Kurzfassung

Wirkungsweise von Spurenelementen in der
Biogasversorgungskette
Prof. Dr. Paul Scherer
FTZ REEVE / FSP Biomassenutzung Hamburg
Fakultät Life Sciences der HAW Hamburg
www.haw-hamburg.de/fsp-biomassenutzung.html, http://www.haw-hamburg.de/ftz-reeve.html
www.haw-hamburg.de/paulscherer.html, www.milligascounter.de,mail to: Paul.Scherer@haw-hamburg.de
Das Labor Biogas Engineering, das für die Durchführung des Moduls Biogas im
internationalen Masterstudiengang „Renewable Energy Systems“ an der HAW Hamburg
zuständig ist, arbeitet schon seit Jahren mit Biogasgroßanlagen zusammen, um diese
effizienter und stabiler zu gestalten. Es wird auf die Anfänge der
Spurenelementabhängigkeit der Methanbildung Ende der 70er Jahre eingegangen. Die
anaerobe Nahrungskette mit den wichtigsten Methanbildnern wird vorgestellt, die nach
neueren Ergebnissen fast ausschließlich eine Methanbildung aus Wasserstoff und CO2 als
Vorläufer vorsieht. Der Spurenelementgehalt der Mikroorganismen, insbesondere dem der
Methanbildung, wird dem Biomasse-Input von Mais gegenüber gestellt und einige
Empfehlungen der Biogasbildung werden präsentiert. Im Schwerpunkt der Ausführungen
stehen die besonders wichtigen Elemente Eisen, Nickel, Kobalt. Es wird aber auch auf die
Bedeutung von Natrium, Zink und Wolfram eingegangen. Dabei ist zu beachten, dass die
Bioverfügbarkeit in einer Biogasanlage im hohen Maße von Randbedingungen abhängen
kann, wie pH-Wert, Ausfällung als Sulfid oder Mitfällung durch Struvit, ferner durch
Bindung an Huminsäuren. Es folgt ein Exkurs in die Physiologie anaerober
Mikroorganismen, der zeigen soll, dass die für die Biogasbildung notwendigen
Spurenelemente, wie Eisen, Kobalt, Nickel, Molybdän, Selen und Wolfram, allesamt eine
zentrale Rolle im Energiestoffwechsel von Gärorganismen spielen, wovon bei
Methanbildnern das Element Nickel eine markante Rolle bei der Methanbildung spielt. Es
folgt die Vorstellung von Supplementierungsversuchen im Großmaßstab (Anlage ProEn),
wozu die HAW Hamburg die Betriebsanalysen seit mehreren Jahren durchführt. Durch
Supplementierungen konnten die freien Fettsäuren (FOS) im Biogasreaktor von 30008000 ppm auf etwa 500 ppm reduziert und die spezifische Gasausbeute pro Tonne
Organik um bis zu 10% gesteigert werden. Versuche mit vollautomatisierten
Laborfermentern zeigten vorerst keine Abhängigkeiten von Spurenelementen bei
Futterrüben (Kyros) als Mono-Input, jedoch einen Schwefelmangel, allerdings nur im
Hochdurchsatzmodus bei hohen Beladungsraten (OLR) von über 10 kg Organik/m³/Tag
bzw. bei Verweilzeiten von unter 10 Tagen (erst nach 200 Tagen). Zuckerrüben als MonoInput zeigten bereits bei Beladungsraten von 1,75 kg Organik/m³/Tag nach 80 Tagen
einen gravierenden Mangel der Makroelemente Stickstoff und Phosphat sowie von
Schwefel. Hier ist ohne Chemikalien nur eine Kovergärung möglich. Es wurde dadurch die
C:N:P:S-Relation von 3000:50:3:1 gefunden, die als Basis für eine Biogasbildung aus
Zuckerrüben vorhanden sein muss, bevor man evtl. Spurenelemente zudosiert. Als letztes
werden Versuche mit automatisierten Simultanreaktoren unter exakt den gleichen
Bedingungen vorgestellt, die zeigen, dass trotz unterschiedlichem Substrat (Futterrübe
oder Mais) die Zugabe von Spurenelementen nur zu einem geringen Teil der
bioverfügbaren, löslichen Form im Fermenter führt. Dazu wurden etwa 15 Elemente
parallel über 200 Tage bei einer Nachweisgrenze von etwa 0,001 ppm detektiert.
Überraschenderweise änderte auch der starke Komplexbildner Nitrilotriessgsäure (Titriplex
II) nichts daran. Hier besteht also Optimierungsbedarf. Bei Mais als Substrat konnte sehr
klar eine Nickelabhängigket bei Absetzen der Supplementierungen gezeigt werden, nicht
jedoch für Kobalt.
Literatur des Autors zum Thema
Demirel, B., Scherer, P. (2011) Trace elements requirements of agricultural biogas digesters during
biological conversion of renewable biomass to methane. Biomass & Bioenergy 35: 992-998.
Krakat, N., S. Schmidt, and P. Scherer (2011) Potential Impact of Process Parameters upon the Bacterial
Diversity in the mesophilic Anaerobic Digestion of Beet Silage. Bioresource Technology102: 5692–5701.
Neumann, L., Scherer, P. (2011) Impact of Bioaugmentation by Compost on the Performance and Ecology
of an Anaerobic Digester fed with Energy Crops. Bioresource Technology, 102(3), 2934-2935
Krakat N., Westphal A., Satke K., Schmidt S. and Scherer, P. (2010) The microcosm of a biogas
fermenter: Comparison of moderate hyperthermophilic (60°C) with thermophilic (55°C) conditions.
Engineering in Life Sciences 10(6): 520-527.
Krakat N., Schmidt S. and Scherer P. (2010) The mesophilic fermentation of renewable biomass – does
hydraulic retention time regulate diversity of methanogens? Appl. and Environ. Microbiol. 76(18): 6322–
6326.
Krakat, N.,Westphal, A, Schmidt, S., Scherer, P. (2010) Anaerobic Digestion of Renewable Biomass:
Thermophilic Temperature Governs Methanogen Population Dynamics. Appl. Environ. Microbiol. 76: 18421850.
Scherer, P., Neumann, L., Demirel, B., Schmidt, O., Unbehauen, M. (2009) Long term fermentation
studies about the nutritional requirements for biogasification of fodder beet silage as mono-substrate. J.
Biomass & Bioenergy, Vol. 33, 873-881.
Scherer P., Lehmann K., Schmidt O., Demirel B. (2009) Application of a Fuzzy logic control system for
continuous anaerobic digestion of low buffered, acidic energy crops as mono-substrate. Biotechnol.
Bioengin. 102: 136-142.
Scherer, P.A., Schultz, K.-H., Meyer-Pittroff, R. (1990) Comparisons of methods to characterize the
biodegradation rate during solid state fermentations. In: DECHEMA Biotechnology Conferences, Vol. 4 A
(D.Behrens, P. Krämer, eds.), DECHEMA Organisation, Frankfurt, p. 661-665.
Scherer, P., Lippert, H., Wolff, G. (1983) Composition of the major elements and trace elements of 10
methanogenic bacteria as determined by inductilvely-coupled plasma emission spectrometry. Biological
Trace Element Research 5: 149-163.
Scherer, P., Sahm, H. (1981) Effect of trace elements and vitamins on the growth of Methanosarcina
barkeri. Acta Biotechnologica 1: 57-65.
Scherer, P., Sahm, H. (1981) Influence of sulphur-containing compounds on the growth of Methanosarcina
barkeri in a defined medium. European Journal of Applied Microbiology and Biotechnology 12: 28-35.