Studio di modelli matematici per la verifica e la progettazione di impianti di digestione anaerobica su scala di laboratorio e industriale

Il lavoro di Dottorato si è incentrato con successo sullo studio della possibilità di applicare il modello ADM1 per la descrizione e verifica di impianti industriali di digestione anaerobica. Dai dati sperimentali il modello e l'implementazione in software di analisi numerica si sono rivelati strumenti efficaci. Il software sviluppato è stato utilizzato come strumento di progettazione di impianti alimentati con biomasse innovative, analizzate con metodiche biochimiche (BMP) in scala di laboratorio. Lo studio è stato corredato con lo studio di fattibilità di un impianto reale con verifica di ottimo economico.

Analisi di sostenibilità del sistema di gestione dei rifiuti solidi in Baalbek (Libano): valutazioni economico-finanziarie, quantificazione degli impatti ambientali mediante LCA e considerazioni di natura sociale ed istituzionale

In questo lavoro si analizza la soluzione individuata per la gestione dei RSU del Distretto (Caza) di Baalbek. Il progetto “Integrated Waste Management in Baalbek Caza” rientra nell'ambito del programma comunitario ENPI-Med, mirato a diffondere tecnologie ambientali pulite e innovative nelle regioni del Medio Oriente. In un’area rurale a circa 3 km dalla città di Baalbek è previsto l’insediamento di un complesso di tre impianti strettamente interconnessi, attualmente dimensionati per servire esclusivamente l’Unione Comunale del distretto di Baalbek. I tre impianti sono un Impianto per il Trattamento Meccanico Biologico dei RSU indifferenziati, una Discarica Sanitaria e un impianto pilota per la Produzione di Biogas, che insieme prendono il nome di Waste Compound. La valutazione che si svolge in questo documento mantiene un assetto multidisciplinare e multisettoriale, realizzando un’analisi economico-finanziaria sulla gestione, affiancata da una valutazione ambientale del sistema, mediante l’analisi del ciclo di vita (LCA) ed integrata infine con delle considerazioni di natura legislativa, istituzionale, politica, culturale e sociale. Inoltre una quantizzazione dei vantaggi sociali legati alla realizzazione del progetto è stata introdotta nello studio LCA inserendo alcuni indicatori sociali costruiti ad hoc.

Mikrobiologie der Fermentation in NawaRo-Biogasanlagen unter besonderer Berücksichtigung des Abbaus von Propionsäure

In NawaRo-Biogasanlagen (BGA) kann es durch das Angebot an leicht fermentierbaren Kohlenstoff¬quel¬len zu einer bakteriell bedingten Übersäuerung durch unerwünschte kurzkettige Fettsäuren kommen. Häufiger kommt es zur Akkumulation von Propionsäure. Methanogene Archaea können bei niedrigen pH-Werten nicht mehr wachsen. Somit kann der gesamte Prozess der mikrobiellen Bildung von Biogas zum Erliegen kom¬men, was für die Biogasbetreiber zu erheblichen finanziellen Verlusten führt. Das Ziel dieser Disserta¬tion war die Aufklärung der anaeroben bakteriellen Population, die in Biogasanlagen Propionsäure ab¬bauen kann. Aus Propionat entsteht dabei Acetat und Wasserstoff. Da dieser anaerobe Prozess endergon verläuft, kann Propionsäure anaerob nur abgebaut werden, wenn der Wasserstoffpartialdruck niedrig ge¬halten wird. Diese Aufgabe erfüllen in Biogasanalgen methanogene Archaea. Die sog. sekundären Gärer leben somit in synthropher Kultur mit methanogenen Archaea.rnIn dieser Arbeit wurden die Mikroorganismen von Propionsäure-abbauenden Anreicherungskulturen aus vier NawaRo-BGA‘s identifiziert und ihr Substrat- und Produktspektrum analysiert. Die Anreicherungskul¬turen wurden vom Prüf- und Forschungsinstitut e. V. in Pirmasens zur Verfügung gestellt. Durch Analyse der bakteriellen 16S rDNA-Sequenzen der erhaltenen stabilen Propionsäure-abbauenden Mischkulturen wurde gezeigt, dass sich unter den Bakterien hauptsächlich Verwandte von den Clostridiales, aber auch Bacteroides sp., δ-, ε- so¬wie γ-Proteobakterien, Spirochäten, Synergistales und ungewöhnlicher Weise auch Thermotogales befanden. Aus Propionsäure-abbauenden Mischkulturen und aus Fermentern mesophiler NawaRo-Biogasanlagen wurden anaerobe Bakterien und methanogene Archaea angereichert und isoliert. Es wurden aus den Propionsäure-abbauenden Mischkulturen Stämme in Reinkultur erhalten, die entsprechend der 16S rDNA-Analyse als Clostridium sartagoforme Stamm Ap1a520 und Proteiniphilum acetatigenes Stamm Fp1a520 identifiziert wurden. Sowohl aus Fermentern und Nachgärern von drei NawaRo-BGA‘s als auch aus zwei Laborfermentern des Leibniz-Instituts für Agrartechnik in Potsdam-Bornim e.V. (ATB) wurden Reinkulturen von methanogenen Archaea erhalten. Diese konnten den Species Methanobacterium formicicum, Metha¬noculleus bourgensis, Methanosarcina barkeri, Methanosarcina mazei, Methanosarcina sp., Methanosaeta concilii und Methanomethylovorans sp. zugeordnet werden. Damit wurden in dieser Arbeit unter anderem die typischen bisher nur durch molekularbiologische Methoden identifizierten Species methanogener Ar¬chaea aus unterschiedlichen Fermentern in Reinkultur erhalten. Dabei wurde gezeigt, dass die specifically amplified polymorphic DNA-PCR (SAPD-PCR) eine geeignete Methode darstellt, Stämme der gleichen Art methanogener Archaea voneinander zu unterscheiden. Die Methanproduktion der kultivierten methanoge¬nen Archaea wurde gaschromatographisch analysiert. Es zeigte sich, dass die hydrogenotrophe Metha¬nogenese der effizientere und ergiebigere Weg zur Bildung von Methan ist. Mit der Bestimmung der Zellzahl des Isolates Methanoculleus bourgensis Stamm TAF1.1 bei gleichzeitiger Messung der Methanbildung wurde gezeigt, dass die Methanbildung nicht zwangsläufig mit dem Wachstum korreliert. Ne-ben Pflanzenfasern beinhalteten das hergestellte Reaktorfiltrat in den Kultivierungsansätzen Acetat, die essentielle Aminosäure Valin und den Zuckeralkohol Glycerol. Gezielte Misch¬kul¬turen von sekundären Gärern mit methanogenen Isolaten ergaben einen fördernden Einfluss auf diese Bak¬terien durch hydrogenotrophe Archaea. Diese Bakterien bauten Substrate ab oder bildeten Produkte, die sie unter den gegebenen Bedingungen ohne hydrogenotrophe Archaea nicht umsetzen konnten.

