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Effizientere Biogasproduktion aus lignocellulosereichen Reststoffen durch Zusatz aerober und anaerober Pilze, Teilvorhaben 2: Einflussanalyse aerober filamentöser Pilze

Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist es, das große Potenzial aerober und anaerober Pilze zum Aufschluss lignocellulosereicher Reststoffe (LCR) für die Biogasproduktion zu nutzen. Insbesondere landwirtschaftliche Biomasse, wie anfallendes Rest-Stroh, stellt bisher eine fast ungenutzte Ressource dar, denn der Aufschluss schwerverdaulicher LCR im Biogasprozess ist immer noch eine Herausforderung. Der trotz langer Verweilzeiten schlechte Faseraufschluss im anaeroben Milieu, damit verbundene mechanische und biologische Prozessstörungen und unbefriedigende Methanausbeuten limitieren daher bisher den Einsatz solcher LCR. Pilze gehören zu den effektivsten Verwertern pflanzlicher Biomasse. Durch den spezifischen Zusatz aerober und anaerober Pilze und damit der synergistischen Nutzung ihrer speziellen Abbaustrategien soll ein besserer Aufschluss und eine gesteigerte Methanproduktion aus schwerverdaulichen LCR erzielt werden. Technische Grundlage sind zweistufige Biogasanlagen mit einer dem anaeroben Fermenter vorgeschalteten, geschlossenen aeroben Hydrolysestufe. Durch gezielte Integration von Kulturen geeigneter Pilze, die entsprechend den Bedingungen ihres natürlichen Lebensraums (aerob bzw. anaerob; Flüssig- bzw. Festsubstrat) angezogen werden, wird eine gesteigerte biologische LCR-Nutzung angestrebt, wie sie im konventionellen Betrieb mit Enzymcocktails oder physikalischer Vorbehandlung unter ökonomischen Gesichtspunkten kaum erreicht werden kann.

BioThrust

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.

Semimobiles, emissionsarmes Biogassystem für landwirtschaftliche Kleinbetriebe

Im Forschungsprojekt werden semi-mobile Boxenfermenter zur Verwertung von Hühnermist entwickelt. Die Fermenter sollen bei mehreren landwirtschaftlichen Höfen befüllt werden und dann an einem zentralen Standort zur Biogaserzeugung gefahren werden. Dort wird ein zentrales BHKW mit dem erzeugten Biogas betrieben. Entscheidend ist das die Container gleichzeitig als Transport und als Fermentationsbehältnis dienen, sodass die Investitionskosten gesenkt werden können. Aufgrund des geringen Mistanfalls bei Hühnern, ist der alleinige Betrieb mit Wirtschaftsdünger schwierig. Ermöglicht werden soll dies über Befüllung mithilfe einer gasdichten Schleuse. Durch die Schleuse kann der Fermenter über mehrere Tage oder Wochen gefüllt werden ohne die bestehenden Probleme der Emissionen bei Öffnung der Anlage. Somit werden Geruchs-, H2S- und Methanfreisetzungen minimiert. Außerdem sollen dadurch auch kleinere landwirtschaftliche Betriebe in die Biogasproduktion inkludiert werden, da die geringere Wirtschaftsdünger-Produktionsrate über eine längere Befüllzeit ausgeglichen werden kann. Durch die Nutzung des Wirtschaftsdüngers in Biogasanlagen kann eine erhebliche Reduzierung des in der Landwirtschaft freigesetzten klimaschädlichen Methanausstoßes erreicht werden. Um eine möglichst konstante Gaserzeugung zu erreichen, werden die Fermenter an mehreren Höfen befüllt und zeitversetzt abgeholt. Am Standort des BHKW wird der Fermenter an das System angeschlossen. Dort wird das Substrat mit Perkolat beregnet um die Gasproduktion anzutreiben. In der Zwischenzeit wird am jeweiligen Bauernhof ein neuer Fermenter befüllt. Nach Ende der Gasproduktionszeit wird der Fermenter wieder zum Bauernhof gefahren und dort ausgetauscht. Der Gärrest aus dem Fermenter kann dann entnommen und auf die Felder gebracht werden.

