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Steigerung der Prozessstabilität und Kinetik bei der anaeroben Vergärung von Bioabfall durch gezielte Stimulation des direkten Interspezies-Elektronentransfers zwischen syntrophen Mikroorgansimen

Die mikrobielle Umsetzung von organischem Material zu dem erneuerbaren Energieträger Methan ist eine bewährte und verbreitete Strategie der effektiven Abfallwirtschaft. In einem solchen methanproduzierenden Milieu nutzen elektrisch verbundene Bakterien und Archaeen direkten Interspezies-Elektronentransfer (DIET), als Alternative zum Interspezies-Formiat- und Wasserstofftransfer (IHT). Grundlegende Aspekte der mikrobiellen Ökologie in Bezug auf DIET sind dabei jedoch noch unerforscht, insbesondere der Stellenwert für die Biogasproduktion. Bis jetzt haben sich Studien zum Großteil auf DIET in Ko-Kulturen von wenigen Modellorganismen beschränkt, die für die Abwasserbehandlung in UASB-Reaktoren (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) eine Rolle spielen. Wir beabsichtigen weithin anwendbare Erkenntnisse über die Zusammenhänge der syntrophen mikrobiellen Gemeinschaft und dessen Funktion in mesophilen und thermophilen Biogasreaktoren mit Hilfe moderner molekularbiologischer und mikrobiologischer Methoden zu generieren, um letztendlich eine höhere Prozessstabilität und Effizienz zu ermöglichen. Zentrale Ziele sind die Identifizierung neuer Organismen die an DIET beteiligt sind und das Verständnis der zugrundeliegenden genetischen Mechanismen. Der Schwerpunkt wird auf Bioabfall vergärende Anlagen liegen, die sich wesentlich von mesophilen UASB Reaktoren durch Konstruktion, Betriebsweise, Temperatur und Substratzusammensetzung unterscheiden. Wir vermuten, dass DIET ein weit verbreiteter Alternativprozess zum IHT bei der anaeroben Vergärung von Biomasse ist, wobei beide Prozesse wahrscheinlich parallel ablaufen. In dem vorgeschlagenen Projekt wird DIET erstmals in thermophilen aber auch in mesophilen Systemen Gegenstand der Forschung sein. Ein weiteres Ziel ist die Identifizierung neuer Substrate, die von den syntrophen Konsortien während DIET umgesetzt werden können. Hier wird der Fokus auf syntrophe Propionat- und Butyratoxidierer liegen, die für den anaeroben Abbau von organischem Material eine Schlüsselrolle spielen. Mittels Metagenomik wird das Stoffwechselpotential rekonstruiert und Genexpressionsmuster im Zusammenhang mit IHT und DIET werden mittels Transkriptomik untersucht. DIET ist möglicherweise vorteilhaft für die Stabilität des Vergärungsprozesses, da die Produktion von Wasserstoff umgangen wird, welcher schon in geringer Konzentration die Oxidation von kurzkettigen Fettsäuren inhibieren kann. Deshalb planen wir physiologische Vorteile von DIET gegenüber IHT in Anreicherungskulturen zu untersuchen. Die zu erwartenden Ergebnisse sind essentiell um das Potential der Biogasproduktion im vollen Umfang auszuschöpfen. Darüber hinaus werden die Ergebnisse auch für andere Forschungsgebiete relevant sein, wo elektrisch verbundene Mikroorganismen eine Rolle spielen, beispielsweise bei der Minimierung von Treibhausgasemission in methanogenen Habitaten oder bei der Nutzung in mikrobiellen Brennstoffzellen.

Analyse der Effizienz von Maßnahmen zur Reduktion von THG-Emissionen (THG-Effizienz)

