Kapitel 3.1 Mikrobiologische Grundlagen Biomasseenergieerzeugung energy 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 Der Kohlenstoffkreislauf 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. (Erdöl: 85-90% Kohlenstoff; Erdgas: Hauptbestandteil gesättigte Kohlenwasserstoffe, z.B. Methan CH4). CH4 aus Sümpfen 20%, Reisfeldern 15%, Pansen 20% Der globale Kohlenstoffkreislauf. Die Zahlen geben die Kohlenstoffspeicher (schwarz), die jährlichen Flüsse zwischen den Speichern vor der industriellen Revolution (blau) sowie die seit Beginn der industriellen Revolution durch menschliche Aktivitäten dazugekommenen Menge (rot) und die heute jedes Jahr vom Menschen verursachten zusätzlichen Kohlenstoffflüsse (rot und unterstrichen) an. Zur Erläuterung siehe den folgenden Text. (Das Hintergrundbild stammt von der NASA, http://earthobservatory.nasa.gov/ Library/CarbonCycle/carbon_cycle4.html) 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 Photosynthese, Atmung, Vergärung Photosynthese (Assimilation) Atmung (aerob – unter Sauerstoff – Dissimilation) Vergärung (anaerob – ohne Sauerstoff – Produkte Methan und Kohlenstoffdioxid) Glukose Licht

Mikroorganismen Biogaserzeugung 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 Methanbakterien (eine kleine! Auswahl) Methanococcus (x4000) Methanobacterium formicicum (x4000) Methanosarcina sp. (x4000) Methanosarcina barkeri (x5000) Methanospirillum sp. strain TM20-1 (x5000) Methanosaeta sp. (x4000)

Stoffwechsel und Sauerstoffempfindlichkeit Mikroorganismen Stoffwechsel und Sauerstoffempfindlichkeit

Stoffwechsel der 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. Mit Anabolismus (von griech. αναβολισμός mit lateinischer Endung, dies von αναβολή, anabolä - Erdaufhäufung) bezeichnet man bei Lebewesen den Aufbau von körpereigenen Bestandteilen. Dabei wird Energie verbraucht, die bei chemotrophen Organismen aus chemischen, energiefreisetzenden (exergonen) Stoffumsetzungen, bei phototrophen Organismen aus Licht gewonnen wird. Die Energie aus den genannten Quellen wird zunächst in einen kurzzeitigen Energiespeicher und -überträger umgesetzt, nämlich in Adenosintriphosphat (ATP). Sofern für den Aufbau der körpereigenen Stoffe auch ein Reduktionsmittel erforderlich ist, dient dazu NADPH, das bei Phototrophen durch die Lichtreaktion, bei Chemotrophen durch die Oxidation von Stoffen gebildet wird. Der Gegensatz zum Anabolismus, der Abbau von körpereigenen Bestandteilen, in der Regel zum Zweck des Stoffumbaus oder der Energiegewinnung, wird als Katabolismus bezeichnet. Katabolismus und Anabolismus sind Teile des Metabolismus. Der Katabolismus (griechisch καταβολισμός, katabolismós - ursprünglich die Niederlegung, der Kräfteverfall mit lateinischer Endung) wird der Abbau von Stoffwechselprodukten von komplexen zu einfachen Molekülen, zur Entgiftung des Organismus und zur Energiegewinnung genannt. Mit dem Anabolismus ist er durch die Energiekopplung verbunden: Die hier gewonnene Energie dient dort zum Aufbau komplexer Moleküle

Die 4 Phasen der Fermentation (Biogas) Mikroorganismen Die 4 Phasen der Fermentation (Biogas)

Wachstumsbedingungen für die MO Mikroorganismen Wachstumsbedingungen für die MO pH-Wert: pH 5: vorwiegend Pilze pH 8: vorwiegend Bakterien. Substrateigenschaften: 20 Elemente sind notwendig, C:N:P = 37-55 :5:1 Temperatur: psychrophile T-Optimum bei 15 - 20 °C mesophile T-Optimum bei 20 - 37 °C thermophile T-Optimum bei 50 - 65 °C Sauerstoffversorgung: Sauerstoffreiches Milieu bei aeroben Mikroorganismen Sauerstofffreies 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 Wachstumskurve im geschlossenem System 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 Wachstumskurve im geschlossenem System I) II) III) IV) V)

Verschiedene Wachstumssysteme 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) Batchsystem (Boxenfermenter): (Quasi)-Kontinuierliches System: Trockenvergärung Nassvergärung

Vergärung eines Salatblattes (Konz.-Zunahme) Beispiel „Salatblatt“ Vergärung eines Salatblattes (Konz.-Zunahme) 30 - 40% H2O 80% H2O Masseverlust durch Vergärung und Kompostierung 93,5 %TS-Abbau (1000g -> 65g) 98,4 %oTS-Abbau (950g -> 15g) http://www.gbiu.de/ 950 g oTS Kann über einen antiproportionlaen Dreisatz berechnet werden 8. Schwermetalle Die Grenzwerte für Schwermetalle betragen: Blei   Pb   75 mg/kg TM Zink          Zn  200 Kupfer      Cu   70 Chrom       Cr   Nickel       Ni   25 Cadmium  Cd  0,75 Quecksilber Hg  0,70  15 g oTS 65gTS Kompost, enthält 769 mgZn/kgTS!!!!!! 50 g inert 1000gTS Salat, enthält 50 mgZn/kgTS 50 g inert