Isolierung, Charakterisierung und Nachweis methanogener Archaea aus laufenden Praxis-NawaRo-Biogasanlagen unter besonderer Beruecksichtigung der Gattung Methanobacterium

Im Verlauf der Forschungsarbeit wurden Proben aus fünf, mit nachwachsenden Rohstoffen (NawaRo) beschickten, landwirtschaftlichen Biogasanlagen (BGA) auf die Biozönose methanogener Archaea hin molekularbiologisch untersucht. Über „amplified rDNA restriction analysis“-Screening (ARDRA) von Bibliotheken auf Basis von 16S rRNA-Genfragmenten konnte anhand zweier beispielhafter BGA das Vorkommen von Vertretern der Gattungen Methanoculleus (Mcu.), Methanobacterium (Mb.), Methanosarcina (Msc.) und Methanosaeta (Mst.) nachgewiesen werden. Mittels denaturierender Gradienten-Gelelektrophorese (DGGE) wurde das Vorkommen dieser Mikroorganismen auch in den übrigen Anlagen gezeigt. Ergänzend dazu wurde in drei Anlagen Methanospirillum hungatei nachgewiesen. Nach Ausarbeitung gattungsspezifischer Isolierungsstrategien konnten insgesamt zehn Vertreter der Gattung Methanobacterium (Isolate Mb1 bis Mb10) und jeweils ein Vertreter der Gattungen Methanoculleus (Isolat Mcu(1)), Methanosarcina (Isolat NieKK) und Methanosaeta (Isolat Mst1.3) aus den BGA-Proben isoliert werden. Durch in silico-Abgleich der partiellen 16S rRNA-Gensequenzen wurden diese als Verwandte von Mb. formicicum MFT, Mcu. bourgensis MS2T, Msc. mazei S-6T und Mst. concilii FE mit einer Sequenzidentität > 97% identifiziert. Im Laufe weiterer molekularbiologischer Untersuchungen mittels DGGE und ARDRA-Analyse konnten die Isolate den Referenzstämmen zugeordnet werden. In Bezug auf die Gattung Methanobacterium ergaben sich jedoch leichte Abweichungen. Diese bestätigten sich in vergleichenden Analysen des genomischen Fingerabdrucks in der „specifically amplified polymorphic DNA“-PCR (SAPD-PCR), welche im Rahmen dieser Arbeit erstmalig erfolgreich auf archaeelle Organismen angewandt wurde. Hier zeigten die Isolate zwei von den Fingerabdrücken der untersuchten Referenzstämme verschiedene Hauptamplifikationsmuster. Aufgrund der Vielzahl der Isolate sowie dem signifikanten Vorkommen in qPCR-Analysen und Klonbibliotheken fokussierten sich die weiteren Arbeiten zur genauen Untersuchung dieser Abweichungen auf phylogenetische Analysen der Gattung Methanobacterium und die Entwicklung von Nachweissystemen. Die Aufklärung eines Großteils der 23S rRNA-Gensequenzen der Isolate und von ausgewählten Typstämmen ermöglichte ergänzende phylogenetische Untersuchungen zu durchgeführten 16S rRNA-Analysen. Dabei wurden die Isolate jeweils in einem eigenen Cluster abseits der meisten Referenzstämme aus der Gattung Methanobacterium positioniert. Analog zur Musterbildung im Rahmen der SAPD-Analyse zeigte sich eine Differenzierung in zwei Äste und ergab in Übereinstimmung mit den in silico-Sequenzabgleichen den höchsten Verwandtschaftsgrad mit Mb. formicicum MFT. Die Eignung der SAPD-PCR zur Ableitung spezifischer Primerpaare konnte erstmals auch für methanogene Archaea gezeigt werden. Die Ableitung zweier Primerpaare mit Spezifität für die Methanobacterium-Isolate Mb1 bis Mb10 sowie für den Typstamm Mb. formicicum MFT gelang und konnte im Rahmen eines Direkt-PCR-Nachweises erfolgreich auf Reinkulturen und Fermenterproben angewandt werden. Unter Einbezug der sequenzierten 23S rRNA-Genfragmente gelang die Erstellung von Oligonukleotid-Sonden für den Einsatz in Fluoreszenz in situ-Hybridisierungsexperimenten. Im Praxistest ergab sich für diese Sonden eine Spezifität für alle getesteten Vertreter der Gattung Methanobacterium sowie für Methanosphaera stadtmanae MCB-3T und Methanobrevibacter smithii PST.rnSomit konnten im Laufe der Arbeit die dominanten methanogenen Archaea in NawaRo-BGA in mehrphasigen Experimenten nachgewiesen, quantifiziert und auf nur wenige Gattungen eingegrenzt werden. Vertreter der vier dominanten Gattungen wurden isoliert und Nachweissysteme für Arten der Gattung Methanobacterium erstellt.rn

