Die Mikrobiologie des anaeroben Abbaus organischer Abfälle Diagnose und Möglichkeiten der Einflussnahme. Hauke Harms

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Paulina Boer
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1 Die Mikrobiologie des anaeroben Abbaus organischer Abfälle Diagnose und Möglichkeiten der Einflussnahme Hauke Harms

2 Biogas ungenutzte Potenziale > 5000 Biogasanlagen in D (Strom von 2 Kernkraftwerken) Optimierungspotenzial % Höhere Effizienz neuer Anlagen Bisher nicht nutzbare Substrate Internationale Perspektive

Optimierungspotenzial 20 50 % Höhere Effizienz

3 Biogas wo sind noch Spielräume? Methangehalt / Biochemische Grenzen Umsatzrate / Mikrobiologie und Prozessführung Ausfallzeiten / z.b. Frühwarnsysteme Neue Substrate / Substratvorbereitung Verständnis der Biologie

4 Ø der Milchstraße = 10 5 Lichtjahre DNA-Länge aller Mikroorganismen = 10 8 Lichtjahre

5 Ziele unserer Biogasforschung Biogassynthese effizient und verlässlich machen Biologische Indikatoren Vorausschauende Prozessdiagnostik Prozessoptimierung Schwierige Substrate zugänglich machen (Abfälle aus Lignocellulose, Gärreste, Reststoffe der Biotreibstoffproduktion, Holz )

Prozessdiagnostik Prozessoptimierung Schwierige Substrate zugänglich

6 Diagnostik

8 0 1 Für Biologen keine Black-Box : Ligninolyt. Organismen 1: Primäre Gärer 2: Sekundäre Gärer 3: Acetatverwertende Methanbildner 4: Wasserstoffverwertende Methanbildner 5: Sulfatreduzierer

9 Mikrobiologische Diagnostik Analyse der mikrobiellen Gemeinschaft Diversität: Welche Organismen sind da? Potenzial: Welche Biogas -Gene besitzen sie? Funktion: Welche Gene/Enzyme sind aktiv? Kooperation: Wer mit wem? Aktivität: Was und wie viel wird produziert? Dynamik Was passiert, wenn? Zusammenhänge zwischen Mikrobiologie und Prozess

Funktion: Welche Gene/Enzyme sind aktiv? Kooperation: Wer mit wem?

10 Das Blutbild einer Biogasanlage

11 Molekulare Analyse

Molekulare Analyse Methanoculleus Gasproduktion: 4.46 L/d 4462 ppm H 2 S Propionsäure: 64.3 mg/l Methanosaeta #6.2 Gasproduktion: 13.88 L/d 31 ppm H 2 S Propionsäure: 0 mg/l Methanosarcina #6.

12 Molekulare Analyse Methanoculleus Gasproduktion: 4.46 L/d 4462 ppm H 2 S Propionsäure: 64.3 mg/l Methanosaeta #6.2 Gasproduktion: L/d 31 ppm H 2 S Propionsäure: 0 mg/l Methanosarcina #6.3 Gasproduktion: 5.85 L/d 281 ppm H 2 S Propionsäure: 0 mg/l Methanosarcinales #6.4 Gasproduktion: 5.68 L/d 47 ppm H 2 S Propionsäure: 0 mg/l #6.5 Gas produktion: 5.97 L/d 69 ppm H 2 S Propionsäure: 0 mg/l Methanomicrobiales #6.6 Ziganshin et al , Applied Microbiology and Biotechnology im Druck

85 L/d 281 ppm H 2 S Propionsäure: 0 mg/l Methanosarcinales #6.4 Gasproduktion: 5.

13 Molekulare Analyse Pernthaler et al. (2008), PNAS 105: 7052

14 Metagenomik Handelsman (2004) Microbiol. Mol. Rev. 68: 669

15 Isotopenmethoden Isotopensignaturen von Methanquellen

16 Kalorimetrie Methanogenesetypen unterschiedliche Wärmeproduktion Prozesseffizienz über Biothermodynamik

17 472. WE-Heraeus-Seminar on Biothermodynamics of Metabolic and Ecological Networks January 2011 Physikzentrum Bad Honnef

