Bauhaus-Universität Weimar Fakultät Bauingenieurwesen. Masterarbeit im Weiterbildenden Studium - Wasser und Umwelt -

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1 Bauhaus-Universität Weimar Fakultät Bauingenieurwesen Masterarbeit im Weiterbildenden Studium - Wasser und Umwelt - Thema: Untersuchung des Einflusses von Enzymen auf die Biogasbildung Verfasser: Dipl.-Ing. Dorothea Telschow Erstprüfer: Prof. Dr.-Ing. E. Kraft Bauhaus-Universität Weimar Zweitprüfer: Prof. Dr.-Ing. R. Widmann Universität Duisburg-Essen

2 Gliederung: 1 Theoretischer Teil 1.1 Nutzung erneuerbarer Energien und Entwicklung der Biogasproduktion in Deutschland 1.2 Grundlagen der Biogasbildung 1.3 Einfluss von Enzymen auf die Biogasbildung 2 Experimenteller Teil 2.1 Durchführung von Gärversuchen 2.2 Darstellung der Versuchsergebnisse 3 Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse

3 1.1 Nutzung erneuerbarer Energien und Entwicklung der Biogasproduktion in Deutschland Struktur des Primärenergieverbrauchs in Deutschland 25 Gesamt: PJ Braunkohle 11,2 % Steinkohle 12,9 % Mineralöle 36, % Kernenergie 12,5 % Erneuerbare Energien 4,6 % Sonstige,1 % Erdgas 22,7 % Quellen: unter Verwendung von Angaben der Arbeitsgemeinschaft Energiebilanzen und nach Angaben der Arbeitsgruppe Erneuerbare Energien-Statistik (AGEE-Stat); nach Wirkungsgradmethode; vorläufige Angaben, Stand Februar 26 Entw icklung der erneuerbaren Energien in Deutschland , [% ] ,6 4,6 3,8 6,4 6,3 3,9 5, ,6 2,4 Anteil erneuerbarer Energien am gesamten Prim ärenergieverbrauch Anteile erneuerbarer Energien am gesamten Endenergieverbrauch (Strom, W ärm e, Kraftstoffe) Anteil erneuerbarer Energien am gesamten Bruttostrom verbrauch Anteil erneuerbarer Energien am gesamten Endenergieverbrauch für W ärm e Anteil erneuerbarer Energien am Kraftstoffverbrauch des Straßenverkehrs Quelle: BMU-Publikation "Erneuerbare Energien in Zahlen - nationale und internationale Entw icklung", Stand Mai 26; ab dem Jahr 23 neue Daten aus dem Energiestatistikgesetz (EnStatG) berücksichtigt

4 1.1 Nutzung erneuerbarer Energien und Entwicklung der Biogasproduktion in Deutschland 9. Beitrag der erneuerbarer Energien zur Wärmebereitstellung in Deutschland Geothermie Solarthermie Biomasse [GWh] Quelle: BMU-Publikation "Erneuerbare Energien in Zahlen - nationale und internationale Entw icklung", Stand Mai 26; für die Jahre keine Angaben für Geothermie und für die Jahre keine Angaben für Biomasse 7. B eitrag d er ern e u erb a ren E n erg ie n zur S tro m e rze u g u n g in D e u ts ch la n d W asserkraft W indenergie B iom asse F otovoltaik [GW h] Quelle: BMU-Publikation "Erneuerbare Energien in Zahlen - nationale und internationale Entw icklung", Stand Mai 26; A ngaben bei Biomasse einschließlich biogenem A nteil des A bfalls in Höhe von 5 % ; Strom aus Geothermie auf Grund geringer Strommengen nicht dargestellt

