Mikrobiologie der Biologischen Wasserstoff-Methanisierung ... · Caldanaerobacter subterraneus ssp. null OTU 161 Caldanaerobacter subterraneus ssp. tengcongensis OTU 196 Caldanaerobacter

Bayerische Landesanstalt fürLandwirtschaft

Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft

Abteilung Qualitätssicherung und Untersuchungswesen

Mikro- und Molekularbiologie (AQU-1c)

Bettina Mößnang, Michael Lebuhn

Mikrobiologie der Biologischen

Wasserstoff-Methanisierung (BHM)

im thermophilen Rieselbettverfahren (MikMeth)

Technische Universität München

Lehrstuhl für Siedlungswasserwirtschaft

Dietmar Strübing, Konrad Koch

IBBK Ulm 30.1.-31.1.2019

Abteilung Qualitätssicherung und Untersuchungswesen / LS Siedlungswasserwirtschaft

2Lebuhn AQU-1c 19 Lm001

Bedarfsgerechte Biologische Methanisierungund

Residuallast

Überschuss-produktion



MikMeth - Konzept, Einsatzmöglichkeiten

H2

Windkraft

Photovoltaik

Elektrolyseur

MikMeth-Fermenter

Standorte z.B.

• Kläranlage,

• Biogasanlage

O2

CO2,

CO

> 97%

CH4

Erzeugungs-

überschuss

• ex situ

• zentral

• dezentral

Mobilität /

Verkehrssektor

(LNG, CNG, ...)

Biogas-Aufbereitung;

Hydrolysegas

(LCB-Aufschluss)

CO2,

CH4, H2

Wärmeversorgung

Plattformchemikalien



Gas

CH4

H2CO2

H2H2

H2

CO2

H2

CH4

Füll-

körper

Riesel-

medium

MikMeth-Rieselbettreaktoren

• Große Oberfläche für Gas-

Flüssig-Stoffübergang

• Druckloser Betrieb

(keine energieintensive

Gaseinpressung)

• Inokula aus

Kläranlage (38°C) und

Biogasanlage (40°C)

• Thermophiler Betrieb

(55°C) für erhöhten

biologischen Umsatz

• Aufwuchskörper (Ak) zur

Immobilisierung

hydrogenotropher

methanogener Archaeen

in Biofilmen

Ak-oAk-u

2 m x 21 cm; 58 L



Flussschema molekularbiologische Analysen

CH4

Probe

(z.B. Reaktorflüssigkeit, „Biofilm“)

Homogenisieren, Waschen,

Nukleinsäure-Extraktion

Transkripte/Gene (methanogene Archaea, Bacteria)

• PCR-basierte spezifische Analyse der

Gesellschaftszusammensetzung und -aktivität

• Quantifizierung mit RT-qPCR / qPCR

genomische DNA:

gesamte Biozönose

(aktive + inaktive Fraktion)

mRNA (rRNA) cDNA:

aktive Fraktion

Kombinierte mikrobiologisch/

physikalisch-chemische Prozessdiagnose

Prozesssteuerung



MikMeth Fermenter 1 (mesophile Klärschlammvergärung)

VT = 313

VT = 236VT = 89Inokulum VT = 454 VT = 649

Anfahrphasenach

Versäuerung,

Schwarzstart

Hoch-

durch-

satz

leicht gestörter

Hochdurchsatz

Start-

Stop-

Betrieb



Methanogene Archaeen, Quantifizierung - MMT 1

Anfahrphase nach Versäuerung;

Schwarzstart

Hochdurchsatz

leicht

gestörter

Hoch-

durchsatzStart-Stop-Betrieb

Inokulum



Methanogene Archaeen, Gesellschaftsanalyse - MMT 1

d = 649d = 454d = 313d = 236d = 89d = 0

Inokulum

AnfahrphaseInokulum

nach Versäuerung,Schwarzstart

Hochdurchsatz leicht gestörter Hochdurchsatz

Start-Stop-Betrieb

108 – 1011* mL-1



Methanogene Archaeen – Aufwuchskörper oben vs. unten

CO2

H2

Ak-oAk-u

Ak-oAk-u

d 649



Bacteria, Quantifizierung – MMT 1

Anfahrphase nach Versäuerung;

SchwarzstartHochdurchsatz

leicht

gestörter

Hoch-

durchsatzStart-Stop-Betrieb

Inokulum

Aminicenantes gen. inc. sed. OTU 71

Tepidimicrobium sp. OTU 204

uncl. Ruminococcaceae OTU 48

Caldanaerobacter subterraneus ssp. null OTU 161

Gelria sp. OTU 36

uncl. Clostridia OTU 110


Acetomicrobium mobile OTU 139

uncl. Bacteria OTU 96

> 10 %; MMT1+MMT2

MMT1+MMT2

> 10 %

4 – 10 %



MikMeth Fermenter 2 (mesophile landwirtschaftl. Biogasanlage)

Inokulum VT = 91 VT = 286

Anfahrphase

Hochdurchsatz,

etwas sauer

reduzierte Spurenelementdosierung



Methanogene Archaeen, Quantifizierung – MMT 2

Anfahrphase;

SpE reduziert Hochdurchsatz,

etwas sauerInokulum



Methanogene Archaeen, Gesellschaftsanalyse - MMT 2

d = 286d = 91d = 0

Inokulum

Anfahrphase;

