Life Cycle Assessment di un impianto integrato di trattamento della frazione organica dei rifiuti. Il caso di Voltana di Lugo (RA)

La metodologia Life Cycle Assessment (LCA) è un metodo oggettivo di valutazione e quantificazione dei carichi energetici ed ambientali e degli impatti potenziali associati ad un processo o attività produttiva lungo l’intero ciclo di vita. Il lavoro presentato in questa tesi ha avuto come obiettivo l’analisi del ciclo di vita dell’impianto di trattamento della FORSU (la frazione organica di rifiuti solidi urbani) di Voltana di Lugo, in provincia di Ravenna. L’impianto attuale si basa sull'utilizzo accoppiato di digestione anaerobica a secco (sistema DRY) e compostaggio. Si è voluto inoltre effettuare il confronto fra questo scenario con quello antecedente al 2012, in cui era presente solamente il processo di compostaggio classico e con uno scenario di riferimento in cui si è ipotizzato che tutto il rifiuto trattato potesse essere smaltito in discarica. L’unità funzionale considerata è stata “le tonnellate di rifiuto trattate in un mese“, pari a 2750 t. L’analisi di tutti i carichi energetici ed ambientali dell’impianto di Voltana di Lugo è stata effettuata con l’ausilio di “GaBi 5”, un software di supporto specifico per gli studi di LCA. Dal confronto fra lo scenario attuale e quello precedente è emerso che la configurazione attuale dell’impianto ha delle performance ambientali migliori rispetto alla vecchia configurazione, attiva fino a Dicembre 2012, e tutte e due sono risultate nettamente migliori rispetto allo smaltimento in discarica. I processi che hanno influenzato maggiormente gli impatti sono stati: lo smaltimento del sovvallo in discarica e la cogenerazione, con produzione di energia elettrica da biogas. Il guadagno maggiore, per quanto riguarda lo scenario attuale rispetto a quello precedente, si è avuto proprio dal surplus di energia elettrica prodotta dal cogeneratore, altrimenti prelevata dal mix elettrico nazionale.

Methane production through anaerobic digestion of dedicated energy crops

Methane yield of ligno-cellulosic substrates (i.e. dedicated energy crops and agricultural residues) may be limited by their composition and structural features. Hence, biomass pre-treatments are envisaged to overcome this constraint. This thesis aimed at: i) assessing biomass and methane yield of dedicated energy crops; ii) evaluating the effects of hydrothermal pre-treatments on methane yield of Arundo; iii) investigating the effects of NaOH pre-treatments and iv) acid pre-treatments on chemical composition, physical structure and methane yield of two dedicated energy crops and one agricultural residue. Three multi-annual species (Arundo, Switchgrass and Sorghum Silk), three sorghum hybrids (Trudan Headless, B133 and S506) and a maize, as reference for AD, were studied in the frame of point i). Results exhibit the remarkable variation in biomass yield, chemical characteristics and potential methane yield. The six species alternative to maize deserve attention in view of a low need of external inputs but necessitate improvements in biodegradability. In the frame of point ii), Arundo was subjected to hydrothermal pre-treatments at different temperature, time and acid catalyst (with and without H2SO4). Pre-treatments determined a variable effect on methane yield: pre-treatments without acid catalyst achieved up to +23% CH4 output, while pre-treatments with H2SO4 catalyst incurred a methanogenic inhibition. Two biomass crops (Arundo and B133) and an agricultural residue (Barley straw) were subject to NaOH and acid pre-treatments, in the frame of point iii) and iv), respectively. Different pre-treatments determined a change of chemical and physical structure and an increase of methane yield: up to +30% and up to +62% CH4 output in Arundo with NaOH and acid pre-treatments, respectively. It is thereby demonstrated that pre-treatments can actually enhance biodegradability and subsequent CH4 output of ligno-cellulosic substrates, although pre-treatment viability needs to be evaluated at the level of full scale biogas plants in a perspective of profitable implementation.

Rural governance and livelihoods systems diversification in the Western Balkans: comparative case studies of Bosnia and Herzegovina, Montenegro and Serbia

Agriculture is still important for socio-economic development in rural areas of Bosnia, Montenegro and Serbia (BMS). However, for sustainable rural development rural economies should be diversified so attention should be paid also to off-farm and non-farm income-generating activities. Agricultural and rural development (ARD) processes and farm activity diversification initiatives should be well governed. The ultimate objective of this work is to explore linkages between ARD governance and rural livelihoods diversification in BMS. The thesis is based on an extended secondary data analysis and surveys. Questionnaires for ARD governance and coordination were sent via email to public, civil society and international organizations. Concerning rural livelihood diversification, the field questionnaire surveys were carried out in three rural regions of BMS. Results show that local rural livelihoods are increasingly diversified but a significant share of households are still engaged in agriculture. Diversification strategies have a chance to succeed taking into consideration the three rural regions’ assets. However, rural households have to tackle many problems for developing new income-generating activities such as the lack of financial resources. Weak business skills are also a limiting factor. Fully exploiting rural economy diversification potential in BMS requires many interventions including improving rural governance, enhancing service delivery in rural areas, upgrading rural people’s human capital, strengthening rural social capital and improving physical capital, access of the rural population to finance as well as creating a favourable and enabling legal and legislative environment fostering diversification. Governance and coordination of ARD policy design, implementation and evaluation is still challenging in the three Balkan countries and this has repercussions also on the pace of rural livelihoods diversification. Therefore, there is a strong and urgent need for mobilization of all rural stakeholders and actors through appropriate governance arrangements in order to foster rural livelihoods diversification and quality of life improvement.

