Erkennen und Beheben von Prozessstörungen in Biogasanlagen

Hilke Würdemann, Anne Kleyböcker, Marietta Liebrich, Tobias Lienen, Stephanie Lerm, Rona Miethling-Graff, Martin Wittmaier, Manuel Brehmer, Matthias Kraume

Erkennen und Beheben von Prozessstörungen in Biogasanlagen

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Erkennen und Beheben von Prozessstörungen in Biogas anlagen

Hilke Würdemann, Anne Kleyböcker, Marietta Liebrich, Tobias Lienen, Stephanie Lerm, Rona Miethling-Graff; Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Potsdam Martin Wittmaier; Institut für Energie und Kreislaufwirtschaft, Hochschule Bremen Manuel Brehmer, Matthias Kraume; Fachgebiet Verfahrenstechnik, TU Berlin 1 Kurzfassung

Für eine verstärkte Verwertung von Rest- und Abfallstoffen in Biogasanlagen wird ein zuverlässiges, technologisch flexibles System benötigt, da Substratumstellungen Störungen wie Übersäuerung, Schaum und Schwimmschichten verursachen können, die die Durchmischung und / oder die effektive Ausnutzung der Anlage beeinträchti-gen. Zudem treten aufgrund unvorteilhaft geregelter Umwälzungen, Dosier- und Ab-zugseinheiten in Biogasanlagen regelmäßig Kurzschlussströme auf. Eine Tracer-studie zeigt, dass im Extremfall bis zu 72 % des zugeführten Substrats direkt nach einer Dosierung abgezogen wurde. Im Durchschnitt lagen die Verluste in den unter-suchten Anlagen zwischen 16 % und 33 % der maximalen Methanausbeute.

Als Beitrag zur Steigerung der Anlageneffizienz wurden verschiedene Prozessstö-rungen an großtechnischen Biogasanlagen analysiert und in Laborfermentern simu-liert, um den Prozess unter kontrollierten Bedingungen zu studieren und Gegenmaß-nahmen zu entwickeln. Es wurde ein Frühwarnindikator entwickelt, der bereits zwi-schen drei und sieben Tagen vor dem Eintreten auf eine Übersäuerung hinweist. Dieser Zeitraum ist für die Einleitung von Gegenmaßnahmen zur Stabilisierung des Prozesses ausreichend. Unter Einsatz des Indikators wurde eine stufenweise Erhö-hung der Raumbelastung vorgenommen. Dabei diente der Frühwarnindikator zur Steuerung der Additiv-Zugabe. In verschiedenen Laborversuchen konnten Raumbe-lastungen von 6,0 und 9,5 kg oTS m-3 d-1 mit Fettanteilen von bis 87 % bei Methan-ausbeuten von 0,9 m³ (kg oTS)-1 erfolgreich gefahren werden. Ein Zeitintervall von 8 Tagen zwischen zwei Erhöhungen der Substratfracht erwies sich als notwendig, um die Methanausbeute im Erwartungsbereich zu halten. Neben den Untersuchungen zur Steigerung der Raumbelastung wurde auch ein Schaumereignis an einer Biogasanlage untersucht. Genetische Fingerprint-Analysen zur Charakterisierung der mikrobiellen Biozönose in einer im Winter zur Schaumbil-dung neigenden Biogasanlage wiesen auf die Beteiligung des fädigen Candidatus Microthrix parvicella an der Schaumbildung bzw. Schaumstabilisierung hin, während der ebenfalls im Schaum dominant auftretende Candidatus Cloacamonas acidaminovorans vermutlich mit hohen Proteingehalten korreliert war und daher als Indikatororganismus für ein erhöhtes Schaumbildungspotential fungieren könnte. 2 Einleitung Für den verstärkten Einsatz von Rest- und Abfallstoffen wird ein technologisch flexib-les System benötigt, da die Verfügbarkeit von Rest- und Abfallstoffen stark variieren kann. Jede Substratumstellung kann Prozessstörungen wie Schaum und Schwimm-schichten sowie Übersäuerung im Biogasreaktor verursachen. Diese Störungen kön-nen zu einer verminderten Anlagenausnutzung oder gar zu wochenlangen Ausfällen der Biogasproduktion führen und wirken sich somit negativ auf die Wirtschaftlichkeit



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einer Anlage aus (Balussou et al. subm.). Darüber hinaus haben Störungen auch negative Auswirkungen auf die Ökobilanz einer Anlage.

