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Biofilme erhöhen Stabilität und Effizienz der Biogaserzeugung

23.06.2015

Wissenschaftler des Potsdamer Leibniz-Instituts für Agrartechnik haben erstmalig die mikrobiellen Lebensgemeinschaften in den methanogenen Biofilmen unterschiedlicher Biogasreaktoren untersucht und charakterisiert. Neben neuen mikrobiologischen Erkenntnissen über die Zusammensetzung und Entwicklung solcher Biofilme konnten sie insbesondere die stabilisierende und effizienzsteigernde Wirkung von Biofilmen für die Biomethanisierung nachweisen. Die Ergebnisse dieser Studie wurden kürzlich veröffentlicht.

Auf allen Oberflächen im Biogasreaktor bilden sich rasch Biofilme. In diesen Biofilmen leben verschiedene Mikroorganismen, darunter gärende Bakterien und methanbildende Archaeen, in enger Symbiose. Zusammen gewährleisten sie einen effizienten Abbau von Biomasse zu Biogas.


Biofilm auf einem Aufwuchsträger aus Acrylglas 24 h nach Einbringung in den Biogasreaktor (37°C). Rot: Gesamtheit aller Bacteria/Archaea, grün: Extrazelluläre, polymere Substanzen: die Matrix.

Foto: Bergmann/ATB

In einem dreijährigen Forschungsvorhaben haben Potsdamer Forscher die Entwicklung solcher Biofilme in unterschiedlichen Reaktortypen und bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen untersucht. Das wissenschaftliche Interesse galt dabei insbesondere der Frage, wie die Entwicklung besonders effizienter Biofilme gezielt gefördert werden kann.

Eine Möglichkeit besteht darin, gezielt Aufwuchsträger in die Reaktoren einzubringen, beispielsweise Festkörper aus Kunststoff wie sie in der Abwasserwirtschaft eingesetzt werden. Das Einbringen von zusätzlichen Aufwuchsflächen bewirkte in allen untersuchten Biogasanlagen eine Stabilisierung der Gärsäureproduktion und der Methanbildung.

Insbesondere bei mittleren Betriebstemperaturen (37°C) konnte im Vergleich zu der Kontrolle ohne zusätzliche Aufwuchsflächen eine deutliche Erhöhung sowohl der Biogasbildung insgesamt als auch des Gehalts an Methan erreicht werden.

Entscheidend für die Ansiedlung einer effizienten mikrobiellen Gemeinschaft sind vor allem die Materialeigenschaften der Aufwuchsträger. Von den getesteten Werkstoffen, u. a. Polyvinylchlorid, Polypropylen, Polyethylen und Polyurethan, erwies sich Acrylglas für die Nutzung als Aufwuchsträger am besten geeignet.

Auch auf magnetischen Aufwuchsträgern, die mitsamt ihrer mikrobiellen Beladung gut im System zurückgehalten werden können, etablierten sich Biofilme erfolgreich. Insgesamt beeinflussen die Oberflächenrauigkeit des Materials und die Temperatur des Prozesses die mikrobielle Besiedlung.

Überraschend für die Wissenschaftler war, dass innerhalb eines Biogasreaktors unterschiedliche Biofilme mit unterschiedlichen Arten von Mikroorganismen und Stoffwechselleistungen vorliegen können. „Wir vermuten, dass über die Materialeigenschaften der Aufwuchsträger die Struktur der Biofilme und damit auch die Leistung des Biogasreaktors positiv beeinflusst werden kann“, so Dr. Ingo Bergmann, einer der Autoren der Studie.

Projektleiter Dr. Michael Klocke unterstreicht die Relevanz der Ergebnisse: „Unsere Forschungsergebnisse zeigen einen Weg zur weiteren Optimierung von Biogasreaktoren auf. Durch die Bereitstellung von geeigneten Aufwuchsflächen lässt sich die Biogas-Mikrobiologie gezielt steuern. Ziel muss die Ansiedlung besonders effizienter mikrobieller Gemeinschaften im Biogasreaktor sein, um eine optimale Prozesseffizienz zu erreichen.“

Am Leibniz-Institut für Agrartechnik wurden in den letzten Jahren verschiedene Biofilm-basierte Reaktorlösungen entwickelt und in Labor und Praxis erprobt. Wesentlich für solche Verfahren ist die räumliche Trennung von Aufschluss und Abbau der Biomasse von der eigentlichen Methanbildung. „Solche mehrstufigen Systeme sollten unbedingt verstärkt Anwendung in der Praxis finden. Dabei sind die symbiotischen Beziehungen zwischen den Mikroorganismen in den Biofilmen für die Stabilität des Prozesses und die Leistungsfähigkeit der Biogasbildung entscheidend“, fasst Dr. Michael Klocke die Ergebnisse zusammen.

Der anaerobe Abbau von pflanzlicher Biomasse zu Biogas wird durch zwei Gruppen von Mikroorganismen durchgeführt. Fermentative Bakterien katalysieren den Abbau der in der Biomasse enthaltenen hochmolekularen Verbindungen zu kurzkettigen Carbonsäuren sowie Gasen wie molekularem Wasserstoff und Kohlendioxid. Diese Abbauprodukte sind wiederum die Ausgangssubstrate für die eigentlichen Produzenten der energetischen Komponente im Biogas, des Methans. Zur Bildung von Methan sind nur einige wenige, hoch spezialisierte Vertreter aus der Gruppe der Archaeen befähigt.

Das Projekt „Biofilme in Biogasanlagen - Struktur, Einfluss auf die Biogasausbeute und Optimierung technischer Systeme zur Rückhaltung der mikrobiellen Biomasse" wurde im Rahmen des Förderprogramms „Nachwachsende Rohstoffe“ vom Bundesministerium für Ernährung und Verbraucherschutz (BMEL) finanziell gefördert und durch den Projektträger Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR) unterstützt.

Literatur:
Bergmann, I., & Klocke, M. (2015): Biofilme in Biogasanlagen - Struktur, Einfluss auf die Biogasausbeute und Optimierung technischer Systeme zur Rückhaltung der mikrobiellen Biomasse. Schlussbericht zum Forschungsverbund BIOGAS-BIOFILM. Bornimer Agrartechnische Berichte, Heft 87, Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim, 164 S.
Der Bericht ist online verfügbar unter: http://www.atb-potsdam.de/fileadmin/docs/BABs/Heft_87_k.pdf sowie in der FNR-Projektdatenbank http://www.fnr.de/projekte-foerderung/projekte/ unter dem Förderkennzeichen 22016308.

Kontakt:
Dr. Michael Klocke - Abteilung Bioverfahrenstechnik
Tel.: 0331 5699-113, E-Mail: mklocke@atb-potsdam.de

Helene Foltan – Öffentlichkeitsarbeit
Tel.: 0331 5699-820, E-Mail: hfoltan@atb-potsdam.de

Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V.
Max-Eyth-Allee 100, 14469 Potsdam
http://www.atb-potsdam.de

Das Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e. V. (ATB) ist ein europäisches Zentrum agrartechnischer Forschung an der Schnittstelle von biologischen und technischen Systemen. Unsere Forschung zielt auf eine wissensbasierte Bioökonomie. Hierfür entwickeln wir hochinnovative und effiziente Technologien zur Nutzung natürlicher Ressourcen in landwirtschaftlichen Produktionssystemen - von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung.

Helene Foltan | idw - Informationsdienst Wissenschaft

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