Das Projekt "MethanoQuant: Quantifizierung der Wege zur Methanbildung in zweistufigen Biogasanlagen - Teilprojekt 1: Modellierung und Simulation zur Quantifizierung der Wege der Methanogenese" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Frankfurt am Main, Goethe-Zentrum für Wissenschaftliches Rechnen (G-CSC) durchgeführt. Ziel des Verbundprojekts ist es, die Wege der Methanentstehung in der Methanstufe eines zweistufigen Biogasreaktors im Einzelnen zu untersuchen und hierzu gültige mathematische Modelle zu entwickeln und umzusetzen. So sollen neben dem bisher berücksichtigten Reaktionswegen über organische Säuren und durch die Rekombination von Kohlendioxid und Wasserstoff weitere Entstehungswege untersucht, analysiert und modelliert werden. Ziel dieser Arbeit ist die Quantifizierung der einzelnen Wege der Methanentstehung für verschiedene Reaktoren, Substrate und Prozessführungsregime. 2.1 Erweiterung des existierenden Modells um die Reaktionswege der Acidogenese und evtl. weitere Reaktionen, die sich aus den experimentellen Untersuchungen ergeben. 2.2 Entwicklung und Implementierung von Methoden zur inversen Modellierung und Parameteridentifizierung. 2.3 Entwicklung einer Softwareschnittstelle für die Anbindung der Biogas-Applikation an die VRL-Bibliothek zur interaktiven Steuerung des Modells. 2.4 Bestimmung der Sensitivitäten und Konfidenzintervalle für die Parameter. 2.5 Simulation des vollständigen Modells.
Das Projekt "Biochemie und Quantifizierung der Essigsäure-Konversion in Biogasanlagen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Bonn, Institut für Mikrobiologie und Biotechnologie durchgeführt. Vorhandensziel: Neue Methoden zur Populationsgröße deuten an, dass der Anteil der acetoklastischen Methanproduzenten an der Organismengemeinschaft von methanogenen Archaea in der Biogasanlage gering ist. Es ist jedoch anzumerken, dass Acetat neben CO2 und H2 das Hauptprodukt der Umsetzung der Acidogenese und der Acetogenese ist. Also muss Acetat verstoffwechselt werden, damit der Gesamtprozess nicht zusammenbricht. Es wird diskutiert, dass acetogene Bakterien in der Biogasanlage einen Teil des Acetats syntroph zu CO2 und H2 oxidieren, was aber aus thermodynamischen Gründen höchst unwahrscheinlich ist. Das geplante Forschungsprojekt soll daher eine Erklärung liefern, wie Acetat in mesophilen Biogasanlagen tatsächlich umgesetzt wird. Zudem wird postuliert, dass die Acetogenese und die Methanogenese gewöhnlich den Flaschenhals der Biogasproduktion darstellen. Somit spielt die Umsetzung von Acetat eine entscheidende Rolle für die Gesamt-Produktivität einer Biogasanlage. Hier sollen Ansätze gefunden werden, um die Effizienz von Biogasanlagen zu steigern. Arbeitsplanung: 1) Biochemische Charakterisierung der Acetat-Umsetzung durch 'in situ' Analyse in Proben von Biogasanlagen. 2) Analyse des Metabolismus von acetoklastischen Methanogenen in Biogasanlagen. 3) Quantifizierung des Enzymgehalts von Schlüsselenzyme des Acetatabbaus 4) Quantifizierung der Expression von Genen der Schlüsselenzyme. 5) Charakterisierung von neuen Spezies, die in der Acetat-Umsetzung involviert sind.
Das Projekt "Teilvorhaben 2: Populationsanalyse" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Hochschule Anhalt (FH), Hochschule für angewandte Wissenschaften, Abteilung Köthen, Fachbereich 7 Angewandte Biowissenschaften und Prozesstechnik durchgeführt. In diesem Projekt wird eine Populationsanalyse für hydrolytische bzw. acidogene Mikroorganismen mit Hilfe von zwei Ansätzen durchgeführt. Ansatz eins ist eine Kombination aus Klonbibliothektechnik, Restriktionsanalyse und real time PCR, die in ähnlicher Form schon mehrfach für methanogene Organismen angewendet wurde. Mit Ansatz zwei soll eine MALDI-TOF-MS Spektren-Datenbank erstellt werden. Sind diese Organismen dann als gesicherte Spektren in der Datenbank hinterlegt, ist das Ziel auch die Identifizierung von Spektren anderer Forschergruppen, bzw. einen Datenaustausch zwischen verschiedenen Anwendern. Es wird eine Populationsanalyse zur Bestimmung von für hydrolytische bzw. acidogene Mikroorganismen durchgeführt. Dazu werden schon verfügbare Techniken, wie PCR und die Erstellung von Klonbibliotheken verwendet. Wenn Organismen mit diesen Techniken identifiziert wurden ist geplant, real time PCR-Assays zur Quantifizierung für relevante Bakterien zu entwickeln. Als neue Technik in diesem Zusammenhang sollen Spektrendaten mittels MALDI-TOF-MS erhoben werden zum Aufbau einer Datenbank. Details sind den Arbeitspaketen und dem Balkenplan zu entnehmen.
