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19.09.2009 Dipl.-Ing. Tobias Burgstaller 1

Biomasse Energieerzeugung

Kapitel 3.1Mikrobiologische Grundlagen Biomasseenergieerzeugungenergy from renewable raw materials



Gliederung

Gliederung

- Kohlenstoffkreislauf- Photosynthese,Atmung, Vergärung- Mikroorganismen Biogaserzeugung- Methanbakterien- Stoffwechsel und Sauerstoffempfindlichkeit- 4 Phasen der Fermentation- Wachstumsbedingungen der MO- Wachstumskurve im geschlossenen System- Verschiedene Wachstumssysteme- Wachstum im System (etablierte Verfahren)- Vergärung eines „Salatblattes“



Der Kohlenstoffkreislauf

C-Kreislauf

1) Assimilation: CO2 wird aus der

Atmosphere von Pflanzen aufgenommen. 2) Respiration: der MO und höheren Lebewesen, CO2 wird produziert, was in

die Atmosphäre gelangt.3) Inkohlung: Bildung von fossilen Brenn-stoffen unter O2-Abschluss, hohem Druck

4) Verbrennung: dieser Brennstoffe, wird Kohlenstoffdioxid frei 5) Weitere C-Speicher im Boden (CaCO3,

MgCO3, Kalk)

6) Wechselwirkungen zwischen der Hydrosphäre und der Atmosphäre, CO2-

Diffusionsvorgänge.7) Phytoplankton assimiliert CO2, Meerestiere (Fische), Exkremente,

Meeresablagerungen 8) Fäulnis, Vergärung, Verwesung: abgestorbenen C-haltige Materie, Exkremente werden zu CO2 und CH4 abgebaut



Photosynthese, Atmung, Vergärung

Energiegewinnung

6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 Fixierung von N u. P in der Pflanze/Boden

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + E Freisetzung von großen Energiemengen, N u. P Schnelles Wachstum möglich

C6H12O6 3 CH4 + 3 CO2 + E Freisetzung von geringen Energiemengen, N u. P Nur langsames Wachstum möglich

Photosynthese (Assimilation)

Atmung (aerob – unter Sauerstoff – Dissimilation)

Vergärung (anaerob – ohne Sauerstoff – Produkte Methan und Kohlenstoffdioxid)

Licht

Glukose



Mikroorganismen Biogaserzeugung

Mikroorganismen

Als Methanbildner oder Methanogene (früher auch Methanbakterien genannt) werden Archaeen (Archaea) bezeichnet, bei deren Energiestoffwechsel Methanbildung stattfindet. Sie werden in den Klassen Methanobacteria, Methanococci und Methanomicrobia zusammengefasst, zu denen fünf Ordnungen gehören.

Die Methanbildner sind strikt anaerob, sie stoffwechseln bei Temperaturen zwischen 0 und 70 °C, wenige Arten sogar bei bis zu 90 °C, bei höheren Temperaturen werden sie abgetötet. Erhöhte Temperaturen steigern die Effizienz der Methanbildner. Sie benötigen anoxisches, pH-neutrales oder schwach alkalisches Milieu mit mindestens 50 % Wasser.

Anoxische Gewässersedimente, wassergesättigte oder -überstaute Böden (z. B. Moore und Reisfelder), Mist, Gülle und der Verdauungstrakt von Wiederkäuern sind besonders gute Lebensräume für Methanbakterien. Weitere Habitate von Methanbildnern sind der Dickdarm von Wirbeltieren sowie Rumen von Wiederkäuern.



Methanbakterien (eine kleine! Auswahl)

Mikroorganismen

Methanosaeta sp. (x4000)

Methanospirillum sp. strain TM20-1 (x5000)

Methanosarcina sp. (x4000)

Methanococcus (x4000) Methanobacterium formicicum (x4000)

Methanosarcina barkeri (x5000)



Stoffwechsel und Sauerstoffempfindlichkeit

Mikroorganismen



Stoffwechsel der Mikroorganismen

Mikroorganismen

Die Stoffwechselleistung der Mikroorganismen aus dem Anabolismus (Biosynthese) und dem Katabolismus (Energiestoffwechsel) ergeben sich 6 Stoffwechseltypen.

