1 Kurzfassung. 2 Einleitung

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1 Hilke Würdemann, Anne Kleyböcker, Marietta Liebrich, Tobias Lienen, Stephanie Lerm, Rona Miethling-Graff; Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Potsdam Martin Wittmaier; Institut für Energie und Kreislaufwirtschaft, Hochschule Bremen Manuel Brehmer, Matthias Kraume; Fachgebiet Verfahrenstechnik, TU Berlin 1 Kurzfassung Für eine verstärkte Verwertung von Rest- und Abfallstoffen wird ein zuverlässiges, technologisch flexibles System benötigt, da Substratumstellungen Störungen wie Übersäuerung, Schaum und Schwimmschichten verursachen können, die die Durchmischung und / oder die effektive Ausnutzung der Anlage beeinträchtigen. Zudem treten aufgrund unvorteilhaft geregelter Umwälzungen, Dosier- und Abzugseinheiten regelmäßig Kurzschlussströme auf. Eine Tracerstudie zeigt, dass im Extremfall bis zu 72 % des zugeführten Substrats direkt nach einer Dosierung abgezogen wurde. Im Durchschnitt lagen die Verluste in den untersuchten Anlagen zwischen 16 % und 33 % der maximalen Methanausbeute. Als Beitrag zur Steigerung der Anlageneffizienz wurden verschiedene Prozessstörungen an großtechnischen Biogasanlagen analysiert und in Laborfermentern simuliert, um den Prozess unter kontrollierten Bedingungen zu studieren und Gegenmaßnahmen zu entwickeln. Es wurde ein Frühwarnindikator entwickelt, der bereits zwischen drei und sieben Tagen vor dem Eintreten auf eine Übersäuerung hinweist. Dieser Zeitraum ist für die Einleitung von Gegenmaßnahmen zur Stabilisierung des Prozesses ausreichend. Unter Einsatz des Indikators wurde eine stufenweise Erhöhung der Raumbelastung vorgenommen. Dabei diente der Frühwarnindikator zur Steuerung der Additiv-Zugabe. In verschiedenen Laborversuchen konnten Raumbelastungen von 6, und 9,5 kg ots m -3 d -1 mit Fettanteilen von bis 87 % bei Methanausbeuten von,9 m³ (kg ots) -1 erfolgreich gefahren werden. Ein Zeitintervall von 8 Tagen zwischen zwei Erhöhungen der Substratfracht erwies sich als notwendig, um die Methanausbeute im Erwartungsbereich zu halten. Neben den Untersuchungen zur Steigerung der Raumbelastung wurde auch ein Schaumereignis an einer Biogasanlage untersucht. Genetische Fingerprint-Analysen zur Charakterisierung der mikrobiellen Biozönose in einer im Winter zur Schaumbildung neigenden Biogasanlage wiesen auf die Beteiligung des fädigen Candidatus Microthrix parvicella an der Schaumbildung bzw. Schaumstabilisierung hin, während der ebenfalls im Schaum dominant auftretende Candidatus Cloacamonas acidaminovorans vermutlich mit hohen Proteingehalten korreliert war und daher als Indikatororganismus für ein erhöhtes Schaumbildungspotential fungieren könnte. 2 Einleitung Für den verstärkten Einsatz von Rest- und Abfallstoffen wird ein technologisch flexibles System benötigt, da die Verfügbarkeit von Rest- und Abfallstoffen stark variieren kann. Jede Substratumstellung kann Prozessstörungen wie Schaum und Schwimmschichten sowie Übersäuerung im Biogasreaktor verursachen. Diese Störungen können zu einer verminderten Anlagenausnutzung oder gar zu wochenlangen Ausfällen der Biogasproduktion führen und wirken sich somit negativ auf die Wirtschaftlichkeit 21