Zielsetzung: 1. Formulierung eines Modells zur Ableitung von landwirtschaftlichen THG-Emissionen aus den Produktionsverfahren. Adaptierung der Massenflussmodellierung aus Farmlife und SALCA, Modellüberprüfung und Validierung der resultierenden direkten und indirekten THG-Emissionen. Der Fokus liegt auf den Treibhausgasen Methan (CH4) und Lachgas (N2O). Denn für diese beiden Treibhausgase nimmt der Sektor Landwirtschaft einen sehr hohen Anteil an den nationalen Emissionen ein, während dies bei den sektoralen CO2 Emissionen nicht der Fall ist. 2. Aufbereitung der Daten, Analyse und Bewertung der unterschiedlichen Produktionsverfahren hinsichtlich ihrer THG-Effizienz (sowohl Ökonomie als auch Wirkung). Bspw. können THG-Bilanzen als statistische Grafiken oder als digitale Karten für einzelne Produktionsverfahren aufbereitet werden. Die Verwendung von digitalen Karten kann insofern sinnvoll sein, als damit regionale Schwerpunkte in der Maßnahmenplanung gesetzt werden können. 3. Prüfung von unterschiedlichen Lösungsansätzen zur THG-Einsparung und der Machbarkeit zur Umsetzungsmaßnahmen. Varianten können bspw. eine Effizienzsteigerung in der Bewirtschaftung auf den landwirtschaftlichen Betrieben hinsichtlich der THG-Emissionen, bspw. in den Bereichen Düngereinsatz/Düngermanagement, oder technische Ansätze wie die Verwertung von Methan durch Fermentation in Biogasanlagen sein. 4. Integration der potenziellen Maßnahmen in das erarbeitete Modell und Abschätzung von Umsetzungskosten zur Ableitung von wirtschaftlichen THG-Reduktionspotenzialen. Je nach Produktionsverfahren wird der Zeithorizont für die Wirkungsanalyse und die ökonomische Analyse unterschiedlich zu wählen sein. Mit Bezugnahme auf bestehende Publikationen scheint es angebracht, Maßnahmen mit einem Zeithorizont zwischen fünf und 15 Jahren zu betrachten. Mit den Ergebnissen soll die Diskussionsgrundlage zu den potenziellen Lösungsansätzen für Wissenschaft, Politik und Beratung erweitert werden. Bedeutung des Projekts für die Praxis: Es bestehen zunehmend Bestrebungen in der österreichischen Landwirtschaft, klimawirksame Maßnahmen auszuarbeiten und Handlungen zu setzen. Eine Bewertung und Auswahl von potenziellen Aktivitäten benötigt eine ausgearbeitete Daten- und Entscheidungsgrundlage, um die Wirksamkeit und Effizienz von Maßnahmen einordnen zu können. Als ein wesentlicher Baustein sind die wirtschaftliche und technische Machbarkeit und die verbundenen Kosten und Leistungen abzuschätzen.

Biotechnologische Umwandlung von Methanol (C1) in Tocochromanole, Teilvorhaben C

Optimierung der Milchsäureerzeugung aus Reststoffen der Lebensmittelindustrie zur Herstellung hochwertiger flüssiger Tierfuttermittel sowie von biobasierten industriellen Kunststoffen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens: Das Projekt OptiMi zielt darauf ab, hochwertige Reststoffe der Lebensmittelindustrie zu nutzen, um daraus über einen Fermentationsprozess Milchsäure zu erzeugen. Milchsäure kann als Ausgangsprodukt in verschiedensten Prozessen eingesetzt werden. Dazu zählen unter anderem die Verwendung als Monomer für die Herstellung des biologisch abbaubaren Kunststoffes PLA oder die Verwendung in der Pharmazie. Im Gegensatz zur energetischen Nutzung der Reststoffe in einer Biogasanlage, stellt die Fermentation zur Milchsäuregewinnung einen Prozess mit deutlich höherem Wertschöpfungsniveau dar. Ein weiterer Vorteil der Nutzung von Reststoffen ist, dass diese nicht extra für die Fermentation angebaut werden, wie es beispielsweise bei der Verwendung von Zuckerrohr für die Milchsäureproduktion in Asien der Fall ist. Damit kann das Ökosystem in den Anbauregionen entlastet werden und die ressourcenschonende und nachhaltige wirtschaftsweise der deutschen Bioökonomie gestärkt werden.