Bioökonomie International 2022: PILSNER - Leistung im großen Maßstab verlangt nach optimal konstruierten Stämmen - Maßgeschneiderte Herstellung von P. putida

Kleine Anaerobanlagen zur Verwertung von Wirtschaftsdünger, Teilvorhaben 3: Bau und Optimierung der KLAWIR-Anlage

Das Projekt zielt darauf ab, eine digitalisierte und standardisierte Biogasanlage zu konfigurieren, die für Betriebe mit einem Tierbestand von etwa 170 Großvieheinheiten zur Vergärung von Flüssigmist geeignet ist. Diese wird eine einstufige Güllevergärung nutzen und auf einem kostengünstigen, voll recyclebaren Rührkesselreaktor in Holz-Sandwich-Bauweise basieren. Der KLAWIR-Reaktor wird auf einer wasserundurchlässigen Betonbodenplatte mit Umfassung installiert und besteht im Wesentlichen aus einer Holzschalung mit Wärmedämmung sowie einer reißfesten Gewebefolie. Zur Kontrolle der Anlagenfunktionalität werden Umweltparameter und Gasqualität durch ein neuartiges, wartungsfreies, miniaturisiertes, energieautarkes Gas-Sensormodul überwacht, das seine Daten direkt an eine internetbasierte Plattform überträgt. In einem einzigen Sensormodul werden Sensoren für Kohlendioxid, Methan, Schwefelwasserstoff, Temperatur und Feuchte integriert und in die Anlage integriert. Die Sensorik, deren Internetanbindung sowie sämtliche sonstigen Komponenten werden standardisiert und vormontiert geliefert, so dass die KLAWIR- Fermenter in einer sehr kurzen Bauzeit von maximal 3 Wochen errichtet werden können, was einen wichtigen Beitrag zur Senkung der Baukosten liefert. Durch ein weiteres Gas-Sensormodul im Außenbereich der Anlage können die Betreiber ihren Treibhausgasausstoß nachvollziehbar überwachen und die entstehenden Einsparungen ermitteln. Insgesamt ist es das Ziel von KLAWIR, Biogasanlagen in der Leistungsklasse von ca. 30-50 kW zu einem Gesamtpreis von weniger als 8.000 Euro je kW zu realisieren, so dass ein wirtschaftlicher Betrieb der Anlagen gegeben ist. Aufbau, experimentelle Erprobung und technisch-wirtschaftliche Bewertung eines solchen Fermenters werden im Rahmen des KLAWIR-Projekts in einer Prototypanlage im technischen Maßstab (1:10) durchgeführt.

