Der anaeroben Vergärung von Biomasse zu Biogas liegen durch Enzyme katalysierte biochemische Reaktionen zugrunde. In der initialen Phase dieses vierstufigen Prozesses werden zunächst Makromoleküle gespalten (Hydrolyse). Beim Einsatz von Biomasse mit einem hohen Anteil des in der Pflanzenzellwand vorkommenden Biopolymers Lignocellulose wird diese Phase zum geschwindigkeitslimitierenden Schritt. Die am Prozess beteiligten Mikro¬organismen verfügen in diesem Fall nicht über das enzymatische Potential, um das einge¬tragene Substrat über eigene Stoffwechsel¬prozesse voll¬ständig umzusetzen. Der Einsatz von Enzympräparaten in Biogasanlagen zur Ergänzung des natürlichen enzymatischen Potentials wird daher als Strategie zur Optimierung der Biogasproduktion und zur Erweiterung des Substratspektrums um schwer abbaubare Rest- und Abfallstoffe angesehen. Der Fokus des Vorhabens lag auf der Optimierung des Biogasprozesses durch gezielte enzymatische Unterstützung der mikrobiellen Hydrolyse von Lignocellulose. Untersucht wurden marktverfügbare industrielle Enzympräparate, aber auch Entwicklungsmuster sowie ein neuartiges, auf Reststoffen der Produktion des Speisepilzes Lentinula edodes basierendes Präparat. Dabei wurden die folgenden Ziele verfolgt:
Bei diskontinuierlicher Vergärung enzymatisch vorbehandelter, praxisnaher Substrate wurde eine Erhöhung der Methanausbeute von bis zu 7,4 % (Stroh) bzw. bis zu 5,9 % (Getreide-GPS) beobachtet. Die Mehrausbeute konnte durch Nachdosierung der Enzympräparate gesteigert werden, wobei der Effekt mit zunehmender Inkubationszeit ausgeprägter war: für Stroh waren ab der dritten Woche Mehrausbeuten bis zu 24,5 % möglich. Bei quasikontinuierlicher Vergärung in CSTRs wurde nur beim Substratgemisch Maissilage/Grassilage, nicht aber bei Getreide-GPS ein Einfluss auf die Faserzusammensetzung festgestellt. Der verstärkte Abbau bestimmter Faserstoffe spiegelte sich nicht in der Methanbildung wider. Die Viskosität einer Carboxymethylcellulose-(CMC-)Lösung wurde durch Enzympräparate um bis zu 70 % reduziert. Eine Senkung des Drehmoments der Rührwerke mit CMC beschickter CSTRs um bis zu 6,1 % war möglich. Bei der quasikontinuierlichen Vergärung praxisnaher Substrate konnte dagegen kein eindeutiger Effekt auf die Rheologie nachgewiesen werden. Die Herstellung und die Lagerung von Enzympräparaten aus Reststoffen der Produktion des Speisepilzes L. edodes konnten bei gleichbleibender enzymatischer Aktivität vereinfacht werden. Die Lagerung bei -18 °C war ohne Verlust der Aktivität möglich. Die Funktionalität der untersuchten Präparate im Biogasprozess kann anhand der erzielten Ergebnisse als sicher angesehen werden. Trotzdem waren bei quasikontinuierlicher Vergärung enzymbasierte Effekte kaum erkennbar.
Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse konnte unter Einbeziehung vorheriger Arbeiten Dritter sowie Erfahrungen aus der Praxis zwei Szenarien der Biogasproduktion identifiziert werden, die zur vollen Entfaltung des Wirkpotentials von Enzympräparaten am besten geeignet erscheinen:
Weiterführende systematische Untersuchungen zum Einsatz von Enzympräparaten im Biogasprozess und insbesondere auch bei der stofflichen Verwertung von Biomasse, z. B. zur Herstellung von Antibiotika oder zur Produktion organischer Säuren und Alkohole, erscheinen sehr aussichtsreich.
Förderprogramm „Nachwachsende Rohstoffe“ des BMEL
Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V. (FNR)
Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie e. V. (ATB), Potsdam
Ebisos UG/Technische Universität zu Berlin
Pilzhof Dr. Schulz
M. Sc. M. Conrady, Dr.-Ing. P. Ramm
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