Kurzschlussströme, Stagnationszonen und Totzonen im Gärreaktor sind häufige Phänomene, die jedoch in der Regel unbemerkt bleiben oder zumindest nicht genau beschrieben werden können. Sie können die Effizienz einer Biogasanlage erheblich mindern und führen zu ungenutzten Restgaspotentialen im Gärrest. Neben einer Ver-ringerung der Energieausbeute kann es auch zu hygienischen Problemen kommen. Die Bioabfallverordnung (BioAbfV) eröffnet die Möglichkeit, durch eine thermophile Betriebsweise auch während der Fermentation zu hygienisieren. Die Abfallmatrix muss dabei so behandelt werden, dass in der Hygienisierungsstufe (im Fermenter) eine Mindesttemperatur von 55 °C über einen zusamme nhängenden Zeitraum von 24 Stunden erreicht wird sowie eine hydraulische Verweilzeit im Reaktor von mindes-tens 20 Tagen gewährleistet ist. Unzureichend hygienisierte Gärreste sind als Vektor für die Verbreitung von Krankheitserregern anzusehen. Die Durchmischung eines Reaktors hat daher einen entscheidenden Einfluss auf die Güte des Prozesses. Um den flexiblen Einsatz von Rest- und Abfallstoffen sowohl unter hygienischen und wirtschaftlichen als auch unter ökologischen Gesichtspunkten zu ermöglichen, ist es wichtig, die Biogastechnologie technologisch zu optimieren. Ziel der hier vorgestellten Untersuchungen ist die Entwicklung von Handlungsemp-fehlungen für einen flexibleren und effektiveren Anlagenbetrieb. Verfahren zur Cha-rakterisierung der Durchmischung wurden dazu eingesetzt, ungenutzte Leistungspo-tentiale in Biogasanlagen aufzudecken, um diese mit einer geeigneten Prozesssteue-rung besser auszuschöpfen. Weil Biogasreaktoren bei einer Substratüberfrachtung schnell übersäuern, sind sie in der Regel weniger ausgelastet als technisch möglich. Daher liegen die Raumbelastungen in der Praxis für volldurchmischte Reaktoren nur zwischen 1 und 4 kg oTR m-3 d-1. Um höhere Raumbelastungen fahren zu können, werden Frühwarnindikatoren für das Einsetzen einer Übersäuerung entwickelt. Grundlegende Untersuchungen zum Prozess und zur Prozessstabilisierung dienen dazu, das Prozessverständnis zu verbessern und tragen dazu bei, Handlungsemp-fehlungen für einen optimierten Betrieb zu entwickeln. 3 Charakterisierung der Durchmischung in Biogasanla gen Zur Bestimmung des Verweilzeitverhaltens in Biogasanlagen wird das Substrat mit einer definierten Menge eines Tracers markiert und anschließend die Zeitspanne bis zum Nachweis des Tracers im Output der Anlage und der Verlauf der Konzentra-tionsabnahme bestimmt. Tracerstudien liefern auch Aufschluss über das Zusam-menwirken von Fermenter- und Rührwerksdesign sowie der Rührwerksbetriebswei-se. Mit Hilfe dieses Verfahrens wurde die Durchmischung an zwei großtechnischen Biogasanlagen charakterisiert. Die Ergebnisse der Tracerstudie konnten mit Hilfe von Modellen, die eine Kompartimentierung im Reaktor simulieren, erfolgreich abgebildet werden. Das Verweilzeitverhalten der füllstandsgeregelten Reaktoren war abhängig davon, zu welchem Zeitpunkt nach der Substratzufuhr der Gärrestabzug ausgelöst wurde. Im Extremfall wurden bis zu 72 % des zugeführten Substrats direkt nach einer Dosierung abgezogen und verminderten entsprechend die Methanausbeute (Kleyböcker et al. 2007). An einer großtechnischen Biogasanlage machten das im Durchschnitt 33 % (Reaktor 1) und 16 % (Reaktor 2) Verlust in der Methanausbeute aus (Kleyböcker et al. a, in prep.).