Architettura ai margini. Strategie di miglioramento per i barrios informales di buenos aires

La Tesi sviluppa alcune ipotesi di riqualificazione degli asentamientos informales di Buenos Aires, quartieri periferici della metropoli dove si insedia –abusivamente- la popolazione con minori risorse economiche. Adottando l’approccio delle “agopunture”, l’ipotesi progettuale investe diverse scale d’intervento che dialogano tra loro, cercando di valorizzarne gli effetti combinati e di favorirne la reciproca integrazione. Assunte le limitate risorse esistenti come condizioni date, l’approccio adottato identifica nel capitale sociale il fattore di rinnovamento: la cooperazione tra gli abitanti –uniti per la risoluzione di problematiche comuni- diventa lo strumento per la generazione di micro-comunità più efficienti e vivibili. La strategia di un’ibridazione tra tecnologie tradizionali con materiali poveri ed elementi industrializzati e standardizzati garantisce una soluzione low cost e di maggior consenso da parte dei vecinos. Pur rinunciando a conseguire gli standard normativi, il progetto punta a soddisfare alcune fondamentali esigenze degli abitanti, migliora le loro condizioni di vita ed innesca dinamiche relazionali positive tra i vecinos. Gli interventi proposti prevedono il miglioramento della tenuta all’acqua dell’alloggio, la realizzazione di servizi igienici domiciliari, un sistema di allontanamento e trattamento dei reflui che trasformato in biogas alimenta la rete di illuminazione stradale, una serie di punti di prelievo e distribuzione di acqua potabile, la raccolta e lo smistamento dei rifiuti, un nuovo luogo d’incontro per la comunità. La parte preliminare affronta lo studio del contesto storico, sociale, territoriale, economico e l’assetto del settore delle costruzioni dell’Argentina e di Buenos Aires. La seconda parte della ricerca si concentra sul conurbano bonoarense e sugli asentamientos informales, per i quali i numerosi Piani governativi e di ONG sono risultate inefficaci. Si evita così un’operazione ‘calata dall’alto’. Dopo aver identificato le sette principali criticità riscontrate negli insediamenti, la ricerca delinea per ognuna di esse una o più strategie di miglioramento, ipotizzando azioni e possibili alternative che, valutate secondo una metodica comparativa, consentono di definire la soluzione più adeguata. Tra le sette proposte, la comunità definirà le priorità di intervento, quindi le modalità di esecuzione e di gestione ritenute adeguate per la realizzazione delle singole azioni. La ricerca approfondisce la conoscenza e tenta di mitigare il disagio di vivere ai margini, un tema di estrema rilevanza sociale, a cui l’architettura può fornire qualche risposta.

Studio delle criticità e della messa in sicurezza di un ex sito di cava ripristinato con fanghi di cartiera

Questo elaborato ha come obiettivo quello di analizzare, inquadrandolo anche da un punto di vista tecnologico, un trattamento innovativo di bioremediation in situ realizzato in una ex-area di cava, nella quale, in seguito al ripristino ambientale mediante fanghi di cartiera, si è verificato un fenomeno di degradazione anaerobica del materiale tombato che ha portato alla produzione di una ingente quantità di biogas e alla sua successiva migrazione verso abitazioni limitrofe.

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.

Sviluppo di nuovi combustibili mediante pirolisi catalitica di biomassa

Questa tesi ha riguardato lo studio di potenziali combustibili dalla pirolisi catalitica di varie tipologie di biomasse. Durante l’attività di laboratorio sono state condotte pirolisi intermedie e con zeolite di campioni di Arthrospira platensis (microalghe), residui della pesca, Ulva lactuca (macroalghe) e segatura di pino (Pinus sylvestris). Il cracking termico è stato condotto a 460 °C, con un reattore pirolitico da banco, e i vapori sono condensati in trappole fredde al termine del sistema. Nella pirolisi catalitica, i vapori prodotti nelle stesse condizioni sperimentali attraversano uno strato di catalizzatore (H-ZSM-5) dove subiscono il cracking. L’obiettivo principale di questo studio è la valutazione del processo di upgrading dei vapori di pirolisi per ottenere bio-oli arricchiti in idrocarburi. Dalle prove di pirolisi, catalitica e non, sono state raccolte frazioni solide e liquide, di cui sono state determinate le rese: biochar (solido), frazione liquida organica e acquosa e, nel caso delle pirolisi catalitiche, coke e una frazione volatile solubile in eptano. Delle frazioni organiche ed eptanica è stata caratterizzata la composizione elementare e mediante analisi GC-MS. Per le biomasse di partenza sono state effettuate analisi elementari, prossimali e degli acidi grassi totali. I risultati mostrano differenze sostanziali tra le frazioni organiche delle pirolisi e pirolisi catalitiche. Microalghe, macroalghe e residui della pesca contengono proteine che producono oli ricchi in composti azotati, mentre la segatura di pino produce oli ricchi in composti ossigenati derivati dalla lignina. In seguito al cracking catalitico si ha una diminuzione dei composti azotati e ossigenati e gli oli sono costituiti per la maggior parte da idrocarburi aromatici. L’olio da cracking catalitico ha una composizione simile a quella dei combustibili tradizionali, ma una migliore qualità di composizione del bio-olio comporta rese più basse. Il processo può presentare potenzialità solo per la trasformazione di biomasse di scarto.

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