SpE reduziertHochdurchsatz,

etwas sauerInokulum

109 – 1010* mL-1



Bacteria, Gesellschaftsanalyse – MMT 2

Anfahrphase;

SpE reduziert

Hochdurchsatz,

etwas sauer

Inokulum

Tepidanaerobacter sp. OTU 10

Tepidanaerobacter sp. OTU 28




uncl. Clostridiales OTU 5

Caldanaerobacter subterraneus ssp. null OTU 161

Caldanaerobacter subterraneus ssp. tengcongensis OTU 196

Caldanaerobacter subterraneus ssp. yonseiensis OTU 176

uncl. Thermoanaerobacteraceae OTU 15

uncl. Thermoanaerobacteraceae OTU 42



Acetomicrobium mobile OTU 139

MMT1+MMT2; > 10 %

MMT1+MMT2; 4 – 10 %

> 10 %

4 – 10 %



MikMeth Methanogenese - Prozessmodell

MethanCH4

+ H2O

hydrogeno-

troph

Wasserstoff + Kohlendioxid

H2 + CO2 (H2O, SpE, ?)

Bacteria Methanogene Archaea

Methanosaeta sp.http://www.ejbiotechnology.info/

content/vol12/issue3/full/4/f8.html

acetoklastisch

(Kurzkettige) FettsäurenAlkohole,

Aminosäuren,Wasser

Acetat,Wasser

Elektrolyse/ Gaszufuhr

Re

du

ktiv

eA

ceto

gen

ese

Syn

tro

ph

e In

term

ed

iat-

Oxi

dat

ion

DIET

Direkter Interspecies Elektronentransfer

G°‘~-140 kcal/mol

G°‘~

-95 kcal/mol

BakterielleZellmasse

(Reverse) -Oxidation

Überschuss-strom

1-Inok1-Inok

1-R-891-R-89

1-A

K-8

91-AK-89

1-R-2361-R-236

1-AK-2361-AK-236

1-R

-313

1-R-313

1-A

K-3

13

1-A

K-3

13

1-R-454

1-AK-454

1-AK-454

1-R-649

1-AK-649

1-AK-6492-Inok

2-Inok

2-R-91

2-R-91 2-AK-91

2-AK-91

2-R-286

2-R-286

2-AK-286

2-AK-286

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

-1.0 -0.5 0.0 0.5

NMDS-1

NM

DS

-2Nichtmetrische multidimensionale Skalierung (NMDS-Analyse)

Methanogene ArchaeenAbundanzen > 3 %

DNA, cDNA , MMT1, MMT2; Inokulum, Reaktorflüssigkeit, Aufwuchskörper

MMT 1

Inokulum

MMT 2

Inokulum

MMT 2

Tag 91

MMT 1 ≥ Tag 236

MMT 2 ≥ Tag 286

1-Inok

1-Inok

1-R-89

1-R-89

1-AK-89

1-AK-89

1-R-236

1-R-236

1-AK-236

1-AK-236 1-R-313

1-R-3131-AK-313

1-AK-313

1-R-454

1-R-454

1-AK-4541-AK-454

1-R-649

1-R-6491-AKu-649

1-AKu-649

1-AKo-649

1-AKo-6492-Inok

2-Inok

2-R-91

2-R-91

2-AK-91

2-AK-91

2-R-286

2-R-286

2-AK-286

2-AK-286

-0.5

0.0

0.5

1.0

-1.0 -0.5 0.0 0.5

NMDS-1

NM

DS

-2Nichtmetrische multidimensionale Skalierung (NMDS-Analyse)

Bacteria, Abundanzen > 3 %; DNA, cDNA

MMT1, MMT2; Inokulum, Reaktorflüssigkeit, Aufwuchskörper

MMT 1

Inokulum

MMT 2

Inokulum

MMT 2

Tag 91

MMT 1 Tag 236-313

MMT 1 ≥ Tag 454; MMT 2 Tag 286



Diskussion und Ausblick (1)

Im Langzeitbetrieb:

Methanproduktion 15.4 m³ * (m³ * d) -1

Methangehalt 98 %

• Gängige Benchmarks kaum brauchbar

Entwicklung Prozessindikatoren;

Kombinierte Prozessdiagnose Prozesssteuerung

• Populationszusammensetzungen gleichen sich an – aber nicht identisch

• Methanothermobacter spp. (108-1010* mL-1) dominant + aktiv

>> Methanobacterium IA sp. 2,

Methanosarcina thermophila, Methanosaeta II sp. 3;



Diskussion und Ausblick (2)

• Bacteria (109-1011* mL-1) reduktive Acetogenese / SAO, Elektronentransfer,

Energie-Zwischenspeicher;

- Acetomicrobium mobile OTU 139;

- Caldanaerobacter subterraneus ssp. null OTU 161,

C.s. ssp. tengcongensis OTU 196, C.s. ssp. yonseiensis OTU 176;

- Tepidimicrobium sp. OTU 204;

- Tepidanaerobacter sp. OTU 28;

? Bedarfsgerechte Nährelementversorgung

(Spurenelemente, Makronährstoffe)

? Metabolische Wasserproduktion (4 H2 + CO2 CH4 + 2 H2O)

Elektrolyseur-Kosten



Mikrobiologie der Biologischen Wasserstoff-Methanisierung

CH4

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Wirtschaft und Medien, Energie und

Technologie

Förderkennzeichen

BE/15/04 , BE/18/04

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