Verbundvorhaben: Bioraffinerie-Modul zum gerichtet-fermentativen Aufschluss von Biomasse (FABES-Modul) - TP 2

FABES- Bioraffinerie-Modul zum gerichtet-fermentativen Aufschluss von Biomasse für eine kombinierte energetische und stoffliche Verwertung

Teilvorhaben TP2: Mikrobiologische Optimierung der Hydrolyse

Die energetische und stoffliche Verwertung lignocellulosereicher landwirtschaftlicher Reststoffe gewinnt zunehmend an Bedeutung. Um sie effizient zu gestalten, muss insbesondere der erste Abbauschritt, die Hydrolyse, optimiert werden.
Im Teilprojekt 2 des Verbundvorhabens FABES werden verfahrenstechnische, biochemische und mikrobiologische Maßnahmen zur Optimierung der Hydrolysephase in der Vergärung einer Mischung aus Stroh und Heu getestet. Gleichzeitig wird untersucht, welche Mikroorganismen in den Prozessen am meisten vertreten und welche am aktivsten sind.

Für eine möglichst effiziente H/A (Säureproduktion, Faserabbau) einer Mischung aus Stroh/Heu (50% / 50%) wurden mehrstufig-/mehrphasige Verfahrenskonzepte mit verschiedener Reaktorkonfiguration im Batch- und im Durchflussbetrieb zu unterschiedlichen Bedingungen geprüft (prozesschemische Analysen der Substrate, Gärgemische und Gärprodukte):

• in Batch-Versuchsanlagen (530 mL) mit standardisiertem Inokulum im „in sacco-Verfahren“
• in Durchfluss-Versuchsanlagen (H/A-Stufe, 40 L bzw. 6 L bei 38°C, 45°C und 55°C bzw. 60°C; Methanstufe 70 L bzw. 40 L bei 38°C) mit täglicher Fütterung und Separierung der H/A-Phase
• Inokulation mit spezifisch selektierten Bakterien für die thermophile H/A-Phase
  
• Einsatz temperaturspezifisch für die H/A-Phase entwickelter Enzympräparate

Im Bereich Mikro- und Molekularbiologie kamen zum Einsatz:

• Sequenzierung der Bacteria in den H/A-Phasen sowie Entwicklung und Einsatz von reverse-transcription Real-Time PCR Systemen (RT-qPCR) für die häufigsten Vertreter in den Versuchsanlagen der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft und im FABES-Modul der Universität Hohenheim
  
• Vergleich der bakteriellen Populationszusammensetzung (Amplikon- / Metagenom-Sequenzierung) in den meso- und thermophilen H/A-Phasen mit bioinformatischen Routinen
  

• Bereich Verfahrenstechnik
• Bereich Mikro- und Molekularbiologie:

Zoombild vorhanden

Einfluss von pH-Wert und Temperatur

Die Schlüsselgrößen zur Hydrolyse der festen Phase waren der pH-Wert und die Temperatur. Bei höheren pH-Werten und 45°C war die Abbaurate am höchsten (s. Abbildung). Leicht abbaubare Inhaltstoffe wie Stärke, Zucker, Rohfett und Rohprotein wurden zwischen pH 4,6 und pH 7,2 nahezu vollständig in eine flüssige Phase abgebaut. Hemicellulose und Cellulose verblieben weniger angegriffen in einer festen Phase. Bei den höheren pH-Werten war der Abbau der Cellulose tendenziell intensiver.
Der Zusatz des flüssigen Hydrolysats in die Methanstufe ergab eine gesamte Methanausbeute von 132 L_N * kg_oTS^-1 mit Methangehalten um 80% bei 54 d Verweilzeit. Bei Zusatz der flüssigen und festen H/A-Phase in die Methanstufe lag die gesamte Methanausbeute mit 190 L_N * kg_oTS^-1 höher, der Methangehalt mit 60% aber niedriger.

Im Durchflussversuch ergab sich keine erkennbare Verbesserung der Methanproduktion durch Enzymzugabe. Während die Inokulation mit selektierten h/a-Bakterien den Substratabbau im Batchansatz leicht verbesserte, war auch bei mehrmaliger Inokulation keine Verbesserung des Aufschlusses der separierten festen H/A-Phase nachzuweisen.

Den Sequenzierungen der ribosomalen 16S DNA zufolge waren die bakteriellen Populationen in einstufig und zweiphasig betriebenen Fermentern verschieden. Weiterhin unterschieden sie sich stark bei unterschiedlicher Temperaturführung. In allen Proben dominierten Vertreter der Ordnungen Clostridiales, Bacteroidales waren nur im mesophilen Betrieb stark vertreten.

Für die quantitativen Untersuchungen auf DNA- und RNA-Ebene wurden gruppenspezifische Real-Time qPCR-Systeme entwickelt. Die Untersuchungen ergaben mit etwa 10¹⁰ Bacteria / mL ähnliche Populationsdichten in den Hydrolyse- und den einstufig betriebenen Fermentern. Bei thermophilem Betrieb waren bestimmte Vertreter der Familien Ruminococcaceae und Syntrophomonadaceae/Thermoanaerobacteraceae am aktivsten.

Der Vergleich der bakteriellen Populationszusammensetzung (Amplikon- / Metagenom-Sequenzierung) ergab angesichts statistischer Unsicherheit jeweils für die meso- und thermophilen H/A-Phasen sehr ähnliche Profile. Der Einsatz der PCR hatte demnach das erhaltene Populationsprofil nicht wesentlich verzerrt.

Projektinformation
Projektleitung: Dr. Michael Lebuhn, Dr. Andreas Weber
Projektbearbeitung: Carmen Marín Pérez, Vasileios Dandikas, Dr. Christoph Bauer, Elena Madge-Pimentel, Dr. Michael Lebuhn
Laufzeit: 2009 - 2012

Finanzierung: Gefördert vom BMBF über den Projektträger Jülich (Förderinitiative BioEnergie 2021)

Projektpartner:
Institut für Agrar- und Stadtökologische Projekte an der Humboldt-Universität zu Berlin; Universität Hohenheim, Landesanstalt für Landwirtschaftliches Maschinen- und Bauwesen; Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V., Abteilung Bioverfahrenstechnik; Johann Wolfgang Goethe-Universität Frankfurt am Main, Goethe-Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen; BIOPRACT GmbH Mikrobielle Präparate, Biotechnologische Verfahren, Boden- und Gewässersanierung Berlin; PILZHOF Dr. SCHULZ Werneuchen; AVAT Automation GmbH Tübingen