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Bei Untersuchungen an einer weiteren Anlage zeigte der in der Umwälzung beo-bachtete Verlauf der Tracerkonzentration, dass Substrat und Tracer schon 5 min nach Dosierung den Reaktor von oben nach unten über eine Distanz von ca. 30 m durchströmt hatten. Im Rahmen einer CFD-Simulation zur Abbildung des Strö-mungsverhaltens wurden die auftretenden Stagnationszonen lokalisiert und visuali-siert. Der Einfluss des Viskositätsverhaltens des Klärschlamms auf das Geschwin-digkeitsprofil ist im Vergleich zu dem von Wasser in Abbildung 1 dargestellt. Zur Be-rechnung der Geschwindigkeitsfelder wurde dabei auf die unter Einsatz eines lami-naren Strömungsrohrs experimentell ermittelten rheologischen Werte des Gärsub-strats zurückgegriffen. CFD-Simulationen ohne Berücksichtigung der komplexen Rheologie würden daher zu erheblichen Fehlern führen (Brehmer et al., in prep.).

Um Produktionsausfälle durch defekte Rührwerke und kostspielige Reparaturen zu vermeiden, werden zunehmend externe Pumpen für die Umwälzung der Gärsubstra-te eingesetzt. Wie diese CFD-Simulation und die Tracerstudie jedoch zeigen, stehen dem Vorteil einer vereinfachten Wartungsmöglichkeit das erhöhte Risiko einer Aus-bildung von größeren Stagnationsvolumina und somit einer deutlich reduzierten Me-thanausbeute entgegen.

Abbildung 1: Momentaufnahme des Strömungsprofils in einer großte chnischen Bi o-

gasanlage unter Zugrundelegung der Viskosität von K lärschlamm (links) & Wasser (rechts)



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Ein Vergleich der gemessenen Tracerkonzentrationen im Ablauf des Biogasreaktors mit den berechneten Konzentrationen am Auslass eines ideal durchmischten Rühr-kessels zeigt, dass die Durchmischung des Biogasreaktors unter Annahme einer Stagnationszone (62,5 % des Reaktorvolumens) und einer dynamischen Zone (37,5 % des Reaktorvolumens) simuliert werden kann. In der dynamischen Zone führt die niedrige Verweilzeit von etwa 4 Tagen zu einem vorzeitigen Substrataustrag. Dem Modell entsprechend werden 19 % des täglich zu-geführten Substrates innerhalb eines Tages wieder abgezogen. Wäre der Reaktor dagegen ideal durchmischt, würden nur 11 % des frischen Substrats ausgetragen werden. Dementsprechend gehen an dieser Anlage täglich 8 % des Substrats zur Erzeugung von Energie verloren. 4 Änderungen in der Zusammensetzung der mikrobielle n Biozönose im

