12 Dez, 2024

Thomas Klein12. Dezember 2024Allgemein

Komposte, Gärreste und Humus

Die Basis aller agrarischen Prozesse in Böden und Biomassen

Mikroorganismen

Wie kann das Bodenleben durch Kompost unterstützt werden?

Der agrarische Wert von Restbiomassen und tierischer „Endprodukte“ wird üblicherweise nur im Hinblick auf ihren Nährstoffgehalt beurteilt (sog. „Wirtschaftsdünger“). Im Hinblick auf den Erhalt, bzw. Aufbau fruchtbarer Agrarböden ist aber auch die Zufuhr von Dauerhumus mindestens genauso wichtig. Er ist der große Nährstoffspeicher, biochemische Puffer und optimale Nährstoffvermittler für die bodenbiologischen Prozesse, ohne den im Boden nichts so richtig läuft.

Genau hier können Komposte einen wichtigen Beitrag leisten.

Wie hängen Kompost und Bodenhumus zusammen?
Wie bestimmt das C/N-Verhältnis die Qualität von Komposten?
Warum entwickeln sich Komposte besser und schneller, wenn man alten Kompost (oder Torf oder Leonardit) zum frischen Kompostmaterial (Rohhumus) beimischt?

Der gesunde Boden

Die Umgebungsbedingungen im Boden (das sog. Milieu):

Hoher Sauerstoffgehalt  aerobe Mikroorganismen dominieren
moderate Temperaturen
pH-Wert: um 7
Kohlenstoff/Stickstoff-Verhältnis in fruchtbaren Böden: C/N 12:1
Der Stickstoff ist dabei zu 95% organisch gebunden!

Zusammensetzung des sog. Bodenlebens:

zu 90% Mikroorganismen: 60% Pilze, 30% Bakterien, Rest höhere Organismen (Regenwurm).

Gehalt an lebender mikrobieller Biomasse:

10-15 Tonnen/Hektar entspricht umgerechnet der Biomasse von ca. 150 Menschen/Hektar.

„Bevor diese „Bodenmannschaft“ nicht gut versorgt ist, bleibt für die Nährstoffversorgung von höheren Pflanzen wenig übrig!

Humuszehrung:

Ca. 2% der im Boden vorhandenen Humusmenge werden pro Jahr als Nahrung von den Mikroorganismen abgebaut.

Erst dadurch werden die im Humus vorhandenen organisch gebundenen Nährstoffe mineralisiert und sind dann in wasserlöslicher Form verfügbar für die Versorgung höherer Pflanzen!

Um die Gesamtmenge an Humus im gesunden Boden zu erhalten, muss also entsprechend kontinuierlich neue Biomasse zugeführt werden (sog. dynamisches Gleichgewicht).

„Beim Aufbau humusarmer Böden muss entsprechend mehr Biomasse zugeführt werden.“

Gesunder Kompost

Dieser stellt nicht nur eine ausgewogen zusammengesetzte Nahrung für die aerobe Mikrobiologie des Bodens bereit, sondern trägt in Form von Dauerhumus auch zu wichtigen Bodenfunktionen bei.

Ähnlich wie bei der menschlichen Nahrung sind u.a. wesentlich:

Kohlenstoff C: für die Lebensenergie („Kohlenhydrate“)
Stickstoff N: für Körpermasse und Vermehrung (Proteine /Eiweiß).

Der Stickstoffgehalt bestimmt damit den erreichbaren Gehalt an Mikroorganismen in Boden und Komposten.

Funktionen des Dauerhumus

hochwirksamer Nährstoffspeicher und biochemischer Puffer

hochwirksamer Nährstoffvermittler vom Speicher zum mikrobiellen Bodenleben (verbessert die Nährstoffnutzung)

Selbst wenn man in der Landwirtschaft nur mit Kunstdünger arbeiten würde, so bräuchte man wegen dieser beiden Funktionen trotzdem einen humusreichen Boden!

