Fachtagung Prozessmesstechnik in BGAs - Spezialsession zu mikrobiologischen Messmethoden

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Martha Jaeger
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Fachtagung Prozessmesstechnik in BGAs - Spezialsession zu mikrobiologischen Messmethoden Kohlenstoff- und Wasserstoffisotopenanalysen zur Überwachung von Methanbildungsprozessen: Perspektiven der

1 Fachtagung Prozessmesstechnik in BGAs - Spezialsession zu mikrobiologischen Messmethoden Kohlenstoff- und Wasserstoffisotopenanalysen zur Überwachung von Methanbildungsprozessen: Perspektiven der Prozessoptimierung und Ausfallverminderung von Biogasanlagen H H 1 H 1 1 H Dr. Hans-Hermann Richnow Department Isotopenbiogeochemie Dr. Marcell ikolausz Department Bioenergie in Kooperation mit H H 1 Dr. Anko Fischer Isodetect GmbH (Standort Leipzig) Isotope leichter Elemente Isotope eines Elementes besitzen die gleiche Anzahl an Protonen aber eine unterschiedliche Anzahl an eutronen. Anzahl an Protonen H He 1 H Li He 1 H 9 B Li He 10 9 B Li He B Li B 9 Li He B B Anzahl an eutronen stabile Isotope 0 instabile/radioaktive Isotope

Isotopenverhältnisse als -Werte [ ] Probe 1 1000 Standard -Wert = "Unterschied zwischen Probe und internationalen

2 Messprinzip der Isotopenanalyse Verhältnis zwischen schweren und leichten Isotopen eines Elementes : 1 R = / 1 = 1,0 % / 9, % R = / = 0,011 % / 99,9 % H 1 H 1 1,0 % Isotopenmassenspektrometrie IRMS 0,011 % H 1 9, % 99,9 % 1 H Isotopenverhältnisse als -Werte [ ] Probe Standard -Wert = "Unterschied zwischen Probe und internationalen Standard (in Tausendstel, d.h. Promille )" Kohlenstoffisotopenverhältnis Wasserstoffisotopenverhältnis H Probe Standard

3 Prozess der Biogasbildung Komplexe organische Komponenten Kohlenhydrate, Eiweiße, Fette, usw. Einfache organische Komponenten Zucker, Aminosäuren, Fettsäuren, usw. Kurze Fettsäuren und Alkohole Hydrolyse Acidogenese Acetogenese H, Acetat Hydrogenotroph H, Biogas Acetoklastisch Methanogenese 1 H H H 1 Unterscheidung von Methanbildungswegen mittels 1 H vs. H H H H Hydrogenotrophe Methanbildung Acetoklastische Methanbildung 1 H Sugimoto & Wada, 199

4 Anwendbarkeit des Wissenstands auf Biogasanlagen? Können bekannte Isotopenkonzepte auf Biogasanlagen übertragen werden? Geben Isotopenverhältnisse Hinweise auf den Zustand des Biogasprozesses? Können Isotopenverhältnisse Störungen in der Biogasanlage anzeigen? Referenzversuche in Laborbiogasreaktoren Übertragbarkeit bekannter Isotopenkonzepte auf Biogasanlagen Laborversuche mit Biogasreaktoren Reaktor Substrat Volumen B r (g ots L -1 Tag -1 ) Substratbeschickung.1 Hühnermist. l. 1 pro Tag -.1 Schlempe l 10.0 kontinuierlisch, aller Stunden. Schlempe 1 l.0 1 pro Tag - Zusätze Mo, Zn, i, o, Ferrosorp DG.1 Schlempe 1 l 10.0 kontinuierlisch, Ferrosorp DG aller Stunden.1 l. 1 pro Tag Spuren - elemente B r Raumbelastung ots organische Trockensubstanz ikolausz et al., 01

Übertragbarkeit bekannter Isotopenkonzepte auf Biogasanlagen Ergebnisse 1 H vs.

1 RA-basiertes T-RFLP fingerprinting für methanogene Mikroorganismen H H Hydrogenotroph

, 01 1 H Acetoklastisch (Methanosaeta) Hydrogenotroph Mixotroph (Methanosarcina) icht

5 Übertragbarkeit bekannter Isotopenkonzepte auf Biogasanlagen Ergebnisse 1 H vs. H H Hühnermist Schlempe.1 Schlempe. Schlempe.1 RA-basiertes T-RFLP fingerprinting für methanogene Mikroorganismen H H Hydrogenotroph Acetoklastisch ikolausz et al., 01 1 H Acetoklastisch (Methanosaeta) Hydrogenotroph Mixotroph (Methanosarcina) icht identifiziert Übertragbarkeit bekannter Isotopenkonzepte auf Biogasanlagen Unterschiede in den Isotopenverhältnissen der eingesetzten Substrate Pflanzen Jahren et al., 00 1 von Hühnermist: -, -Pflanze 1 von Schlempe: -, -Pflanze 1 : -1, -Pflanze ikolausz et al., 01 Pflanzen Potenzieller Einfluss des Isotopenverhältnis des Substrats auf Isotopenverhältnis des Biogases -Pflanze -Pflanze

