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Optimierung einer betrieblichen Biogasanlage zur Erzeugung von Elektro- und Thermoenergie aus Guelle und nachwachsenden Rohstoffen

Die 1993 in Kraft getretene TA Siedlungsabfall schreibt fuer anfallende Bioabfaelle eine biologische Behandlung durch die entsorgungspftichtige Koerperschaft vor. Eine weitgehende Inertisierung wird bei gleichzeitigem Energiegewinn mit Hilfe von Biogasverfahren erreicht. Diese regenerative Energieerzeugung soll durch Einsatz nachwachsender Rohstoffe als Zuschlagstoff von unregelmaessig anfallenden Abfallzuschlagstoffen unabhaengig werden. Die nachwachsenden Rohstoffe koennen im Rahmen des Flaechenstillegungsplanes auf stillgelegten Iandwirtschaftlichen Flaechen angebaut und zur Verbesserung der Lagerfaehigkeit sowie zur Erhoehung der Biogasausbeute siliert werden. Durch Anreicherung von Guelle mit Lebensmittelabfaellen laesst sich von einer Freiland-Biogasanlage die Raumbelastung von 1,5 auf 7 kg OTS/m3 steigern und die erzeugte Elektro- und Thermoenergie um etwa das Sechsfache erhoehen. Die aus zwei einstufigen 500 mn Biogasreaktoren bestehende Anlage entsorgt 50 mn/d Guelle und 10 mn/d kommunale und gewerbliche Abfaelle. Zur weiteren Optimierung der Guelleanreicherung sowie zur kontinuierlichen Auslastung der Anlage und Energieerzeugung werden als Zuschlagstoffe nachwachsende Rohstoffe wie Knaulgras und geeignete Silierungsverfahren untersucht. Die Freiland-Biogasanlage ist von der Fa. Biophil durch eine Abfallvorbehandlungsanlage erweitert worden und wird in Kooperation mit der TFH weiter optimiert. Die Versuche zur Auswahl und Vorbehandlung der Guellezuschlagstoffe werden in Biogaslaboranlagen durchgefuehrt und ausgewaehlte Ansaetze in der Freilandanlage ueberprueft.

Die Rolle von Pilzen bei der Astreinigung von Laubbäumen

Wertholzproduktion mit heimischen Läubbäumen basiert auf zwei grundlegenden, preisbestimmenden Rundholzeigenschaften: Astreinheit und Dimension. Zur Steuerung beider Wachstumsabläufe bedient sich die Waldwachstumskunde dazu der Konkurrenzregelung. Die erreichte Astreinigung wird dabei durch Fäulnisprozesse (Pilze) beschleunigt. Das Dickenwachstum des Baumschaftes sorgt in einem zweiten Schritt für eine Überwallung des abgestorbenen und zersetzten Astes. Im vorliegenden Projekt wird die Rolle der Pilze als 'nützliche Lebewesen' bei der Astreinigung aber auch als 'potentielle Fäuleerreger' nach Abschluss der Überwallung untersucht. Am Beispiel von Esche und Bergahorn wird das Potenzial von Pilzen untersucht, nach Abschluss der Überwallung eines abgestorbenen Astes im Stamm die Schutzbarrieren des Baumes zu überwinden und Holz zu zersetzen. Das Risiko des Eindringens von Pilzen in Wertholz wird dabei anhand von Ästen verschiedener Dimension, Höhe am Schaft und Überwallungsdauer abgeschätzt. Entscheidungshilfen für die Steuerung von Astreinigung und Dimensionierung sollen dabei unter diesem Aspekt optimiert werden.

Nachwachsende Rohstoffe

Der Aufgabenschwerpunkt "Nachwachsende Rohstoffe" umfasst die Erarbeitung von Empfehlungen zur Rohstoffbereitstellung für die Energiegewinnung und technische Produktherstellung (z.B. Dämmstoffe, Biokraftstoff, Biogas) sowie die Umsetzung und Begleitung der Forschungsförderung. Zu den nachwachsenden Rohstoffe gehören z.B. schnellwachsende Hölzer, Chinaschilf, Getreide, Roggen, Hanf, Faserpflanzen, Energiepflanzen, Winterraps, halm- und holzartige Biomasse. Unter dem Begriff nachwachsende Rohstoffe werden Produkte pflanzlicher und tierischer Herkunft zusammengefasst, die im Nicht-Nahrungs- und Nicht-Futtermittelsektor verwertet werden. Nachwachsende Rohstoffe umfassen - Nebenprodukte der Land- und Forstwirtschaft (z. B. Stroh, Holz aus Waldpflege, Biomasse aus der Landschaftspflege), - Pflanzen aus dem landwirtschaftlichen Anbau (z. B. öl- und stärkehaltige Pflanzen, ein- und mehrjährige Gräser, Faserpflanzen, Heil-, Gewürz- und Aromapflanzen) sowie - unbehandelte Abfallstoffe der Biomasseverarbeitung (Bau- und Industrierestholz, Hobel- und Sägespäne etc.). Zunehmende Bedeutung erlangen sie vor allem vor dem Hintergrund des steigenden Energiebedarfs, der Endlichkeit fossiler Rohstoffe und der CO2-Anreicherung der Atmosphäre.