2 einer Anlage aus (Balussou et al. subm.). Darüber hinaus haben Störungen auch negative Auswirkungen auf die Ökobilanz einer Anlage. Kurzschlussströme, Stagnationszonen und Totzonen im Gärreaktor sind häufige Phänomene, die jedoch in der Regel unbemerkt bleiben oder zumindest nicht genau beschrieben werden können. Sie können die Effizienz einer Biogasanlage erheblich mindern und führen zu ungenutzten Restgaspotentialen im Gärrest. Neben einer Verringerung der Energieausbeute kann es auch zu hygienischen Problemen kommen. Die Bioabfallverordnung (BioAbfV) eröffnet die Möglichkeit, durch eine thermophile Betriebsweise auch während der Fermentation zu hygienisieren. Die Abfallmatrix muss dabei so behandelt werden, dass in der Hygienisierungsstufe (im Fermenter) eine Mindesttemperatur von 55 C über einen zusamme nhängenden Zeitraum von 24 Stunden erreicht wird sowie eine hydraulische Verweilzeit im Reaktor von mindestens 2 Tagen gewährleistet ist. Unzureichend hygienisierte Gärreste sind als Vektor für die Verbreitung von Krankheitserregern anzusehen. Die Durchmischung eines Reaktors hat daher einen entscheidenden Einfluss auf die Güte des Prozesses. Um den flexiblen Einsatz von Rest- und Abfallstoffen sowohl unter hygienischen und wirtschaftlichen als auch unter ökologischen Gesichtspunkten zu ermöglichen, ist es wichtig, die Biogastechnologie technologisch zu optimieren. Ziel der hier vorgestellten Untersuchungen ist die Entwicklung von Handlungsempfehlungen für einen flexibleren und effektiveren Anlagenbetrieb. Verfahren zur Charakterisierung der Durchmischung wurden dazu eingesetzt, ungenutzte Leistungspotentiale aufzudecken, um diese mit einer geeigneten Prozesssteuerung besser auszuschöpfen. Weil Biogasreaktoren bei einer Substratüberfrachtung schnell übersäuern, sind sie in der Regel weniger ausgelastet als technisch möglich. Daher liegen die Raumbelastungen in der Praxis für volldurchmischte Reaktoren nur zwischen 1 und 4 kg otr m -3 d -1. Um höhere Raumbelastungen fahren zu können, werden Frühwarnindikatoren für das Einsetzen einer Übersäuerung entwickelt. Grundlegende Untersuchungen zum Prozess und zur Prozessstabilisierung dienen dazu, das Prozessverständnis zu verbessern und tragen dazu bei, Handlungsempfehlungen für einen optimierten Betrieb zu entwickeln. 3 Charakterisierung der Durchmischung Zur Bestimmung des Verweilzeitverhaltens wird das Substrat mit einer definierten Menge eines Tracers markiert und anschließend die Zeitspanne bis zum Nachweis des Tracers im Output der Anlage und der Verlauf der Konzentrationsabnahme bestimmt. Tracerstudien liefern auch Aufschluss über das Zusammenwirken von Fermenter- und Rührwerksdesign sowie der Rührwerksbetriebsweise. Mit Hilfe dieses Verfahrens wurde die Durchmischung an zwei großtechnischen Biogasanlagen charakterisiert. Die Ergebnisse der Tracerstudie konnten mit Hilfe von Modellen, die eine Kompartimentierung im Reaktor simulieren, erfolgreich abgebildet werden. Das Verweilzeitverhalten der füllstandsgeregelten Reaktoren war abhängig davon, zu welchem Zeitpunkt nach der Substratzufuhr der Gärrestabzug ausgelöst wurde. Im Extremfall wurden bis zu 72 % des zugeführten Substrats direkt nach einer Dosierung abgezogen und verminderten entsprechend die Methanausbeute (Kleyböcker et al. 27). An einer großtechnischen Biogasanlage machten das im Durchschnitt 33 % (Reaktor 1) und 16 % (Reaktor 2) Verlust in der Methanausbeute aus (Kleyböcker et al. a, in prep.). 22

3 Bei Untersuchungen an einer weiteren Anlage zeigte der in der Umwälzung beobachtete Verlauf der Tracerkonzentration, dass Substrat und Tracer schon 5 min nach Dosierung den Reaktor von oben nach unten über eine Distanz von ca. 3 m durchströmt hatten. Im Rahmen einer CFD-Simulation zur Abbildung des Strömungsverhaltens wurden die auftretenden Stagnationszonen lokalisiert und visualisiert. Der Einfluss des Viskositätsverhaltens des Klärschlamms auf das Geschwindigkeitsprofil ist im Vergleich zu dem von Wasser in Abbildung 1 dargestellt. Zur Berechnung der Geschwindigkeitsfelder wurde dabei auf die unter Einsatz eines laminaren Strömungsrohrs experimentell ermittelten rheologischen