6 Gasproduktion L/h Hinweise auf den Zustand des Biogasprozesses g ots /L Biogasreaktoren mit Substratbeschickung Ammonium:,9 g / L g ots /L g ots /L 1 H H H g ots /L Gasproduktion L/h Ammonium: 1, g / L g ots /L g ots /L 1 H H H Lv et al., 01 Hinweise auf den Zustand des Biogasprozesses Biogasreaktoren mit Mixotroph 1 H Ammonium:,9 g / L H H Relative Häufigkeit Hydrogenotroph Hydrogenotroph 1 H Ammonium: 1, g / L H H Relative Häufigkeit Lv et al., 01

7 Störungen des Biogasprozesses Inhibierung durch Ammonium 1g Hühnermist 0g Hühnermist g Hühnermist 0g Hühnermist Störungen des Biogasprozesses Inhibierung durch Ammonium Gasproduktion L/h 1g Hühnermist 0g Hühnermist g Hühnermist 0g Hühnermist

Störungen des Biogasprozesses Inhibierung durch Ammonium 1g Hühnermist 0g Hühnermist g Hühnermist 0g Hühnermist 1 H Schlussfolgerung Anhand bekannter Isotopenkonzepte können erste Hinweise auf den

8 Störungen des Biogasprozesses Inhibierung durch Ammonium 1g Hühnermist 0g Hühnermist g Hühnermist 0g Hühnermist 1 H Schlussfolgerung Anhand bekannter Isotopenkonzepte können erste Hinweise auf den Biogasbildungsprozess abgeleitet werden. Jedoch sind die Isotopenverhältnisse der Ausgangssubstrate zu berücksichtigen. Mit Hilfe von Isotopenanalysen lässt sich der Zustand des Biogasbildungsprozesses überwachen. Durch Isotopenanalysen ergeben sich Hinweise auf die Inhibierung des Biogasbildungsprozesses.

9 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit G IRMS Vielen Dank an: reich Biochemische Konversion - DBFZ Dr. Jan Liebetrau, Dr. Fabian Jacobi Department Bioenergie - UFZ Zuopeng Lv, Athaydes Francisco Leite Junior, Dr. Heike Sträuber, Dr. Sabine Kleinsteuber Department Isotopenbiogeochemie - UFZ Ursula Günther, Falk Bratfisch, Dr. Matthias Gehre

10 Ausblick ptimierung der Methode Konzeptionelle Weiterentwicklung Untersuchung des Einflusses von sich ändernden Anlagenparametern (z.b. Substratmischung, /-Verhältnis, Raumbelastung, Verweilzeit) Validierung der Vorhersagbarkeit von verschiedenen Inhibierungseffekten Technische Weiterentwicklung online-isotopenanalyse zur dauerhaften Überwachung von Biogasanlagen auf Grundlage der Laserabsorptionspektroskopie Automatisierte Datenauswertung und -übertragung Langzeitexperimente an Laborbiogasreaktoren/Forschungsbiogasanlage Verifizierung des Isotopenkonzepts an gewerblichen Biogasanlagen Projektantrag unter gutachtung bei FR/BMELV Inhalte des Vortrags - Überblick zu stabilen Isotopen leichter Elemente - Grundlagen der Isotopenanalyse - Spezifische Isotopenverhältnisse von Methanbildungswegen - Ergebnisse zu Isotopenuntersuchung an Biogasreaktoren - Schlussfolgerung / Ausblick

1 / 1 -Isotopenverhältnisse als 1 [ ]- Werte Probe 1 1000 Standard = "Unterschied zwischen Probe und internationalen Standard VPDB (in Tausendstel)" 0,010900 0,011 0,011 1 / 1-0,0-0,0-10,0 0,0 10,0

11 1 / 1 -Isotopenverhältnisse als 1 [ ]- Werte Probe Standard = "Unterschied zwischen Probe und internationalen Standard VPDB (in Tausendstel)" 0, ,011 0,011 1 / 1-0,0-0,0-10,0 0,0 10,0 0,0 0,0 1 mehr 1, weniger 1 als VPDB weniger 1, mehr 1 als VPDB egativer 1 [ ]- Wert umgangssprachlich isotopisch leichter Messgenauigkeit ~ 0, Positiver 1 [ ]- Wert umgangssprachlich isotopisch schwerer Was sind stabile Isotope?

12 G-IRMS-System xidationsofen für 1 / 1 Pyrolyseofen für H/ 1 H Magnet Detektoren G Ionenquelle IRMS Unterscheidung von Methanbildungswegen mittels 1 H vs. 1 Hydrogenotrophe Methanbildung 1 Acetoklastische Methanbildung 1 H Whiticar, 1999

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