Eignung von Phragmites als nachwachsender Rohstoff

Die oekologische Versuchsfarm des Instituts fuer Oekologie der Pflanzen im ariden Suedwesten Afrikas wird von einem Salzfluss durchschnitten, dessen Flussbett und Flussufer auf ca 10 km Laenge und 200 m Breite von dichten Phragmites-Bestaenden bewachsen wird. An diesen Bestaenden werden produktionsbiologische Untersuchungen durchgefuehrt mit dem Ziel, die Eignung von Phragmites australis als nachwachsender Rohstoff zu charakterisieren.

Untersuchungen zur Vererbung von Qualitätseigenschaften bei Durumweizen und ihre Verbesserung

Von Seiten der Durumweizen-verarbeitenden Industrie besteht hohes Interesse an einer heimischen Rohstoffbasis. Durumweizen stammt ursprünglich aus Mittelmeerländern und Küstenregionen des Schwarzen Meeres und ist in Deutschland nicht adaptiert. Ein Schwerpunkt bei der Züchtung von Durumsorten im Hinblick auf die Qualität liegt daher auf der Bearbeitung der mehr von Umwelteinflüssen geprägten Merkmale glasiges Endosperm, Auswuchsresistenz und Resistenz gegenüber dunkelfleckigkeitsbildender Pilze. Der andere Schwerpunkt bezieht sich auf die hohen Anforderungen an das (gelbe) Farb- und Kochpotential bezüglich der Teigware. Die Entwicklung von Durumsorten schließt die Berücksichtigung von Ertrags- und Resistenzeigenschaften mit ein. Es konnten bereits Durumlinien hervorgebracht werden, die hohe Ertragsleistung mit hoher Ausprägung von Qualitätseigenschaften kombinieren. Aus dem Programm wurden in Frankreich die Sorte ORJAUNE, in Deutschland die Sorten DURAFIT und DURABON, in Spanien die Sorten BURGOS, COMBO und VETRODUR zugelassen.

Studie zur Produktion von Strohlehmsteinen

Lehmbauweisen sind die aeltesten Massivbauweisen der Welt. Vor allem in den Gegenden, in denen reichhaltige Tonvorkommen und Sande vorhanden sind, wurden in Europa bis in das 19. Jahrhundert hinein luftgetrocknete Lehmsteine fuer sehr preiswerte Wohn- und Nutzbauten eingesetzt. Erst mit der Einfuehrung der industriellen Brenntechnik wurden die Lehmsteine zunehmend durch gebrannte Ziegel abgeloest. In den letzten 20 Jahren erweckte die Lehmbauweise in Deutschland erneut das oeffentliche Interesse. Als natuerlicher Baustoff, der nur geringe Energieressourcen verbraucht, fanden die luftgetrockneten Lehmsteine besonders im Zuge der biologisch-oekologischen Bewegung bei Ingenieuren und Architekten zunehmend Beachtung. Es zeichnen sich dabei zwei Einsatzfelder fuer luftgetrocknete Lehmsteine ab: Neubau bzw. Restaurierung vornehmlich von Fachwerkbauten. Die Vorteile der Lehmbauweise fuer Mensch und Umwelt liegen auf der Hand. So koennen beispielsweise Strohleichtlehmsteine aus regional vorkommenden, nachwachsenden Rohstoffen energie- und umweltschonend hergestellt werden. Darueber hinaus zeichnen sich Lehmhaeuser durch ein hervorragendes physiologisches Raumklima aus. Die Studie 'Produktion von Strohlehmsteinen' soll im Sinne einer Pilotstudie die Voraussetzungen zur Fertigung, Qualifikation und Vermarktung von Strohlehmsteinen aufzeigen. In einer Modellentwicklung werden Chancen fuer die technische und wirtschaftliche Realisierung der Lehmbauweisen dargestellt. Fuer die Bearbeitung der Studie wird eine interdisziplinaere Zusammenarbeit der Fachhochschule Stralsund, Fachbereich Maschinenbau und der Fachhochschule Neubrandenburg, Fachbereich Bauingenieurwesen gemeinsam mit der Oekologischen Beschaeftigungsinitiative Krummenhagen e.V. (OeBIK) durchgefuehrt.

