Das Projekt "Teilvorhaben 2" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Max-Planck-Institut für molekulare Pflanzenphysiologie durchgeführt. In Biogasreaktoren wird pflanzliche Biomasse durch eine artenreiche und dynamische Gemeinschaft der unterschiedlichsten Mikroorganismen abgebaut. Dabei erfolgt der primäre Aufschluss der Biomasse und die Vergärung der Inhaltsstoffe durch Bakterien, die Methanbildung dagegen durch Archaeen. Welche Mikroorganismen genau an der Entstehung von Biogas beteiligt sind, ist jedoch zu großen Teilen unbekannt. Da Kultivierungsversuche immer zu einer Diskriminierung wesentlicher Anteile der mikrobiellen Gemeinschaft führen, sollen in diesem Vorhaben erstmals die cellulolytisch aktiven Mikroorganismen in situ identifiziert werden. Hierzu soll die Technik der Stabile-Isotopen-Markierung (SIP) genutzt werden. Hierfür wird Mais erzeugt, in welchem das nicht radioaktive Kohlenstoffisotop 13C durch Begasung mit 13CO2 angereichert ist. Dieses Pflanzenmaterial soll dann in miniaturisierten Gärtests fermentiert werden. Mikroorganismen, welche primär am Aufschluss und an der Umsetzung der Biomasse beteiligt sind, verwenden die markierten Kohlenstoffverbindungen aus dem Mais u.a. zur Synthese von DNA und sind so mittels molekulargenetischer Methoden zu identifizieren. In diesem Vorhaben soll die SIP als neuartiges Verfahren zur Charakterisierung der Biogas-Mikrobiologie etabliert werden. Mittels SIP soll eine Inventarisierung der primären Vergärer in der Biogasfermentation erfolgen. Zudem soll der Einfluss von verschiedenen Prozessparametern auf die mikrobielle Gemeinschaft untersucht werden.
Das Projekt "Teilvorhaben 1" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Leibniz-Institut für Agrartechnik Potsdam-Bornim e.V., Abteilung Bioverfahrenstechnik durchgeführt. In Biogasreaktoren wird pflanzliche Biomasse durch eine artenreiche und dynamische Gemeinschaft der unterschiedlichsten Mikroorganismen abgebaut. Dabei erfolgt der primäre Aufschluss der Biomasse und die Vergärung der Inhaltsstoffe durch Bakterien, die Methanbildung dagegen durch Archaeen. Welche Mikroorganismen genau an der Entstehung von Biogas beteiligt sind, ist jedoch zu großen Teilen unbekannt. Da Kultivierungsversuche immer zu einer Diskriminierung wesentlicher Anteile der mikrobiellen Gemeinschaft führen, sollen in diesem Vorhaben erstmals die cellulolytisch aktiven Mikroorganismen in situ identifiziert werden. Hierzu soll die Technik der Stabile-Isotopen-Markierung (SIP) genutzt werden. Hierfür wird Mais erzeugt, in welchem das nicht radioaktive Kohlenstoffisotop 13C durch Begasung mit 13CO2 angereichert ist. Dieses Pflanzenmaterial soll dann in miniaturisierten Gärtests fermentiert werden. Mikroorganismen, welche primär am Aufschluss und an der Umsetzung der Biomasse beteiligt sind, verwenden die markierten Kohlenstoffverbindungen aus dem Mais und a. zur Synthese von DNA und sind so mittels molekulargenetischer Methoden zu identifizieren. In diesem Vorhaben soll die SIP als neuartiges Verfahren zur Charakterisierung der Biogas-Mikrobiologie etabliert werden. Mittels SIP soll eine Inventarisierung der primären Vergärer in der Biogasfermentation erfolgen. Zudem soll der Einfluss von verschiedenen Prozessparametern auf die mikrobielle Gemeinschaft untersucht werden.
