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Entwicklung eines kontinuierlichen Kurzzeitmessverfahrens fuer die Konzentration biochemisch abbaubarer Wasserinhaltsstoffe

Durch Wahl geeigneter Werte fuer Bakterienkonzentration, Reaktionstemperatur, Sauerstoffeintrag und Reaktorbauform soll der biochemische Substratabbau in einer kontinuierlich durchstroemten Messzelle so beschleunigt werden, dass er in einer Stunde nahezu vollstaendig erfolgt. Aus der gasanalytisch gemessenen Sauerstoffkonzentrationsdifferenz des Gases wird in erster Naeherung auf die abgebaute Substratmenge und damit auf die Eintrittssubstratkonzentration geschlossen. Das entwickelte Verfahren eignet sich darueberhinaus auch fuer reaktionskinetische Untersuchungen zur biologischen Abwasserreinigung.

Forschergruppe (FOR) 5094: Dynamik des tiefen Untergrundes von Hochenergiestränden, Teilprojekt Mikrobielle Gemeinschaften: Diversität und metabolische Funktion

Durch DynaDeep wird ein Verständnis der Funktionsweise und Relevanz des Land-Meer Übergangs im Untergrund von Hochenergiestränden gewonnen werden. Wir nehmen an, dass dieser einen hoch dynamischen Bioreaktor und einzigartiges mikrobiologisches Habitat darstellt und Netto-Stoffflüsse in Richtung Meer stark beeinflusst. Um dieses Ziel zu erreichen werden sechs Teilprojekte gemeinsam Felduntersuchungen und experimentelle Arbeiten durchführen und diese mit mathematischen Modellen integrativ kombinieren. In Teilprojekt P5 werden Veränderungen in der Zusammensetzung von mikrobiellen Gemeinschaften und deren metabolische Antwort auf die dynamischen Änderungen in der Verfügbarkeit von Elektronenakzeptoren und der Qualität von Elektronendonoren im Untergrund von Hochenergiestränden untersucht. Dabei werden die Hypothesen getestet, dass diese sich dynamisch ändernden Umweltbedingungen zu (a) hochangepassten mikrobiellen Gemeinschaften führen, die sich aus Generalisten zusammensetzen, und (b) eine Stoffwechselreaktion induzieren, die sich in ihrem Metatranskriptom widerspiegelt. Während der gemeinsamen Feldkampagnen wird P5 die Zusammensetzung von mikrobiellen Gemeinschaften anhand von 16S-rRNA-Genen und -Transkripten in Sedimenten und Porenwässern bestimmen. An ausgewählten Sedimenthorizonten werden zudem hochauflösende Metagenom- und Metatranskriptomanalysen durchgeführt. Die metabolische Reaktion auf sich ändernde Umweltbedingungen und die daraus resultierenden biogeochemischen Transformationen wird in kontrollierten Laborexperimenten verfolgt. Alle mikrobiologischen Ergebnisse von P5 werden mit den jeweiligen geochemischen Parametern korreliert, um die Kopplung mikrobieller Transformationen an die DOM-Zusammensetzung (Teilprojekt P3) sowie die Umwandlung und Fraktionierung redox-sensitiver Elemente aufzudecken (Teilprojekte P2 und P4). Informationen zu mikrobiellen Verteilungsmustern und ihrem metabolischen Netzwerk werden dazu beitragen, entsprechende Modelle für den Untergrund von Hochenergiestränden zu kalibrieren (Teilprojekte P1 und P6).

Integrale stoffliche und energetische Verwertungskaskade für biogene Abfälle auf Basis eines innovativen Fermenters in der hessischen Ökomodell-Region Süd (RegBioFerm), Teilvorhaben: Numerische Entwicklungsmethodik für die Optimierung von Mischprozessen in einem innovativen Fermenter

Multi Skalen Modellierung von Abtragprozessen bei Biofilmen mit einem poroviskoelastischen Modell

Das Biofilmwachstum in Biofilmreaktoren wird hauptsächlich durch den Abtragprozess reguliert. Den Abtragprozess zu kontrollieren ist daher ein wichtiges Anliegen für den stabilen Betrieb eines Bioreaktors. Zur Kontrolle des Reaktors und um die größte Effizienz zu erreichen sind mathematische (bzw. numerische) Modelle, die den Abtragsprozess darstellen, hilfreich. Solche Modelle können möglicherweise sogar für den Entwurf von Biofilmreaktoren nützlich zu sein. In diesem Projekt soll ein multidimensionales, poroviskoleastisches Biofilm Modell entwickelt werden, das den Abtragsprozess abbildet. Dabei soll auch der Abtrag durch das Auslösen von größeren Stücken ('sloughing'), das durch die Schubspannungen an der Biofilm Grenzfläche und durch das Spannungsfeld im Biofilm entsteht, erfasst werden. Das Modell für den Abtrag soll basierend auf den Schubspannungen an der Grenzfläche und dem Spannungsfeld im Biofilm formuliert werden. Das Modell wird mit experimentellen Beobachtungen kalibriert und validiert. Biofilm Modelle, die für Reaktoren verwendet werden, sind in der Regel eindimensional (1D). Aus diesem Grund soll in diesem Projekt mittels Modellrechnungen mit dem validierten multi-dimensionalen Abtragmodell ein vereinfachtes ('upscaled') 1D Modell entwickelt werden.