Entwicklung einer biologisch abbaubaren Mulchabdeckung für den Pflanzenschutz, Teilvorhaben 1: Freilandversuche

Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Compoundproduktes aus einem Vlies und einer biologisch abbaubaren Beschichtung. Dieses biologisch abbaubare Compoundprodukt, VliesFilm genannt, soll konventionellen Mulchfolien aus Polyethylen im Pflanzenbau ersetzen können, bei gleichen positiven Wachstumseinflüssen auf die Pflanzen. Hauptkomponenten und Entwicklungsschritte des zu optimierenden integrierten Systems (Integrated Plant Management - IPM) sollen folgende sein: a: Entwicklung eines neuartigen biologisch abbaubaren Compoundproduktes aus einem Viskosevlies und einer Beschichtung zum Mulchen (VliesFilm). Beide Bestandteile des VliesFilms sind biobasiert und bestehen zu 100% (Vlies), bzw. 50% (Beschichtung) aus nachwachsenden Rohstoffen und sind biologisch abbaubar. Alle Inhaltstoffe der Beschichtung haben eine Lebensmittelzulassung (E-Nummer), stehen aber nicht in Konkurrenz zur Lebensmittelproduktion wie z.B. stärkebasierte Materialien. Der primäre Fokus liegt auf der Entwicklung und Optimierung des VliesFilms aus NaWaRos hinsichtlich der phytosanitären Eigenschaften im Vergleich zu konventionellem Mulchmaterial (PE, 20-25my). Als wichtigste pflanzenbaulichen Faktoren sind hier Wasserverfügbarkeit, Bodentemperatur, und die Unterdrückung von Unkräutern zu nennen. b: Der VliesFilm soll einen Mehrwert gegenüber konventionellen PE-Folien erhalten. Zu diesem Zweck werden die Beschichtungen eingefärbt, um repellente Effekte auf anfliegende Insekten (Modell Blattläuse) zu erreichen. Da diese Maßnahme einen Anflug zwar verringert, aber meist nicht komplett verhindern kann, wird ein regelmäßiges Monitoring vorgenommen, um etwaige interventiven Maßnahmen zu ergreifen. Hieraus folgt dann ein System zum integrierten Pflanzenschutz, um den Einsatz von chemischen Pflanzenschutzmitteln zu minimieren.

Entwicklung biobasierter Haftklebstoffe (PSA) für Klebebandanwendungen, Teilvorhaben: Anwendungsspezifische Entwicklung und Charakterisierung der Formulierungen

C-Umsatz und C-Festlegung im Boden unter Miscanthus x gigantheus mit Hilfe natürlicher 13C-Abundanz

Angesichts der durch steigende Kohlendioxid (CO2)- Konzentrationen bedingten Klimaerwärmung wird nach Möglichkeiten gesucht, CO2 unter anderem in terrestrischen Senken für längere Zeiträume festzulegen. Am Beispiel von Miscanthus x giganteus (Greef et Deu.) wurde untersucht, ob durch den Anbau von nachwachsenden Rohstoffen eine Kohlenstoff (C)- Festlegung in Böden unterschiedlicher Textur möglich ist. Zu diesem Zweck wird die Methode der natürlichen 13C-Abundanz angewandt. Mit dieser modernen Methode können C-Umsatzzeiten des Gesamtkohlenstoffs im Boden sowie seiner verschieden Pools abgeschätzt werden, aber auch die C-Dynamik auf molekularer Basis durch komponentenspezifische O13C Lipidanalysen untersucht werden. Die Untersuchungen zeigten, dass die unter Miscanthus ermittelten C-Verweilzeiten nur geringfügig länger sind als diejenigen unter Mais. Die jährliche Festlegung von miscanthusbürtigem C in der organischen Bodensubstanz (OBS) bestätigt nur für lehmigen Boden eine höhere C-Sequestrierung von Miscanthus. Es wurde eine vergleichbare C-Akkumulation durch den Miscanthusanbau wie in Grünlandböden festgestellt. Ebenso zeigen Inkubationsexperimente im Miscanthusboden eine ähnliche kumulative CO2-Freisetzung wie in Böden unter Grünland mit einer Tendenz zu geringfügig niedrigeren Freisetzungsraten im Miscanthusboden, Die Anteile von miscanthusbürtigem C am freigesetzten CO2 sind ähnlich wie in Versuchen mit Mais. Es lässt sich eine schnellere Umsetzung des miscanthusbürtigen C in der mikrobiellen Biomasse als leicht umsetzbarer C-Fraktion bestätigen. Die Zugabe leicht verfügbarer organischer Substanzen bewirkte eine verstärkte Mineralisierung der OBS, wobei dieser zusätzlich freigesetzte C entgegen den Erwartungen aus der alten, C3 bürtigen OBS Fraktion stammte. In 13C- Markierungsexperimenten konnte in Miscanthus, Mais, Weizen und Roggen die Verlagerung des kürzlich assimilierten CO2 in Pflanzenteilen verfolgt werden. Eine Verlagerung in den Boden fand hierbei kaum statt. Die O13C-Werte aus den komponentenspezifischen O13C- Lipidanalysen sind vielversprechend für die Diagnose von molekularen Markern und die daraus erfolgende Bestimmung der Umsatzraten. An den CO2- Konzentrationen der Bodenluft und der Herkunft des CO2 konnte der besondere Vegetationszyklus (später Wachstumsbeginn, verzögertes Wurzelwachstum) von Miscanthus wiedergespiegelt werden.

