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Microbiology of phase-separated reactor systems for biomethanation at high temperatures (55 - 75°C)

Rademacher, Antje

Inst. Technischen Umweltschutz

In den letzten Jahren nahm die Zahl an landwirtschaftlichen Biogasanlagen in Deutschland stetig zu. Im Jahr 2011 wurden 7.215 Biogasanlagen mit einer installierten elektrischen Leistung von 2.904 MW betrieben. Thermophile Temperaturen sowie eine räumliche Trennung der Prozessphasen Hydrolyse und Acidogenese von der Methanogenese können gegenüber den häufig verwendeten, mesophilen, einphasigen Rührkesselreaktoren den Biogasprozess verbessern und stabilisieren. Für eine weitere Optimierung solcher Anlagen ist ein detailliertes Wissen über die bakterielle und archaeelle Gemeinschaft, die am Abbau der Biomasse und der nachfolgenden Methanproduktion beteiligt sind, unabdingbar. In dieser Studie wurden deshalb drei identische Leach-bed Biogasreaktorsysteme mit räumlich getrennten Prozessphasen untersucht, die jeweils mit Roggen-Ganzpflanzensilage und Stroh mit einer Verweilzeit von 21 Tagen betrieben wurden. Jedes Reaktorsystem bestand aus einem Leach-bed Reaktor, dessen Temperatur schrittweise von 55 auf 75 °C erhöht wurde, einem Prozessflüssigkeitsspeicher und einem nachgeschalteten Anaerobfilter, der konstant während des gesamten Versuchs bei 55 °C betrieben wurde. Verschiedene kultivierungsunabhängige Methoden wurden genutzt um die mikrobielle Gemeinschaft im Reaktorsystem zu charakterisieren und zu quantifizieren sowie deren Dynamik zu verfolgen. Neben der Analyse von Genbibliotheken, TRFLP Fingerprintanalysen, Metagenomanalysen und qPCR Analysen wurden die Proben auch mittels Fluoreszenz in situ Hybridisierung sowie DAPI- und Propidiumiodid-Färbung untersucht. Die Studie gibt Aufschluss über Struktur und Dynamik der bakteriellen und archaeellen Gemeinschaft sowie über das genetische Potential zum anaeroben Abbau von pflanzlichen Polysacchariden bei hohen Temperaturen in zweiphasigen Leach-bed Biogassystemen. Insgesamt wurde die beste Reaktorleistung bei Temperaturen von 55 bis 60 °C festgestellt, ein Temperaturbereich, der sich vorteilhaft auf die mikrobielle Gemeinschaft im Reaktorsystem auswirkt. Des Weiteren zeigen die Ergebnisse potentielle prozessrelevante Bakterien sowie Glycosidhydrolasen auf, die als Biomarker für eine Überwachung von weiteren thermophilen Biogassystemen genutzt werden können. Die Ergebnisse dieser Studie dienen somit als Grundlage für eine Prozessüberwachung und eine zukünftige Optimierung von thermophilen Biogasprozessen mit Prozessphasentrennung.
In recent years, the number of agricultural biogas plants, as a means of generation of renewable energy, has risen constantly in Germany. In 2011, 7,215 agricultural biogas plants were operated with a total installed electric capacity of 2,904 MW. Thermophilic temperatures and a spatial separation of the process phases hydrolysis and acetogenesis from methanogenesis are known strategies for improving and stabilizing biogas production. A deep understanding of the underlying bacterial and archaeal community involved in the breakdown of plant-derived biomass and the subsequent production of methane in phase-separated, thermophilic systems is of major importance for further improvement. Pursuant to this aim, phase-separated leach-bed biogas systems, which were supplied with rye silage and straw lasting for 21 days, were analyzed. Each system consisted of a leach-bed reactor (LBR), whose temperature was increased stepwise from 55 to 75 °C, a leachate storage reactor and a downstream anaerobic filter reactor, whose temperature remained at 55 °C throughout the experiment. Various culture-independent methods were used for the characterization, quantification and monitoring of the microbial community within these biogas systems. The culture-independent methods were based on the genetic information of cells, applying gene library construction, TRFLP fingerprinting, metagenomic and qPCR analyses and on the microscopical quantification of intact, but not cultivated cells. The present study revealed the composition and dynamics of the microbial community and their genetic potential for carbohydrate degradation in two-phase leach-bed biogas systems at thermophilic to hyperthermophilic temperatures. Temperatures of 55 to 60 °C in the LBR had a positive effect on the microbial community responsible for the production of biogas, leading to the best reactor performance. Furthermore, the results indicated potentially process-relevant bacteria and glycoside hydrolases, which may serve as target for the monitoring of thermophilic biogas reactors in future. Hence, the results gained in this study provide a promising basis for the monitoring and the prospective improvement of thermophilic biogas systems with phase-separation.