Werte des Gärsubstrats zurückgegriffen. CFD-Simulationen ohne Berücksichtigung der komplexen Rheologie würden daher zu erheblichen Fehlern führen (Brehmer et al., in prep.). Um Produktionsausfälle durch defekte Rührwerke und kostspielige Reparaturen zu vermeiden, werden zunehmend externe Pumpen für die Umwälzung der Gärsubstrate eingesetzt. Wie diese CFD-Simulation und die Tracerstudie jedoch zeigen, stehen dem Vorteil einer vereinfachten Wartungsmöglichkeit das erhöhte Risiko einer Ausbildung von größeren Stagnationsvolumina und somit einer deutlich reduzierten Methanausbeute entgegen. Abbildung 1: Momentaufnahme des Strömungsprofils in einer großtechnischen Biogasanlage unter Zugrundelegung der Viskosität von Klärschlamm (links) & Wasser (rechts) 23

4 Ein Vergleich der gemessenen Tracerkonzentrationen im Ablauf des Biogasreaktors mit den berechneten Konzentrationen am Auslass eines ideal durchmischten Rührkessels zeigt, dass die Durchmischung des Biogasreaktors unter Annahme einer Stagnationszone (62,5 % des Reaktorvolumens) und einer dynamischen Zone (37,5 % des Reaktorvolumens) simuliert werden kann. In der dynamischen Zone führt die niedrige Verweilzeit von etwa 4 Tagen zu einem vorzeitigen Substrataustrag. Dem Modell entsprechend werden 19 % des täglich zugeführten Substrates innerhalb eines Tages wieder abgezogen. Wäre der Reaktor dagegen ideal durchmischt, würden nur 11 % des frischen Substrats ausgetragen werden. Dementsprechend gehen an dieser Anlage täglich 8 % des Substrats zur Erzeugung von Energie verloren. 4 Änderungen in der Zusammensetzung der mikrobiellen Biozönose im Zuge von Übersäuerungen Um das sog. Umkippen des Fermentationsprozesses gezielt herbeizuführen, wurden zwei über einen Zeitraum von etwa einem Jahr kontinuierlich betriebene Laborreaktoren (Gärschlammvolumen 22 L) - ihre Inbetriebnahme erfolgte im Abstand von zwei Monaten - organischen Stoßbelastungen durch Rapsöl (hoher Anteil langkettiger Fettsäuren) ausgesetzt. Nach Zugabe der vierfachen Tagesdosis Rapsöl brach die Gasproduktion des ersten Reaktors (Reaktor 1) innerhalb von zwei Tagen ein. Im Gegensatz dazu übersäuerte der Zweite erst nach Zugabe der zwölffachen Tagesdosis, wobei sukzessive über einen Zeitraum von 16 Tagen die Tagesdosis von Faktor 4 auf Faktor 12 gesteigert wurde. Der sog. Umkippprozess trat bei beiden Reaktoren nach einer Akkumulation von ca. 2 mg L -1 organischen Säuren ein. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass mikrobielle Biozönosen selbst bei gleicher Quelle für das Animpfmaterial und Parallelbetrieb unterschiedlich tolerant gegenüber Stoßbelastungen sein können. Um dieses Phänomen genauer zu erforschen, wurde die mikrobielle Biozönose mit Hilfe eines genetischen Fingerprinting -Verfahrens zur Erfassung der dominanten Spezies charakterisiert (Polymerase chain reaction - single-strand conformation polymorphism, PCR-SSCP). Eine Clusteranalyse (Gelcompar) ergab eine um 13% unterschiedliche Zusammensetzung der Biozönosen bezüglich der Gruppe der Bacteria in den einzelnen Reaktoren. Die gefundenen Organismen konnten den hydrolytischen, acidogenen und acetogenen Mikroorganismen zugeordnet werden. Bei der Gruppe der Methanbildner (Archaea) kann zwischen acetoclastischen und hydrogenotrophen Methanogenen unterschieden werden. Während es in Reaktor 2 neben den acetoclastischen Methanbildnern auch verschiedene hydrogenotrophe Mikroorganismen gab, dominierten in Reaktor 1 acetoclastische Methanbildner. Im Zuge der Übersäuerung nahm die Bedeutung der hydrogenotrophen Methanbildner in Reaktor 2 zu. Die unter konstanten Prozessbedingungen vorliegende Vielfalt der Archaea in einer Biozönose scheint somit einen entscheidenden Einfluss auf die Störanfälligkeit eines Biogasreaktors zu haben und könnte ein Grund für die höhere Toleranz gegenüber Prozessstörungen in Reaktor 2 sein (Lerm et al. subm.). 24

