A. Forschung bei der BioEnergy GmbH

Die BioEnergy GmbH betreibt eigene R & D im Bereich der Fermentations-Mikrobiologie, um das Ausgasungspotential von zellulose-, lignin- und pektinhaltigem pflanzlichen Ausgangsmaterial (z. B. Stroh, Gras von Dauergründland) zu optimieren, um beim Einsatz dieser Rohstoffe stabile Gasproduktionswerte zu erzielen. Die ersten Ergebnisse dieser Aktivitäten sind sehr viel versprechend und daraus abgeleitete Produkte und Beratungsdienstleistungen werden in Form eines integrativen Ansatzes zukünftig der Biogas-Community zur Verfügung stehen. Das Fundament von mikrobiologischer Prozessoptimierung ist ein grundlegendes Verständnis komplexer Symbiosen von Mikroorganismen, die zum Abbau von organischen Verbindungen zu Biogas notwendig sind. Die Biogasbildung läuft prinzipiell in vier voneinander abhängigen biologischen Teilschritten, in denen jeweils verschiedene Gruppen von Mikroorganismen mitwirken und diese wiederum in einer komplexen Interaktion stehen. Diese Organismen sind an eine flüssige Phase gebunden und verwerten die Produkte der vorangegangenen Gruppen und bilden zum Ende der Vergärung Biogas, was zu etwa 50 % aus Methan (CH₄) besteht (siehe Abbildung 1).

B. Grundlagen der anaeroben Biogasbildung

1. Schritt: Hydrolyse:
Während der Hydrolyse werden die langkettigen organischen Verbindungen (z. B. Proteine, Fette, Kohlenhydrate) mittels von Bakterien abgesonderten Enzymen in einfachere organische Verbindungen (z. B. Aminosäuren, Fettsäuren, Zucker) zerlegt.

2. Schritt: Acidogenese
Die Produkte der Hydrolyse werden anschließend in der Acidogenese (=Versäuerungsphase - allg. sprachlich auch als Fermentation bezeichnet) durch Bakterien zu organischen Säuren wie z. B. Essig-, Propion- und Buttersäure metabolisiert. Die Produkte des zweiten Schritts sind organische Säuren und Alkohole sowie Wasserstoff (H₂), Kohlendioxid (CO₂), Ammoniak (NH₄) und Schwefelwasserstoff (H₂S), welche als Ausgangsprodukte für die Methanbildung dienen. Das Verhältnis der in dieser Phase entstehenden Produkte zueinander ist vom H₂-Partialdruck, d. h. der Konzentration an elementarem Wasserstoff abhängig. Je niedriger dieser ist, desto höher ist der Anteil an entstehendem Acetat. Bei diesem Umsetzungsschritt verzeichnen die fakultativ anaeroben Mikroorganismen erstmals einen Energiegewinn. Bei dieser Umsetzung werden bereits bis zu 20% des Gesamtanteils an Essigsäure (CH₃COOH) gebildet.

3. Schritt: Acetogenese
In der Acetogenese (=Essigsäurephase) werden die organischen Säuren und Alkohole von acetogenen Bakterien zu CH₃COOH, H₂ und CO₂ abgebaut. Diese Produkte dienen den methanogenen Mikroorganismen als Substrate zur Bildung von CH4. Auch bei diesem Schritt spielt die H₂-Konzentration eine entscheidende Rolle, da ein Anstieg des H₂-Partialdrucks den Stoffwechsel der acetogenen Bakterien hemmt. Da die Mikroorganismen der Methanogenese (siehe Schritt 4) auf die Funktionalität dieser Bakterien angewiesen sind, verbrauchen sie in dieser Phase H₂ zur Methanbildung und sorgen so für optimale Lebensbedingungen. Somit leben die Organismen beider Abbaustufen in einer hoch komplexen mutualistischen Symbiose.

4. Schritt: Methanogenese
Im vierten und letzten Schritt, der Methanogenese (=Methanbildungsphase), werden die Produkte der vorangegangen Phasen durch methanogene Mikroorganismen (Archaea) zu Methan CH₄, CO₂ und H₂O umgesetzt. Die Existenz von H₂ und der damit verbundene H₂-Partialdruck sind auch für die Reaktionen der Methanogenese als regulierend anzusehen.

Abbildung 1: Schema der vier Schritte der Methanbildung.
Die Entstehung von Biogas unterliegt einer komplexen Interaktion verschiedener Mikroorganismen-Gruppen, die organische Bestandteile der Pflanzenzellen unter anaeroben Bedingungen in vier Schritten abbauen. Die BioEnergy GmbH betreibt eigene Forschung diese Prozesse insbesondere für faserreiche Biomasse aufeinander abzustimmen und zu maximieren.