004.00.00/25 Errichtung und Betrieb einer Biogasanlage in Verbindung mit weiteren Anlagen in 14797 Kloster Lehnin

Die Firma VAREM Energie Damsdorf GmbH beantragt die Genehmigung nach § 4 des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (BImSchG), auf dem Grundstück 14797 Kloster Lehnin, Gewerbepark Damsdorf 42 in der Gemarkung Lehnin, Flur 2, Flurstück 198 eine Biogasanlage in Verbindung mit weiteren Anlagen zu errichten und zu betreiben. Das Vorhaben umfasst im Wesentlichen die Errichtung und den Betrieb einer Biogasanlage in Verbindung mit einer Biomethanaufbereitungsanlage, einem Biomethanspeicher, einer Anlage zur Hydrothermalen Karbonisierung (HTC-Anlage) und einer Hackschnitzelheizung. Die Hauptanlage des beantragten Vorhabens stellt die Biogasanlage dar. Beantragt ist die Vergärung von nicht gefährlichen organischen Abfällen, unter anderem aus Abwasseranlagen und der Lebensmittelindustrie. Es handelt sich um eine mesophile Nassvergärung im Durchfluss-Speicher-Verfahren zur Fermentierung von maximal 482 Tonnen pro Tag organischer Stoffe mit dem Ziel der Biogasgewinnung. Das erzeugte Biogas wird in der Biomethanaufbereitungsanlage mit einer Durchsatzleistung von 11 000 000 Normkubikmetern pro Jahr auf Erdgasqualität aufbereitet und in das öffentliche Gasnetz eingespeichert. Das bei der Aufbereitung dem Biogas abgeschiedene CO2 soll für den Einsatz als Kohlensäure in der Lebensmittelindustrie weiter aufbereitet werden. Die bei der anaeroben Vergärung anfallenden Gärprodukte sollen in einer HTC-Anlage zu Pflanzenkohle (Hydrokohle), die dann als Brennstoff vermarktet wird, weiterverarbeitet werden. Die Durchsatzleistung der HTC-Anlage soll 6,6 Tonnen pro Stunde betragen. Zur Beheizung der Anlage ist die Errichtung einer automatischen Hackschnitzelfeuerung mit einer Heizleistung von 2.0 MW geplant. Zum Ausgleich von Produktionsspitzen, Verbrauchsschwankungen und temperaturbedingten Volumenänderungen wird ein Biogasspeicher mit einem Fassungsvermögen von 7 116 Tonnen errichtet. Zur Anlage gehören weiterhin eine Abwasserbehandlungsanlage (biologische Kläranlage) mit einer 2. Reinigungsstufe zum Abbau des Ammoniumgehaltes (Anammoxanlage) und periphere Anlagen, wie Notfackel und PV-Anlagen. Der Standort der Anlage befindet sich im südlichen Bereich des Gewerbeparks Damsdorf innerhalb des Bebauungsplans „Gewerbegebiet Damsdorf“ der Gemeinde Kloster Lehnin. Es handelt sich dabei um eine Anlage der Nummer 8.6.2.1 GE (Biogasanlage) in Verbindung mit den Nummern 8.1.1.3 GE (HTC-Anlage), 1.16 V (Biomethanaufbereitungsanlage), 9.1.1.2 V (Biomethanspeicheranlage) und 1.2.1 V (Hackschnitzelheizung) des Anhangs 1 der Verordnung über genehmigungsbedürftige Anlagen (4. BImSchV) sowie um ein Vorhaben nach den Nummern 8.4.1.1 A, 8.1.1.2 X, 1.11.1.1 A, 9.1.1.3 S und 1.2.1 S der Anlage 1 des Gesetzes über die Umweltverträglichkeitsprüfung (UVPG). Das Vorhaben fällt gemäß § 3 der 4. BImSchV unter die Industrieemissions-Richtlinie. Beantragt ist weiterhin die Zulassung vorzeitigen Beginns gemäß § 8a BImSchG für - die Baustellenvorbereitung (Baustelleneinrichtung, Aufstellung Containeranlage, Herstellung des Trinkwasseranschlusses), - Erdarbeiten (Aushub Baugrube Keller Haupthalle und Betrieb der Wasserhaltung) sowie - Tiefbaumaßnahmen (Errichtung der Bodenplatte für Haupthalle, Errichtung Bürogebäude). Für das Vorhaben wurden darüber hinaus wasserrechtliche Erlaubnisse gemäß § 8 in Verbindung mit § 10 des Wasserhaushaltsgesetzes (WHG) zur Benutzung eines Gewässers bei der oberen Wasserbehörde des Landes Brandenburg und der unteren Wasserbehörde des Landkreises Potsdam-Mittelmark beantragt. 2 Gegenstand dieser Verfahren sind: - die bauzeitliche Grundwasserabsenkung und die Einleitung des dabei zu Tage geförderten Grundwassers (Obere Wasserbehörde) sowie - die Einleitung von Niederschlagswasser, teilweise gesammelt in ein Gewässer (untere Wasserbehörde). Die wasserrechtlichen Erlaubnisverfahren sind selbstständige, parallel zum immissionsschutzrechtlichen Genehmigungsverfahren zu führende Verfahren. Über den Antrag auf Genehmigung nach § 4 BImSchG und den Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis für die bauzeitliche Grundwasserabsenkung und die Einleitung des dabei zu Tage geförderten Grundwassers entscheidet das Landesamt für Umwelt und über den Antrag auf wasserrechtliche Erlaubnis für die Einleitung von Niederschlagswasser entscheidet der Landkreis Potsdam-Mittelmark. Für das Vorhaben besteht die Pflicht zur Durchführung einer Umweltverträglichkeitsprüfung. Die Inbetriebnahme der Anlage ist im September 2026 vorgesehen.