Zuge von Übersäuerungen Um das sog. „Umkippen“ des Fermentationsprozesses gezielt herbeizuführen, wur-den zwei über einen Zeitraum von etwa einem Jahr kontinuierlich betriebene Labor-reaktoren (Gärschlammvolumen 22 L) - ihre Inbetriebnahme erfolgte im Abstand von zwei Monaten - organischen Stoßbelastungen durch Rapsöl (hoher Anteil langkettiger Fettsäuren) ausgesetzt. Nach Zugabe der vierfachen Tagesdosis Rapsöl brach die Gasproduktion des ersten Reaktors (Reaktor 1) innerhalb von zwei Tagen ein. Im Gegensatz dazu übersäuerte der Zweite erst nach Zugabe der zwölffachen Tagesdosis, wobei sukzessive über einen Zeitraum von 16 Tagen die Tagesdosis von Faktor 4 auf Faktor 12 gesteigert wurde. Der sog. Umkippprozess trat bei beiden Reaktoren nach einer Akkumulation von ca. 2000 mg L-1 organischen Säuren ein. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass mikrobielle Biozönosen – selbst bei gleicher Quelle für das Animpfmaterial und Parallelbetrieb – unterschiedlich tolerant gegen-über Stoßbelastungen sein können. Um dieses Phänomen genauer zu erforschen, wurde die mikrobielle Biozönose mit Hilfe eines genetischen „Fingerprinting“-Verfahrens zur Erfassung der dominanten Spezies charakterisiert (Polymerase chain reaction - single-strand conformation polymorphism, PCR-SSCP). Eine Clusteranalyse (Gelcompar) ergab eine um 13% unterschiedliche Zusammensetzung der Biozönosen bezüglich der Gruppe der Bacteria in den einzelnen Reaktoren. Die gefundenen Organismen konnten den hydrolytischen, acidogenen und acetogenen Mikroorganismen zugeordnet werden. Bei der Gruppe der Methanbildner (Archaea) kann zwischen acetoclastischen und hydrogenotrophen Methanogenen unterschieden werden. Während es in Reaktor 2 neben den acetoclastischen Methanbildnern auch verschiedene hydrogenotrophe Mikroorganismen gab, dominierten in Reaktor 1 acetoclastische Methanbildner. Im Zuge der Übersäuerung nahm die Bedeutung der hydrogenotrophen Methanbildner in Reaktor 2 zu. Die unter konstanten Prozessbedingungen vorliegende Vielfalt der Archaea in einer Biozönose scheint somit einen entscheidenden Einfluss auf die Störanfälligkeit eines Biogasreaktors zu haben und könnte ein Grund für die höhere Toleranz gegenüber Prozessstörungen in Reaktor 2 sein (Lerm et al. subm.).



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Bande Klasse Nächster phylogenetischer Verwandter (GenBank accession number) Ähnlichkeit [%]

1 Methanobacteria Methanobacterium formicicum -ähnliches archaeon, (DQ649309) 98

2 Methanomicrobia Methanospirillum hungatei -ähnliches archaeon, (AY196683) 98

3 uncultured Methanospirillum sp., clone DI_G07, (AY454788) 99

4 Methanosarcina thermophila -ähnliches archaeon, (M59140) 99

5 Methanoculleus receptaculi -ähnliches archaeon, (DQ787476) 99

Abbildung 2: Einfluss von Stossbelastungen auf die mikrobielle Biozönose (Archaea):

Vergleich der Biozönose von zwei Laborreaktoren vor und nach einer Übersäuerung mit Hilfe eines molekularbiologischen „Fingerprinting“- Verfahrens (Vergleich der 16S rDNA, PCR-SSCP Analys e mit spezifi-schen Archaea-Primern)



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5 Frühwarnindikator zur Vermeidung von Prozessstöru ngen Zur Entwicklung eines Frühwarnindikators wurden weitere Übersäuerungen durch Substratüberfrachtungen im Labormaßstab gezielt herbeigeführt. Während einer Übersäuerung konnten deutliche Änderungen der Verläufe verschiedener Parameter wie der Gasproduktion, dem pH-Wert, den Gaskomponenten (CH4, CO2, H2), den kurzkettigen Säuren (CH2O2 bis C5H10O2) und dem Phosphat beobachtet werden. Diese Parameter reagierten jedoch erst eindeutig, wenn der Gärschlamm bereits übersäuert war. Das Verhältnis aus dem Gehalt der organischen Säuren zur Calciumkonzentration zeigte hingegen schon signifikante Änderungen in seinem Ver-lauf, bevor eine Übersäuerung eintrat (Patent, Kleyböcker et al. b, in prep.). So indi-ziert der Anstieg des Verhältnisses zwischen organischen Säuren und Ca2+ eine Übersäuerung bereits zwischen drei und sieben Tagen vor deren Eintreten (vgl. Kap. 6). Unabhängig von der absoluten Calciumkonzentration kann der Anstieg des Früh-warnindikators um seinen 2- bis 3-fachen Ausgangswert als Warnsignal interpretiert werden. In Abbildung 3 ist ein typisches Beispiel für den Verlauf dargestellt.

