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Mikrobiell katalysierte Elektrosynthese von Bernsteinsäure, Teilvorhaben 1: Technische Auslegung des Reaktorsystems

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 ein kleinen Reaktionsgefäßen durchgeführt und im Anschluss auf einen technischen Bioreaktor überführt. Hierbei werden Betrachtungen zur Skalierbarkeit durchgeführt. Zielsetzung des TV 1 ist die technische Etablierung des neuen Reaktorsystems. Dies insbesondere durch Überarbeitung eines Bioreaktors für den Einsatz mit Elektroden unter besonderer Berücksichtigung von Korrosion im Reaktorraum. Neben den konstruktiven Ansätzen umfasst dies die Erschaffung und Charakterisierung neuer Elektodenoberflächen aus elektrisch leitfähigen, biokompatiblen Hydrogelen. Zugrundeliegende Stoffstrombilanzen werden in ein Modell überführt, um Signifikanzanalysen durchzuführen.

Industrielle Umsetzung von Wasserstoff-Produktion aus Fruchtsaft-Abfällen mit Hilfe von Purpurbakterien, Teilprojekt: Technische Entwicklung des R. rubrum BioH2-Bioreaktorverfahrens

Ertragssteigerung, Massenproduktion und Ausbringung von Saatgut als Start für den großflächigen Anbau von Torfmoos-Biomasse in Paludikultur

Torfmoos-Paludikultur bietet die einzigartige Möglichkeit, die CO2-Emissionen aus den Moorböden durch Wiedervernässung auf null zu reduzieren, die Verwendung von fossilem Torf zu beenden und gleichzeitig die Verfügbarkeit von hochwertigen Substratrohstoffen für den Erwerbsgartenbau sicherzustellen. Der erste Teil in der Produktionskette beim Torfmoos-Anbau ist die Herstellung von Saatgut. Im Vorgängerprojekt MOOSzucht wurde eine Methode zur axenischen Vermehrung von vegetativem Ausgangsmaterial in Bioreaktoren entwickelt - ein technologischer Durchbruch. Im geplanten Verbundprojekt MOOSstart soll der Herstellungsprozess etabliert werden, um im Anschluss kommerzialisiert werden zu können. Dafür ist die Entwicklung eines low-cost-Bioreaktors auf Basis der bisherigen Erfahrungen geplant. Zukünftig kann die Saatgutproduktion dezentral in den Regionen erfolgen, die für den Torfmoos-Anbau geeignet sind (v. a. Hochmoorbereichen NW-DE und Alpenvorland). Deshalb ist im Verbundvorhaben MOOSstart geplant, einen ersten low-cost-Bioreaktor in einem potentiellen Produktionsbetrieb in Niedersachsen aufzustellen und hier einen ersten Testlauf durchzuführen. Da sich die Struktur des im Bioreaktor produzierten Saatgutes maßgeblich von den bisher verwendeten, zerkleinerten Torfmoosen unterscheidet, ist eine Anpassung bzw. Neuentwicklung einer Ausbringtechnik notwendig. Für die Rentabilität des Torfmoos-Anbaus sind die Ernteerträge bedeutend. Deshalb ist im geplanten Vorhaben die Torfmoos-Produktivität ein weiterer Fokus, die mit bewährten und neuartigen Ansätzen erhöht bzw. validiert werden soll. Die angestrebten Projektergebnisse sollen zur Transformation hin zu einer klimaneutralen Moornutzung und Substratwirtschaft beitragen und so die Vorreiterrolle Deutschlands hinsichtlich Torfmoos-Anbau und der Produktion von Substraten stärken.

Industrielle Umsetzung von Wasserstoff-Produktion aus Fruchtsaft-Abfällen mit Hilfe von Purpurbakterien, Teilvorhaben: Bioverfahrenstechnische Prozessoptimierung und Stoffwechselanalysen

Errichtung und Betrieb einer Biogasanlage in 17268 Boitzenburger Land - Reg.-Nr.: G05324