5 Bande Klasse Nächster phylogenetischer Verwandter (GenBank accession number) Ähnlichkeit [%] 1 Methanobacteria Methanobacterium formicicum -ähnliches archaeon, (DQ64939) 98 2 Methanomicrobia Methanospirillum hungatei -ähnliches archaeon, (AY196683) 98 3 uncultured Methanospirillum sp., clone DI_G7, (AY454788) 99 4 Methanosarcina thermophila -ähnliches archaeon, (M5914) 99 5 Methanoculleus receptaculi -ähnliches archaeon, (DQ787476) 99 Abbildung 2: Einfluss von Stossbelastungen auf die mikrobielle Biozönose (Archaea): Vergleich der Biozönose von zwei Laborreaktoren vor und nach einer Übersäuerung mit Hilfe eines molekularbiologischen Fingerprinting - Verfahrens (Vergleich der 16S rdna, PCR-SSCP Analyse mit spezifischen Archaea-Primern) 25

6 5 Frühwarnindikator zur Vermeidung von Prozessstörungen Zur Entwicklung eines Frühwarnindikators wurden weitere Übersäuerungen durch Substratüberfrachtungen im Labormaßstab gezielt herbeigeführt. Während einer Übersäuerung konnten deutliche Änderungen der Verläufe verschiedener Parameter wie der Gasproduktion, dem ph-wert, den Gaskomponenten (CH 4, CO 2, H 2 ), den kurzkettigen Säuren (CH 2 O 2 bis C 5 H 1 O 2 ) und dem Phosphat beobachtet werden. Diese Parameter reagierten jedoch erst eindeutig, wenn der Gärschlamm bereits übersäuert war. Das Verhältnis aus dem Gehalt der organischen Säuren zur Calciumkonzentration zeigte hingegen schon signifikante Änderungen in seinem Verlauf, bevor eine Übersäuerung eintrat (Patent, Kleyböcker et al. b, in prep.). So indiziert der Anstieg des Verhältnisses zwischen organischen Säuren und Ca 2+ eine Übersäuerung bereits zwischen drei und sieben Tagen vor deren Eintreten (vgl. Kap. 6). Unabhängig von der absoluten Calciumkonzentration kann der Anstieg des Frühwarnindikators um seinen 2- bis 3-fachen Ausgangswert als Warnsignal interpretiert werden. In Abbildung 3 ist ein typisches Beispiel für den Verlauf dargestellt org. Säuren [mg L -1 ] org. Säuren / Calcium [ - ] Gasbildungsrate [L h -1 ] Zeit [d] org. Säuren Gasbildungsrate org. Säuren / Calcium Abbildung 3: Organische Säuren, Gasbildungsrate und das Verhältnis der organischen Säuren zu Calcium vor und während einer kontrolliert herbeigeführten Übersäuerung als typisches Beispiel für den Konzentrationsverlauf Untersuchungen zur Zusammensetzung der kurzkettigen organischen Säuren während einer Übersäuerung zeigten, dass sich stets zuerst Essigsäure und dann Propionsäure akkumulierte. Die beiden Säuren bildeten mit > 5 % den größten Anteil der kurzkettigen organischen Säuren. 26

7 Gleichzeitig war jede Übersäuerung von einer starken Zunahme der Phosphatkonzentration gekennzeichnet, die auf die Freisetzung des gespeicherten Polyphosphats durch Phosphat-akkumulierende Mikroorganismen (PAO) zurückgeführt werden konnte (Kleyböcker et al. subm.). Fingerprinting-Analysen zeigten, dass verschiedene Vertreter der PAO im Gärschlamm vorhanden waren. Mit spezifischen PCR- DGGE (denaturierende Gradienten Gelelektrophorese) Analysen wurde Dechloromonas sp. und Candidatus Accumulibacter phosphatis detektiert (Bande 1 und Bande 2, s. Abbildung 4) (Liebrich et al., in prep.). Außerdem zeigten die Verläufe von Essigsäure, Propionsäure und Phosphat stets einen ähnlichen Trend (Abbildung 5). Essigund Propionsäure dienen den PAO während der Phosphatrücklösung als Substrat. Sind die Säuregehalte hoch, ist genug Substrat für die Phosphatrücklösung vorhanden, hingegen wird bei niedriger Säurekonzentration weniger Phosphat rückgelöst. S Nicht Übersäuert Übersäuert Bande 2 Bande1 Abbildung 4: Charakterisierung Phosphat-akkumulierender Mikroorganismen im Verlauf einer Übersäuerung mit Hilfe eines molekularbiologischen Fingerprinting - Verfahrens (Vergleich der 16S rdna, PCR-DGGE Analyse mit spezifischen PAO-Primern) 27