Entwicklung eines Thermodruckhydrolyse-Verfahrens zur Vorbehandlung von Weizenstroh ohne vorherige mechanische Zerkleinerung für die Produktion von Polyhydroxybuttersäure

In der vorliegenden Arbeit wurde der nachwachsende Rohstoff Weizenstroh für die Produktion des Biopolymers Polyhydroxybuttersäure genutzt. Als Lignocellulose enthält Weizenstroh einen hohen Anteil an Glucose und Xylose in Form von Cellulose und Hemicellulose. Eine Gewinnung ist aufgrund der komplexen Struktur mit Lignin als dritte Hauptkomponente nur durch eine Vorbehandlung möglich. Hierzu wurde ein thermochemisches Vorbehandlungsverfahren im halbtechnischen (125 l Reaktor) und technisch (425 l Reaktor) Maßstab mit verdünnter Salpetersäure (bis 1 % v/v) etabliert und hinsichtlich verschiedener Versuchsparameter (Behandlungstemperatur, Säure-Konzentration, etc.) optimiert. Auf eine mechanische Vorbehandlung wurde verzichtet. Danach erfolgte eine enzymatische Hydrolyse der vorbehandelten Biomasse. Der PHB-Produzent Cupriavidus necator DSM 545 wurde eingesetzt, um aus den freigesetzten Zuckern PHB zu synthetisieren. rnDurch die Optimierung der Vorbehandlung konnten bis zu 90 % der Glucose und 82 % der Xylose nach der enzymatischen Hydrolyse aus dem Stroh als Monomere und Oligomere freigesetzt werden. Außerdem wurde eine erfolgreiche Überführung des Vorbehandlungsprozesses in den 425 l Reaktor demonstriert. In den gewonnenen Zucker-Hydrolysaten konnten hohe Zelldichten und PHB-Gehalte mit bis zu 38 % erreicht werden. Eine vorherige kostenintensive Reinigung der Hydrolysate war nicht nötig. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Reststoffe nach der enzymatischen Hydrolyse, Zellkultur und PHB-Extraktion ausreichendes Potential für eine Biogas-Produktion besitzen. rn

Influenza di un co-sustrato sulla biodegradabilità anaerobica (mesofilica) dei fanghi di stazioni di depurazione delle acque residuali

La presente tesi di laurea magistrale si è elaborata nell'ambito del Dipartimento di Tecnologie Ambientali dell'Università di Cadice (Spagna). Tratta lo studio dell'influenza di un co-substrato sulla biodegradabilità anaerobica, in condizioni mesofiliche, dei fanghi di depurazione delle acque residuali. Il co-substrato utilizzato per il miglioramento dei trattamenti dei fanghi è il glicerolo, un sottoprodotto di lavorazione del biodiesel. Le prove realizzate mirano a ottimizzare l'eliminazione della materia organica e la produzione di biogas (idrogeno e metano). Come imminente prospettiva futura, avremo l'avviamento nelle migliori condizioni di processo dell'impianto pilota di depurazione fanghi ubicato presso la stazione di trattamento delle acque reflue urbane di Cadice - San fernando.