5 1.1 Nutzung erneuerbarer Energien und Entwicklung der Biogasproduktion in Deutschland Struktur der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien in Deutschland im Jahr 25 Endenergie zur Stromerzeugung: 62,5 TWh Windenergie 42,4 % Fotovoltaik 1,6 % Wasserkraft 34,5 % Geothermie,3 % Deponiegas 3,5 % Klärgas 1,4 % Biogas 4, % biogene flüssige Brennstoffe,7 % biogene Festbrennstoffe 8,6 % biogener Anteil des Abfalls 3,3 % Quelle: BMU-Publikation "Erneuerbare Energien in Zahlen - nationale und internationale Entw icklung", Stand Mai 26 Einspeisung und Vergütung nach Stromeinspeisungsgesetz (StrEG) und Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) in Deutschland StrEG: Januar März 2 EEG: ab April 2 6 Novelle EEG: ab August Einspeisung StrEG Einspeisung EEG 38,5 43,7 4 [Mio. Euro] Vergütung 18,1 25, 28,5 3 2 [TWh/a] 1 5 2,3 2,8 3,7 1, 1,3 1,6 4,8 6,8 7,9 1,4 3, * 1 * 25: Abschätzung, endgültige Angaben liegen noch nicht vor; Quelle: BMU-Publikation "Erneuerbare Energien in Zahlen - nationale und internationale Entw icklung", Stand Mai 26

6 1.1 Nutzung erneuerbarer Energien und Entwicklung der Biogasproduktion in Deutschland Bestandsentwicklung landwirtschaftlicher Biogasanlagen Quelle: Der Eigenstromverbrauch von Biogasanlagen und Potenziale zu dessen Reduzierung Base Technologies GmbH, München, November 26 siehe: (Homepage der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v.) Entwicklung des Biogaspotenzials in Deutschland bis 23 Quelle: Analyse und Bewertung der Nutzungsmöglichkeiten von Biomasse Wuppertal Institut für Klima, Umwelt, Energie GmbH, November 25 siehe: (Homepage des Fachverband Biogas e.v.)

7 1.2 Grundlagen der Biogasbildung Schematische Darstellung des anaeroben Umsatzes von Biomasse zu Biogas Quelle: Handreichung Biogasgewinnung und -nutzung Herausgeber: Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.v. (FNR), Gülzow, 25 Bezug unter

8 1.3 Einfluss von Enzymen auf die Biogasbildung Enzymsystem zum vollständigen Aufschluss von pflanzlicher Biomasse Quelle: Fritsche, Wolfgang: Umwelt-Mikrobiologie, Grundlagen und Anwendungen Gustav Fischer Verlag Jena, 1998 Durchschnittliche prozentuale Gehalte an Cellulose, Hemicellulose und Lignin in Lignocellulose verschiedener Herkunft Quelle: Peters, Dietmar: Kohlenhydrate als Fermentationsrohstoff Chemie Ingenieur Technik 26, 78, Nr.3 Pflanzenart bzw. Pflanzenbestandteil Anteile in % Cellulose Hemicellulosen Lignin Laubholz Nadelholz Weizenstroh Maiskolben Maisstängel

9 2.1 Durchführung von Gärversuchen Theoretische Grundlage: Laboreinrichtung: VDI-Richtlinie 463 "Vergärung organischer Stoffe", Entwurf 8/24, Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf VTI Thüringer Verfahrenstechnisches Institut für Umwelt und Energie e.v., Saalfeld Anordnung der 1 l-minibatch Fermenter und der 2 l-batch-fermenter im Thermoraum Versuchsanordnung der kontinuierlich betriebenen Fermenter (Gesamt- Volumen 15 l) mit den dazugehörigen Gasbeuteln Biogasanalyse mit Geräten zur Messung der Gaszusammensetzung und des Gasvolumens

10 2.2 Darstellung der Versuchsergebnisse 7 Tägliche Ausbeuten (ln / kg otszugeführt) Zeit (Tage) Rindergülle (Methan) Rindergülle (Biogas) MethaPlus (Methan) MethaPlus (Biogas) Novozym 342 (Methan) Novozym 342 (Biogas) Einfluss der Zugabe der Enzympräparate Novozym 342 und MethaPlus S 1 auf die Biogas- und Methanausbeute von Rindergülle in kontinuierlichen Gärversuchen (Verweilzeit: 22 Tage) 1 9 Ausbeuten in Normlitern/kg ots Versuchstage Biogasausbeute Maissilage Biogasausbeute Maissilage+MethaPlus Methanausbeute Maissilage Methanausbeute Maissilage+MethaPlus Vergleich des Gärverlaufes und der Ausbeuten von Maissilage und von Maissilage mit Zusatz des Enzympräparates MethaPlus S 1 in Monofermentation in 2 l- Batch-Gärversuchen, Versuchszeitraum 3 Tage (Mittelwerte aus Doppelbestimmungen)

