Mainzer Wissenschaftler suchen nach Mikroorganismen zur Optimierung der Vergärungsprozesse in Biogasanlagen
02.03.2011
Die Herstellung von Biogas zur Energiegewinnung kann nach Auffassung von Wissenschaftlern noch deutlich optimiert werden. Gute Chancen dafür sieht Prof. Dr. Helmut König, Leiter des Instituts für Mikrobiologie und Weinforschung an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), bei den mikrobiellen Prozessen zur Umwandlung von Biomasse in Methan. "Bislang erhält man aus der Biomasse Biogas, das zu 50 bis 65 Volumenprozent aus Methan besteht. Die hydraulische Verweilzeit der Biomasse ist mit bis zu 70 Tagen aber noch zu lange und kann sicherlich mit optimierten Mikroorganismen noch wesentlich verbessert werden", erwartet König. "Außerdem kommt es durch Übersäuerung öfters zu Gärstörungen, bei denen manchmal der gesamte Prozess zum Erliegen kommt. Auch hier suchen wir nach Abhilfe, da methanogene Bakterien unter diesen sauren Bedingungen nicht mehr wachsen können." In Deutschland wird Biogas in Biogasanlagen, die mit erneuerbaren Rohstoffen betrieben werden, meist durch die Vergärung von Mais hergestellt und hauptsächlich zur Erzeugung von Strom und Wärme genutzt oder auch nach Aufreinigung direkt in das Gasnetz eingespeist.
Weil fossile Brennstoffe wie Erdöl und Erdgas in spätestens 40 Jahren knapp werden, müssen alternative Energiequellen künftig einen weit größeren Stellenwert einnehmen und mehr zur Strom- und Wärmegewinnung beitragen als bisher. Der European Renewable Energy Council (EREC) schätzt, dass bis 2040 erneuerbare Energien 50 Prozent des europäischen Energiebedarfs decken werden. In Deutschland laufen derzeit etwa 5.800 Biogasanlagen. Sie produzieren gut zehn Prozent des Stroms, der aus erneuerbaren Energien gewonnen wird. Hinzu kommt noch die Heizwärme. Bei der Biogastechnik nimmt Deutschland weltweit einen der vorderen Plätze ein.
Biogas hat gegenüber Energie aus Wind und Sonne den Vorteil, dass es kontinuierlich verfügbar ist und damit zur Deckung der Grundlast beiträgt. Außerdem kann Biomasse oder Biogas gelagert bzw. gespeichert werden, sodass es in Spitzenzeiten abrufbar ist. Biogas kann daher nach Auffassung von Experten eine wichtige Rolle beim Ausgleich der schwankenden Stromproduktion aus Windkraft und Sonnenenergie einnehmen.
Während die Anlagentechnik bei Biogas in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte gemacht hat, ist die Prozessmikrobiologie und die Systematik der beteiligten Mikroorganismen noch relativ wenig erforscht. Das Institut für Mikrobiologie und Weinforschung der Universität Mainz arbeitet seit seiner Gründung Ende der 1960er-Jahre auf ganz unterschiedlichen Gebieten mit Mikroorganismen wie Bakterien und Hefen und unterhält aktuell zwei Forschungsprojekte über mikrobielle Biogasbildung, ein weiteres wird demnächst folgen. "Wir untersuchen die Mikroorganismen in Biogasanlagen, identifizieren sie und untersuchen ihre physiologischen Leistungen. Dann gehen wir der Frage nach, ob es Kulturen gibt, die höhere Leistungen im Hinblick auf den Abbau von Pflanzenmaterial und die Biogasproduktion erbringen", erklärt König. Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Helmut König arbeitet dabei mit dem Prüf- und Forschungsinstitut (PFI) in Pirmasens zusammen, das Biogasanlagen in Rheinland-Pfalz betreut und die Verfahrenstechniken optimiert.
Große Hoffnungen setzt die Arbeitsgruppe um König dabei auf die Lignocellulose-abbauende Darmmikrobiota von Termiten, die besonders in den Tropen und auch Subtropen vorkommen und dort innerhalb kürzester Zeit große Holzkonstruktionen und auch Holzhäuser zerstören. "Das Geheimnis der Termiten ist ihre Zusammenarbeit mit Darmbakterien, Hefen und Flagellaten, die Lignocellulosepartikel in nur 24 Stunden abbauen und weltweit für die Produktion von schätzungsweise 100 Millionen Tonnen Methan verantwortlich sind. Termiten sind etwa 150 Millionen Jahre alt und haben in dieser langen Zeitspanne den Prozess des mikrobiellen Lignocelluloseabbaus optimiert. Das wollen wir uns zunutze machen." Ein Buch über die Mikroorganismen des Termitendarms hat König zusammen mit seinem indischen Kollegen Prof. Ajit Varma im Springer-Verlag veröffentlicht. Die Mainzer Wissenschaftler haben die beteiligten Bakterien und Hefen isoliert und suchen nun mit dem PFI zusammen nach Lösungen, wie Mais oder andere erneuerbare Rohstoffe so zerkleinert werden können, dass sich die kleinen Partikel optimal für den mikrobiellen Lignocelluloseabbau eignen und die Methanherstellung dadurch beschleunigt wird.
"Die mikrobielle Prozessführung der Biogasgewinnung aus erneuerbaren Rohstoffen steht erst am Anfang ihrer Entwicklung", meint König. Ein weiteres Forschungsfeld, das seine Arbeitsgruppe demnächst in Angriff nehmen wird, ist die mikrobielle Methanisierung neuer Substrate. In Deutschland wird bisher in Biogasanlagen vor allem Mais vergoren. Die Kritik wegen zunehmender Monokulturen und des Entzugs wichtiger Flächen für die Nahrungsmittelproduktion reißt jedoch nicht ab, nicht nur in Ländern wie Mexiko, sondern auch in Deutschland. Daher sind Alternativen wie heimischer Grasschnitt von Wiesen interessant. "Die mikrobielle Umsetzung von Gras zu Methan bringt derzeit noch unterschiedliche Probleme mit sich und lässt sich sicherlich durch die Entwicklung geeigneter Verfahren und den Einsatz ausgewählter Mikroorganismen verbessern", erwartet König. Die Biogas-Arbeiten am Institut für Mikrobiologie und Weinforschung der Johannes Gutenberg-Universität Mainz werden von der Stiftung Rheinland-Pfalz für Innovation und der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) unterstützt.