Die Firma REW Regenerative Energien Wichmannsdorf GmbH, Dorfstraße 28 in 17268 Boitzenburger Land beantragt die Genehmigung nach § 4 des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (BImSchG), auf den Grundstücken in 17268 Boitzenburger Land in der Gemarkung Wichmannsdorf, Flur 2, Flurstücke 91 und 93 sowie Flur 4, Flurstücke 116, 117, 125 und 141 eine Biogasanlage zu errichten und zu betreiben (Az.: G05324). Für das Vorhaben besteht die Pflicht zur Durchführung einer Umweltverträglichkeitsprüfung. Das Vorhaben umfasst die Errichtung und den Betrieb einer Biogasanlage mit einer geplanten Durchsatzkapazität von durchschnittlich 367 Tonnen und maximal bis zu 400 Tonnen Inputmaterial pro Tag. Bestandteil der Anlage sind sechs Fermenter mit Gasspeichern, fünf Nachgärer mit integrierten Gasspeichern, vier Gärrestelager mit einer Lagerkapazität von insgesamt 88.786 m³, eine Fahrsiloanlage sowie Zwischenlagerflächen für Silage und Festmist, drei Sammelschächte und ein Lagerbehälter für Sickersaft und verschmutzte Niederschläge, ein abgedeckter Lagerbehälter für Rübenmus, vier abgedeckte Feststoffdosierer mit nachgeschalteter Flüssigfütterung, eine externe Entschwefelungsanlage, eine Notfackel mit Verdichter sowie eine Verbrennungsmotorenanlage bestehend aus drei Blockheizkraftwerken mit jeweils 1,3 Megawatt Feuerungswärmeleistung. Die geplante Produktionskapazität der Biogasanlage beträgt maximal bis zu 19.500.000 Normkubikmeter Rohbiogas pro Jahr. Es handelt sich dabei um eine Anlage der Nummer 8.6.3.1 GE in Verbindung mit den Nummern 9.36 V und 1.2.2.2 V des Anhangs 1 der Verordnung über genehmigungsbedürftige Anlagen (4. BImSchV) sowie um ein Vorhaben nach Nummer 8.4.1.1 A in Verbindung mit der Nummer 1.2.2.2 S der Anlage 1 des Gesetzes über die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVPG). Die Inbetriebnahme der Anlage ist für Dezember 2025 vorgesehen.

Innovationsraum: BaMS-FEMAK 2, TP1 - Umsetzungsphase

Marmorkrebse als Bioreaktoren für wertvolle Bio-polymere, 'Bioökonomie International 2021: ChitoCray - Marmorkrebse als Bioreaktoren für wertvolle Bio-polymere'

Bau und Betrieb einer Biogasanlage zur gemeinsamen Vergärung von Wirtschaftsdüngern mit anschließender Aufbereitung zu Biomethan

Das Verbundvorhaben zwischen der Bioenergy Concept GmbH und des CC4E der HAW Hamburg hat zum Ziel, eine innovative Modell- und Demonstrationsanlage im Landkreis Lüneburg zu realisieren, die Wirtschaftsdünger von mehreren Landwirtschaftsbetrieben zentral zu Biogas vergärt und weiter zu Biomethan aufbereitet. Die hierfür nötige Prozesswärme wird durch den Betrieb einer Pyrolyse erzeugt. Der Einsatz ligninhaltiger Reststoffen und die Produktion von Biokohle stellen ein nachhaltiges und ökologisch zukunftsfähiges Verfahren dar. Das produzierte Biomethan soll primär im Verkehrssektor eingesetzt werden. Als potentieller Hauptabnehmer hat der Landkreis Lüneburg bereits sein Interesse bekundet, das Biomethan in der vom Landkreis betriebenen Elbfähre Bleckede - Neu Darchau und zukünftig auch im ÖPNV zu nutzen. Die als Nebenprodukt pyrolytisch erzeugte Biokohle soll zur Tierfütterung und zur Stabilisierung der Prozessbiologie im Fermenter eingesetzt werden. Sie trägt so zur Aufwertung der Gärreste und zum Humusaufbau der landwirtschaftlichen Flächen bei. Das Ziel der wissenschaftlichen Begleitung seitens der HAW ist es, die Akzeptanz zur Vergärung von Wirtschaftsdüngern zu untersuchen und ggfs. zu stärken. Für die Grundlage des dafür angestrebten Wissenstransfers in alle beteiligten Gruppen soll eine umfangreiche Ausarbeitung bestehender Forschungsergebnisse dienen. Zusätzlich wird mittels Nährstoffanalysen von Edukten und Produkten ein praxisspezifischer Kenntnisstand geschaffen, insbesondere der durch Gärung bedingten, veränderten Düngeeigenschaften von Wirtschaftsdünger. Ferner soll ein allgemeiner Leitfaden zur energetisch-stofflichen Nutzung von Wirtschaftsdüngern in Biogasanlagen geschaffen werden. Eine Bilanzierung von Treibhausgasemissionen der Demonstrationsanlage bilden die Grundlage für mögliche Erweiterungen. Das Verbundvorhabens ist auf drei Jahre vom 07/2023 - 6/2026 ausgelegt und hat ein angestrebtes Fördervolumen von 1,38 Mio €.

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.

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.

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