Entwicklung eines biologischen Verfahrens zur Reduktion des Methanschlupfes von Gasaufbereitungsanlagen mittels Einsatz methanotropher Mikroorganismen

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein biologisches Verfahren zur Reduzierung des Methanschlupfes in Gasaufbereitungsanlagen entwickelt. Der Methanschlupf entsteht, wenn das in Biogasanlagen produzierte Biogas auf normierte Erdgasqualität aufgereinigt wird, welches notwendig ist, um es in das bestehende Erdgasnetz einleiten zu können. Bei dieser Aufreinigung wird aus dem Biogas auch ein Teil des Methans mit ausgewaschen und gelangt mit dem Abgas der Gasaufbereitungsanlage in die Umwelt. Bisher wird dieses methanhaltige Abgas verbrannt, da eine Freisetzung des starken Treibhausgases Methan durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz untersagt ist. Dies reduziert die ökologische Bilanz und setzt die Wirtschaftlichkeit der gesamten Biogasanlage herab. rnUm das Methan mit Hilfe eines biologischen Verfahrens zu entfernen, wurden zunächst methanoxidierende Bakterien (MOB) aus verschiedenen Habitaten isoliert, darunter auch erstmalig aus Termiten. Der Nachweis erfolgte durch (quantitative) Polymerase-Kettenreaktion und Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung anhand spezifischer Primer bzw. Sonden für das Gen der partikulären Methanmonoxygenase, ein MOB kennzeichnendes Enzym. Ihr Titer wurde durch qPCR auf 10^2 - 10^3 MOB pro Termitendarm durch qPCR bestimmt. Mit Hilfe einer 16S rDNA Sequenzierung, der (n)SAPD-PCR, der Bestimmung der zellulären Fettsäurezusammensetzung sowie MALDI-TOF-MS-Analysen konnten die Termitenisolate der Gattung Methylocystis zugeordnet werden. Die fehlende Artzuweisung spricht jedoch für die Isolierung einer neuen Art. rnFür den Einsatz der Isolate in Gasaufbereitungsanlagen wurde in Zusammenarbeit mit dem Prüf- und Forschungsinstitut in Pirmasens ein Reaktor im Technikumsmaßstab entwickelt und konstruiert. Der Reaktor wurde mit synthetischen Aufwuchskörper befüllt, diese mit einem neu gewonnenen potenten Termitenisolat besiedelt und der methanhaltige Abgasstrom der Gasaufbereitungsanlage darüber geleitet. Es wurde eine Reduktion des Methans um 68 % innerhalb von 30 Stunden erzielt. Medienoptimierungen wiesen das Potential auf, diesen Verbrauch um das bis zu 4-fache weiter zu steigern. Da durch die Oxidation des Methans im Abgasstrom der Gasaufbereitungsanlage Zellmasse und Polyhydroxybuttersäure (PHB) aufgebaut wurde, können diese als Substrat zurück in die Biogasanlagen geleitet werden und die Wirtschaftlichkeit weiter verbessern. Die Wirksamkeit des in diesem Projekt entwickelten Verfahrens wurde somit eindeutig demonstriert.

Mikrobielle Prozesskontrolle in Biogasanlagen durch Monitoring der Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse im Gasbereich

Der zunehmende Anteil von Strom aus erneuerbaren Energiequellen erfordert ein dynamisches Konzept, um Spitzenlastzeiten und Versorgungslücken aus der Wind- und Solarenergie ausgleichen zu können. Biogasanlagen können aufgrund ihrer hohen energetischen Verfügbarkeit und der Speicherbarkeit von Biogas eine flexible Energiebereitstellung ermöglichen und darüber hinaus über ein „Power-to-Gas“-Verfahren bei einem kurzzeitigen Überschuss von Strom eine Überlastung des Stromnetzes verhindern. Ein nachfrageorientierter Betrieb von Biogasanlagen stellt jedoch hohe Anforderungen an die Mikrobiologie im Reaktor, die sich an die häufig wechselnden Prozessbedingungen wie der Raumbelastung im Reaktor anpassen muss. Eine Überwachung des Fermentationsprozesses in Echtzeit ist daher unabdingbar, um Störungen in den mikrobiellen Gärungswegen frühzeitig erkennen und adäquat entgegenwirken zu können. rnBisherige mikrobielle Populationsanalysen beschränken sich auf aufwendige, molekularbiologische Untersuchungen des Gärsubstrates, deren Ergebnisse dem Betreiber daher nur zeitversetzt zur Verfügung stehen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmalig ein Laser-Absorptionsspektrometer zur kontinuierlichen Messung der Kohlenstoff-Isotopenverhältnisse des Methans an einer Forschungsbiogasanlage erprobt. Dabei konnten, in Abhängigkeit der Raumbelastung und Prozessbedingungen variierende Isotopenverhältnisse gemessen werden. Anhand von Isolaten aus dem untersuchten Reaktor konnte zunächst gezeigt werden, dass für jeden Methanogenesepfad (hydrogeno-troph, aceto¬klastisch sowie methylotroph) eine charakteristische, natürliche Isotopensignatur im Biogas nachgewiesen werden kann, sodass eine Identifizierung der aktuell dominierenden methanogenen Reaktionen anhand der Isotopen-verhältnisse im Biogas möglich ist. rnDurch den Einsatz von 13C- und 2H-isotopen¬markierten Substraten in Rein- und Mischkulturen und Batchreaktoren, sowie HPLC- und GC-Unter¬suchungen der Stoffwechselprodukte konnten einige bislang unbekannte C-Flüsse in Bioreaktoren festgestellt werden, die sich wiederum auf die gemessenen Isotopenverhältnisse im Biogas auswirken können. So konnte die Entstehung von Methanol sowie dessen mikrobieller Abbauprodukte bis zur finalen CH4-Bildung anhand von fünf Isolaten erstmalig in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage rekonstruiert und das Vorkommen methylotropher Methanogenesewege nachgewiesen werden. Mithilfe molekularbiologischer Methoden wurden darüber hinaus methanoxidierende Bakterien zahlreicher, unbekannter Arten im Reaktor detektiert, deren Vorkommen aufgrund des geringen O2-Gehaltes in Biogasanlagen bislang nicht erwartet wurde. rnDurch die Konstruktion eines synthetischen DNA-Stranges mit den Bindesequenzen für elf spezifische Primerpaare konnte eine neue Methode etabliert werden, anhand derer eine Vielzahl mikrobieller Zielorganismen durch die Verwendung eines einheitlichen Kopienstandards in einer real-time PCR quantifiziert werden können. Eine über 70 Tage durchgeführte, wöchentliche qPCR-Analyse von Fermenterproben zeigte, dass die Isotopenverhältnisse im Biogas signifikant von der Zusammensetzung der Reaktormikrobiota beeinflusst sind. Neben den aktuell dominierenden Methanogenesewegen war es auch möglich, einige bakterielle Reaktionen wie eine syntrophe Acetatoxidation, Acetogenese oder Sulfatreduktion anhand der δ13C (CH4)-Werte zu identifizieren, sodass das hohe Potential einer kontinuierlichen Isotopenmessung zur Prozessanalytik in Biogasanlagen aufgezeigt werden konnte.rn

