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BioElektroGas - Bioelektrochemische Produktion von hochreinem Biogas aus Abfallstoffen

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Beschreibung

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines vollkommen neuen Verfahrens zur Erzeugung von gasförmigen Kraftstoffen aus organischen Abfallstoffen. Dazu werden erstmals fermentative Verfahren und bio-elektrische Systeme zu einem neuen Prozess kombiniert. In diesem Prozess werden die Abfallstoffe zunächst in einem "dark fermentation reactor" fermentativ in organische Säuren umgewandelt und anschließend einer bio-elektrochemischen Konversion, bestehend aus einer Anoden- und einer Kathodenkammer zugeführt werden. An der Anode werden die gelösten organischen Säuren durch exoelektrogene Bakterien zu CO2, H+ und e- oxidiert. Während die Protonen durch eine PEM (proton exchange membrane) der Kathode zugeführt werden, geben die Bakterien die freiwerdenden Elektronen an die Anode ab, so dass diese über eine elektrische Verbindung an die Kathode weiter geleitet werden. Das gebildete CO2 wird ergänzend bedarfsgerecht der Kathode zugeführt. Die Einzelziele des Projektes sind wie folgt definiert:

  • Entwicklung und Erprobung eines geeigneten Anoden- und Kathodenmaterials und Optimierung der Elektrodenstruktur

  • Untersuchung der biologischen Diversität der Mikroorganismen an den Elektroden

  • Optimierung des fermentativ bioelektrochemischen Gesamtverfahrens unter technischen Aspekten im Labormaßstab.

Im Berichtszeitraum wurden im Wesentlichen folgende Arbeiten durchgeführt: Bei der Optimierung des methanogenen Konsortiums und Ausrüstung der Kathode mit Biofilmphase konnten zunächst die vielversprechenden mit M. barkeri erreichten Gasproduktionsraten des Vorjahres überraschenderweise nicht reproduziert werden. Deshalb wurde zunächst der Reaktoraufbau weiter verfeinert. Mit dem neuen 2- Kammeraufbau steht nun ein zuverlässiger und standardisierter Versuchsreaktor zur Verfügung. Ebenso ist es gelungen, die Methanproduktionsraten an der Kathode durch den Einsatz gemischter Konsortien, in denen den Methanogenen zusätzlich sauerstoffzehrende Organismen wie z.B. S. oneidensis oder C. necator zugesetzt werden, deutlich zu steigern und über mehrere Wochen hinweg hohe Methanproduktionsraten von bis zu 10 L/m²*d und Coulomb?schen Effizienzen von bis zu 90% (bezogen auf Methan) aufrecht zu erhalten.

In verschiedenen Langzeitexperimenten mit bioelektrochemischen Systemen, die mit Perkolat als Substrat betrieben wurden, konnte gezeigt werden, dass die bereits im Perkolat bestehende Community an Organismen in der Lage ist, die enthaltenen organischen Säuren an der Anode komplett zu oxidieren. Zur Analyse des aktiven Biofilms wurden eine 16S- Sequenzierung sowie eine Metatranskriptomsequenzierung durchgeführt. Genomische DNA und RNA wurde hierfür aus Biofilm vom Elektrodenmaterial der bioelektrochemischen Reaktoren gewonnen. Die Schlüsselfamilie ist hier Methanocorpusculaceae (88,9 %), die Methan aus H2 und CO2 oder Formiat herstellen. Die Auswertung der 16S-Analyse für bakterielle Familien zeigte eine typische Zusammensetzung anaerober Fermenter, wie zum Beispiel Anaerolineaceae, die auch in dieser Studie mit über 20 % die am stärksten vertretene Familie darstellt. Bei der Auswertung der Metatranskriptomanalyse wurden Read- Sequenzen Enzymklassen zugeordnet, denen eine Bedeutung im Bioelektrochemischen System zugeschrieben wurde. Zusammenfassend ergibt sich das Modell, dass die Familie Syntrophomonadaceae hauptsächlich Butyrat zu Acetat abbaut. Das entstehende Acetat wird zum Hauptteil durch die Familie Methanosarcinaceae zu Methan umgesetzt und könnte daneben von Mitgliedern der Geobacteraceae für die Stromproduktion genutzt werden. Da sich damit zeigt, dass ein Hauptteil des Abbaus im Anodenraum durch Methanogenese geschieht, wurde in einem weiteren Experiment der Inhibitor 2-Bromoethanesulfonat zugegeben, der spezifisch die Methanogenese hemmt. Nach Zugabe des Inhibitors konnte die Coulombsche Effizienz um das 4- bis 4.5-Fache gesteigert werden, verglichen mit dem Zeitraum vor Zugabe des Inhibitors. Gleichzeitig sank der Abbaugrad der organischen Säuren ab.

Die durchgeführten Untersuchungen zum fermentativen Aufschluss der Abfallstoffe belegen, dass die gewählten Substrate sehr gut in organische Säuren überführt werden können. Jedoch reicht das in den Fermenter integrierte Sieb nicht aus, um die inerten Partikel abzuscheiden. Daher wurden ergänzend Untersuchungen mit einer Keramikmembrananlage zur Aufreinigung des Perkolates durchgeführt. Diese Untersuchungen belegen, dass die 0,2 µm Membran im Cross-Flow-Betrieb gut geeignet ist, die organischen Säuren von den inerten Partikeln zu trennen.

Abschließend konnte gemeinsam ein Reaktordesign für den Demonstrator des kombinierten fermentativen-bioelektrochemischen Systems entworfen werden. Dessen Umsetzung und Optimierung ist für das Jahr 2018 vorgesehen.

Metadaten

TitelBioElektroGas - Bioelektrochemische Produktion von hochreinem Biogas aus Abfallstoffen 
Stand 2018 
Förderkennzeichen BWB15007
BWB15006
BWB15005

 

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