Entwicklung eines modularen Konzeptes zum Aufbau von Biogasreaktoren

Es sind eine Reihe von anaeroben Prozessen bekannt, die alle mehr oder weniger stark den Aspekt der Behandlung bzw. Entsorgung fester, pastoeser oder fluessiger Abfaelle in den Vordergrund stellen. Das Spektrum der Anlagengroesse reicht von Kleinanlagen fuer die Guelleverwertung bis zu grosstechnischen Anlagen. Allen Aufbauprinzipien gemeinsam ist die Tatsache, dass die Anlagengroesse nur schwierig an Rahmenbedingungen wie Groesse der zu entsorgenden Gebietskoerperschaft oder Ergiebigkeit der Substratquelle angepasst werden kann; up-scaling (oder auch down-scaling) erfordert immer Entwicklungstaetigkeit. Dadurch sind Anlagen entweder nicht voll ausnutzbar oder andere Anlagen muessen vorgehalten werden, um Ent- oder Versorgungssicherheit zu gewaehrleisten. Unter Umstaenden muessen lange Transportwege akzeptiert werden. Diese Probleme wirken sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes der Verfahren aus. Daher wird oft auf die Gewinnung von Biogas verzichtet, obwohl die Rahmenbedingungen gut waeren. Dies bedeutet, dass eine wichtige Quelle regenerativer Energie praktisch nicht genutzt wird. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines modularen Konzeptes fuer Anaerobreaktoren, das eine Anpassung der Anlagengroesse ohne besondere Entwicklungstaetigkeit erlaubt. Dazu bedarf es der Entwicklung kleiner Reaktoren, die einfach aufzubauen und preiswert herzustellen sind, die dennoch stabil arbeiten und keine aufwendige Regelungstechnik brauchen. Beabsichtigtes Einsatzfeld fuer die Reaktoren ist dabei nicht nur die Behandlung und Entsorgung von Abfaellen, die gleichwohl mit den entwickelten Komponenten moeglich sein sollte, sondern vor allem die Bereitstellung nachhaltiger Energiequellen. Fernziel der Arbeiten des Labors fuer Umwelttechnik der MFH in dieser Richtung ist die Kombination von Anaerobprozessen mit der Biomassegewinnung durch Algen, d.h. direkte Biogasgewinnung aus Solarenergie und CO2-Recycling.

Reallabor: NDRL - Norddeutsches Reallabor, Teilvorhaben: 6.2 Synergie von Power to Gas und Bioabfallbehandlung

Mikrobiell katalysierte Elektrosynthese von Bernsteinsäure, Teilvorhaben 2: Untersuchung des Elektronentransfers und Genexpressionsanalyse

Ziel ist die stoffliche Nutzung elektrischer Energie zur mikrobiellen Produktion des Kunststoffmonomers Bernsteinsäure. Hierbei wird der innovative Ansatz der mikrobiellen Elektrosynthese verfolgt. Elektrische Energie wird in den Mikroorganismus Actinobacillus succinogenes transferiert, der zugleich nachwachsende Rohstoffe zur Synthese der Katalysatoren und des Produkts nutzt. Die zusätzlichen Redoxäquivalente (NADH) durch die Aufnahme von Elektronen bewirken eine Veränderung der Stoffwechselproduktzusammensetzung in Richtung zur Bernsteinsäure. Das Konzept erlaubt die Umwandlung elektrischer Energie in komplexe Produkte unter Einsatz des selbstreplizierenden Ganzzellkatalysators unter sehr milden Reaktionsbedingungen (T kleiner als 40 Grad C, pH 7, wässriges Lösungsmittel). Zusätzlich sind die Anforderungen an die Elektroden und die Reinheit der flüssigen Phase bei einer mikrobiellen Elektrosynthese gering und somit der Prozess kostengünstig. Die Technologie der mikrobiellen Elektrosynthese konnte durch die Antragssteller bereits für die Produktion von Butanol etabliert und mehrfach publiziert werden. Im angestrebten Projekt soll ein neues, wirtschaftlich relevantes Bioproduktionsverfahren etabliert und der technologische Reifegrad des Verfahrens erhöht werden. Der Transfer der Power2X-Technologie wird zunächst in kleinen Reaktionsgefäßen durchgeführt und im Anschluss auf einen technischen Bioreaktor überführt. Hierbei werden Betrachtungen zur Skalierbarkeit durchgeführt. Zielsetzung des TV 2 ist die Untersuchung des Elektronentransfers und die Genexpressionsanalyse. Dafür soll die Biofilmbildung auf der Elektrode und die mögliche Ausbildung von Nanodrähten analysiert werden, die einen direkten Elektronentransfer ermöglichen. Unterschiede zwischen nativen und synthetischen Biofilmen werden untersucht. Erhaltene Erkenntnisse werden auf den Produktionsprozess im Bioreaktor übertragen und der Einfluss des angelegten Potentials auf die Genexpression analysiert.

Untersuchung zur Bedeutung von Metallen in Biogasanlagen

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