Propionsäureabbau in NawaRo-Biogasanlagen

Die Energiewende ist begleitet von dem Ausbau erneuerbarer Energien. Dabei spielt die Energiegewinnung aus Biomasse eine wichtige Rolle. Der optimale Betrieb einer Biogasanlage erfordert eine stabile Methanproduktion, welche jedoch durch die Akkumulation von Propionsäure nachhaltig gestört werden kann. Aus diesem Grund ist der mikrobielle Abbau dieser Substanz von besonderem Interesse. Die Thermodynamik des anaeroben bakteriellen Abbaus von Propionsäure erfordert die syntrophe Verwertung des entstehenden Wasserstoffs durch Wasserstoff-verbrauchende Mikroorganismen, beispielsweise methanogene Archaea.rnMit dem Ziel, die Erkenntnislage der Propionat-Verwertung in NawaRo-Biogasanlagen zu erweitern, sollten Propionat-verwertende Anreicherungskulturen aus NawaRo-Biogasanlagen etabliert, charakterisiert und molekularbiologisch analysiert werden.rnAus landwirtschaftlichen Biogasanlagen wurden reproduzierbar Propionat-verwertende Anreicherungskulturen mittels anaerober Kultivierungstechniken etabliert. Die anaerob Propionat-verwertende Aktivität der Kulturen blieb über Jahre erhalten und konnte unter verschiedenen Bedingungen charakterisiert werden. Die Analyse der sukzessiven Diversität von vier Anreicherungskulturen ermöglichte einen Einblick in die sich während der Propionat-Verwertung sukzessiv verändernde mikrobielle Diversität. Dabei wurden die aus der 16S rDNA-Analyse resultierenden Sequenzcluster MP-1 (Cryptanaerobacter sp./ Pelotomaculum sp.), MP-6 und MP-15 (beide ''Candidatus Cloacamonas sp. ''), sowie MP-9 (Syntrophobacter sulfatireducens) als potentiell Propionat-verwertende Schlüsselspezies identifiziert. Mit S. sulfatireducens wurde eine bekannte syntroph Propionat-verwertende Spezies gefunden. Die Sequenzen von MP-1 waren nahe verwandt mit Pelotomaculum schinkii, ebenfalls eine beschriebene syntroph Propionat-verwertende Spezies. Bei dem nächsten Verwandten der Cluster MP-6 und MP-15 handelte es sich um ''Candidatus Cloacamonas acidaminovorans'', eine bisher unkultivierbare Spezies, dessen Genom für den gesamten Abbauweg der syntrophen Propionat-Oxidation codiert. Syntrophobacter sulfatireducens kam zusammen mit Vertretern der methanogenen Gattungen Methanoculleus, Methanosaeta und Methanomethylovorans vor. Als methanogener Partner von Cryptanaerobacter sp./ Pelotomaculum sp. dominierte die Gattung Methanosarcina. Aufgrund der starken Präsenz der syntroph Acetat oxidierenden Spezies Tepidanaerobacter acetatoxydans (Sequenz-Cluster MP-3), sowie potentiell homoacetogener Arten, wurde zudem ein theoretischer Zusammenhang der Propionat-Verwertung mit der syntrophen Acetat-Oxidation und der autotrophen Homoacetogenese vorgeschlagen.rn

Isolierung von Essigsäure-, Propionsäure- und Buttersäure-bildenden Bakterien aus Biogasanlagen