Fazit für die Biomasse Energiegewinnung:

Aerob: Kompostierung, Entschwefelung von Biogas

Anaerob: Biogaserzeugung

Gärung: Silage (Milchsäuregärung), Bioethanol (alkoholische Gärung)

Alle diese Prozesse setzen auch bei der Lagerung von Biomasse und deren Reststoffen ein und führen zu Verlusten oder Geruchsbelästigungen.



Die 4 Phasen der Fermentation (Biogas)

Mikroorganismen



Wachstumsbedingungen für die MO

Mikroorganismen

pH-Wert: pH 5: vorwiegend PilzepH 8: vorwiegend Bakterien.

Substrateigenschaften: 20 Elemente sind notwendig, C:N:P = 37-55 :5:1

Temperatur: psychrophile T-Optimum bei 15 - 20 °Cmesophile T-Optimum bei 20 - 37 °Cthermophile T-Optimum bei 50 - 65 °C

Sauerstoffversorgung: Sauerstoffreiches Milieu bei aeroben MikroorganismenSauerstofffreies Milieu bei anaeroben MO und Vergärung

Streng, also obligat anaerobe Organismen, erfordern eine Sauerstofffreie Umgebung, also Nährmedium ebenso wie Gasatmosphäre -> Biogasproduktion

Fakultative Anaerobier können ihre Lebensform bei Vorhandensein von Sauerstoff umstellen -> Hydrolyse



Wachstumskurve im geschlossenem System

Mikroorganismen

I) Lag-Phase/Akzelerations-Phase, Anpassen auf die Umgebungsbedingungen, Animpfmenge cB0 mindestens 5% (Konzentration Biomasse 5% zum Zeitpunkt 0)

II) Exponentielle Phase, maximales Wachstum

III) Übergansphase (Verzögerungsphase), essentielle Substratbestandteile cSi sind verbraucht, hemmende Stoffwechselprodukte gebildet, verlangsamtes Wachstum

IV) Stationäre Phase, Reservestoffe und abgestorbenen MO werden genutzt, Gleichgewicht zwischen Wachsen und Absterben

V) Absterbe Phase, Absterben überwiegt



Wachstumskurve im geschlossenem System

Mikroorganismen

I) II) III) IV) V)



Verschiedene Wachstumssysteme

Systeme

Bereitstellung der Mikroorganismen und Nährstoffe notwendig!

Batchsystem: abgeschlossen hinsichtlich fest und Flüssiger Phase, offen für Gasphase, einmalige Zufuhr von MO und Substrat, Anreicherung von MO und Produkten -> z.B. Herstellung von Hefe, Trockenfermentation, Boxenfermenter -> wenn kontinuierlich dann mind. 3 Reaktoren (Hochfahren/Produktion/Vorbereitung)

Kontinuierliches System: offen für flüssige und gasförmige Phase, wahlweise für die feste Phase, ständige Zufuhr von Substrat, ggf. nach Animpfung ständige Zufuhr von MO, keine Anreicherung von MO und Produkten -> z.B. Produktion von Biogas

Quasikontinuierliche Systeme: wie kontinuierliches System, Zufuhr von Substrat in kleineren, kontinuierlichen Etappen -> z.B. Produktion von Biogas

Fed-batch-Systeme: Fed-batch-Verfahren zeichnen sich durch eine zeitlich begrenzte, kontinuierlich oder in Intervallen erfolgende Zufütterung der Substrate ohne Entnahme von Nährlösung aus dem Reaktor aus -> z.B. Penicillin



Wachstum im System (etablierte Verfahren)

Systeme

Batchsystem (Boxenfermenter): (Quasi)-Kontinuierliches System:

-Trockenvergärung -Nassvergärung



Vergärung eines Salatblattes (Konz.-Zunahme)

Beispiel „Salatblatt“

http://www.gbiu.de/

80% H2O30 - 40% H2O

950 g oTS

50 g inert 1000gTS Salat, enthält 50 mgZn/kgTS

50 g inert

15 g oTS

Masseverlust durch

Vergärung und

Kompostierung93,5 %TS-Abbau (1000g -> 65g)

98,4 %oTS-Abbau (950g -> 15g)

65gTS Kompost, enthält 769 mgZn/kgTS!!!!!!

Kann über einen antiproportionlaen Dreisatz berechnet werden