Das Projekt "Untersuchungen des Methan Paradoxons in Seen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Forschungsverbund Berlin, Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei durchgeführt. Methan ist ein höchst potentes Treibhausgas, dennoch ist das globale Methanbudget durch die vielen unbekannten CH4-Quellen und -senken sehr unsicher. Die Höhe der CH4-Anreicherung in der Wassersäule hängt von komplexen Interaktionen zwischen methanogenen Archaeen und methanotrophen Bakterien ab. Das bekannte Methan Paradoxon, das die CH4-Übersättigung im oxischen Oberflächenwasserkörper von Seen und Meeren darstellt, weckt Zweifel, dass die mikrobielle CH4-Bildung nur im anoxischen Milieu stattfindet. Im oligotrophen Stechlinsee haben wir eine wiederkehrende Methanübersättigung im Epilimnion gefunden. Unsere Studien zeigen, dass das CH4 aktiv in der oxischen Wassersäule produziert wird. Die Produktion scheint dabei an die autotrophe Produktion von Grünalgen und Cyanobakterien gekoppelt zu sein. Zur gleichen Zeit sind keine methanotrophen Bakterien im Epilimnion vorhanden, so dass das CH4 nicht oxidiert wird. Unsere Haupthypothese ist, dass pelagische Methanogene hydrogenotroph sind, wobei sie den Wasserstoff aus der Photosynthese und/oder Nitrogenaseaktivität nutzen. Unsere Untersuchungshypothesen sind:1) Die CH4-Produktion ist mit der Photosynthese und/oder N-Fixierung gekoppelt, wobei hydrogenotrophe methanogene Archaeen mit den Primärproduzenten assoziiert sind. Die Methanogenen können angereichert und kultiviert werden, um Mechanismen der epilimnischen CH4-Produktion detailliert zu untersuchen.2) Die CH4-Oxidation ist durch die Abwesenheit der Methanotrophen und/oder der Photoinhibition in den oberen Wasserschichten reduziert.3) Die CH4-Produktion innerhalb mikro-anoxischer Zonen, z. B. Zooplankton und lake snow, ist nicht ausreichend für die epilimnische CH4-Produktion.Die saisonale Entwicklung des epilimnischen CH4-Peaks soll in Verbindung mit den Photoautotrophen und der Seenschichtung im Stechlinsee untersucht werden. Dabei soll eine neu-installierte Mesokosmosanlage (www.seelabor.de) genutzt werden, um CH4-Profile bei unterschiedlichen autotrophen Gemeinschaften und Seenschichtungen zu studieren. Die Verknüpfung zwischen methanogenen Archaeen und den Photoautotrophen soll in Inkubationsexperimenten mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung und qPCR für funktionelle Gene untersucht werden. Methanotrophe werden quantifiziert und die Photoinhibition der CH4-Oxidation durch Inkubationsexperimente gemessen. In Laborexperimenten sollen die methanogenen Archaeen angereichert und kultiviert werden mittels dilution-to-extinction und axenischen Cyanobakterien und Grünalgen. Physiologische Studien an Anreicherungs- oder Reinkulturen sollen die zu Grunde liegenden molekularen Mechanismen ermitteln. Feld- und Laborexperimente sollen helfen, das Methan Paradoxon zu entschlüsseln, um die bisherige und potentiell wichtige CH4-Quelle zu charakterisieren und zu quantifizieren. Die Studien sollen helfen, unser Verständnis des globalen CH4-Kreislaufes zu verbessern, damit zukünftige Prognosen realistischer werden.
Das Projekt "Quantifizierung der Methanemissionen bei Rindern mit Hilfe des fäkalen Biomarkers Archaeol (MethanA)" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Kiel, Institut für Tierzucht und Tierhaltung durchgeführt. Ziel des Vorhabens ist die Evaluierung einer indirekten Methode zur Bestimmung der Methanproduktion über Archaeol im Kot von Rindern. Bei Archaeol handelt es sich um ein Membranlipid, welches sich in der Zellmembran der meisten Archaeen nachweisen lässt. Zu den Archaeen zählen auch die methanogenen Mikroorganismen im Vormagensystem von Wiederkäuern, weshalb der fäkale Archaeolgehalt mit der Ausscheidung von Methan in Beziehung steht und einen interessanten Umweltindikator darstellt. Zunächst soll die Beziehung zwischen Archaeolkonzentration und Methanproduktion überprüft werden. Hierfür kann auf eingelagerte Kotproben und Methanmessungen aus vorangegangenen Dummerstorfer Respirationskammerversuchen zurückgegriffen werden. Anschließend sollen Kotproben von Tieren der Karkendamm-Herde gesammelt und analysiert werden. Bei wiederholter Beprobung wäre es so möglich, erstmals Wiederholbarkeiten für die tierindividuelle Archaeolausscheidung unter Praxisbedingungen im Liegeboxen-Laufstall zu schätzen und Umweltfaktoren mit einem Effekt auf die Archaeolkonzentration im Kot zu identifizieren. Dies würde erste Hinweise darauf liefern, inwieweit die Archaeol- bzw. Methanausscheidung erblich bedingt ist. Des Weiteren ist geplant, Korrelationen zwischen der Archaeolausscheidung als Indikator für den Methanausstoß und anderen züchterisch bedeutsamen Merkmalen zu schätzen, um so den Handlungsspielraum für tierzüchterische Maßnahmen zur Emissionsminderung besser abschätzen zu können.