In der vorliegenden Arbeit wurden Essigsäure-, Propionsäure und Buttersäure-bildende Bakterien aus einer thermophilen und drei mesophilen Biogasanlagen sowie aus zwei Hochdruck-Biogas-Laborfermentern isoliert. Die Fermenter waren mit dem nachwachsenden Rohstoff Maissilage, teilweise mit Rinder- oder Schweinegülle und weiteren festen Inputstoffen gefüttert. Für die Isolierung von Säure-bildenden Bakterien wurde ein Mineralsalzmedium verwendet, welchem als Kohlenstoffquelle Na-DL-Laktat, Succinat, Ethanol, Glycerin, Glucose oder eine Aminosäuremischung (Alanin, Serin, Threonin, Glutaminsäure, Methionin und Cystein) hinzugefügt wurde. Hierbei handelt es sich um Substrate, welche beim anaeroben Abbau während der Hydrolyse oder der primären Gärung entstehen können. Die erhaltenen Isolate waren in der Lage, aus diesen Substraten Essigsäure, Propionsäure oder Buttersäure zu bilden. Insgesamt wurden aus den beprobten Anlagen 49 Isolate gewonnen, welche zu den Phyla Firmicutes, Tenericutes oder Thermotogae gehörten. Mit Hilfe von 16S rDNA-Sequenzen konnten die meisten Isolate als Clostridium sporosphaeroides, Defluviitoga tunisiensis und Dendrosporobacter sp. identifiziert werden. Die Bildung von Essigsäure, Propionsäure oder Buttersäure wurde in Kulturen von Isolaten festgestellt, welche als folgende Arten identifiziert wurden: Bacillus thermoamylovorans, Clostridium aminovalericum, Clostridium cochlearium/Clostridium tetani, Clostridium sporosphaeroides, Dendrosporobacter sp., Proteiniborus sp., Selenomonas bovis und Tepidanaerobacter sp. Zwei Isolate, verwandt mit Thermoanaerobacterium thermosaccharolyticum, konnten Buttersäure und Milchsäure bilden. In Kulturen von Defluviitoga tunisiensis wurde Essigsäurebildung festgestellt. Ein Vergleich der 16S rDNA-Sequenzen mit Datenbanken und die Ergebnisse der PCR-Amplifikationen mit Isolat-spezifischen Primerpaaren ergaben zusätzlich Hinweise, dass es sich bei einigen Isolaten um neue Arten handeln könnte (z. B. Stamm Tepidanaerobacter sp. AS34, Stamm Proteiniborus sp. ASG1.4, Stamm Dendrosporobacter sp. LG2.4, Stamm Desulfotomaculum sp. EG2.4, Stamm Gallicola sp. SG1.4B und Stamm Acholeplasma sp. ASSH51). Durch die Entwicklung Isolat-spezifischer Primerpaare, abgeleitet von 16S rDNA-Sequenzen der Isolate oder Referenzstämmen, konnten die Isolate in Biogasanlagen detektiert und mittels qPCR quantifiziert werden (hauptsächlich im Bereich zwischen 1000 bis 100000000 Kopien der 16S rDNA/g BGA-Probe). Weiterhin konnten die Isolate mit Hilfe physiologischer Versuche charakterisiert und deren Rolle in der anaeroben Abbaukette diskutiert werden. Die Art Defluviitoga tunisiensis scheint eine große Bedeutung in Biogasanlagen zu spielen. Defluviitoga tunisiensis wurde am häufigsten in Untersuchungen im Rahmen der vorliegenden Arbeit isoliert und konnte auch mit Hilfe des entwickelten Primerpaares in hohen Abundanzen in den beprobten Biogasanlagen detektiert werden (10000 - 100000000 Kopien der 16S rDNA/g BGA-Probe). Die manuelle Annotation des Gesamtgenoms sowie die Substratverwertungsversuche haben gezeigt, dass Defluviitoga tunisiensis ein sehr breites Substratspektrum in der Verwertung von Kohlenhydraten besitzt und dadurch möglicherweise eine wichtige Rolle bei der Verwertung von Biomasse in Biogasanlagen einnimmt. Mit Hilfe der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit konnten somit neue Einblicke in die zweite Stufe des anaeroben Abbaus, die Acidogenese, in Biogasanlagen gegeben werden. rn

Il trattamento integrato anaerobico/aerobico e recupero energetico dell'impianto di compostaggio di Salerno: soluzioni migliorative e potenziamento dell'impianto

La tesi mira ad affrontare le problematiche relative al potenziamento e all'adeguamento migliorativo di alcune sezioni dell’esistente impianto di trattamento finale della frazione organica dei rifiuti solidi urbani, sito nel Comune di Salerno. Si è analizzata, in prima istanza, la gestione dei rifiuti in Campania negli ultimi anni: dall'inizio dell’emergenza negli anni ’90, fino ai giorni odierni con la stesura del “Piano Regionale per la Gestione dei rifiuti Solidi Urbani”. Si è posto, poi, l’accento sul modello che caratterizza la città di Salerno: una corretta gestione integrata dei rifiuti, contraddistinta da una raccolta “porta a porta” spinta e dalla realizzazione di un moderno impianto di compostaggio e produzione di biogas. Si è descritto l’impianto nella sua interezza, andando ad analizzare le singole sezioni che lo contraddistinguono: durante il periodo di funzionamento, dall'apertura dell’impianto, si sono riscontrate alcune criticità, che si è ritenuto di affrontare al fine di migliorarne l’efficienza. Si è elaborato, così, un progetto di potenziamento ed adeguamento migliorativo di alcune sezioni. In particolare, si è cercato di determinare quale fosse il sistema di depurazione dei reflui più adatto a questo tipo di realtà e si proceduto, quindi, al dimensionamento delle varie sezioni del sistema depurativo scelto. Si è ritenuto utile effettuare, anche, un confronto economico con il sistema attualmente in uso, che consiste nella depurazione dei liquami presso impianti terzi.