Forschergruppe (FOR) 5094: Dynamik des tiefen Untergrundes von Hochenergiestränden, Teilprojekt Spurenelemente und Metallisotope: Transformation und Fraktionierung

Durch DynaDeep soll ein Verständnis der Funktionsweise und Relevanz des Land-Meer Übergangs im Untergrund von Hochenergiestränden gewonnen werden. Wir nehmen an, dass dieser einen hoch dynamischen Bioreaktor und ein einzigartiges mikrobiologisches Habitat darstellt und Netto-Stoffflüsse in Richtung Meer stark beeinflusst. Um dieses Ziel zu erreichen, werden sechs Teilprojekte gemeinsam Felduntersuchungen und experimentelle Arbeiten durchführen und diese mit mathematischen Modellen integrativ kombinieren. P4 wird die Dynamik von Spurenmetallen und Metallisotopen im Zusammenhang mit biogeochemischen Prozessen im subterranen Ästuar (STE) auf Spiekeroog untersuchen. Wir werden die Hypothese testen, dass überlappende Redoxzonen, dynamische Änderungen mikrobieller Aktivität und räumlich-zeitliche Änderungen in Redox- und Salinitätsgrenzflächen eindeutige Spurenmetall- und Isotopensignaturen in hochenergetischen Stränden generieren. P4 wird Spurenmetallkonzentrationen (Fe, Mn, Co, Mo, Re, Tl, U, V, Seltenerdelemente) und Fe und Mo Isotope in (Poren-)Wasser und Sedimenten messen. Regelmäßige Feldprobenahmen werden Einblick in die räumlich-zeitlichen Änderungen von Spurenmetall- und Metallisotopen-Mustern unter sich ändernden Randbedingungen liefern. Inkubationsexperimente im Labor sollen genutzt werden, um die Mobilisations-, Retentions- und Fraktionierungsraten zu bestimmen, um die physikochemischen und mikrobiellen Änderungen im Detail zu verstehen, die diese Reaktionen im tiefen bis flachen Untergrund des STEs auf Spiekeroog antreiben. Spurenmetalle und zusätzlich Hauptionen, Nährstoffe und Gesamtalkalinität werden für mathematische Modellierungen (P1, P6), Bestimmung von Reaktionsraten (P2) und biogeochemische Studien in P3 und P5 zur Verfügung gestellt. Gemeinsam sollen die Daten genutzt werden, um zu beurteilen, wie die Transformation und Fraktionierung von Spurenmetallen und Metallisotopen mit der Quelle und dem Alter des Wassers, den Redoxbedingungen und den Eigenschaften von organischer Substanz und der mikrobiellen Gemeinschaft zusammenhängen.

Forschergruppe (FOR) 5094: Dynamik des tiefen Untergrundes von Hochenergiestränden, Teilprojekt Organisches Material: Abiotische Umwandlungen und mikrobielle Interaktionen