Das Projekt "Teilvorhaben: Konzeption und Konstruktion eines Rieselbettreaktorprozesses zur dynamisch-biologischen Methanisierung mit Archaeen - Untersuchung und Opt. des Betr.-Verh. - Gesamtprojektleitung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg, Forschungsstelle für Energiespeicher und Energienetze durchgeführt. Das übergeordnete Ziel des Verbundvorhabens ist die Entwicklung neuer technologischer Möglichkeiten für den biologischen Methanisierungsprozess mit Archaeen. Dabei wird zum einen ein Rieselbett-Bioreaktor optimiert, simuliert und für die Hochskalierung vorbereitet. Zum anderen werden optimal geeignete Mikroorganismen selektiert und deren Verhalten und Eignung im Reaktor untersucht. In Versuchsreihen wird dann das Verhalten des entwickelten Systems im Labor und im Feldtest an einer bestehenden Power-to-Gas-Anlage getestet. Aufgaben der koordinierend tätigen Forschungsstelle Energienetze und Energiespeicher an der OTH Regensburg sind dabei die Entwicklung des Anlagenkonzeptes, die Risikobeurteilung, die Auswahl geeigneter Elektrolysetechnologien sowie das Zusammenspiel von Packung und Mikroorganismen zu optimieren, geeignete Werkstoffe zu identifizieren und mit der Durchführung von Versuchsläufen in Laborumgebung und Freifeld das Verhalten des Systems zu beschreiben. Ein weiterer Teil der Projektarbeit besteht darin, Prozessparameter sowie Mess- und Nachweismethoden für die biologische Methanisierung in eine Normungsstruktur zu überführen.
Das Projekt "Teilvorhaben: Identifikation geeigneter Mikroorganismen für die biologische Methanisierung im Rieselbett-Bioreaktor" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Universität Regensburg, Institut für Biochemie, Genetik und Mikrobiologie, Lehrstuhl Mikrobiologie und Archaeenzentrum durchgeführt. Das übergeordnete Ziel des Verbundvorhabens ist die Entwicklung neuer technologischer Möglichkeiten für den biologischen Methanisierungsprozess mit Archaeen. Dabei wird zum einen ein Rieselbett-Bioreaktor optimiert, simuliert und für die Hochskalierung vorbereitet. Zum anderen werden optimal geeignete Mikroorganismen selektiert und deren Verhalten und Eignung im Reaktor untersucht. In Versuchsreihen wird dann das entwickelten Systems im Labor und im Feldtest an einer bestehenden Power-to-Gas-Anlage getestet. Dabei ist es die Aufgabe des Lehrstuhls für Mikrobiologie der Universität Regensburg, das Zusammenspiel von methanogenen Archaeen und Füllkörpermaterialien zu analysieren. Ziel ist es, die für den Reaktor optimale Organismen-Materialien-Kombination zu identifizieren. Diese zeichnet sich durch möglichst maximale Methanproduktionsraten und maximalen Methananteil im Produktgas aus, um das von den Mikroorganismen produzierte Methan direkt in das deutsche Gasnetz einspeisen zu können. Dazu wird ein umfangreiches Stammscreening durchgeführt und auch das Material, die Geometrie und die Oberflächenbeschaffenheit der Füllkörper berücksichtigt. Ein besonderes Augenmerk gilt dem Aufwuchsverhalten der Mikroorganismen auf den Füllkörpern sowie der Struktur und Langzeitstabilität des gebildeten Biofilms. Die Versuche werden im kleinen Maßstab in den Laboren des Lehrstuhls stattfinden, bevor in der Folge mit ausgewählten Archaeen der Testbetrieb im Reaktor durchgeführt wird. Alle gesammelten Daten werden standardisiert zusammengefasst, mit Werten etablierter Reaktorkonzepte verglichen und für die Verbesserung und Anpassung des Versuchsaufbaus und des Reaktordesigns genutzt. Anschließend wird ein Feldversuch an einer bestehenden Anlage mit Elektrolyseur und Einspeisung durchgeführt und nach Abschluss eine Analyse der Auswirkung des Reaktorbetriebs auf die ursprüngliche Anlage durchgeführt. Durch die Kombination von Labortests mit Versuchs- / Dauerbetrieb des Reaktors wird die Mikrobiologie der biologischen Methanisierung unter vielfältigen Bedingungen analysiert und diskutiert und trägt somit zu signifikanten Weiterentwicklung der Power-to-Gas-Technologie bei.
