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.
Zu allen Mitarbeiter*innen des Programmbereichs
Aktuelles
Veranstaltungen
Forschungsprojekte
-
Übergeordnetes Ziel des Projektes ist die Identifizierung und Verifizierung von mikrobiellen Systemzustandsindikatoren und die darauf basierende Entwicklung von Prozessmodellen für eine störungsfreie und bedarfsgerechte …
Beginn:
Ende:
01.03.2023
28.02.2026
Förderung:
Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) / Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. (FNR)
-
Ziel des Projekts ist die wertschöpfende Verarbeitung von Biomasse durch neuartige und fortschrittliche Technologien, um das ökologische und wirtschaftliche Potenzial biogener Ressourcen besser zu nutzen. Ein spezifische…
Beginn:
Ende:
01.01.2023
31.12.2025
Förderung:
Leibniz-Gemeinschaft
-
Ziel des Verbundvorhabens ist die Entwicklung von neuartigen Gastrennmembranen und Membranmodulen für eine effizientere und flexible Biogasaufbereitung. Dabei wird eine hohe Qualität der getrennten Stoffströme und die An…
Beginn:
Ende:
01.07.2022
30.06.2025
Förderung:
Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)
-
Ziel des Verbundprojekts ist die Entwicklung eines technisch einfach umzusetzenden Verfahrens zur gezielten Reduktion von Treibhausgasemissionen (insbesondere Methan und Lachgas) bei der Gülle- und Gärrestlagerung durch …
Beginn:
Ende:
01.01.2022
31.12.2024
Förderung:
Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL)
-
Finanzierung von Sequenzierungskosten: Entschlüsselung des mikrobiellen Vernetzungsgrades innerhalb von Wirtschaftsdünger- und Biogas-Mikrobiomen
Beginn:
Ende:
01.03.2021
30.11.2021
Förderung:
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Alle Projekte aus dem Programmbereich
Publikationen aus dem Programm
- Marzban, N.; Libra, J.; Rotter, V.; Ro, K.; Moloeznik Paniagua, D.; Filonenko, S. (2023): Changes in Selected Organic and Inorganic Compounds in the Hydrothermal Carbonization Process Liquid While in Storage. ACS Omega. (4): p. 4234-4243. Online: https://doi.org/10.1021/acsomega.2c07419 1.0
- Tkachenko, V.; Marzban, N.; Vogl, S.; Filonenko, S.; Antonietti, M. (2023): Chemical Insight into the Base-Tuned Hydrothermal Treatment of Side Stream Biomasses. Sustainable Energy & Fuels. : p. 769-777. Online: https://doi.org/10.1039/D2SE01513G 1.0
- Küchler, J.; Willenbücher, K.; Reiß, E.; Nuß, L.; Conrady, M.; Ramm, P.; Schimpf, U.; Reichl, U.; Szewzyk, U.; Benndorf, D. (2023): Degradation Kinetics of Lignocellulolytic Enzymes in a Biogas Reactor Using Quantitative Mass Spectrometry. Fermentation. (1): p. 67. Online: https://doi.org/10.3390/fermentation9010067 1.0
- Hahn, J.; Westerman, P.; Gerowitt, B.; Heiermann, M. (2023): Mesophilic, anaerobic digestion in a full-scale, commercial biogas reactor kills seeds more efficiently than lab-scale systems. Fermentation. (5): p. 481. Online: https://doi.org/10.3390/fermentation9050481 1.0
- Farru, G.; Libra, J.; Ro, K.; Cannas, C.; Cara, C.; Muntoni, A.; Piredda, M.; Cappai, G. (2023): Valorization of Face Masks Produced during COVID-19 Pandemic through Hydrothermal Carbonization (HTC): A Preliminary Study. Sustainability. (12): p. 9382. Online: https://doi.org/10.3390/su15129382 1.0
- Kohzadi, S.; Maleki, A.; Bundschuh, M.; Vahabzadeh, Z.; Johari, S.; Rezaee, R.; Shahmoradi, B.; Marzban, N.; Amini, N. (2023): Doping zinc oxide (ZnO) nanoparticles with molybdenum boosts photocatalytic degradation of Rhodamine B (RhB): particle characterization, degradation kinetics and aquatic toxicity testing. Journal of Molecular Liquids. : p. 0. Online: https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.122412 1.0
- Heinrich, T.; Kaetzl, K.; Libra, J.; Hoffmann, T. (2023): Influence of Thermochemical Conversion Technologies on Biochar Characteristics from Extensive Grassland for Safe Soil Application. Energies. (4): p. 1896. Online: https://doi.org/10.3390/en16041896 1.0
- Kohzadi, S.; Marzban, N.; Godini, K.; Amini, N.; Maleki, A. (2023): Effect of Hydrochar Modification on the Adsorption of Methylene Blue from Aqueous Solution: An Experimental Study Followed by Intelligent Modeling. Water. (18): p. 3220. Online: https://doi.org/10.3390/w15183220 1.0
- Heinrich, T.; Park, H.; Orozco, R.; Ding, Z.; Álvarez-López, V.; Mosquera-Losada, M.; Steinbeis, L.; Hoffmann, T. (2023): Biochar production from late-harvest grass - Challenges and potential for farm-scale implementation. Sustainable Production and Consumption. (May): p. 256-267. Online: https://doi.org/10.1016/j.spc.2023.02.019 1.0
- Farru, G.; Dang, H.; Schultze, M.; Kern, J.; Cappai, G.; Libra, J. (2022): Benefits and Limitations of Using Hydrochars from Organic Residues as Replacement for Peat on Growing Media. Horticulturae. (4): p. 325. Online: https://doi.org/10.3390/horticulturae8040325 1.0
Alle Publikationen aus dem Programmbereich