Development of a biorefinery scheme for the valorization of olive mill wastewaters and grape pomaces

In the Mediterranean area, olive mill wastewater (OMW) and grape pomace (GP) are among the major agro-industrial wastes produced. These two wastes have a high organic load and high phytotoxicity. Thus, their disposal in the environment can lead to negative effects. Second-generation biorefineries are dedicated to the valorization of biowaste by the production of goods from such residual biomasses. This approach can combine bioremediation approaches to the generation of noble molecules, biomaterials and energy. The main aim of this thesis work was to study the anaerobic digestion of OMW and GP under different operational conditions to produce volatile fatti acids (VFAs) (first stage aim) and CH4 (second stage aim). To this end, a packed-bed biofilm reactor (PBBR) was set up to perform the anaerobic acidogenic digestion of the liquid dephenolized stream of OMW (OMWdeph). In parallel, the solid stream of OMW (OMWsolid), previously separated in order to allow the solid phase extraction of polyphenols, was addressed to anaerobic methanogenic digestion to obtain CH4. The latter experiment was performed in 100ml Pyrex bottles which were maintained at different temperatures (55-45-37°C). Together with previous experiments, the anaerobic acidogenic digestion of fermented GP (GPfreshacid) and dephenolized and fermented GP (GPdephacid) was performed in 100ml Pyrex bottles to estimate the concentration of VFAs achievable from each aforementioned GPs. Finally, the same matrices of GP and not pre-treated GP (GPfresh) were digested under anaerobic methanogenic condition to produce CH4. Anaerobic acidogenic and methanogenic digestion processes of GPs lasted about 33 days. Instead, the anaerobic acidogenic and methanogenic digestion process of OMWs lasted about 121 and 60 days, respectively. Each experiment was periodically monitored by analysing volume and composition of produced biogas and VFA concentration. Results showed that VFAs were produced in higher concentrations in GP compared to OMWdeph. The overall concentration of VFAs from GPfreshacid was approximately 39.5 gCOD L-1, 29 gCOD L-1 from GPdephacid, and 8.7 gCOD L-1 from OMWdeph. Concerning the CH4 production, the OMWsolid reached a high biochemical methane potential (BMP) at a thermophilic temperature (55°) than at mesophlic ones (37-45°C). The value reached was about 358.7 mlCH4 gSVsub-1. In contrast, GPfresh got a high BMP but at a mesophilic temperature. The BMP was about 207.3 mlCH4 gSVsub-1, followed by GPfreshacid with about 192.6 mlCH4 gSVsub-1 and lastly GPdephacid with about 102.2 mlCH4 gSVsub-1. In summary, based on the gathered results, GP seems to be a better carbon source for acidogenic and methanogenic microrganism compared to OMW, because higher amount of VFAs and CH4 were produced in AD of GP than OMW. In addition to these products, polyphenols were extracted by means of a solid phase extraction (SPE) procedure by another research group, and VFAs were utilised for biopolymers production, in particular polyhydroxyalkanoates (PHAs), by the same research group in which I was involved.

Tecnologie appropriate e accesso all'approvvigionamento energetico nei paesi in via di sviluppo

La necessità di fronteggiare il problema dell'approvvigionamento energetico è urgente. Circa 1.3 miliardi di persone non usufruisce di servizi energetici basilari. Il problema assume un peso maggiore nelle aree rurali delle regioni in via di sviluppo, come Africa Sub-Sahariana e Cina e India, troppo distanti dalla rete elettrica. L'utilizzo di biomasse inquinanti e non efficienti, che sono causa di deforestazione e emissioni di gas serra, è all'ordine del giorno. Promuovere tecnologie appropriate, cioè adeguate sia per dimensioni che come impatto socio-culturale, può essere una soluzione vincente. Tramite finanziamenti e incentivi, tecnologie a piccola scala come biogas, idroelettrico, fotovoltaico e eolico permettono di sfruttare risorse e materiali locali per la produzione di energia.