0 5 10 15 20Zeit [d]

0

3000

6000

9000

org.

Säu

ren

[mg

L-1]

0

50

100

150

200

org.

Säu

ren

/ Cal

cium

[ - ]

org. SäurenGasbildungsrateorg. Säuren / Calcium

0

0.75

1.5

2.25

3

Gas

bild

ungs

rate

[L h

-1]

Abbildung 3: Organische Säuren, Gasbildungsrate und das Verhältnis der organi-schen Säuren zu Calcium vor und während einer kontr olliert herbei-geführten Übersäuerung als typisches Beispiel für d en Konzentrations-verlauf

Untersuchungen zur Zusammensetzung der kurzkettigen organischen Säuren wäh-rend einer Übersäuerung zeigten, dass sich stets zuerst Essigsäure und dann Propionsäure akkumulierte. Die beiden Säuren bildeten mit > 50 % den größten An-teil der kurzkettigen organischen Säuren.



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Gleichzeitig war jede Übersäuerung von einer starken Zunahme der Phosphatkon-zentration gekennzeichnet, die auf die Freisetzung des gespeicherten Polyphosphats durch Phosphat-akkumulierende Mikroorganismen (PAO) zurückgeführt werden konnte (Kleyböcker et al. subm.). Fingerprinting-Analysen zeigten, dass verschiede-ne Vertreter der PAO im Gärschlamm vorhanden waren. Mit spezifischen PCR-DGGE (denaturierende Gradienten Gelelektrophorese) Analysen wurde Dechloromo-nas sp. und Candidatus Accumulibacter phosphatis detektiert (Bande 1 und Bande 2, s. Abbildung 4) (Liebrich et al., in prep.). Außerdem zeigten die Verläufe von Essig-säure, Propionsäure und Phosphat stets einen ähnlichen Trend (Abbildung 5). Essig- und Propionsäure dienen den PAO während der Phosphatrücklösung als Substrat. Sind die Säuregehalte hoch, ist genug Substrat für die Phosphatrücklösung vorhan-den, hingegen wird bei niedriger Säurekonzentration weniger Phosphat rückgelöst.

Bande1

Bande 2

S

Nicht Übersäuert

Übersäuert

Abbildung 4: Charakterisierung Phosphat-akkumuliere nder Mikroorganismen im Ver-lauf einer Übersäuerung mit Hilfe eines molekularbi ologischen „Fingerprinting“- Verfahrens (Vergleich der 16S rDN A, PCR-DGGE Ana-lyse mit spezifischen PAO-Primern)



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0 10 20 30Zeit [d]

0

350

700

1050

1400P

hosp

hat [

mg

L-1]

PhosphatEssigsäurePropionsäure0

1000

2000

3000

4000

org.

Säu

ren

[mg

L-1]

Abbildung 5: Ähnlicher Verlauf von Essigsäure, Prop ionsäure und Phosphat während einer Entsäuerung mit Calciumoxid.

