbarkeit.

Durch das Projekt sollen die Grundlagen gelegt werden um bei der Biogaserzeugung verstärkt alternative Einsatzstoffe zu nutzen. Die positiven Impulse können die Wettbewerbsfähigkeit von KMU auf der Anwender- und der Technologieebene steigern. Dies betrifft die Erzeuger von Biogas und Biomethan durch die Senkung der Betriebskosten. Weiterhin die Firmen aus den Bereichen Anlagen-/ Komponentenbau und Prozesskontrolle durch die verfahrenstechnische Umsetzung von Hydrolysestufen bei Neu- und Bestandsanlegen. Die genannten Branchen sind sehr stark von KMU geprägt, welche in besonderer Weise profitieren würden.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Projekts konnte bei allen eingesetzten Substraten eine signifikante Steigerung des Methanertrages durch eine thermophile Vorhydrolyse im Temperaturbereich zwischen 55 und 65 °C nachgewiesen werden. Die effektiven Mehrerträge im Vergleich zur jeweiligen Referenz variierten substratspezifisch zwischen 7 und 21 %. Das molekularbiologische Screening der Hydrolyeansätze zeigte deutliche Effekte auf die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft. So konnte ein deutlicher Anstieg des Anteils von Mikroorganismen aus der Gruppe der Clostridien an der Gesamtpopulation nachgewiesen werden.

Aus ausgewählten Hydrolyseansätzen konnten mittels MPN-Verdünnungsreihen thermophile Anreicherungskulturen gewonnen und anschließend fünf Reinkulturen thermophiler Bakterien gewonnen werden. Auf Basis der stoffwechselphysiologischen Charakterisierung waren drei Isolate in der Lage unter thermophilen Bedingungen effektiv Cellulose abzubauen.

Für das verfahrenstechnische Upscaling unter praxisnahen Bedingungen erfolgten im Anschluss kontinuierliche Experimente in einem technischen Maßstab. Hierbei konnten bei den vorbehandelten Substraten Szarvasigras und Durchwachsende Silphie Steigerungen der Methanproduktivität im Vergleich zu den unbehandelten Substraten von 10-16 % nachgewiesen werden.

Abschließend erfolgt eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung auf Grundlage der untersuchten Parameter und Prozessabläufe sowie die Ermittlung von Investitions- und Betriebskosten einer Biogasanlage mit vorgeschalteter thermophiler Hydrolyse. Bei einem gegebenen Substratmix konnte eine signifikante Steigerung des Jahresertrages im Vergleich zu einer Referenzanlage ohne Hydrolyse ermittelt werden.

Die im Rahmen des Projektes erzielten Ergebnisse können insbesondere von KMU aus den Bereichen Maschinen- und Anlagenbau genutzt werden um Anlagen und Komponenten zu optimieren sowie von Betreibern von Biogas- und Biomethananlagen um neue Substrate für die Bioenergieproduktion zu akquirieren.