Entwicklung maßgeschneiderter Biokatalysatoren für die Herstellung von 2,5-Furandicarbonsäure auf Basis von Zuckern aus Lignocellulose, Teilvorhaben 2: Herstellung rekombinanter Hefestämme für die Synthese von FDCA und Etablierung von mikrobiellen Kulturen

FDCA (2,5-Furandicarbonsäure) ist eine biobasierte Alternative zu petrochemisch hergestellter Terephthalsäure, die bei der Herstellung von PET und Polyestern für die Verpackungs- und Textilindustrieverwendet wird. Eine wirtschaftliche Produktion von FDCA und seinem Polymer PEF ist bisher nicht möglich. Ziel des Gesamtprojektes ist die Entwicklung eines biotechnologischen Verfahrens zur wirtschaftlichen Herstellung von FDCA. Hierzu sollen Peroxidase-produzierende Hefestämme in Kombination mit HMF-Oxidasen eingesetzt werden, die durch Fermentation auf Lignocellulose-Zuckerlösungen hergestellt werden. Das biotechnisch synthetisierte FDCA wird durch geeignete Kristallisation- und Fällungsverfahren aufgereinigt. Schließlich soll die gesamte Prozesskette - Fermentation und Produktion der Enzyme auf Basis von LCZuckerlösungen, Biokatalyse und Produktgewinnung - im 1.000-Liter-Maßstab demonstriert und auf ihre Machbarkeit im industriellen Maßstab analysiert werden.

Anlage zur Verwertung regionaler organischer Reststoffe (Co-Fermentation)

Die seit 10 Jahren erfolgreich betriebene Biogasanlage von Herrn Weitz soll konzeptiert und erweitert werden. Neben der Gewinnung von Biogas aus Schweineguelle ist eine Verwertung organischer regionaler Abfaelle geplant. Das Ziel ist die Untersuchung eines optimierten Verfahrensablaufes und die Zusammensetzung der Zuschlagstoffe, um einen wirtschaftlichen Betrieb zu ermoeglichen.

Änderungsgenehmigung einer Biogasanlage gemäß § 16 BImSchG (Stäudtner Energie GbR)

Änderungsgenehmigung einer Anlage zur Erzeugung von Biogas, soweit nicht von Nummer 8.6 erfasst, mit einer Produktionskapazität von 1,2 Million Normkubikmetern je Jahr Rohgas oder mehr; Anlagen zur Erzeugung von Strom, Dampf, Warmwasser, Prozesswärme oder erhitztem Abgas in einer Verbrennungseinrichtung (wie Kraftwerk, Heizkraftwerk, Heizwerk, Gasturbinenanlage, Verbrennungsmotoranlage, sonstige Feuerungsanlage), einschließlich zugehöriger Dampfkessel, ausgenommen Verbrennungsmotoranlagen für Bohranlagen und Notstromaggregate, durch den Einsatz von gasförmigen Brennstoffen (insbesondere Koksofengas, Grubengas, Stahlgas, Raffineriegas, Synthesegas, Erdölgas aus der Tertiärförderung von Erdöl, Klärgas, Biogas), ausgenommen naturbelassenem Erdgas, Flüssiggas, Gasen der öffentlichen Gasversorgung oder Wasserstoff, mit einer Feuerungswärmeleistung von 1 Megawatt bis weniger als 10 Megawatt, bei Verbrennungsmotoranlagen oder Gasturbinenanlagen; Anlagen zur biologischen Behandlung, soweit nicht durch Nummer 8.5 oder 8.7 erfasst, von Gülle, soweit die Behandlung ausschließlich zur Verwertung durch anaerobe Vergärung (Biogaserzeugung) erfolgt, mit einer Durchsatzkapazität von weniger als 100 Tonnen je Tag, soweit die Produktionskapazität von Rohgas 1,2 Mio. Normkubikmetern je Jahr oder mehr beträgt und Anlagen zur Lagerung von Gülle oder Gärresten mit einer Lagerkapazität von 6 500 Kubikmetern oder mehr