Das Projekt "Teilvorhaben: Standardisierung biologischer Methanisierungsprozesse und deren Anwendung auf verschiedene Bioreaktortypen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Electrochaea GmbH durchgeführt. Das übergeordnete Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung neuer technologischer Möglichkeiten für den biologischen Methanisierungsprozess mit Archaeen. Dabei wird zum einen ein Rieselbett-Bioreaktor optimiert, simuliert und für die Hochskalierung vorbereitet. Zum anderen werden optimal geeignete Mikroorganismen selektiert und deren Verhalten und Eignung im Reaktor untersucht. In Versuchsreihen wird anschließend das Verhalten des entwickelten Systems im Labor und im Feldtest an einer bestehenden Power-to-Gas-Anlage getestet. Der Schwerpunkt der Electrochaea GmbH liegt bei der Unterstützung in der Auswertung von Labor-und Feldversuchen und der Normierung von Vergleichsparametern für unterschiedliche Bioreaktorsysteme. Durch verfahrenstechnische Simulation sollen reaktorseitig energetisch optimale Betriebsparameter definiert und eine geeignete Elektrolyse-Technologie zur systematischen Integration des entwickelten Reaktorkonzeptes identifiziert werden. Es werden Archaeenstämme und Aufwuchsmaterialien zur Maximierung von Methanbildungsraten und Methananteil im Produktgas des Reaktors analysiert und bestimmt. Des Weiteren wird ein CFD-Simulationsmodell für die Stoffübertragung und die biologische Methanisierung erarbeitet. Es erfolgt der Aufbau und Testbetrieb des entwickelten Bioreaktors inklusive vollautomatisierter Leittechnik. Der Testbetrieb dient zur Bestimmung der Leistungsgrenzen mit unterschiedlichen Füllkörpern, die auf das Zusammenwirken mit den Archaeen optimiert sind. Es folgt der Versuchsbetrieb mit Mikroorganismen und Aufwuchskörpern. Die Ergebnisse werden standardisiert zusammengefasst und mit Werten etablierter Reaktorkonzepte verglichen. Abgeleitet daraus wird eine Verbesserung und Anpassung des Versuchsaufbaus, des Reaktordesigns und des Simulationsmodells angestrebt. Anschließend wird ein Feldversuch durchgeführt und nach Abschluss wird eine Analyse der Auswirkung des Reaktorbetriebs auf die ursprüngliche Anlage durchgeführt.
Das Projekt "Teilvorhaben: Auslegung, Konstruktion und Simulation eines Rieselbettreaktors für die biologische Methanisierung" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Department Chemie- und Bioingenieurwesen, Lehrstuhl für Energieverfahrenstechnik durchgeführt. Das übergeordnete Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung neuer technologischer Möglichkeiten für den biologischen Methanisierungsprozess mit Archaeen. Dabei wird zum einen ein Rieselbett-Bioreaktor optimiert, simuliert und für die Hochskalierung vorbereitet. Zum anderen werden optimal geeignete Mikroorganismen selektiert und deren Verhalten und Eignung im Reaktor untersucht. In Versuchsreihen wird anschließend das Verhalten des entwickelten Systems im Labor und im Feldtest an einer bestehenden Power-to-Gas-Anlage getestet. Der Schwerpunkt der FAU liegt im Bereich der Anlagenkonzeptionierung und -Konstruktion. Des Weiteren wird die FAU die Simulationen zum Rieselbettreaktor durchführen. Durch verfahrenstechnische Simulation sollen reaktorseitig energetisch optimale Betriebsparameter definiert und eine geeignete Elektrolyse-Technologie zur systematischen Integration des entwickelten Reaktorkonzeptes identifiziert werden. Es werden Archaeenstämme und Aufwuchsmaterialien zur Maximierung von Methanbildungsraten und Methananteil im Produktgas des Reaktors analysiert und bestimmt. Des Weiteren wird ein CFD-Simulationsmodell für die Stoffübertragung und die biologische Methanisierung erarbeitet. Es erfolgt der Aufbau und Testbetrieb des entwickelten Bioreaktors inklusive vollautomatisierter Leittechnik. Der Testbetrieb dient zur Bestimmung der Leistungsgrenzen mit unterschiedlichen Füllkörpern, die auf das Zusammenwirken mit den Archaeen optimiert sind. Es folgt der Versuchsbetrieb mit Mikroorganismen und Aufwuchskörpern. Die Ergebnisse werden standardisiert zusammengefasst und mit Werten etablierter Reaktorkonzepte verglichen. Abgeleitet daraus wird eine Verbesserung und Anpassung des Versuchsaufbaus, des Reaktordesigns und des Simulationsmodells angestrebt. Anschließend wird ein Feldversuch durchgeführt und nach Abschluss wird eine Analyse der Auswirkung des Reaktorbetriebs auf die ursprüngliche Anlage durchgeführt.
