Die Mikrobiologie des anaeroben Abbaus organischer Abfälle Diagnose und Möglichkeiten der Einflussnahme Hauke Harms
Biogas ungenutzte Potenziale > 5000 Biogasanlagen in D (Strom von 2 Kernkraftwerken) Optimierungspotenzial 20 50 % Höhere Effizienz neuer Anlagen Bisher nicht nutzbare Substrate Internationale Perspektive
Biogas wo sind noch Spielräume? Methangehalt / Biochemische Grenzen Umsatzrate / Mikrobiologie und Prozessführung Ausfallzeiten / z.b. Frühwarnsysteme Neue Substrate / Substratvorbereitung Verständnis der Biologie
Ø der Milchstraße = 10 5 Lichtjahre DNA-Länge aller Mikroorganismen = 10 8 Lichtjahre
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 )
Diagnostik
0 1 Für Biologen keine Black-Box 5 1 2 3 2 3 4 5 3 0: Ligninolyt. Organismen 1: Primäre Gärer 2: Sekundäre Gärer 3: Acetatverwertende Methanbildner 4: Wasserstoffverwertende Methanbildner 5: Sulfatreduzierer
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
Das Blutbild einer Biogasanlage
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 #6.3 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.. 2011, Applied Microbiology and Biotechnology im Druck
Molekulare Analyse Pernthaler et al. (2008), PNAS 105: 7052
Metagenomik Handelsman (2004) Microbiol. Mol. Rev. 68: 669
Isotopenmethoden Isotopensignaturen von Methanquellen
Kalorimetrie Methanogenesetypen unterschiedliche Wärmeproduktion Prozesseffizienz über Biothermodynamik
472. WE-Heraeus-Seminar on Biothermodynamics of Metabolic and Ecological Networks 12 14 January 2011 Physikzentrum Bad Honnef
Zytometrie Optische Analyse komplexer mikrobieller Gemeinschaften Mikroorganismen sind oder werden spezifisch gefärbt Analyse im Hochdurchsatz Sortierung zur detaillierten Untersuchung
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
Energy generation [kw] Energy generation [kw] Früherkennung von Störungen 500 400 300 200 100 Konstruiertes Beispiel 0 0 20 40 60 80 100 Time [days] 10 4 G1: R2 10 4 G1: R2 10 4 G1: R2 10 4 G1: R2 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 0 100 101 102 103 104 42 days FSC 10 0 100 101 102 103 104 63 days FSC 10 0 100 101 102 103 104 84 days FSC 10 0 100 101 102 103 104
Therapie
Prozessoptimierung Der Biogasprozess ein Eintopfgericht Andere mikrobielle Prozesse sind klarer gegliedert
Zwei Beispiele ph 2 ph 4-5 ph 7
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
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
Cellulose microfibrils Cellulose Erschließung neuer Substrate Hemicelluloses γ β α Lignin
Biochemische Potenziale nutzen - Pilze Holzzersetzende Pilze Aquatische Pilze
Biochemische Potenziale nutzen Käfer, Assel und Co
Aber am Biogasprozess haben sich Mikrobiologen schon häufiger versucht!
aber weder unter solchen Voraussetzungen $ pro Basenpaar
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
Dies ist unser erfolgreichstes Projekt. Als wir das Fundament gruben, sind wir auf ein Gasfeld gestoßen. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!