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Koordinierendes Institut

Projekt

Titel:Biogasgewinnung aus stickstoffreichen nachwachsenden Rohstoffen und landwirtschaftlichen Reststoffen - Entwicklung und Optimierung von verfahrenstechnischen und mikrobiologischen Lösungen zur Vermeidung von Ammoniak-Hemmungen.
Beginn:01.04.2012
Ende:31.05.2017
Koordinierendes Institut:Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e.V. (ATB), Potsdam
Koordinator:Niclas Krakat
Förderung:Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL), Berlin/Bonn
Förderkennzeichen:22026411
  
Angesiedelt im Forschungsprogramm:Stoffliche und energetische Nutzung von Biomasse
Kurzbeschreibung:In Biogasfermentern wird pflanzliche Biomasse mittels artenreicher und dynamischer Biozönosen abgebaut. Die beteiligten Populationen sind dabei komplexen Interaktionen unterworfen, welche sehr sensitiv auf substratabhängige Akkumulation von Intermediaten (z.B. flüchtige Fettsäuren, Ammonium/ Ammoniakkonzentration) reagieren.
Derartige chemische Ungleichgewichte spiegeln sich oftmals in verminderter Effizienz und Prozessinstabilität wieder.
In diesem Projekt soll daher die anaerobe Vergärung von agrarflächenunabhängigen Biomassen mit hohem Stickstoffgehalt (z.B. Gräser, Leguminosen und biogene landwirtschaftliche Reststoffe wie Geflügeldung) untersucht werden, die leicht zur Entstehung und Akkumulation des den Biogasprozess hemmenden Ammoniaks neigen.
Ein Forschungsschwerpunkt ist die an den Prozess angepasste verfahrenstechnische Optimierung von Stickstoffeliminierungsstrategien (Stripping, MAP, Anammox), um sowohl bestmögliche Erfolgschancen zu erzielen als auch Informationen über die Wirtschaftlichkeit angewendeter Verfahren im Vergleich zu erhalten.
Besonderes Augenmerk liegt dabei in der verfahrenstechnischen Verbesserung von leistungsfähigen zweiphasigen Verfahren (thermophil/hyperthermophil), welche speziell zur Vergärung rohfaserreicher Biomasse am ATB entwickelt wurden.
Neben der verfahrenstechnischen Optimierung werden auch mikrobiologischen Grundlagen erforscht. Hierbei sollen mit molekularen Techniken (u.a. Pyrosequenzierung, FISH, real-time PCR) grundlegende Erkenntnisse über die Biozönosen bei variierenden Ammoniakkonzentrationen gewonnen werden.
Neben Metagenomanalysen zur Aufklärung genetischer Grundlagen der Ammoniakverträglichkeit und der Entwicklung molekularer Marker zum Nachweis spezifischer Taxa sollen auch mit Hilfe von Anreicherungskulturen geeignete "Hochleistungsinokula" generiert werden
Gesamtziel ist die Entwicklung von Strategien zur Verwertung von bislang wenig genutzten, stickstoffreichen Substraten, auch in Monovergärungen.
Abstract:In biogas fermenter, biomass is digested by a highly diverse and dynamic microbial community. Due to their complex interactions and syntrophic relationships, the microbial biocenosis reacts highly sensitive to chemical imbalances of intermediates (e.g. volatile fatty acids, ammonia and ammonium) resulting in a reduced process efficiency and stability.
This project focuses on the anaerobic fermentation of farmland independent biomass with high nitrogen contents (e.g. grasses, legumes as well as biogenic agricultural waste material such as poultry manure), which may lead to the formation and accumulation of process-inhibiting free ammonia in the fermentation liquid.
One goal is the development and optimization of technical and microbiological solutions to avoid substrateinduced ammonia-inhibition in biogas fermenters.
Therefore different procedural strategies (Stripping, MAP) as well as the Anammox process will be evaluated in order to gain best removal rates and to obtain an estimation of economic efficiency.
Central focal point is the optimization of powerful twophase leach-bed fermenter systems operated at thermophilic/hyperthermophilic temperatures enabling the high-throughput conversion of fibrous crop material.
Besides engineering, also microbiological aspects will be studied. Basic knowledge about the response of microbial communities on varying ammonia concentrations will be gained.
One aim is to determine the basics for the development of additives for bioaugmentation based on microorganism adapted to high ammonia contents.
Overall goal is the development of strategies enabling the bioconversion of up-to-now rarely
used nitrogen-rich biomasses as sole-substrates for biogas fermentations.-
 

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