Presse

High-Tech Prozessoptimierung von Biogasanlagen

Das Biotechnologie-Unternehmen BRAIN AG gibt die Optimierung im Prozess der Biogas-Produktion aus Abfallströmen bekannt. In dem zum Teil vom BMBF co-finanzierten Programm ESE-BIOGAS ist es den Wissenschaftlern bei BRAIN gelungen, den mikrobiellen Prozess der Biogas-Bildung zu optimieren und dabei die Energieausbeute gegenüber den etablierten Prozessen um mehr als 20% zu erhöhen. In einem 10 Liter Prototyp-Fermenter mit vorgeschalteter und von BRAIN etablierter Exoenzymfarm konnte der Biogas-Produktionsprozess validiert werden und steht für eine industrielle Nutzung zur Verfügung.

Energieträger müssen in Deutschland zurzeit teuer importiert werden. Wirtschaftliche Abhängigkeiten und politische Unsicherheiten sind damit absehbar. Um mittelfristig von Energieimporten unabhängiger zu werden, bedarf es einer Neuausrichtung der industriellen Energiegewinnung, zum Beispiel durch eine nachhaltige Biologisierung der Prozesse. Eine Biologisierung der Energiegewinnung durch die konsequente Nutzung von nachwachsenden Rohstoffen stellt dabei einen Schwerpunkt der bundesdeutschen Forschung und Entwicklung dar. Das Thema ist dazu Teil der Nationalen Forschungsstrategie Bioökonomie 2030, in der auch das Forschungsvorhaben ESE-BIOGAS der BRAIN und der akademischen Partner unter dem FKZ: 03SF0424D angesiedelt ist.

Biogas ist die Energiequelle für mehr als 50% der aus Biomasse gewonnenen elektrischen Energie in der Bundesrepublik Deutschland. Um nicht in Konkurrenz mit der Herstellung von Nahrungs- und Futtermitteln zu gelangen, setzt BRAIN hier klar auf die Optimierung der Verwertung von Abfallströmen wie Stroh, Holzabfällen oder tierischer Exkremente, die unter Verwendung mikrobieller Konsortien zum Energieträger Biogas umgesetzt werden.

Die biochemische Konversion von Biomasse zu Biogas ist ein komplexer Vorgang, der eine diverse mikrobielle Lebensgemeinschaft benötigt. Die Komplexität dieser Lebensgemeinschaft in einem luftdicht abgeschlossenen Reaktor schließt bisher eine verlässliche Steuerung des Fermentationsvorgangs weitgehend aus, was eine großtechnische industrielle Nutzung der Technologie limitiert. Neben der fehlenden Regelungsmöglichkeit ist der initiale, sehr langsame, und damit geschwindigkeitsbestimmende Aufschluss der polymeren Biomasse zu durch Mikroorganismen abbaubaren Zucker-Monomeren eine weitere Limitation.

Eine bekannte Komplikation beim Betrieb von Biogasanlagen ist die Problematik des „Umkippens“ der Reaktoren durch eine Übersäuerung des Behälterinhalts. Der durch die Säureproduktion erniedrigte pH-Wert lässt in der Folge die empfindlichen Methan produzierenden Bakterien absterben und führt in der Konsequenz zu einer Fehlgärung des Behälterinhalts und damit einem wirtschaftlichen Schaden.

Der von BRAIN etablierte neue Prozess setzt hier an und macht den Fermentationsvorgang stabiler, nachhaltiger und effektiver, was mit weniger Aufwand zu höherer Ausbeute führt. Der Prozess besteht dabei aus drei optimal interagierenden Hauptkomponenten: der Exoenzymfarm, dem Elektro-Biogas Fermenter und dem Biosensor.

“Die Exoenzymfarm liefert einen definierten Enzym-Cocktail, der die Substratspaltung und die nachfolgende Verstoffwechselung um 20% effektiver gestaltet. Die Vorteile dieses Prozessabschnitts sind eine bessere Raum-Zeit-Ausbeute bei reduziertem Abfallvolumen. Die zentrale Komponente der Anlage bildet ein Elektro-Biogas-Fermenter, in welchem durch direkt eingebrachte Brennstoffzellen die Abbauschritte der Substrate individuell gesteuert werden können. Parallel erfolgt eine Direktverstromung von bei der enzymatischen Umsetzung entstehenden Energieäquivalenten (Elektronen), welche im Vergleich zu bestehenden Blockheizkraftwerken deutlich effizienter ist”, stellt Dipl. Ing. Marc Gauert, leitender Ingenieur bei BRAIN, heraus. “Die letzte Komponente stellt einen Biosensor im Mikrofluidik-Format dar, der als Biomarker ein wichtiges Prozess-Intermediat (Propionsäure) aufzeichnet und somit eine einfachere Prozesssteuerung erlaubt”.

“Bei dem ESE-BIOGAS Programm handelt es sich um ein absolutes Vorzeigeprojekt der BRAIN. In kürzester Zeit ist es dem Team um Marc Gauert gelungen, den Prozess der Biogasproduktion nachhaltig zu optimieren. Unser besonderer Dank gilt aber auch Herrn Prof. Dr. Johannes Gescher vom KIT in Karlsruhe, dessen herausragendes Know-how rund um die mikrobiellen Brennstoffzellen sowie die exoelektrogenen und methanogenen Mikroorganismen maßgeblich zum positiven Gesamtergebnis beigetragen hat”, fügt Dr. Guido Meurer, Unit Head Strain Development bei BRAIN, hinzu.

Ende 2014 waren in Deutschland 7.820 Biogasanlagen mit einer installierten Anlagenleistung von ca. 3.500 MW in Betrieb. Seit dem Jahr 2000 hat sich die Anlagenzahl damit mehr als versiebenfacht. Damit ersetzen die Biogasanlagen bereits heute in Deutschland mehr als zwei Atomkraftwerke und versorgen über 10 Millionen Haushalte mit 27 Milliarden Kilowattstunden Strom pro Jahr (4.3% der Bruttostromerzeugung). Allein in Deutschland arbeiteten in der Biogas-Branche 2013 etwa 40.000 Mitarbeiter, die insgesamt 6.6 Milliarden Euro Umsatz erwirtschafteten. Etwa 40% des Umsatzes wurden mit Auslandsgeschäft erwirtschaftet.

Elektro-Biogas Fermenter mit montieren Brennstoffzellen
© Luise Böttcher, Archiv BRAIN AG
Bild herunterladen
3000×2000 Pixel, 1,43 MiB
Abdruck freigegeben mit Quellenangabe
Konstruktion des Biogasreaktors
Bild herunterladen
1985×3326 Pixel, 1,88 MiB
Dipl. Ing. Marc Gauert, BRAIN und Prof. Dr. Johannes Gescher, KIT, Archiv BRAIN AG