18 Zytometrie Optische Analyse komplexer mikrobieller Gemeinschaften Mikroorganismen sind oder werden spezifisch gefärbt Analyse im Hochdurchsatz Sortierung zur detaillierten Untersuchung

19 Mikrobiologische Diagnostik Analyse der mikrobiellen Gemeinschaft Diversität: Welche Organismen sind da? Potenzial: Welche Biogas -Gene besitzen sie? Funktion: Welche Gene/Enzyme sind aktiv? Kooperation: Wer mit wem? Aktivität: Was und wie viel wird produziert? Dynamik Was passiert, wenn? Zusammenhänge zwischen Mikrobiologie und Prozess Indikatoren Praxisnahe Diagnostika

20 Energy generation [kw] Energy generation [kw] Früherkennung von Störungen Konstruiertes Beispiel Time [days] 10 4 G1: R G1: R G1: R G1: R FL FL FL FL days FSC days FSC days FSC days FSC

10 3 10 3 10 3 10 3 FL6 10 2 FL6 10 2 FL6 10 2 FL6 10 2 10 1 10 1 10 1 10 1 21 days FSC 10 0 100 101 102

21 Therapie

22 Prozessoptimierung Der Biogasprozess ein Eintopfgericht Andere mikrobielle Prozesse sind klarer gegliedert

23 Zwei Beispiele ph 2 ph 4-5 ph 7

24 Mehrstufige Verfahren Efflux 1 Gas analysis 2 Efflux 2 substrate Gas analysis 1 phcontrolled substrate pump substrate pump 1 Temp Control 1 Temp Control 2 Reaktor 1 Hydrolyse und Acidogenese Reaktor 2 Acetogenese und Methanogenese

25 Isolierte Betrachtung der zweiten Stufe Produkte der 1. Stufe oder artificial substrate mixture Gas analysis 2 Efflux 2 künstliche Substratmischung phcontrolled substrate pump Temp Control 2 Reaktor 2 Acetogenese und Methanogenese

26 Cellulose microfibrils Cellulose Erschließung neuer Substrate Hemicelluloses γ β α Lignin

27 Biochemische Potenziale nutzen - Pilze Holzzersetzende Pilze Aquatische Pilze

28 Biochemische Potenziale nutzen Käfer, Assel und Co

29 Aber am Biogasprozess haben sich Mikrobiologen schon häufiger versucht!

30 aber weder unter solchen Voraussetzungen $ pro Basenpaar

31 noch mit so einem Kern-Team Dr. Heike Sträuber Prozessoptimierung, Modellierung Dr. Marcell Nikolausz Molekularbiologie Dr. Katharina Porsch Anaerobe Mikrobiologie Christin Koch Doktorandin Molekularbiologie Sukhwinder Singh Doktorand Lignozellulose Rico Lukas Doktorand Verfahrenstechnik Dr. Sabine Kleinsteuber Molekularbiologie, Koordination PD Dr. Susann Müller Durchflusszytometrie PD Dr. Thomas Maskow Biothermodynamik, Kalorimetrie Dr. Dietmar Schlosser Biochemie pilzlicher Enzyme Dr. Antonis Chatzinotas Systemökologie Dr. Claus Härtig analytische Chemie, Metabolom Dr. Andreas Zehnsdorf Verfahrenstechnik Prof. Dr. Hauke Harms Bioabbau, mikrobielle Ökologie und jede Menge Unterstützung durch das DBFZ

32 Dies ist unser erfolgreichstes Projekt. Als wir das Fundament gruben, sind wir auf ein Gasfeld gestoßen. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

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