Das Projekt "Teilvorhaben: Normierung und Standardisierung der Beurteilung biologischer Methanisierungsprozesse und Anwendung auf den Rieselbett-Bioreaktor" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von MicrobEnergy GmbH durchgeführt. Das übergeordnete Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung neuer technologischer Möglichkeiten für den biologischen Methanisierungsprozess mit Archaeen. Dabei wird zum einen ein Rieselbett-Bioreaktor optimiert, simuliert und für die Hochskalierung vorbereitet. Zum anderen werden optimal geeignete Mikroorganismen selektiert und deren Verhalten und Eignung im Reaktor untersucht. In Versuchsreihen wird anschließend das Verhalten des entwickelten Systems im Labor und im Feldtest an einer bestehenden Power-to-Gas-Anlage getestet. Der Schwerpunkt des Beitrages der MicrobEnergy ist es, Normen und Kenngrößen festzulegen, die die Beurteilung der Effizienz und die Auswertung der Ergebnisse einer Methanisierungsanlage vereinheitlichen. Durch verfahrenstechnische Simulation sollen reaktorseitig energetisch optimale Betriebsparameter definiert und eine geeignete Elektrolyse-Technologie zur systematischen Integration des entwickelten Reaktorkonzeptes identifiziert werden. Es werden Archaeenstämme und Aufwuchsmaterialien zur Maximierung von Methanbildungsraten und Methananteil im Produktgas des Reaktors analysiert und bestimmt. Des Weiteren wird ein CFD-Simulationsmodell für die Stoffübertragung und die biologische Methanisierung erarbeitet. Es erfolgt der Aufbau und Testbetrieb des entwickelten Bioreaktors inklusive vollautomatisierter Leittechnik. Der Testbetrieb dient zur Bestimmung der Leistungsgrenzen mit unterschiedlichen Füllkörpern, die auf das Zusammenwirken mit den Archaeen optimiert sind. Es folgt der Versuchsbetrieb mit Mikroorganismen und Aufwuchskörpern. Die Ergebnisse werden standardisiert zusammengefasst und mit Werten etablierter Reaktorkonzepte verglichen. Abgeleitet daraus wird eine Verbesserung und Anpassung des Versuchsaufbaus, des Reaktordesigns und des Simulationsmodells angestrebt. Anschließend wird ein Feldversuch durchgeführt und nach Abschluss wird eine Analyse der Auswirkung des Reaktorbetriebs auf die ursprüngliche Anlage durchgeführt.
Das Projekt "Erfassung der hydrogenotrophen und methylotrophen Methanbildungskapazität in Biogasanlagen" wird vom Umweltbundesamt gefördert und von Technische Universität Dresden, Institut für Mikrobiologie durchgeführt. Im Rahmen des BioProFi-Konsortiums BioPara ist das Ziel dieses Vorhabens die dynamische Erfassung des Wasserstoff- und Methyl-Gruppen-Stoffwechsels methanogener Archaeen in Biogasanlagen, sowohl auf metagenomischer, als auch biochemischer Ebene. In situ-Inventarisierung der mikrobiellen Bioönose in Biogasanlagen (mit Fokus auf H2-abhängige Bakterien und Archaeen sowie auf methylotrophe Archaeen), die biochemische Bestimmung des methanoarchaealen Anteils am jeweiligen Gesamt-Stoffwechsel (H2-Bildung, H2-Verbrauch, Oxidation und Reduktion von Methyl-Gruppen), soll diese Stoffwechselaktivitäten als mögliche Raten-limitierende Schritte im Biogasprozess identifizieren. Die erhaltenen Daten sollen für die Isolierung methanogener Stämme mit Eigenschaften, die den Biomasse-Umsatz steigern können, herangezogen werden. Das Vorhaben soll so detaillierte Erkenntnisse über die H2- und Methylgruppen-abhängigen biochemische Prozesse in Biogasanlagen liefern, und so Maßnahmen identifizieren, durch die Methanproduktivität in diesen Anlagen gesteigert werden kann. Aus Biogasanlage-Proben werden H2-Verbrauch, H2-Bildung, der Anteil der methanogenen Hydrogenase-Aktivität an der Gesamt-Hydrogenase-Aktivität, sowie der Anteil der methylotrophen Methanogenese an der Gesamt-Methanausbeute, bestimmt. Desweiteren werden Methanogene mit verbesserten Eigenschaften isoliert. Die erhaltenen Daten werden mit der mikrobiellen Biozönose in Bezug gesetzt.
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