Forschungsbericht 2005
Einsatz (extrem) thermophiler Mikroorganismen zur biologischen Wasserstofferzeugung aus biogenen Roh- und Reststoffen
Bild: Versuchssystem zur fermentativen Erzeugung von Biowasserstoff, bestehend aus einem Messwertrechner, Gasanalyseschrank, Bioreaktor und Dampferzeuger (v.l.n.r.) WISSENSCHAFTLICHE KONTAKTE UND KOOPERATIONEN:
ZIEL Im Rahmen des Forschungsvorhabens werden aus verschiedenen (in erster Linie landwirtschaftlichen) Roh- bzw. Reststoffen möglichst hohe Mengen an Wasserstoff bzw. ein möglichst wasserstoffreicher Gasstrom produziert. Gesamtziel des Projekts ist die mikrobielle, substratspezifische und verfahrenstechnische Entwicklung und Optimierung eines Systems zur fermentativen Erzeugung von Bio-Wasserstoff (Bio-H2). Für die fermentative H2-Erzeugung kommen als Substrat zum einen sogenannte Energiepflanzen oder Nachwachsende Rohstoffe (z.B. Mais oder Zuckerrüben) in Frage. Eine weitere Substratquelle stellen landwirtschaftliche oder industrielle Abfälle dar, die normalerweise kostenintensiv zu entsorgen wären, durch eine energetische Nutzung aber einen wirtschaftlichen Nutzen erbringen. Dazu zählen Ernteüberschüsse oder Reststoffe aus der Verarbeitung von Kartoffeln und Zuckerrüben, sowie Reststoffe aus der Stärkeproduktion und -verarbeitung. Die umzusetzenden Substrate werden unter Animpfung mit (extrem) thermophilen Spezialisten- bzw. Mischkulturen in die (extrem) thermophile (60° - 80°C) H2-Stufe eingebracht, die weitgehend einer Versäuerungsstufe entspricht. Die hohe Prozesstemperatur hat den Vorteil einer natürlichen Selektion der Mikroorganismen zu Gunsten der H2-Bildner und einer gleichzeitigen Hygienisierung der Substrate nach der Bioabfallverordnung (BioAbfV, 1998). INHALT Im ersten Projektjahr wurden potentielle Substrate und Mikroorganismen zum Animpfen des Prozesses ausgewählt. Anschließend wurden diese in Laborversuchen auf ihre Potentiale zur biologischen H2-Bildung untersucht. Hierbei wurden auch erforderliche Vorbehandlungsmaßnahmen entwickelt und optimiert, wie z.B. eine Hitzevorbehandlung der Inokulums Klärschlamm. Auf Grundlage gaschromatographischer Analysen der Gasphase werden Rückschlüsse auf optimale Milieu- und Betriebsbedingungen zur biologischen Wasserstoffbildung im Batchbetrieb getroffen. Als Testsystem wird zum einen das Sensomat-System (630 ml Volumen) eingesetzt. Außerdem werden Untersuchungen im Anaeroben Testsystem ATS (5 l Volumen) durchgeführt, das gegenüber dem manometrisch betriebenen Sensomat-System ein volumetrisches Testsystem mit kontinuierlicher Gasabfuhr ist. Parallel zu den Versuchen im Sensomat- und Anaeroben Testsystem werden Untersuchungen in einem Anaerob-Bioreaktor (30 l Volumen) durchgeführt. Dieser ermöglicht u.a. eine dis-/kontinuierliche Substratbeschickung, Erfassung und Steuerung des pH-Wertes, in-situ Sterilisation sowie eine Online-Gasanalytik. Basierend auf den Ergebnissen der Versuche werden weitere Optimierungen der Milieu- und Betriebsbedingungen erfolgen. Wichtige Einflussgrößen sind substrat- und verfahrensspezifische, sowie mikrobielle Parameter. ZWISCHENERGEBNISSE Die durchgeführten Untersuchungen zur fermentativen Erzeugung von Bio-Wasserstoff im Labormaßstab (500 ml - 30 l) zeigen beachtliche spezifische H2-Produktionsraten von bis zu 220 Nml H2/g oTS. Das im Rahmen der Versuche gebildete Biogas besteht bei optimalen Prozessbedingungen nur aus Wasserstoff und Kohlendioxid, wobei der H2-Anteil mit einem Wert von bis zu 60 Vol.-% in der Regel über dem des CO2 liegt. Neben dem Modellsubstrat Glukose zeigen verschiedene biogene Stoffe (wie Zucker-, Futterrübe, Kartoffel, Mais) ein hohes Potential als Substratquelle für die fermentative Erzeugung von Bio-Wasserstoff. Außerdem konnte aus einem mit Klärschlamm angeimpften System ein neuer wasserstoffproduzierender Stamm namens Thermoanaerobacterium hydrogenicum isoliert werden, der momentan untersucht wird. Weitere Informationen zu diesem Forschungsprojekt können Sie hier bekommenPublikationen
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