bioreact Produkte

Laborergebnisse

Bevor pflanzliche Bestandteile von den Bakterien in der Biogasanlage aufgenommen und genutzt werden, muss die Pflanze in ihre Einzelbausteine (Zucker, Aminosäuren, Fettsäuren, Nukleinsäuren) gespalten werden. Das Spalten dieser Ketten wird in der Natur von Enzymen, den Hydrolasen, katalysiert. Um Pflanzenstrukturen effizient abbauen zu können, ist ein Zusammenwirken unterschiedlichster Enzyme notwendig (Abb. 1). Über 20 verschiedene Einzel-Enzymaktivitäten, darunter verschiedene Cellulasen, Xylanasen, Pectinasen, Lipasen, Esterasen und Proteasen werden in den Bioreact-Enzymprodukten bestimmt.

Abbildung 1: Enzymatischer Angriff auf Pflanzenzellwand (stark vereinfacht)

Read More Enzyme sind Katalysatoren, dass heißt sie beschleunigen Prozesse, die bei ausreichend langer Zeit auch von selbst ablaufen würden (Abb.2). Pflanzenbiomasse (mit Ausnahme des Lignins, das nur aerob abgebaut wird) kann in Biogasanlagen bei ausreichenden Verweilzeiten durch Bakterien optimal genutzt werden (Abb. 3).

Abbildung 2: Abbaugeschwindigkeit unterschiedlicher Pflanzenkomonenten

Abbildung 3: Unterscheidung zwischen extrazellulären Enzymen aus

Pilzen und Bakterien

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Während Pilze extrazelluläre Enzyme in die Substrate ausscheiden (links), fixieren Bakterien (rechts, beim Abbau einer Zellulosefaser) ihre Enzyme an ihrer Zellwand und benötigen deshalb den direkten Kontakt mit dem zu spaltenden Polymer, um daraus z.B. Zucker freisetzen und selbst direkt aufnehmen zu können.

Pilze regulieren ihre Enzyme in vielen Fällen über eine Endproduktrepression, dass heißt, der freigesetzte Zucker reduziert die Enzymaktivität. In der Biogasanlage spielt das selbstverständlich keine Rolle, denn die Myriaden Fermenter-Bakterien verbrauchen den freigesetzten Zucker in Nawaro-Anlagen so schnell, dass eine Hemmkonzentration niemals erreicht werden kann.

Nur wenn die Hydrolyse aufgrund von kurzen Verweilzeiten u.o. hohen Raumbelastungen zum limitierenden Faktor der Biogasbildung wird, ist eine Unterstützung des Prozesses durch Pilzenzyme sinnvoll.


Die Wirkung von Enzymen auf nachwachsende Rohstoffe kann im Labor u.a. über die Freisetzung von unterschiedlichen Spaltprodukten aus den Pflanzenpolymeren überprüft werden (Abb.4). In der Bioreact-Qualitätssicherung wird neben der Messung von sechs Einzelaktivitäten relevanter Enzyme jeweils auch ein Verzuckerungstest an zuvor gefriergetrockneter Mais- bzw. Grassilage durchgeführt (Abb. 5).

Abbildung 4: Freisetzung von unterschiedlichen Zuckern aus Grassilage durch  Bioreact Enzyme (HPLC-Nachweis) (links: Kontrolle mit hitzeinaktivierten Enzymen; rechts: Ergebnis mit aktiven Enzymen)

Abbildung 5: Die Zugabe von Bioreact-Enzymen zu Maissilage führt zu einer schnellen Freisetzung von reduzierenden Zuckern, die im Labor gemessen werden können

Neben Exo-Enzymen, die Monomere an den Enden der Zuckerketten abspalten, produzieren bestimmte Pilze auch sogenannte Endo-Enzyme, die in der Lage sind, innerhalb der Polymere durch hydrolytische Spaltung Kettenbrüche zu bewirken. Durch die Spaltung dieser Ketten, z.B. von Zellwandbestandteilen wie Cellulosen, Hemicellulosen aber auch Pectin, verliert die Pflanze ihre Struktur (Abb. 6 + 7). Durch den Einsatz der Enzymen in der Biogasanlage nimmt so die Viskosität des Fermenter- und Nachgärerinhaltes ab. Schwimm- und Sinkschichten werden abgebaut und deren Neubildung verhindert. Pumpen und Rührwerke werden so entlastet, der Fermenterinhalt wird homogener und ist für die Bakterien besser verfügbar.