8 14 4 Phosphat [mg L -1 ] org. Säuren [mg L -1 ] Phosphat Essigsäure Propionsäure Zeit [d] Abbildung 5: Ähnlicher Verlauf von Essigsäure, Propionsäure und Phosphat während einer Entsäuerung mit Calciumoxid. 6 Wirkungsmechanismus der Entsäuerung mit Calciumoxid Als Gegenmaßnahme nach einer Übersäuerung wurden sowohl Natronlauge als auch Calciumoxid in verschiedenen Versuchsreihen eingesetzt. Hierbei zeigte sich, dass der Einsatz von Calciumoxid wesentlich nachhaltiger war als der Einsatz von Natronlauge. Natronlauge erhöhte zwar den ph-wert, stabilisierte jedoch den Prozess im vorliegenden Fall innerhalb von 3 Wochen nicht nachhaltig. Obwohl der ph- Wert im neutralen Milieu lag und die Säurekonzentration in einem Erwartungsbereich für einen stabilen Betrieb lag, kam es bei dem Wiedereinsetzten der Co-Substratzufuhr zu einer erneuten Übersäuerung. Calciumoxidzugaben hingegen wirkten sich stets prozessstabilisierend aus. Die Calciumzufuhr über Calciumoxid sorgte neben der Anhebung des ph-wertes durch eine Bildung von Aggregaten für eine nachhaltige Stabilisierung des Prozesses der Biogasbildung (Kleyböcker et al. subm.). Die alleinige Erhöhung des ph-wertes durch die Laugenzugabe stellte sich als weniger bedeutend für die Stabilisierung der Biogasbildung heraus. Rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen zeigten, dass im Kern der Aggregate vermehrt Calciumphosphatverbindungen zu finden waren, die von kohlenstoffreichem Material umgeben waren. Aufgrund des geringen Löslichkeitsproduktes und lokaler Heterogenität fiel Calcium sowohl mit Phosphat als auch mit langkettigen Fettsäuren aus. Diese Ausfällungen bildeten ein Grundgerüst für Aggregate, an die vermutlich weitere langkettige organische Säuren adsorbierten. Es ist anzunehmen, dass die Aggregate als Aufwuchsfläche für Biofilme dienten und somit zugleich auch die Bildung von Mikrohabitaten gefördert wurde. So konnte trotz eines hohen Wasserstoffpartialdrucks, der sich hinsichtlich des Propionsäureabbaus in einem energe- 28

9 tisch hemmenden Bereich befand, während des Entsäuerungsprozesses wieder eine hohe Methanausbeute erreicht werden. Selbst bei ph-werten unter 7, nahmen die Säurekonzentrationen ab (Abbildung 6), weil durch Fällung und Adsorption langkettige organische Säuren der flüssigen Phase entzogen und die Säurekonzentrationen in der flüssigen Phase gesenkt wurden. Zusätzlich wurden Essig- und Propionsäure von PAO während der Phosphatrücklösung aufgenommen. PAO sind im Gegensatz zu den Methanbildnern auch bei ph-werten unter 7, aktiv. Des Weiteren herrschte in der Mitte der Aggregate ein ph-wert von 7,75, so dass Säuren abgebaut und Biogas gebildet werden konnten. Diese Effekte führten in der Summe zur Entsäuerung und Stabilisierung des Prozesses. Mit Hilfe einer Kohlenstoffbilanz konnte der vollständige Abbau der akkumulierten Säuren während der Entsäuerung belegt werden. Kurz nach vollständiger Entsäuerung und Stabilisierung des Reaktors waren keine Aggregate im Reaktor mehr nachweisbar. Vermutlich waren mikrobiell katalysierte Abbauprozesse an der schnellen Auflösung der Aggregate beteiligt org. Säuren [mg L -1 ] ph-wert [ - ] CaO [mg L -1 d -1 ] org. Säuren ph-wert CaO-Zufuhr Zeit [d] Abbildung 6: Verlauf der organischen Säuren und des ph-wertes während einer Entsäuerung mit Calciumoxid und einer anschließenden Anfahrphase 7 Optimierung der Raumbelastung Im Rahmen von