Charakterisierung minimaler und maximaler Hemmkonzentrationen verschiedener Spurenelemente in Biogasprozessen und Entwicklung eines vereinfachten Bestimmungsverfahrens
Characterization of minimum and maximum inhibitory concentrations of various trace elements in biogas processes and development of a simplified determination method
von Tino Pasold
Datum der mündl. Prüfung:2020-07-08
Erschienen:2020-08-24
Betreuer:Prof. Dr. Hans Ruppert
Gutachter:Prof. Dr. Hans Ruppert
Gutachter:Prof. Dr. Volker Thiel
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http://dx.doi.org/10.53846/goediss-8171
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Zusammenfassung
Englisch
For optimal biogas formation processes in biogas plants numerous operating parameters must be within certain limits. A sufficient supply of essential macro- and micronutrients must be guaranteed for the conversion and degradation processes of biomass by the gas producing microorganisms. The trace elements cobalt and nickel in particular play an outstanding role in the gas yield of agricultural biogas plants. However, with maize silage input only, the trace elements are not sufficient for optimal methane formation, so that in Germany in about half of all biogas plants synthetic trace element additives are added to counteract the deficiency. This involves various environmental risks, such as soil contamination, causes additional costs and conflicts with the German fertilizer regulation. Alternative energy crops accumulate considerably more essential trace elements than maize. The subject of this work was first to work out the minimum threshold values for cobalt and nickel in the biogas process in laboratory-scale wet fermentation tests. In a second step it should be found out if the addition of alternative energy crop silages such as winter faba bean, amaranth, perennial ryegrass and cup plant to maize can largely avoid the addition of synthetic trace element cocktails. However, elements with a positive effect in low concentrations can have at higher concentrations an inhibiting or even toxic effect on the microorganisms and the gas formation processes in the biogas digester. In this work, the upper threshold values indicating the beginning inhibitory and toxicity effects were worked out for cobalt, nickel, molybdenum, copper as well as cadmium and lead in discontinuous fermentation assays based on ORGA-tests. For better characterization of the reactive trace element content in the biogas digester, separation and filtration assays were also carried out with different fractions of the digester material. A simplified determination method is proposed in order to be able to react more quickly to counteract deficiencies in trace elements in the biogas digester.
Keywords: biogas production; trace elements; cobalt; nickel; inhibitory concentrations; energy crop silages
Deutsch
Für optimale Biogasbildungsprozesse in Biogasanlagen müssen zahlreiche Betriebsparameter innerhalb gewisser Grenzen liegen. Eine ausreichende Versorgung mit essenziellen Makro- und Mikronährstoffen muss für die Umsetzungs- und Abbauprozesse der gasbildenden Mikroorganismen gewährleistet sein. Insbesondere die Elemente Cobalt und Nickel spielen für die Gasausbeute landwirtschaftlicher Biogasanlagen eine herausragende Rolle. Allerdings reichen bei alleinigem Mais-Silage-Input die Spurenelemente für eine optimale Methanbildung nicht aus, so dass in Deutschland in geschätzt etwa der Hälfte aller Biogasanlagen synthetische Spurenelementadditive zugefüttert werden, um dem Mangel zu begegnen. Das birgt verschiedene Umweltrisiken, wie die Belastung von Böden, verursacht zusätzliche Kosten und steht im Konflikt mit der Düngemittelverordnung. Alternative Energiepflanzen kumulieren im Vergleich zu Mais erheblich mehr an essenziellen Spurenelementen. Gegenstand dieser Arbeit war, in Nassfermentationsversuchen im Labormaßstab zunächst für Cobalt und Nickel die minimalen Schwellenwerte im Biogasprozess zu erarbeiten und dann herauszufinden, ob durch eine Zumischung der alternativen Energiepflanzen-Silagen Winterackerbohne, Amarant, Deutsches Weidelgras bzw. Durchwachsene Silphie zu Mais auf die Zugabe von synthetischen Spurenelementadditiven weitgehend verzichtet werden kann. In geringer Konzentration positiv wirkende Elemente können jedoch bei höheren Gehalten inhibierend oder sogar toxisch auf die Mikroorganismen und damit die Gasbildungsprozesse im Fermenter wirken. So wurden zudem in dieser Arbeit in diskontinuierlichen Gärversuchen auf Basis von ORGA-Tests für Cobalt, Nickel, Molybdän, Kupfer sowie Cadmium und Blei die oberen Schwellenwerte erarbeitet, die beginnende Hemm- bzw. Toxizitätswirkungen anzeigen. Zur besseren Charakterisierung des reaktiven Spurenelementanteils im Fermenter wurden außerdem Trennungs- und Filtrationsversuche mit verschiedenen Fraktionen des Fermentermaterials durchgeführt. Ein vereinfachtes Bestimmungsverfahren wird vorgeschlagen, um auf Spurenelementmangelsituationen schneller reagieren und gegensteuern zu können.
Schlagwörter: Biogasprozess; Spurenelemente; Cobalt; Nickel; Hemmkonzentrationen; Energiepflanzen-Silagen