Durch DynaDeep wird ein Verständnis der Funktionsweise und Relevanz des Land-Meer Übergangs im Untergrund von Hochenergiestränden gewonnen werden. Wir nehmen an, dass dieser einen hoch dynamischen Bioreaktor und einzigartiges mikrobiologisches Habitat darstellt und Netto-Stoffflüsse in Richtung Meer stark beeinflusst. Um dieses Ziel zu erreichen werden sechs Teilprojekte gemeinsam Felduntersuchungen und experimentelle Arbeiten durchführen und diese mit mathematischen Modellen integrativ kombinieren. Teilprojekt P3 wird die Quellen, die Zusammensetzung und die Umwandlungen organischen Materials als Hauptfaktoren biogeochemischer Prozesse im tiefen subterranen Ästuar untersuchen. Wir verfolgen die Hypothese, dass der transiente Charakter des tiefen Untergrundes entscheidend für den Umsatz und die molekulare Umwandlung organischen Materials durch wechselwirkende abiotische und biotische Prozesse ist. Eine Kombination von gezielten Laborexperimenten und Feldarbeiten wird angewandt zur Identifizierung und Charakterisierung von (1) potentiellen Quellen des organischen Materials im tiefen subterranen Ästuar, (2) abiotischen Veränderungen der Menge und Zusammensetzung des gelösten organischen Materials (DOM) an zeitlich und räumlich variablen Redox-Grenzflächen, und (3) Abbau und Umwandlung von DOM durch mikrobielle Gemeinschaften. Dabei wird die detaillierte molekulare Information genutzt, um Zusammenhänge zwischen der DOM-Zusammensetzung und der Zusammensetzung und Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaften zu entschlüsseln. Die Charakterisierung des organischen Materials erfolgt durch modernste molekulare Ansätze wie ultrahochauflösende Fourier-Transformations-Ionenzyklotronresonanz-Massenspektrometrie (FT-ICR-MS) und Ultra-Leistungs-Flüssigkeitschromatographie, ergänzt durch Analysen von stabilen und Radiokohlenstoff-Isotopen. Molekulare Marker werden als Diagnosewerkzeuge für spezifische biogeochemische Zustände des tiefen subterranen Ästuars und der daraus resultierenden mikrobiellen Nischen etabliert. Die Ergebnisse von P3 werden das gekoppelte hydrogeologische Transport-Reaktionsmodell (P6) mit Reaktivitätstermen bestücken und Informationen über Quellen und Alter von DOM (P1) liefern. Die in P3 gewonnenen molekularen Daten werden im Zusammenhang mit den Daten zur mikrobiellen Gemeinschaft (P5) und zur Verteilung der relevanten Spurenelemente (P4) interpretiert und tragen zu einem mechanistischen Verständnis der mikrobiellen Atmung bei (P2).

Ursachen und Gegenstrategien für Schaumereignisse in Biogasanlagen

Ziel dieses Projektes ist es, Ursachen der übermäßigen Schaumbildung im Biogasprozess, die durch Vergärung von leicht abbaubaren Substraten verursacht wird, im Detail zu untersuchen, Verständnis aufzubauen und Gegenmaßnahmen zu entwickeln. Dabei soll die Rolle der Hydrolyse-Stufe im Vordergrund stehen. Um das Forschungsthema so umfassend wie möglich zu bearbeiten, werden Expertisen aus unterschiedlichen Bereichen zusammengeführt - die Expertise zur Schaumbildung in biotechnologischen Prozessen (UFZ), zur zweiphasigen Vergärung (Universität Hohenheim), zu molekularbiologischen Aspekten der Prozessstörungen im Biogasfermenter (UFZ), sowie zur Wirtschaftlichkeitsanalyse und Akzeptanzforschung im Bereich der erneuerbaren Energien (HfWU). Am UFZ wird erforscht, welche physikochemischen Parameter der Substrate und des Fermenterinhaltes einen Einfluss auf übermäßige Schaumbildung im Biogasfermenter haben. Dabei wird untersucht, welche Parameter für die Bildung von Schaum von Bedeutung sind, wie diese Parameter so beeinflusst werden können, dass das Risiko der Schaumbildung minimiert wir und wie das Substrat vorbehandelt werden muss, um Schaumbildung im Fermenter vorzubeugen. Weiterhin wird der Frage nachgegangen, welche biotischen Parameter in der Prozessstabilisierung der anaeroben Vergärung leicht abbaubarer Substrate eine Rolle spielen. Konkret wird ermittelt, welchen Einfluss die Aktivität von Enzymen und Mikroorganismen hat und wie die Nährstoffzusammensetzung während einer Prozessstörung die Schaumentstehung beeinflusst. Dabei wird angestrebt, mikrobielle Indikatoren für ein erhöhtes Risiko zur Schaumbildung oder für einen stabilen Prozess bei der Vergärung leicht abbaubarer Substrate zu identifizieren. Auf der Basis der Ergebnisse des Projektes wird es möglich sein, stabile Prozessführung durch optimale Zusammensetzung des Substratmix und durch zielgerichtete Dosierung von Zusatzstoffen auf enzymatischer bzw. mikrobieller Basis zu gestalten.

Innovationsraum: BaMS-NAFi - Umsetzungsphase

Innovationsraum: BaMS-FEMAK 2, TP1 - Umsetzungsphase

Erprobung eines geschlossenen Hochleistungsreaktors fuer die biologische Abwasserreinigung

Untersuchung eines Bioreaktors fuer die biologische Abwasserreinigung. Der Reaktor besteht aus einem zylindrischen Behaelter, in dem sich zum dispergieren der Luft und zur Durchmischung der Biosuspension eine Hubeinrichtung befindet. Die Hubeinrichtung - bestehend aus einer Hubstange mit Lochscheiben - ist massgebend fuer die Leistungsfaehigkeit des Bioreaktors. Aus diesem Grunde soll der Einfluss von Hubfrequenz, Hubamplitude und Abstand der Lochscheiben auf die Verweilzeit des Abwassers untersucht werden. Weitere zu untersuchende Einflussgroessen sind: Bakterienkonzentration, Ruecklauf der Biokonzentration und Energiebedarf.

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