Das Projekt "Acidogenese durch fermentative Bakterien und anaerobe Pilze sowie Abundanzen methanotropher Organismen in Biogasreaktoren" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Ulm, Institut für Mikrobiologie und Biotechnologie durchgeführt. Als Partner des BioPara-Netzwerkes ist es unser Ziel, biochemische Prozesse mit positivem und negativem Einfluss auf den Kohlenstofffluß während der Biogasbildung zu untersuchen. Die produzierte Menge an organischen Säuren ist ein wesentlicher Parameter für die Effizienz jeder Biogasanlage, da bei zu starker Ansäuerung die Methanbildung deutlich absinkt. Aus diesem Grund sollen die Mechanismen der Säureproduktion im gesamten Biogasprozess analysiert werden. Dazu werden die Enzymaktivitäten von Schlüsselenzymen für die Acetat- (Acetat-Kinase), Propionat- (Propionyl-CoA:Succinat-CoA-Transferase) und Butyratbildung (Phosphotransbutyrylase und Butyrat-Kinase sowie Butyryl-CoA:Acetat-CoA-Transferase) im Zellextrakt aus Proben untersucht. Die entsprechenden Enzymtests werden unter Verwendung von Zellextrakt von Reinkulturen etabliert und anschließend auf Zellextrakt aus Proben von laufenden Bioreaktoren angewendet Die Identifizierung der acidogenen Bakterien erfolgt unter Verwendung der funktionellen Gene der Butyrat-Kinase (buk) und Butyryl-CoA:Acetat-CoA-Transferase (but) mittels Klonbibliotheken. Ein weiteres Ziel ist die Quantifizierung der acidogenen Bakterien mittels qPCR. Entsprechend den fermentativen Bakterien können Pilze anaerob organische Verbindungen als Kohlenstoff- und Energiequelle nutzen. Durch die gezielte Zugabe von Pilzen und cellulolytischen Bakterien soll die Abbaubarkeit von Substraten wie Mais in Biogasreaktoren gesteigert werden. Zu diesem Zweck werden cellulolytische Mikroorganismen aus Biogasreaktoren isoliert und identifiziert. Derzeitige potentielle Kandidaten sind C. populeti, C. phytofermentans, C. cellulovorans, and C. cellulolyticum.
Das Projekt "Teilvorhaben 1: Bioprozessführung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Verein zur Förderung des Technologietransfers an der Hochschule Bremerhaven e.V., Technologie-Transfer-Zentrum Bremerhaven durchgeführt. Hydrolyse- und Versäuerungsstufen erfahren als Komponente großtechnischer Biogasanlagen eine zunehmende Verbreitung. Der Anteil der deutschen landwirtschaftlichen Biogasanlagen, die mit einer Hydrolyse- und Versäuerungsstufe ausgestattet sind, dürfte zurzeit zwischen 10 und 20 % liegen. Praxisuntersuchungen haben aber gezeigt, dass eine fehlerhafte Auslegung der Hydrolyse- und Versäuerungsstufen sehr weit verbreitet ist. Energieverluste (Wasserstoff- und Methanemissionen), hohe Betriebsaufwendungen und unnötige Klimagasemissionen (Methan) sind häufige Folgen. Mit dem Verbundprojekt AcEta sollen durch Felduntersuchungen an großtechnischen Hydrolyse- und Versäuerungsstufen, molekularbiologische Populationsanalysen, kinetische Untersuchungen im Labor, die Zusammenstellung von Faustzahlen für die Hydrolyse/Versäuerung und die Erarbeitung von Auslegungsempfehlungen die dringend benötigten Grundlagen für die fundierte Auslegung und den effizienten Betrieb von Hydrolyse- und Versäuerungen geschaffen werden. Globaler Arbeitsplan: 1 Entwurf, Bau und Erprobung Probenahmesystem, 2 Methodenentwicklung Populationsanalyse, 3 Auswahl BGA und Vereinbarung mit Betreibern, 4 Felduntersuchungen, 5 Chem. Laboruntersuchungen der Feldproben, 6 Populationsanalyse der Feldproben, 7 Auswertung der Felduntersuchnungen, 8 Auswertung der Betreiberdaten, 9 Kinetische Laboruntersuchungen, 10 Abschätzung der Wirtschaftlichkeit, 11 Abschlussbericht, 12 Auslegungsempfehlungen mit Faustzahlen, 13 Fachgespräch.