Verbesserung der Effizienz von Biogasanlagen durch anaerobe Pansenpilze

Problemstellung

Die Gasausbeute in Biogasanlagen hängt stark von der Substratzusammensetzung ab. Hohe Ligninanteile im Substrat wirken sich dabei negativ auf die Gasausbeute aus, weil Lignin nicht/kaum von Bakterien metabolisiert werden kann (vgl. Gassen, 2005).
Damit ist der Einsatz von Landschaftspflegematerial in Biogasanlagen wirtschaftlich nicht attraktiv bzw. es werden Zuschläge bei den Einspeisevergütungen gem. EEG 2012 notwendig.
Soll der Einsatz von Mais für die Biogaserzeugung verringert werden, muss es gelingen, bisher wirtschaftlich unattraktivere Substrate - u.a. auch Landschaftspflegematerialien - für die Biogasprozesse so aufzuarbeiten, dass die Gasausbeute signifikant erhöht wird.
Ein Ansatz, derartige Substrate in leicht metabolisierbare Polysaccharide zu konvertieren, besteht darin, den engen molekularen Verbund von Lignin und Hemicellulose durch physikalische oder chemische Prozesse (z.B. mittels konzentrierter Phosphor- oder Schwefelsäure) aufzubrechen und damit eine bessere Abbaubarkeit zu erzielen (vgl. Schwarz, 2001).
Diese Arten der Substrataufbereitung sind jedoch sehr kostenintensiv.

Ziele der Arbeit

Als Alternative zum Einsatz physikalischer und chemischer Prozesse zur Spaltung von Lignin- und Hemicelluloseverbünden erfolgt in diesem Projekt der Einsatz von anaeroben Pansenpilzen (z.B. Neocallimastix) zur Spaltung von Lignocellulose in der Biogasprozesskette.
Ziel des Projektes ist es, die Wirtschaftlichkeit des Einsatzes anaerober Pansenpilze in der Biogasprozesskette zu analysieren und ggf. Ansätze zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit aufzuzeigen.
[Hinweis: Sollten ggf. im Labormaßstab weitere Ansätze verfolgt werden? Z.B leben Termiten in Symbiose mit Zooflagellaten (Trichonympha) und diese wiederum mit Bakterien, die in dem Zellplasma der Flagellaten leben). Die Flagellaten nehmen die von den Termiten zerkleinerten Holzpartikel auf; die Cellulasen stammen jedoch von Bakterien, die im Zellplasma der Flagellaten leben.]

Forschungsfragen des Teilprojekts „Ökonomie“:

Welche Auswirkungen auf die Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen sind durch den Einsatz anaerober Pilze zur Spaltung von Lignocellulose-Hemicellulose-Verbünden in lignocellulosereichen Substraten zu erzielen?

1) hinsichtlich des Eigenstrombedarfs (Verringerung der Viskosität des Substrates? Verringerung von Schwimmschichten?),
2) hinsichtlich der möglichen Raumbelastung im Fermenter (Verringerung der Verweilzeit im Fermenter durch schnellere Abbauprozesse der Biomasse möglich?),
3) hinsichtlich der Gasausbeute in Abhängigkeit von der Substratzusammensetzung (Variation der Anteile von Mais, Gras, GPS, Gülle jeweils in Kombination mit Landschaftspflegematerial); kann durch den Einsatz anaerober Pilze im Fermentationsprozess im Falle lignocellulosereicher Substrate - ggf. in einem vorgeschalteten Fermentationsprozess - die Gasausbeute signifikant gesteigert werden?
4) hinsichtlich der Gasausbeute in Abhängigkeit von der Prozesstemperatur,
5) hinsichtlich der Gasausbeute in Abhängigkeit von Mineralstoffgehalten im Substrat,
6) hinsichtlich einer möglichen Reduzierung des Substrateinsatzes bei Anlagen, die bereits unter Volllast laufen (lassen sich Substratkosten bei stark ausgelasteten Anlagen einsparen?),
7) hinsichtlich der Notwendigkeit, Pilzsporen und Pilze permanent im Fermentationsprozess bereit zu halten (ist eine kontinuierliche Produktion und Beigabe zum Substrat - analog der Bakterienmischung „Methanos“ der FA. Schmack - notwendig? Genügt eine Impfung des Substrates im Fermenter?)

Geplantes Vorgehen zur Ermittlung der Wirtschaftlichkeit des Einsatzes anaerober Pilze im Falle der Verwendung lignocellulosereicher Substrate:
1) Modellierung von „typischen“ Biogasanlagen („Modellbiogasanlagen“) unterschiedlicher Größe und mit unterschiedlichem Substrateinsatz
2) Modellierung der Auswirkung des Einsatzes anaerober Pansenpilze auf die unterschiedlichen Leistungsarten und Kostenarten im Produktionsprozess „Biogaserzeugung“, der Gärrestlagerung und der Gärrestausbringung
3) Systematische Variation (Szenarien) des Einsatzumfanges lignocellulosereicher Substrate in den „Modellbiogasanlagen“, Simulation sowie Analyse der Auswirkungen des Einsatzes lignocellulosereicher Substrate auf die Gaserträge sowie die Kosten (z.B. Eigenstromverbrauch) gemäß den Ergebnissen der Teilprojekte 1 und 2
a) im Falle herkömmlicher bakteriendominierter Fermentationsprozesse
b) im Falle von Fermentationsprozessen unter Nutzung anaerober Pansenpilze
c) im Falle von räumlich getrenntem (Vor-)Fermentationsprozess für lignocellulosereiche Substrate unter Nutzung anaerober Pansenpilze.
4) Ermittlung des wirtschaftlich optimalen Einsatzes anaerober Pansenpilze in der Biogasproduktion für Anlagen unterschiedlicher Größe
5) Diskussion der Ergebnisse - ggf. Rückkopplung mit Anpassung der Modelle und Neukalkulation