6 Wirkungsmechanismus der Entsäuerung mit Calciumox id Als Gegenmaßnahme nach einer Übersäuerung wurden sowohl Natronlauge als auch Calciumoxid in verschiedenen Versuchsreihen eingesetzt. Hierbei zeigte sich, dass der Einsatz von Calciumoxid wesentlich nachhaltiger war als der Einsatz von Natronlauge. Natronlauge erhöhte zwar den pH-Wert, stabilisierte jedoch den Pro-zess im vorliegenden Fall innerhalb von 3 Wochen nicht nachhaltig. Obwohl der pH-Wert im neutralen Milieu lag und die Säurekonzentration in einem Erwartungsbereich für einen stabilen Betrieb lag, kam es bei dem Wiedereinsetzten der Co-Substrat-zufuhr zu einer erneuten Übersäuerung. Calciumoxidzugaben hingegen wirkten sich stets prozessstabilisierend aus. Die Calciumzufuhr über Calciumoxid sorgte neben der Anhebung des pH-Wertes durch eine Bildung von Aggregaten für eine nachhalti-ge Stabilisierung des Prozesses der Biogasbildung (Kleyböcker et al. subm.). Die alleinige Erhöhung des pH-Wertes durch die Laugenzugabe stellte sich als weniger bedeutend für die Stabilisierung der Biogasbildung heraus. Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten, dass im Kern der Aggre-gate vermehrt Calciumphosphatverbindungen zu finden waren, die von kohlenstoff-reichem Material umgeben waren. Aufgrund des geringen Löslichkeitsproduktes und lokaler Heterogenität fiel Calcium sowohl mit Phosphat als auch mit langkettigen Fettsäuren aus. Diese Ausfällungen bildeten ein Grundgerüst für Aggregate, an die vermutlich weitere langkettige organische Säuren adsorbierten. Es ist anzunehmen, dass die Aggregate als Aufwuchsfläche für Biofilme dienten und somit zugleich auch die Bildung von Mikrohabitaten gefördert wurde. So konnte trotz eines hohen Was-serstoffpartialdrucks, der sich hinsichtlich des Propionsäureabbaus in einem energe-



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tisch hemmenden Bereich befand, während des Entsäuerungsprozesses wieder eine hohe Methanausbeute erreicht werden. Selbst bei pH-Werten unter 7,0 nahmen die Säurekonzentrationen ab (Abbildung 6), weil durch Fällung und Adsorption langkettige organische Säuren der flüssigen Phase entzogen und die Säurekonzent-rationen in der flüssigen Phase gesenkt wurden. Zusätzlich wurden Essig- und Propionsäure von PAO während der Phosphatrücklösung aufgenommen. PAO sind im Gegensatz zu den Methanbildnern auch bei pH-Werten unter 7,0 aktiv. Des Wei-teren herrschte in der Mitte der Aggregate ein pH-Wert von 7,75, so dass Säuren abgebaut und Biogas gebildet werden konnten. Diese Effekte führten in der Summe zur Entsäuerung und Stabilisierung des Prozesses. Mit Hilfe einer Kohlenstoffbilanz konnte der vollständige Abbau der akkumulierten Säuren während der Entsäuerung belegt werden. Kurz nach vollständiger Entsäuerung und Stabilisierung des Reaktors waren keine Aggregate im Reaktor mehr nachweisbar. Vermutlich waren mikrobiell katalysierte Abbauprozesse an der schnellen Auflösung der Aggregate beteiligt.

0 10 20 30Zeit [d]

5

6

7

8

9

10

pH-W

ert [

- ]

0

200

400

600

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CaO

[mg

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0

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9000

org.

Säu

ren

[mg

L-1]

org. SäurenpH-WertCaO-Zufuhr

Abbildung 6: Verlauf der organischen Säuren und des pH-Wertes während einer Ent-säuerung mit Calciumoxid und einer anschließenden A nfahrphase

7 Optimierung der Raumbelastung Im Rahmen von Laboruntersuchungen wurde die Raumbelastung stufenweise er-höht, wobei der Frühwarnindikator zur Steuerung der Additiv-Zugabe (CaO) diente und sich stets prozessstabilisierend auswirkte. Im Rahmen dieser Versuchsreihe konnten Raumbelastungen von 6,0 und 9,5 kg oTS m-3 d-1 mit Fettanteilen von bis 87 % bei Methanausbeuten von 0,9 m³ (kg oTS)-1 erfolgreich gefahren werden. Auf-grund der Versuchsergebnisse konnte folgende Faustregel aufgestellt werden: Ein Zeitintervall von 8 Tagen sollte mindestens zwischen zwei Erhöhungen der Raumbe-lastung eingehalten werden, damit die Methanausbeute im Erwartungsbereich gehal-ten werden kann. Durch die Calciumoxid-Zugabe wurde selbst bei sehr hohen