Optimierung und Steuerung eines Fermentationssystems mit sequentieller Prozessfuehrung, dargestellt am System Ammonifikation-Nitrifikation

Voraussetzung fuer eine sequentielle Prozessfuehrung ist die genaue Kenntnis der reaktionskinetischen Daten fuer die einzelnen biologischen Systeme. Sie bilden die Grundlage fuer die Bemessung, Optimierung und Steuerung der Verfahrenselemente. Ausschlaggebend fuer die Wahl der Reaktortypen ist die Aufrechterhaltung optimaler Umweltbedingungen (z.B. pH-O2-Konzentration) sowie die Erhaltung einer moeglichst grossen Organismenmenge im System. Fuer die Nitrifikation sind Ruehrkessel-, Festbett- und Wirbelschichtreaktor die zu untersuchenden Alternativen. Die Loesung dieses Problems wird als Beitrag zur Leistungssteigerung von Klaeranlagen sowie zur Entwicklung einer Hochleistungsnitrifikation fuer Industrieabwaesser verstanden.

Produktion von Milch in Weide- oder Stallhaltung: Ein Verfahrensvergleich - Teilprojekt: Betriebswirtschaftliche Bewertung verschiedener Milchviehhaltungssysteme

Die Milchviehhaltung und Milcherzeugung hat für die niedersächsische Landwirtschaft eine große Bedeutung. Vor allem in den Grünlandregionen erzielen die landwirtschaftlichen Betriebe ihr Einkommen maßgeblich aus der Rinderhaltung. In der öffentlichen Wahrnehmung genießt die Milchrinderhaltung gegenüber anderen landwirtschaftlichen Nutztierhaltungen ein gutes Ansehen; positive Assoziationen der Verbraucher mit der Milchviehhaltung werden im Zusammenhang mit der Weidewirtschaft gesehen. De facto ist der Anteil von den Milchviehbetrieben, die den Tieren Weidegang erlauben, seit Jahren rückläufig. Weniger als 40 % der Kühe werden ganztägig geweidet. Die Konsequenzen des sukzessiven Übergangs von einer weidebasierten zu einer rein stallbasierten Micherzeugung werden zunehmend diskutiert; vielfach fehlen aber die Grundlagen für eine wissenschaftlich fundierte Auseinandersetzung. Ziel des Forschungsverbundes Systemvergleich Milch ist es daher, die Bedingungen und Leistungen Weide und Stall basierter Systeme grundlegend zu untersuchen. Die Untersuchungen betreffen die Tiergesundheit, das Verhalten und Wohlbefinden der Tiere, die Belastung mit Parasitosen, die Umsetzbarkeit der Futternährstoffe bei der ruminalen Fermentation, die optimierte Gestaltung der Weidewirtschaft zur Bereitstellung ausreichender Mengen und Qualitäten von Weidefutter und zur Verringerung von Nährstoffverlusten, die Konsequenzen verschiedener Milcherzeugungssysteme für Umwelt, Klima und Ressourceneffizienz, die betriebswirtschaftliche Bewertung der verschiedenen Milcherzeugungsoptionen sowie die Wahrnehmung und die Präferenzen der Konsumenten von Milch. Die wissenschaftlichen Arbeiten basieren zum einen auf einem umfassenden Betriebsvergleich in Niedersachsen, bei dem Milchviehbetriebe nach dem Grad der Weidenutzung klassifiziert und im Hinblick auf die o.g. Merkmale analysiert werden. Andererseits werden unter weitgehend kontrollierbaren Bedingungen Produktionsexperimente mit klassischen experimentellen Designs durchgeführt. Hier stehen Fragen der Verwertung der Futternährstoffe auf der Weide sowie der Leistungsfähigkeit und Ressourceneffizienz der Weidewirtschaft im Vordergrund.

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