Laboruntersuchungen wurde die Raumbelastung stufenweise erhöht, wobei der Frühwarnindikator zur Steuerung der Additiv-Zugabe (CaO) diente und sich stets prozessstabilisierend auswirkte. Im Rahmen dieser Versuchsreihe konnten Raumbelastungen von 6, und 9,5 kg ots m -3 d -1 mit Fettanteilen von bis 87 % bei Methanausbeuten von,9 m³ (kg ots) -1 erfolgreich gefahren werden. Aufgrund der Versuchsergebnisse konnte folgende Faustregel aufgestellt werden: Ein Zeitintervall von 8 Tagen sollte mindestens zwischen zwei Erhöhungen der Raumbelastung eingehalten werden, damit die Methanausbeute im Erwartungsbereich gehalten werden kann. Durch die Calciumoxid-Zugabe wurde selbst bei sehr hohen 29

10 Raumbelastungen (1,4 kg ots m -3 d -1 ) der Prozess nicht instabil, sondern die Methanausbeute verminderte sich lediglich um maximal 3%. Bei sehr hohen Calciumoxiddosierungen (>2,5 g L -1 d -1 ) bildeten sich allerdings viele und zum Teil auch sehr große Aggregate, die die Durchmischung (Gärsubstratumwälzung durch Biogasrückführung) erheblich einschränkten. Unter den gegebenen Versuchsbedingungen erwies es sich als günstig, eine Calciumkonzentration von 85 mg L -1 nicht zu überschreiten. Diese Empfehlung vermindert den Einsatz von Calciumoxid und wirkt der Bildung sehr großer Aggregate entgegen. 8 Schaumereignis in einem Biogasreaktor erste Ergebnisse der molekularbiologischen Analyse Während eines Schaumereignisses einer im Winter zur Schaumbildung neigenden Abwasserbehandlungsanlage wurden Proben aus drei nicht schäumenden Reaktoren untersucht und mit den Ergebnissen einer Schaumprobe aus dem Überlauf eines schäumenden Reaktors (Co-Vergärung von Fetten) verglichen. Mit Hilfe eines genetischen Fingerprintings (PCR-DGGE) wurde die Zusammensetzung der mikrobiellen Lebensgemeinschaft untersucht. Während eines Schaumereignisses wurde eine deutliche Veränderung der Zusammensetzung der Biozönose beobachtet. In allen Reaktoren wurde Candidatus Microthrix parvicella nachgewiesen, der dafür bekannt ist, dass er in Klärwerken an der Schaumbildung beteiligt ist. Durch seine fädige Struktur und die Abgabe von extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) könnte Microthrix auch die Schaumbildung im Reaktor begünstigt haben. Im schäumenden Reaktor sowie in der Schaumprobe aus diesem Biogasreaktor waren die Banden von Microthrix im Gelbild erheblich stärker als in den drei weniger betroffenen Reaktoren (Lienen et al., in prep.). Dieser halbquantitative Befund deutet darauf hin, dass sich die Menge dieses Mikroorganismus während der Schaumbildung deutlich erhöht hat, was auf seine ursächliche Beteiligung an der Schaumbildung hinweist. In einem relativen Quantifizierungsschritt mit Hilfe der Real-Time PCR, bei der ein Fluoreszenzfarbstoff an die DNA bindet und über einen Detektor die Menge der DNA bestimmt werden kann, konnten die semiquantitativen Ergebnisse verifiziert werden. Relativ zur Menge der gesamten bakteriellen DNA wurde im schäumenden Reaktor und im Schaum mehr DNA von Microthrix gefunden, als in den Reaktoren die nicht schäumten (Lienen et al., in prep.). Der Lipid-akkumulierende Candidatus Microthrix parvicella hatte vermutlich in dem zur Co-Vergärung von Fetten genutzten Reaktor einen Selektionsvorteil und konnte sich daher im Vergleich zu den Reaktoren ohne Lipidzufuhr stärker vermehren. Bisher ist allerdings noch wenig darüber bekannt, ob sich Microthrix vermehren kann, da es sich nur bedingt in Reinkultur kultivieren lässt. In einem weiteren Schritt sollen daher die Schaumproben und Referenzproben mittels FISH (Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung) analysiert werden, um zu klären, zu welchen Zeitpunkten Microthrix besonders stoffwechselaktiv war. Da aus der Literatur bekannt ist, dass Microthrix sensitiv gegenüber höheren Temperaturen ist, wurde der zur Schaumbildung neigende Reaktor über den Zeitraum eines Jahres auf das Vorhandensein von Microthrix analysiert. Über die semiquantitative Analyse der PCR-DGGE zeigte sich, dass Microthrix zwar über das ganze Jahr im Reaktor nachgewiesen werden konnte, sich die Menge in den kälteren Monaten (Oktober März) allerdings erhöhte. Auch hier bestätigen die Ergebnisse der Real-Time 21

