Kohlenstoffflüsse und syntrophe Interaktionen im Biogasprozess
Seit Beginn dieses Jahres wurde die langjährige Debatte über die zukünftige Energiepolitik zusätzlich angeheizt. Es wird nach nachhaltigen, erneuerbaren Energien verlangt. Biogas ist ein umweltfreundlicher und nachhaltiger Energieträger, der speicherfähig ist und eine schwankende Stromerzeugung aus Windkraft und Sonnenenergie ausgleichen kann. Heutige Biogasanlagen erreichen jedoch nicht ihre volle Effizienz, da oft Störungen und Ungleichgewichte während der Prozessführung zu Verlusten der Biogasausbeute führen. Für eine Abhilfe fehlt bis heute ein grundlegendes Systemverständnis der komplexen mikrobiellen Prozesse in einem Biogasreaktor, welches Voraussetzung für die frühzeitige Erkennung von Störungen und ein verbessertes Prozessdesign ist. Hauptprobleme stellen Störungen des anaeroben Abbauprozesses dar, deren Auslöser und Ablauf häufig noch unbekannt sind. Die mikrobiologische Erforschung der anaeroben Abbauprozesse in Biogasreaktoren steht noch am Anfang, und der Betrieb von Biogasanlagen beruht im Gegensatz zu anderen biotechnologischen Prozessen wie z.B. der Abwasserreinigung kaum auf der Anwendung mikrobiologischer Erkenntnisse.
In diesem Projekt soll ein vertieftes Gesamtverständnis des mikrobiellen Systems in Biogasreaktoren auch unter Störsituationen generiert werden, welches die Prozessführung verbessern und bestehende Modelle erweitern kann. Störprozesse sollen auf ihre zugrunde liegenden mikrobiellen Mechanismen untersucht werden, wobei das Hauptaugenmerk auf den syntrophen Abbaustufen des Biogasprozesses (sekundäre Gärungen Acetogenese, Methanogenese) liegen soll. Im Labormodell soll eine Prozessstörung mit verschiedenen Methoden untersucht werden, um den Zusammenhang zwischen sich ändernden Prozessparametern und mikrobiellen Aktivitäten zu verstehen und aussagekräftige Indikatoren für Störungen auf Basis der mikrobiellen Abläufe zu entwickeln. Ein Störfall soll in parallelen Reaktoren nachgebildet werden, um den Effekt der Störung auf die mikrobielle Gemeinschaft und insbesondere auf die Aktivität metabolischer Schlüsselfunktionen zu verfolgen. Eine induzierte Prozessstörung kann Aufschluss über mikrobielle und prozesstechnische Indikatoren geben, die für Prozessstabilität oder -instabilität stehen. Unter Verwendung von Stable Isotope Probing (SIP)-Techniken soll der Kohlenstofffluss in einzelnen Prozessstufen aufgeklärt werden, um stoffwechselphysiologische Vorhersagen zu ermöglichen und vorliegende Abbauprozesse zu identifizieren und zu quantifizieren. Weiterhin sollen aktive Schlüsselorganismen und mikrobielle Prozesse molekularbiologisch charakterisiert werden. Diese Ergebnisse sollen zur Etablierung von phylogenetischen und funktionellen Markern führen, welche Indikatoren für die Prozessstabilität in der Acetogenesestufe darstellen sollen. Solche Indikatoren könnten als Parameter für die Prozessüberwachung dienen und so zum effizienten und stabilen Betrieb von Biogasanlagen beitragen.