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Optimierung der mikrobiologischen Methanisierung (OptiMeth)
Projekt
Förderkennzeichen: 6063
Laufzeit: 01.05.2018
- 30.04.2019
Forschungszweck: Experimentelle Forschung
Nachdem zwei gut ausgestattete Systeme zur Verfügung stehen, und viel Erfahrung mit deren Betrieb gesammelt wurde, können im Forschungsvorhaben OptiMeth die wichtigen offenen Fragestellungen bearbeitet und die thermophile biologische Methanisierung in weiterführenden Untersuchungen für ein Upscaling optimiert werden.
Folgende Fragestellungen sollen vor einer großtechnischen Umsetzung bearbeitet und geklärt werden:
a) Wasserabzug zum Erhalt der mikrobiellen Biomasse und Rückhalt von Spurenelementen
Die metabolische Wasserproduktion (pro Mol Methan entstehen zwangsläufig auch 2 Mol Wasser) führt zu einer kontinuierlichen Volumenzunahme und damit Verdünnung des Rieselmediums, das deswegen regelmäßig adäquat abgeführt werden muss. Wegen des Abzugs von aktivem Reaktorvolumen zum Erhalt der Volumenkonstanz werden aber auch eingebrachte Nährstoffe (Makronährstoffe wie Stickstoff und Schwefel sowie Spurenelemente wie Eisen, Nickel und Kobalt) und auch ein Teil der aktiven Biomasse aus dem System entfernt.
Dazu soll untersucht werden, wie geeignet, leistungsfähig und betriebssicher membranbasierte Ansätze sind, um lediglich das produzierte Wasser abzuscheiden, und somit die Biomasse im System zurückzuhalten, und die erforderliche Nährstoffzufuhr deutlich zu reduzieren. Der Rückhalt bzw. die Erhöhung der aktiven Biomasse sollte sich positiv auf die Umsatzraten auswirken, wie bereits in ähnlichen Untersuchungen anderer Arbeitsgruppen gezeigt wurde (Seifert et al. 2014; Savvas et al. 2017).
b) Bildung eines Biofilms - Evaluierung verschiedener Selektionsmechanismen
Im MikMeth-System 1 wurde auch nach 2-jährigem Betrieb kein deutlich makroskopisch ausgeprägter Biofilm vorgefunden. In der Literatur finden sich Hinweise, dass methanogene Archaeen kaum dazu neigen, sich in Form eines Biofilms zu immobilisieren. Eine Biofilmbildung ist auch bei höheren Temperaturen wegen der thermischen Instabilität des Biofilm-„Klebers“ (sog. extrazelluläre polymere Substanzen; EPS) weniger wahrscheinlich. Damit stellt sich die Frage, inwiefern die Ausbildung eines stärkeren Biofilms überhaupt möglich bzw. notwendig ist. Unseren Untersuchungen zufolge befindet sich ein Großteil der aktiven Biomasse planktisch im Rieselmedium. Der Vorteil des Rieselbettes könnte also unter den gegebenen Bedingungen in erster Linie darin liegen, dass der Stoffübergang durch die hohe spezifische Oberfläche der Füllkörper verbessert wird.
Nun wurden bisher Füllkörper mit einem mittleren Oberflächen/Volumen-Verhältnis eingesetzt, um die bei Biofiltern bekannte Verblockungsgefahr durch starke Biofilmbildung zu verhindern. Es könnten aber auch Füllkörper mit deutlich größerer spezifischer Oberfläche eingesetzt werden, um den Stoffübergang weiter zu verbessern. Unklar ist derzeit noch, inwieweit sich die Etablierung eines Biofilms positiv auf die Prozessstabilität insbesondere nach längeren Ruhepausen („Adhoc-Betrieb“) auswirkt. Dies sollte in weiterführenden Versuchen mit begleitenden mikrobiologischen Analysen untersucht werden.
c) Bildung von Säuren und bakterieller Biomasse im dynamischen Betrieb
Hinsichtlich der Gesellschaftszusammensetzung der Biozönosen in den MikMeth-Fermentern wurden praktisch ausschließlich hydrogenotrophe methanogene Archaea (Bildung von Methan und Wasser aus Wasserstoff und Kohlendioxid) erwartet. Erstaunlicherweise dominierte aber in beiden MikMeth-Systemen ein Spektrum der Bacteria neben den hydrogenotrophen Archaeen. Den phylogenetischen Untersuchungen zufolge spielen diese Bacteria eine tragende Rolle in der reduktiven Acetogenese (sog. Homoacetogenese, d.h. Bildung von Essigsäure und höheren organischen Säuren aus Wasserstoff und Kohlendioxid), der syntrophen Acetatoxidation, dem Elektronentransport und der reversen β-Oxidation bzw. der C-Kettenverlängerung. Ähnliches berichten auch andere Autoren für vergleichbare Systeme (Agneessens et al. 2017; Rachbauer et al. 2016), eine Erklärung wird dort aber nicht abgegeben.
Die hohe Aktivität der genannten Bacteria und erhöhte Säuregehalte im Rieselmedium deuten darauf hin, dass die reduktive Acetogenese unter bestimmten Bedingungen in den MikMeth-Fermentern thermodynamisch günstiger als die hydrogenotrophe Methanogenese sein kann, z.B. während einer bedarfsorientierten Betriebsweise, bei der das System wechselnder Gasverfügbarkeit ausgesetzt ist. Um eine Verschiebung der Stoffwechselprodukte vom Methan hin zu organischen Säuren zu vermeiden, sollten die hierfür maßgeblichen Rahmenbedingungen zuverlässig geklärt werden. Dabei ist eine für die Stabilität des Systems eventuell sogar günstige Funktion der aufgewachsenen mikrobiellen Biomasse als thermodynamisch-energetischer Puffer bei Betriebsschwankungen zu prüfen.
d) Optimierung der Gasreinheit im dynamischen Betrieb
Auch die Erweiterung der Prozessregelung stellt ein mögliches Optimierungspotential dar. Angestrebt ist dabei ein optimierter Betrieb der Reaktoren, so dass in allen Betriebszuständen ein Methangehalt von 95% im Produktgas vorliegt, um die Einspeisekriterien ins Gasnetz jederzeit zu erfüllen. Die bisherigen Untersuchungen haben gezeigt, dass bereits geringfügige Abweichungen von der optimalen stöchiometrischen H2/CO2-Zufuhr zu einem sinkenden Methangehalt und einem Durchbruch des überproportional vorliegenden Eduktgases führen. Um diesen Effekt insbesondere bei schwankenden CO2-Gehalten in den genutzten CO2-Quellen (z.B. Biogas zur Gasaufbereitung) zu vermeiden, soll eine Prozessregelung mit dynamisch optimierter Gaszufuhr in Verbindung mit einer partiellen Gasrezirkulation inkl. Rückkopplung der Produktgaszusammensetzung umgesetzt und optimiert werden.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Biotechnologie
- Verfahrenstechnik
Förderprogramm
Ausführende Einrichtung
LfL - Abteilung Qualitätssicherung und Untersuchungswesen (AQU)