C. Biogasproduktion ist durch chemische Substanzen an verschiedenen Schritten substanziell beeinflussbar: Ableitung eines Marktpotentials und Marketingkonzepts durch die BioEnergy GmbH

Die BioEnergy GmbH konnte durch Etablierung eines standardisierten Testverfahrens in jüngster Vergangenheit zeigen, dass das Potential der Methanbildung durch die Aktivität und Quantität beteiligter Mikroorganismen der Methanbildung per se beeinflussbar ist, wie z. B. durch die externe Zufuhr von definierten Substanzen (siehe Abbildung 2). Ein Set befindet sich momentan in der erweiterten Testphase und soll zukünftig über die BioEnergy GmbH als Verfahren auf den Markt gebracht werden. Diese Substanzen wirken (a) entweder direkt auf die Aktivität von speziellen Mikroorganismen bzw. deren Stoffwechselaktivität oder (b) verbessern die Hydrolyse von problematisch aufzuschließenden organischen Pflanzenbestandteilen, wie z. B. Pektin, Zellulose und Xylane, die sich vorwiegend in der pflanzlichen Zellwand befinden. Die empirische Wirkung solcher Substanzen und die Ableitung effektiver Konzentrationen im Fermenter kann mittels Gensondentechnik oder biochemischer Analysemethoden, wie z. B. Gaschromatographie (GC), geprüft werden. Das Prinzip der Gensondentechnik beruht darauf, dass Fluoreszenz-markierte Oligonukleotid in die morphologisch intakten Bakterien der Methanbildung eindringen und an einer spezifischen Zielsequenz binden. Eine Identifizierung und Quantifizierung findet durch Anregung eines an der Gensonde gekoppelten Fluoreszenzfarbstoffes unter einem Mikroskop statt (Abbildung 2). Die BioEnergy GmbH hat ein standardisiertes Testsystem etabliert, mit dem die vier Schritte der Methanbildung mikrobiologisch und biochemisch optimal aufeinander abgestimmt werden können. Verbesserte Verfahren werden begleitend über Schutzrechte abgesichert und die Erkenntnisse zukünftig aus einem integrierten Ansatz aus Beratung, Analysen und Verkauf von spezifischen Mischungen an extern zugeführter Substanzen den Biogasanlagen-Betreibern als Dienstleistung mit dem Ziel angeboten, die mikrobiologische Effizienz substanziell zu verbessern, um die Gewinne der Anlagen zu erhöhen. Nach den Erkenntnissen der momentan laufenden Testphase lässt eine optimierte Methanbildung ein Einsparpotential an Biomasse von bis zu 20 % erwarten bzw. mit dem gleichen Biomasse-Input kann eine entsprechend höhere Strom- und Wärmeleistung erzielt werden, ohne die Anlagentechnik investieren zu müssen.

Abbildung 2: Analyse von Methangasbakterien (Archaea der Methanogenese) mit Hilfe einer spezifischen Gensonde.
Quantifizierung erfolgt in Relation zur vitalen Gesamtpopulation unter einem Fluoreszenzmikroskop. Methangas-produzierende Bakterienstämme findet man als Kolonien (grüne Kreise).
A: Phasenkontrastaufnahme ohne Einsatz einer probiotischen Testsubstanz.
B: Fluoreszenzaufnahme von A.
C: Phasenkontrastaufnahme mit Einsatz einer probiotischen Testsubstanz.
D: Fluoreszenzaufnahme von C.
Mit dem Verfahren lässt sich sowohl die Bakterien bestimmen als auch Rückschlüsse auf die Stoffwechselaktivität einzelner Kolonien ziehen. Die BioEnergy GmbH ist damit in der Lage empirisch die Wirkung von diversen Substanzen auf die Methanbildung in standardisierten Testsystemen zu eruieren
(Aufnahmen: Probe Pilot-Fermenter BioEnergy GmbH, Dr. rer. nat. Michael Götz).

Die BioEnergy GmbH baut momentan parallel die Datenbank OPTIGAS DATAHOUSE auf, mit der zukünftig mirkobiologische Optimalzustände in bestehende Anlagen übertragen werden können. Das Schema eines solchen fachlich fundierten Optimierungskozepts ist in Abbildung 3 illustriert.

Abbildung 3: Mikrobiologisches Optimierungskonzept von Biogasanlagen.
Mit der Datenbank OPTIGAS DATAHOUSE, die in eigener R & D-Regie in standardisierten Vergärungsversuchen empirisch erstellt wird, können mikrobiologisch optimierte Sollwerte realisiert werden.