Il metano biogenico nella coltre quaternaria della pianura Padana

Gli eventi sismici del 2012 in Emilia-Romagna hanno provocato una rinnovata attenzione su alcuni fenomeni di carattere geologico superficiale. Sono stati in particolare riferiti dalla stampa locale e osservati dagli abitanti gorgogliamenti di gas naturale nelle acque dei pozzi, nelle acque dei canali di bonifica ed emissioni di gas libero, in prevalenza metano. In questa tesi si è voluto mettere in luce tutto lo sviluppo storico del metano Padano, facendo un particolare riferimento al metano più superficiale, ossia al metano denominato biogenico, illustrando le sue origini, le sue prime manifestazioni, la sua scoperta, la sua derivazione dalla torba, le sue prime produzioni, considerando gli impatti ambientali possibili e verificati, arrivando fino all’attuale periodo in cui esso si è affermato diventando una delle fonti principali di energia ed una delle materie prime più preziose. La Tesi ha lo scopo di meglio chiarire l’origine e la modalità di occorrenza del metano biogenico Padano. Viene inoltre sviluppata una indagine orientata a identificare gli orizzonti geologici più “produttivi” di metano biogenico della regione Emilia-Romagna originato da torbe. Le aree effettivamente più produttive sono una parte di quelle ricche in torba e sono caratterizzate da buone capacità di conservazione nel tempo delle caratteristiche chimico fisiche favorevoli alla degradazione batterica della sostanza organica. Ciò avviene quando vengono mantenute particolari condizioni di isolamento tramite argille ecc. Il metano biogenico Padano viene costantemente espulso dai sedimenti e naturalmente disperso in atmosfera. Eventuali attività di captazione del metano dalle aree maggiormente produttive potranno contribuire alla diminuzione dell’effetto serra e alla contestuale produzione a piccola o piccolissima scala di energia nei limiti delle normative in vigore soggette ad eventuali possibili revisioni in analogia a quanto disposto per altre forme di generazione di metano come biogas, discariche ecc.

A study of high solids anaerobic digestion of Bucknell University food waste followed by aerobic curing

Anaerobic digestion of food scraps has the potential to accomplish waste minimization, energy production, and compost or humus production. At Bucknell University, removal of food scraps from the waste stream could reduce municipal solid waste transportation costs and landfill tipping fees, and provide methane and humus for use on campus. To determine the suitability of food waste produced at Bucknell for high-solids anaerobic digestion (HSAD), a year-long characterization study was conducted. Physical and chemical properties, waste biodegradability, and annual production of biodegradable waste were assessed. Bucknell University food and landscape waste was digested at pilot-scale for over a year to test performance at low and high loading rates, ease of operation at 20% solids, benefits of codigestion of food and landscape waste, and toprovide digestate for studies to assess the curing needs of HSAD digestate. A laboratory-scale curing study was conducted to assess the curing duration required to reduce microbial activity, phytotoxicity, and odors to acceptable levels for subsequent use ofhumus. The characteristics of Bucknell University food and landscape waste were tested approximately weekly for one year, to determine chemical oxygen demand (COD), total solids (TS), volatile solids (VS), and biodegradability (from batch digestion studies). Fats, oil, and grease and total Kjeldahl nitrogen were also tested for some food waste samples. Based on the characterization and biodegradability studies, Bucknell University dining hall food waste is a good candidate for HSAD. During batch digestion studies Bucknell University food waste produced a mean of 288 mL CH4/g COD with a 95%confidence interval of 0.06 mL CH4/g COD. The addition of landscape waste for digestion increased methane production from both food and landscape waste; however, because the landscape waste biodegradability was extremely low the increase was small.Based on an informal waste audit, Bucknell could collect up to 100 tons of food waste from dining facilities each year. The pilot-scale high-solids anaerobic digestion study confirmed that digestion ofBucknell University food waste combined with landscape waste at a low organic loading rate (OLR) of 2 g COD/L reactor volume-day is feasible. During low OLR operation, stable reactor performance was demonstrated through monitoring of biogas production and composition, reactor total and volatile solids, total and soluble chemical oxygendemand, volatile fatty acid content, pH, and bicarbonate alkalinity. Low OLR HSAD of Bucknell University food waste and landscape waste combined produced 232 L CH4/kg COD and 229 L CH4/kg VS. When OLR was increased to high loading (15 g COD/L reactor volume-day) to assess maximum loading conditions, reactor performance became unstable due to ammonia accumulation and subsequent inhibition. The methaneproduction per unit COD also decreased (to 211 L CH4/kg COD fed), although methane production per unit VS increased (to 272 L CH4/kg VS fed). The degree of ammonia inhibition was investigated through respirometry in which reactor digestate was diluted and exposed to varying concentrations of ammonia. Treatments with low ammoniaconcentrations recovered quickly from ammonia inhibition within the reactor. The post-digestion curing process was studied at laboratory-scale, to provide a preliminary assessment of curing duration. Digestate was mixed with woodchips and incubated in an insulated container at 35 °C to simulate full-scale curing self-heatingconditions. Degree of digestate stabilization was determined through oxygen uptake rates, percent O2, temperature, volatile solids, and Solvita Maturity Index. Phytotoxicity was determined through observation of volatile fatty acid and ammonia concentrations.Stabilization of organics and elimination of phytotoxic compounds (after 10–15 days of curing) preceded significant reductions of volatile sulfur compounds (hydrogen sulfide, methanethiol, and dimethyl sulfide) after 15–20 days of curing. Bucknell University food waste has high biodegradability and is suitable for high-solids anaerobic digestion; however, it has a low C:N ratio which can result in ammonia accumulation under some operating conditions. The low biodegradability of Bucknell University landscape waste limits the amount of bioavailable carbon that it can contribute, making it unsuitable for use as a cosubstrate to increase the C:N ratio of food waste. Additional research is indicated to determine other cosubstrates with higher biodegradabilities that may allow successful HSAD of Bucknell University food waste at high OLRs. Some cosubstrates to investigate are office paper, field residues, or grease trap waste. A brief curing period of less than 3 weeks was sufficient to produce viable humus from digestate produced by low OLR HSAD of food and landscape waste.