Abbildung 6: Strukturauflösung von Maissilage (linke Abbildung) und Grassilage (rechte Abbildung). Der jeweils rechten Flasche wurden zur Kontrolle hitzeinaktivierte Enzyme zugesetzt

Abbildung 7: Strukturauflösung von Rübenschnitzeln (linke Abbildung) und Roggen Ganzpflanzensillage (rechte Abbildung). Der jeweils rechten Flasche wurden zur Kontrolle hitzeinaktivierte Enzyme zugesetzt

 

Praxisergebnisse

Über 1000 Biogasanlagen hat Bioreact bislang besucht, analysiert und ausgewertet. Obwohl die meisten Nawaro-Anlagen ursprünglich für eine Raumbelastung des Fermenters von 2,5 bis 3,5 kg oTS/ m3 * Tag ausgelegt wurden, werden im Durchschnitt aller Anlagen heute 4,28 kg oTS / m3 * Tag eingesetzt (siehe www.biogas-wissen.de).

Der Prozessstabilität schadet dies in der Regel nicht, aber es zeigt sich, dass die durchschnittliche Substratausnutzung mit steigender Raumbelastung abnimmt. Die täglich zugeführten Substrate werden zunehmend schlechter genutzt.

Hier helfen Bioreact-Enzyme und verbessern die Substratausnutzung bei Raumbelastungen über 3,5 kg deutlich (Abb. 8 + Tab. 1).

Abbildung 8: Bei höheren Raumbelastungen sinkt die durchschnittliche Substratausnutzung in Biogasanlagen. Enzyme können die Substratausnutzung besonders in diesen Fällen verbessern. (Kleine grüne Karos = einzelne Anlagen, große grüne Quadrate = Klassenmittel von wenigstens 30 Anlagen, kleine blaue Karos = einzelne Anlagen nach Enzymeinsatz. Rote Pfeile = Verbesserung der Substratausnutzung nach Enzymeinsatz, schwarze Pfeile = keine Verbesserung). Grüne Linie = Mittelwert der Substratausnutzung von 905 untersuchten Anlagen.

Tabelle 1: Die Ausnutzung der Substrate in Biogasanlagen zeigt ab einer Raumbelastung des Fermenters von über 3,5 kg eine deutliche durchschnittliche Verbesserung

Die Verweilzeit gibt an wie viel Zeit den Mikroorganismen zur Verfügung steht, die täglich zugeführten Substrate abzubauen. Je kürzer diese durchschnittliche Aufenthaltszeit der Substrate in der Anlage ist, desto mehr teils unverdautes Material gelangt ins Endlager.

Die eingesetzten Substrate werden unterschiedlich schnell abgebaut. Stärke-, zucker- oder säurereiche (viele Güllen) Stoffe werden bereits bei hydraulischen Verweilzeiten von 20-40 Tagen gut genutzt, faserreiche erst nach längerer Zeit.

Im Durchschnitt der ausgewerteten Anlagen, in denen unterschiedliche Nawaros eingesetzt werden, zeigt sich, dass bis zu einer hydraulischen Verweilzeit von 120-140 Tagen die Einsatzstoffe oft nicht optimal genutzt werden. Hier helfen Bioreact-Enzyme und verbessern die Substratausnutzung bei zu kurzen Verweilzeiten deutlich (Abb. 9 + Tab. 2).

Abbildung 9: Bei kürzeren Verweilzeiten sinkt die durchschnittliche Substratausnutzung in Biogasanlagen. Enzyme können die Substratausnutzung besonders in diesen Fällen verbessern. (Kleine grüne Karos = einzelne Anlagen, große grüne Quadrate = Klassenmittel von wenigstens 30 Anlagen, kleine blaue Karos = einzelne Anlagen nach Enzymeinsatz. Rote Pfeile = Verbesserung der Substratausnutzung nach Enzymeinsatz, schwarze Pfeile = keine Verbesserung). Grüne Linie = Mittelwert der Substratausnutzung von 905 untersuchten Anlagen.

Tabelle 2: Die Ausnutzung der Substrate in Biogasanlagen ist bis zu einer Verweilzeit von 130 Tagen durch Enzyme deutliche zu verbessern

Wie sich die Enzyme in der einzelnen Anlage auswirken ist im Vorfeld schwer vorherzusagen, den der Erfolg ist immer von den Ausgangsbedingungen in der Biogasanlage abhängig - und die sind in jeder Anlage unterschiedlich. Wichtige Faktoren wie individuelle Substratausnutzung, Verweilzeit, Raumbelastung, Temperatur, pH, NH4+ und Salzgehalt, Wasserverfügbarkeit und Proteaseaktivitäten unterscheiden sich immens von Anlage zu Anlage und machen aus jeder Anlage ein Individuum. Am besten Sie fragen ihren Kundenberater, der gemeinsam mit Ihnen Ihre Anlage auswertet und in unserem Labor eine prozessbiologische Untersuchung der Fermenter-, Nachgärer- und Endlagerinhalte durchführen läßt. Für Sie selbstverständlich völlig kostenfrei, unverbindlich und vertraulich.