Einsatz von phototrophen Biofilmen im Agrarsektor zur Verbesserung des Pflanzenwachstums

Im Jahr 2018 wurden in Deutschland rund 866 Millionen Tonnen Treibhausgase produziert, wobei weltweit 10-12 % der anthropogenen Treibhausemissionen der Landwirtschaft zuzuordnen sind. Während der Austausch an CO2 durch die gleichzeitige CO2 Fixierung in organische Masse fast ausgeglichen ist, beträgt der Anteil der Landwirtschaft bei Methan 50 % und Lachgas sogar 60 % aller Emissionen. Dies ist vor allem auf den Einsatz mineralischer und organischer Düngemittel zurückzuführen. Ohne ein aktives Gegensteuern wird eine Steigerung der Lachgasemissionen um 30-65 % bis 2030 in der Agrarwirtschaft erwartet. Um das gesetzte klimapolitische Ziel einer weitgehenden Treibhausgas-Neutralität bis 2050 zu erreichen, stellt ein klimaschonender Anbau von nachwachsenden Rohstoffen in der Landwirtschaft eine wichtige Strategie dar. Ein zentraler Teilaspekt dieser Strategie könnte die Ansiedlung der gegenüber biotischen und abiotischen Bedingungen toleranten terrestrischen Cyanobakterien sein, die in der Lage sind Luftstickstoff zu fixieren und in - für andere Organismen verwertbaren - Stickstoff umzuwandeln und an die Umgebung abzugeben. Zusätzlich dazu wachsen terrestrische Cyanobakterien eingebettet in einer Matrix aus extrazellulären polymeren Substanzen was zu einer wünschenswerten Bodenstabilisierung und damit zum Schutz vor Bodenerosion sowie zur Förderung der Wasserspeicherung im Boden beitragen könnte. Hierzu sollen stickstofffixierende Cyanobakterien, die aus der kühlgemäßigten Klimazone isoliert wurden, eingesetzt werden. Geeignete Stämme müssen die Stickstofffixierung räumlich durch die Ausbildung von Heterozysten vom Photosyntheseapparat getrennt haben und den bioverfügbaren Stickstoff an die Umgebung abgeben. Co-Kultivierungen von Cyanobakterien mit Arabidopsis thaliana (Acker-Schmalwand) sowie Triticum aestivum (Weizen) sollen zeigen, ob eine künstlich induzierte Symbiose möglich ist. Neben der Agrarpflanze Weizen wurde A. thaliana ausgewählt, da es sich hierbei um eine schnellwachsende und gut charakterisierte Modellpflanze handelt und sie zur selben Familie wie die Nutzpflanzen Kohl, Brokkoli und Meerrettich zählt. Zur Ausbringung der Biofilme in die Agrarwirtschaft sollen diese auf einem biologisch abbaubaren Trägermaterial immobilisiert werden. Hierfür soll ein Aerosolreaktor konzipiert und charakterisiert sowie ein Animpf- und Ernteverfahren etabliert werden. Zusätzlich dazu soll der Wasserrückhalt der Biofilme durch Variation der Prozessparameter optimiert werden. Abschließend soll die Co-Kultivierung von immobilisierten Cyanobakterien auf dem Trägermaterial und Pflanzen in Pflanzsubstraten in Abhängigkeit der Temperatur untersucht werden. Hier soll die Frage beantwortet werden, ob ein periodisches Ausbringen der Cyanobakterien notwendig ist, oder ob eine dauerhafte Implementierung von Biofilmen im Boden möglich ist.

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