11 PCR die semiquantitativen Analysen des Fingerprintings und weisen auf eine höhere Abundanz von Microthrix parvicella in den kälteren Monaten hin. Weiterhin zeigen die DNA-Fingerprinting-Analysen, dass neben Microthrix auch Candidatus Cloacamonas acidaminovorans verstärkt im Schaum vorkam. Dieses Bakterium fermentiert Aminosäuren und ist noch wenig charakterisiert. Möglicherweise zeigt die Dominanz dieses Organismus hohe Proteingehalte im Schaum an und sein Nachweis könnte auf ein erhöhtes Schaumbildungspotential hinweisen. 9 Literatur Balussou, D., Kleyböcker, A., McKenna, R., Möst, D., Fichtner, W. (subm.): An economic analysis of three operational co-digestion biogas plants in Germany. Submitted to Waste and Biomass Valorization Brehmer, M., Kraume, M. (211): Rheologie von Gärsubstraten und deren Einfluss auf die Durchmischung von Biogasanlagen. 14. Köthener Rührer-Kolloquium Lerm, S., Kleyböcker, A., Miethling-Graff, R., Vieth-Hillbrand, A., Alawi, M., Kasina, M., Liebrich, M., Würdemann, H. (subm.): Archaeal community composition affects the function of anaerobic co-digesters in response to organic overloads. Submitted to Waste Management. Liebrich, M., Kleyböcker, A., Würdemann, H. (in prep.): Influence of phosphate accumulating organisms on the biogas formation process. Lienen, T., Kleyböcker, A., Würdemann, H. (in prep.): Influence of Candidatus Microthrix parvicella on foam formation in commercial biogas plants. Kleyböcker, A., Liebrich, M., Kraume, M., Wittmaier, M., Würdemann, H. (subm.). Comparison of different procedures to stabilize biogas formation after overacidification influence of aggregate formation on process stability. Submitted to Waste Management. Kleyböcker, A., Brehmer, M., Lienen, T., Teitz, S., Würdemann, H., Kraume, M. (in prep. a): Characterisation of mixing conditions and determination of the residence time distribution using uranine as a tracer at waste treatment anaerobic co-digesters. Kleyböcker, A., Seyfarth, D., Liebrich, M., Kraume, M., Würdemann, H. (in prep. b): Early warning indicator (EWI) in terms of over-acidification and its application for maximization of the time-space-yield of completely mixed waste digesters. Kleyböcker, A., Lerm, S., Miethling-Graff, R., Vieth, A., Wittmaier, M., Würdemann, H. (27): Genetic fingerprints to characterise microbial communities during organic overloading and in large-scale biogas plants. Internationale Biogaskonferenz Progress in Biogas", Stuttgart-Hohenheim. 211

12 Patent: Verfahren zur Prozesssteuerung von Bioreaktoren (Process control of biogas plant comprises measuring quantities of organic acids and calcium ions during operation of biogas plant in predetermined intervals, determining ratio of these quantities and comparing it with previous intervals). Erfinder: Kleyböcker, Anne, 1245 Berlin, DE; Würdemann, Hilke, Potsdam, am veröffentlicht. 1 Dank Die Forschungsarbeiten wurden von der VolksWagenStiftung (AZ: II/8 73) und dem BMU (3KB18) gefördert. Wir danken Herrn Heiko Bascheck für die Unterstützung bei den molekularbiologischen Analysen und Frau Dr. Vieth-Hillebrandt für die Bestimmung der kurzkettigen organischen Säuren. 212