Integriertes Reststoffmanagement

Foto: Rumposch/ATB

Reste nutzen und zurück in den Kreislauf bringen

Der Programmbereich bündelt Forschungsaktivitäten zu Biogas sowie zu karbonisierter Biomasse wie Biokohle und Huminstoffe. Restbiomasse, die sonst möglicherweise nicht mehr genutzt würde, kann so zur Erzeugung von Energieträgern sowie zur Bodenverbesserung verwendet werden. Unser Ziel ist es, die Prozesse sowohl der biologischen als auch der thermo-chemischen Umwandlung von Biomasse weiterzuentwickeln und zu spezifizieren. Beide Bereiche sind integraler Bestandteil der Kreislauf-Bioökonomie.

Die Reststoffe können aus Tierhaltungssystemen (Programmbereich "Individualisierte Tierhaltung") und Produktionssystemen für Lebensmittel (PB "Diversifizierter Pflanzenbau" und "Gesunde Lebensmittel") sowie aus Produktionslinien für Biomaterialien stammen (PB "Multifunktionale Biomaterialien") und auch Abfälle und Abwässer aus Kommunen einschließen. Eine Forschungsaufgabe besteht darin, mit Reststoffen suboptimaler, heterogener und schwankender Zusammensetzung umzugehen und Risiken wie die Verbreitung von Krankheitserregern und Schadstoffen mit Hilfe der Verfahren zu minimieren.

Biologische und thermo-chemische Umwandlungsprozesse für Biogas, Hydrochar, Huminstoffe sowie Milchsäure oder Bernsteinsäure (Programmbereich 'Multifunktionale Biomaterialien') finden in mehr oder weniger geschlossenen Systemen statt. Um mehr Informationen über diese Umwandlungsprozesse zu erhalten, erstellen wir Modelle der Prozesse auf Grundlage von Spektralanalysen als Voraussetzung für die künftigen Arbeiten an digitalen Zwillingen.

Neben grundlagenorientierter Forschung in gut ausgestatteten Speziallaboren (Biogaslabor, Biokohletechnikum) transferieren wir unsere Forschungsansätze in die praktische Anwendung. Die Komplexität der Wechselwirkungen zwischen kohlebasierten Produkten, Böden, Pflanzen und Mikroorganismen erfordert eine enge, inter- und multidisziplinäre Zusammenarbeit. Der Leibniz-Innovationshof bietet hierfür als Reallabor eine ideale Plattform. 

Biogas

Eine Herausforderung besteht darin, mit inhomogenen Rohstoffen und schwer vergärbaren Einsatzstoffen aus unterschiedlichen Quellen effizient zu arbeiten. Der Schwerpunkt liegt dabei auf Gülle, lignozellulosehaltiger Biomasse aus der Landschaftspflege, Paludikultur und Halmgut. Unser Ziel ist es, den Biogasprozess so weiterzuentwickeln, dass trotz zeitlich, qualitativ und quantitativ wechselnder Einsatzstoffe der Vergärungsprozess mit geringer Störanfälligkeit stabil läuft. Biogasanlagen sollen künftig wissensbasiert, informationsgesteuert und weitgehend automatisiert arbeiten.
Um dieses Ziel zu erreichen, modellieren wir den Biogasprozess als Digitalen Zwilling. Ein besseres Verständnis des hochsensiblen Vergärungsprozesses, insbesondere der Entwicklung der Mikroorganismen, liefert hierfür die Grundlagen. Mikroorganismen bilden im Fermenter Mikrobiome, komplexe mikrobielle Gemeinschaften, die sich je nach Ausgangsmaterial, pH-Wert, Temperatur und dem zeitlichen Verlauf des Gärprozesses unterscheiden. Wir identifizieren die am Prozess beteiligten Mikroorganismen auf Ebene der Arten (taxonomische Diversität) und bestimmen ihr metabolisches Potenzial (funktionelle Diversität).
Das breite Spektrum dieser Aufgaben erfordert multidisziplinäre Forschung u.a. aus den Bereichen Mikrobiologie und Molekularökologie, Datenwissenschaft, Agrar- und Umweltwissenschaften.

Biokohle und Huminstoffe

Unsere Forschung zur thermo-chemischen Wandlung von Biomasse befasst sich mit der Pyrolyse (für trockenes Ausgangsmaterial) und der hydrothermalen Karbonisierung (feuchtes Material). Durch thermo-chemische Behandlung lassen sich sowohl verholzte als auch unverholzte Biomassen zu Biokohlen karbonisieren und dadurch vor einem raschen mikrobiellen Abbau schützen. Der darin gespeicherte Kohlenstoff wird sequestriert. Findet der Prozess der hydrothermalen Karbonisierung bei niedrigem pH-Wert statt, ist das Endprodukt eine feste Biokohle. Bei höheren pH-Werten bilden sich Huminstoffe. Beide Verfahren, Pyrolyse und hydrothermale Behandlung, haben das Potenzial, Roh- und Reststoffe zu verarbeiten und sie können in landwirtschaftliche Produktionssysteme integriert werden.

Mit unseren Forschungsarbeiten im Biokohletechnikum untersuchen wir, wie Kohlen aus der Pyrolyse und der Hydrothermalen Karbonisierung (HTC) beispielsweise zur Kohlenstoffsequestrierung und Bodenmelioration genutzt werden können. Um die Verfahren für spezifische Anwendungen im Bereich der Landwirtschaft und des Umweltschutzes effizient gestalten zu können, ist es wichtig, die Kinetik der thermo-chemischen Umwandlung zu verstehen. Vor diesem Hintergrund untersuchen wir den Einfluss von Betriebs- und Materialparametern auf Prozess und Produkt. Ein weiterer Forschungsfokus liegt auf den Wirkungen von Pyrochar, Hydrochar und Huminstoffen auf Pflanzenwachstum und mikrobielles Leben im Boden, Darüberhinaus untersuchen wir den Einfluss des Kohle-/Huminstoffeinsatzes auf die Wasserspeicherkapazität des Bodens, Kohlenstoffbindung und Emissionen.

Sprecher*in des Programmbereichs

Dr. rer. agr. Herrmann, Christiane

Sprecherin PB 'Reststoffmanagement; Leiterin der AG 'Umweltbioverfahrenstechnik'


Abteilung: Mikrobiom Biotechnologie

E-Mail: cherrmann@spam.atb-potsdam.de

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