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Raumbelastungen (10,4 kg oTS m-3 d-1) der Prozess nicht instabil, sondern die Me-thanausbeute verminderte sich lediglich um maximal 30%. Bei sehr hohen Calciumoxiddosierungen (>2,5 g L-1 d-1) bildeten sich allerdings viele und zum Teil auch sehr große Aggregate, die die Durchmischung (Gärsubstratumwälzung durch Biogasrückführung) erheblich einschränkten. Unter den gegebenen Versuchsbedin-gungen erwies es sich als günstig, eine Calciumkonzentration von 85 mg L-1 nicht zu überschreiten. Diese Empfehlung vermindert den Einsatz von Calciumoxid und wirkt der Bildung sehr großer Aggregate entgegen. 8 Schaumereignis in einem Biogasreaktor – erste Erg ebnisse der moleku-

larbiologischen Analyse Während eines Schaumereignisses einer im Winter zur Schaumbildung neigenden Abwasserbehandlungsanlage wurden Proben aus drei nicht schäumenden Reakto-ren untersucht und mit den Ergebnissen einer Schaumprobe aus dem Überlauf eines schäumenden Reaktors (Co-Vergärung von Fetten) verglichen. Mit Hilfe eines gene-tischen Fingerprintings (PCR-DGGE) wurde die Zusammensetzung der mikrobiellen Lebensgemeinschaft untersucht. Während eines Schaumereignisses wurde eine deutliche Veränderung der Zusam-mensetzung der Biozönose beobachtet. In allen Reaktoren wurde Candidatus Microthrix parvicella nachgewiesen, der dafür bekannt ist, dass er in Klärwerken an der Schaumbildung beteiligt ist. Durch seine fädige Struktur und die Abgabe von ext-razellulären polymeren Substanzen (EPS) könnte Microthrix auch die Schaumbildung im Reaktor begünstigt haben. Im schäumenden Reaktor sowie in der Schaumprobe aus diesem Biogasreaktor waren die Banden von Microthrix im Gelbild erheblich stärker als in den drei weniger betroffenen Reaktoren (Lienen et al., in prep.). Dieser halbquantitative Befund deutet darauf hin, dass sich die Menge dieses Mikroorga-nismus während der Schaumbildung deutlich erhöht hat, was auf seine ursächliche Beteiligung an der Schaumbildung hinweist. In einem relativen Quantifizierungsschritt mit Hilfe der Real-Time PCR, bei der ein Fluoreszenzfarbstoff an die DNA bindet und über einen Detektor die Menge der DNA bestimmt werden kann, konnten die semi-quantitativen Ergebnisse verifiziert werden. Relativ zur Menge der gesamten bakteri-ellen DNA wurde im schäumenden Reaktor und im Schaum mehr DNA von Microthrix gefunden, als in den Reaktoren die nicht schäumten (Lienen et al., in prep.). Der Lipid-akkumulierende Candidatus Microthrix parvicella hatte vermutlich in dem zur Co-Vergärung von Fetten genutzten Reaktor einen Selektionsvorteil und konnte sich daher im Vergleich zu den Reaktoren ohne Lipidzufuhr stärker vermeh-ren. Bisher ist allerdings noch wenig darüber bekannt, ob sich Microthrix in Biogasan-lagen vermehren kann, da es sich nur bedingt in Reinkultur kultivieren lässt. In einem weiteren Schritt sollen daher die Schaumproben und Referenzproben mittels FISH (Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung) analysiert werden, um zu klären, zu welchen Zeitpunkten Microthrix besonders stoffwechselaktiv war. Da aus der Literatur bekannt ist, dass Microthrix sensitiv gegenüber höheren Tempe-raturen ist, wurde der zur Schaumbildung neigende Reaktor über den Zeitraum eines Jahres auf das Vorhandensein von Microthrix analysiert. Über die semiquantitative Analyse der PCR-DGGE zeigte sich, dass Microthrix zwar über das ganze Jahr im Reaktor nachgewiesen werden konnte, sich die Menge in den kälteren Monaten (Ok-tober – März) allerdings erhöhte. Auch hier bestätigen die Ergebnisse der Real-Time



