Abteilung für Qualitätssicherung und Untersuchungswesen
Jahresbericht 2016/2017 – Mikrobiologische Methanisierung in anaeroben Rieselbettreaktoren
Der Übergang zur Versorgung mit volatilen regenerativen Energien erfordert, dass eine saisonale bzw. temporäre Überschussproduktion zur Netzstabilisierung auch im landwirtschaftlichen Bereich genutzt wird. Während physikalisch/chemische Stromspeicher- und Umsetzungstechnologien wenig effizient sind, kann elektrolytisch erzeugter Wasserstoff (H2) mit externem Kohlendioxid (CO2) z.B. aus industriellen Prozessen mikrobiologisch höchst effizient zu Methan (CH4) umgesetzt und mit deutlich reduziertem Reinigungsaufwand ins Gasnetz eingespeist und gespeichert werden.
Im Rahmen des F+E-Verbundvorhabens „MikMeth“ wurde die thermophile biologische Methanisierung in Rieselbettreaktoren durch Mischbiozönosen zu unterschiedlichen Betriebsbedingungen untersucht. Ziel des Verbundvorhabens war es, H2 und CO2 im Rieselbettverfahren effizient zu CH4 umzusetzen und die für den Prozess relevanten (Gruppen von) Mikroorganismen zu identifizieren.
Methode
Zwei 58 L Rieselbettreaktoren wurden mit einer mesophilen Mischbiozönose aus dem Faulbehälter einer Kläranlage (MMT1) bzw. aus dem Nachgärer einer landwirtschaftlichen Biogasanlage inokuliert (MMT2) und thermophil (55°C) für 26 bzw. 14 Monate betrieben. Die mikrobielle Zusammensetzung der Biozönosen und ihre metabolische Aktivität wurden mit speziell hierfür entwickelten (auch quantitativen) PCR-basierten Methoden zu unterschiedlichen Prozesszuständen analysiert.
Ergebnisse
Zoombild vorhanden
Rieselbettreaktoren MMT1 und MMT2
MMT1 und MMT2 wurden im Langzeitbetrieb nahezu störungsfrei betrieben und lieferten wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der erforderlichen Nährstoffversorgung, der mikrobiellen Gesellschaftszusammensetzung für eine Prozessdiagnose und der Schwarzstartfähigkeit in unterschiedlichen Start-Stop-Betriebsszenarien für die Weiterentwicklung und ein zukünftiges Upscaling. Mit kontinuierlicher Gaszufuhr wurde eine stabile und hochreine Gasproduktion (> 95% Methan) von bis zu 15,4 m³ CH4 * (m³ Rieselbett * d)-1 erreicht.
Trotz unterschiedlicher Ausgangsinokula entwickelten sich sehr ähnliche, nur in der Mikrodiversität verschiedene mikrobielle Biozönosen insbesondere mit Methanothermobacter spp. als methanogener Leistungsträger. Daneben baute sich offenbar infolge thermodynamischer Prozessverschiebungen ein breites Spektrum verschiedener Bacteria mit Funktionen in der reduktiven Acetogenese, der syntrophen Intermediat-Oxidation und dem bakteriellen Elektronentransfer auf, das als Puffer (Nährstoff- und Energiequelle) in Stillstands- und Schwachlastphasen dienen kann.
Die Etablierung des MikMeth-Prozesses in einem thermophilen anaeroben Rieselbettreaktor ist eine innovative und in vielen Aspekten effizientere Alternative zu anderen biologischen und physikalisch-chemischen Ansätzen zur Methanproduktion aus Überschussstrom.
Trotz unterschiedlicher Ausgangsinokula entwickelten sich sehr ähnliche, nur in der Mikrodiversität verschiedene mikrobielle Biozönosen insbesondere mit Methanothermobacter spp. als methanogener Leistungsträger. Daneben baute sich offenbar infolge thermodynamischer Prozessverschiebungen ein breites Spektrum verschiedener Bacteria mit Funktionen in der reduktiven Acetogenese, der syntrophen Intermediat-Oxidation und dem bakteriellen Elektronentransfer auf, das als Puffer (Nährstoff- und Energiequelle) in Stillstands- und Schwachlastphasen dienen kann.
Die Etablierung des MikMeth-Prozesses in einem thermophilen anaeroben Rieselbettreaktor ist eine innovative und in vielen Aspekten effizientere Alternative zu anderen biologischen und physikalisch-chemischen Ansätzen zur Methanproduktion aus Überschussstrom.