11 2.2 Darstellung der Versuchsergebnisse Tägliche Ausbeuten (ln / kg otszugeführt) Zeit (Tage) Biogas (RG) Methan (RG) Biogas (RG+MS) Methan (RG+MS) Vergleich der Biogas- und Methanausbeuten von Rindergülle mit Rindergülle in Cofermentation mit unterschiedlichen Anteilen an Maissilage (1 bzw. 2 % der ots) und Untersuchung der Wirkung der Zugabe von MethaPlus S 1 in Anteilen von,1...,1 % bezogen auf TS bei einer Verweilzeit von 22 Tagen und einer FRB von 3 kg ots/m 3 xd in parallel durchgeführten kontinuierlichen Gärversuchen, Fermentervolumen 15 l Methanausbeute in Normlitern/kg ots Phase1: Cofermentation mit 1% Maissilage und MethaPlus S1 Rindergülle ohne Zusätze (Referenzversuch) Phase 2: Cofermentation mit 2% Maissilage und MethaPlus S1 Rindergülle und Cofermentation von Maissilage Phase 3: Cofermentation mit 2% Maissilage ohne Enzymzusatz Differenzbetrag zwischen Mono- und Cofermentation Vergleich der Methanausbeuten von Rindergülle mit Rindergülle in Cofermentation mit Maissilage und mit Zusatz von MethaPlus S 1 bei einer Verweilzeit von 22 Tagen und einer FRB von 3 kg ots/m 3 xd in parallel betriebenen kontinuierlichen Fermentern, Fermentervolumen 15 l

12 2.2 Darstellung der Versuchsergebnisse 2 17,5 15 ots-abbau in % 12,5 1 7,5 5 2,5 US/FS US/FS + Alcalase US/FS + MethaPlusS1 US/FS + Alcalase + MethaPlusS1 US/FS + MethaPlusS14 Abbau der organischen Trockensubstanz des Gemisches aus Umwälzschlamm und Frischschlamm nach der Vergärung im 1 l-minibatch-maßstab mit verschiedenen Enzympräparaten nach einer Versuchsdauer von 3 Tagen

13 3 Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse Aufgrund des hohen Cellulose-Anteils vieler nachwachsender Rohstoffe ist der anaerobe Abbau zu Biogas durch die Bakterienpopulation zeitaufwendig und verlangt für einen vollständigen Abbau der bioverfügbaren Bestandteile lange Verweilzeiten im Fermenter. Längere Verweilzeiten bedingen größere Fermentervolumina und höhere Investitionskosten. Im Rahmen von diskontinuierlich und kontinuierlich durchgeführten Gärversuchen mit Cellulose-haltigen Substraten konnte eine Erhöhung der Biogasausbeute durch den Einsatz von Cellulose-spaltenden Enzymen bei Verweilzeiten bis zu 3 Tagen nachgewiesen werden. Längere Verweilzeiten wurden nicht untersucht. Die Ergebnisse wurden durch aus der Literatur bekannte Untersuchungen bestätigt. Die Erhöhung der Methanausbeute wird mit einer Verkürzung der Hydrolyse- Phase bei der Biogasbildung interpretiert. Dies führt zu einer Verbesserung der Effektifität der Vergärung. Bei der Vergärung nachwachsender Rohstoffe in landwirtschaftlichen Anlagen stellt der Zusatz geeigneter Enzympräparate eine wirtschaftlich interessante Option dar. Bei Abfallvergärungs- und Kläranlagen ist die Wirtschaftlichkeit des Enzymeinsatzes in erster Linie durch Mehreinnahmen auf der Seite der Annahmegebühren bei einem erhöhten Durchsatz oder durch verringerte Entsorgungskosten durch einen verstärkten Abbau an organischer Substanz zu erreichen. Das Kosten/Nutzen-Verhältnis muss anlagenbezogen geprüft werden. Neben der Erhöhung der Effektivität der Vergärung sind weitere positive Effekte durch den Enzymeinsatz zu erwarten (Verringerung der Neigung von Substraten zur Schwimmschichtbildung, bessere Rühr- und Pumpfähigkeit der Substrate, geringere Methan- und Geruchsemissionen von Gärrückständen).

14 3 Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse Vereinfachte Darstellung der Proteinstruktur eines Enzymes Quelle: Stichwort: Enzyme Enzyme sind in aller Munde!