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PCR die semiquantitativen Analysen des Fingerprintings und weisen auf eine höhere Abundanz von Microthrix parvicella in den kälteren Monaten hin. Weiterhin zeigen die DNA-Fingerprinting-Analysen, dass neben Microthrix auch Candidatus Cloacamonas acidaminovorans verstärkt im Schaum vorkam. Dieses Bakterium fermentiert Amino-säuren und ist noch wenig charakterisiert. Möglicherweise zeigt die Dominanz dieses Organismus hohe Proteingehalte im Schaum an und sein Nachweis könnte auf ein erhöhtes Schaumbildungspotential hinweisen.

9 Literatur Balussou, D., Kleyböcker, A., McKenna, R., Möst, D., Fichtner, W. (subm.): An eco-

nomic analysis of three operational co-digestion biogas plants in Germany. Submitted to Waste and Biomass Valorization

Brehmer, M., Kraume, M. (2011): Rheologie von Gärsubstraten und deren Einfluss

auf die Durchmischung von Biogasanlagen. 14. Köthener Rührer-Kolloquium Lerm, S., Kleyböcker, A., Miethling-Graff, R., Vieth-Hillbrand, A., Alawi, M., Kasina,

M., Liebrich, M., Würdemann, H. (subm.): Archaeal community composition af-fects the function of anaerobic co-digesters in response to organic overloads. Submitted to Waste Management.

Liebrich, M., Kleyböcker, A., Würdemann, H. (in prep.): Influence of phosphate ac-

cumulating organisms on the biogas formation process. Lienen, T., Kleyböcker, A., Würdemann, H. (in prep.): Influence of Candidatus Micro-

thrix parvicella on foam formation in commercial biogas plants. Kleyböcker, A., Liebrich, M., Kraume, M., Wittmaier, M., Würdemann, H. (subm.).

Comparison of different procedures to stabilize biogas formation after over-acidification – influence of aggregate formation on process stability. Submitted to Waste Management.

Kleyböcker, A., Brehmer, M., Lienen, T., Teitz, S., Würdemann, H., Kraume, M. (in

prep. a): Characterisation of mixing conditions and determination of the resi-dence time distribution using uranine as a tracer at waste treatment anaerobic co-digesters.

Kleyböcker, A., Seyfarth, D., Liebrich, M., Kraume, M., Würdemann, H. (in prep. b):

Early warning indicator (EWI) in terms of over-acidification and its application for maximization of the time-space-yield of completely mixed waste digesters.

Kleyböcker, A., Lerm, S., Miethling-Graff, R., Vieth, A., Wittmaier, M., Würdemann, H. (2007): Genetic fingerprints to characterise microbial communities during organic overloading and in large-scale biogas plants. Internationale Biogaskonferenz “Progress in Biogas", Stuttgart-Hohenheim.



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Patent: Verfahren zur Prozesssteuerung von Bioreaktoren (Process control of biogas

plant comprises measuring quantities of organic acids and calcium ions dur-ing operation of biogas plant in predetermined intervals, determining ratio of these quantities and comparing it with previous intervals). Erfinder: Kleyböcker, Anne, 10245 Berlin, DE; Würdemann, Hilke, 14482 Potsdam, am 10.06.2010 veröffentlicht.

10 Dank Die Forschungsarbeiten wurden von der VolksWagenStiftung (AZ: II/80 703) und dem BMU (03KB018) gefördert. Wir danken Herrn Heiko Bascheck für die Unterstüt-zung bei den molekularbiologischen Analysen und Frau Dr. Vieth-Hillebrandt für die Bestimmung der kurzkettigen organischen Säuren.

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