C/N Verhältnisse:

Biomassen mit Kohlenstoffüberschuss

Sägemehl > 100:1

Stroh ca.100:1

NaWaRo-Ausgangsmaterial (Mais, Getreide) > 50:1

Biomassen mit weitgehend ausgeglichener C/N Bilanz

Komposte rein pflanzlich ca. 30:1

Grünschnitt ca. 20:1

Festmist, reif ca. 20-10:1

Biomüllkomposte ca. 15-10:1

fruchtbarer Agrarboden ca. 12:1

Biomassen mit Stickstoffüberschuss (Dünger):

Güllen (Rind) ca. 10:1

NaWaRo Gärrest ca. 8:1

Speiserest-Gärreste ca. 3:1

(Ein Teil des Stickstoffs liegt dabei mineralisch als Ammonium vor.)

Kompostieren: Absenken hoher C/N-Werte auf 30:1 und weniger

C/N – Senkung durch mikrobiellen Abbau von Kohlenstoff

z.B. bei einfachen Komposthaufen. Je nach Sauerstoffbilanz entstehen CO2 und Methan.

Biogasanlagen sind für einen möglichst effektiven Kohlenstoffabbau zur Methanerzeugung ausgelegt (C/N < 10)

C/N-Senkung durch Zufuhr von Stickstoff

Das Kompostausgangsmaterial soll dadurch bereits von Anfang an ein ausgeglicheneres C/N-Verhältnis im Bereich 30:1 bis 12:1 aufweisen. Die Mikroorganismen entwickelt sich wesentlich stärker als im obigen Fall, die Humusbildung läuft intensiver ab unter Bildung von Dauerhumus und Huminsäuren. Es bleibt ein deutlich größerer Teil der Kompostmasse erhalten!

Kompostieranleitungen aus den früheren Zeiten sind alle gekennzeichnet durch den Kampf um Stickstoff (und andere Nährstoffe). Die zugegebenen Nährstoffe werden bei richtiger Dosierung weitgehend organisch in Form mikrobiellen Biomasse gebunden. (Diese Strategie funktioniert auch mit ammonium-basiertem Kunstvolldünger)

Beispiel: Festmist, Kompoststall:

Gemeinsame anaerobe Kompostierung von pflanzlicher Einstreu (Stroh, Sägemehl, Torf) und stickstoffreichen tierischen Exkrementen.

Ergebnis: Hohes Dauerhumuspotential für einen effizienten Bodenaufbau (neben hohem Nährstoffgehalt).

Das getrennte Ausbringen von Gülle und Stroh auf Böden liefert interessanterweise keinen besonderen Beitrag zum Dauerhumus und direkten Bodenaufbau (reiner Nährhumus).

Beispiel: Biogasgärreste

Vielfach werden Biogasgärreste mit ihrem Stickstoffüberschuss direkt in den Boden eingebracht.

In der heutigen Zeit wäre eine gemeinsame Kompostierung von Biogasgärresten mit pflanzlichem Rohhumus eine sinnvolle Kombination. Durch die gemeinsame Kompostierung wird auch der

Ligninüberschuss pflanzlicher Gärreste effektiver in Dauerhumus umgesetzt.

Humusbildung im Komposthaufen

Was läuft bei der Humusbildung (Humifizierung der Biomasse) im Komposthaufen ab?

Mikroorganismengesellschaften (sog. Mikrobiome) sind sehr artenreich. Welche Mikroorganismen in Boden und Kompost dominieren und welche Eigenschaften damit die Komposte haben, hängt eben nicht nur vom Ausgangsmaterial ab, sondern vor allem auch vom Milieu in der „Reaktionszone“ des Komposthaufens ab (u.a. Luftzufuhr, Temperaturverteilung

etc. je nach Mietenaufbau)

Das pflanzliche Startmaterial/Rohhumus dient als erste Nahrung für die Mikroorganismen, die sich dabei vermehren. Im Laufe der Zeit verschiebt sich allerdings zunehmend die Zusammensetzung des Kompostmaterials, weil:

Mikroorganismen werden nicht nur geboren, sondern sie sterben auch.

Ihre Überreste und Stoffwechselprodukte dienen nun ihrerseits wiederum als Humusnahrung für die lebenden Mikroorganismen. Dieser Prozess von Vermehren und Absterben läuft über viele mikrobielle Stufen. Im fortgeschrittenen Stadium der Kompostierung hat man es also nicht

mehr mit einem Pflanzenhumus, sondern vor allem mit einem Mikrobenhumus zu tun.

Landläufig wird dieser Prozess als Zersetzung, Vererdung oder Humifizierung des Kompostmaterials bezeichnet. Im Lauf der Zeit bilden sich dabei auch die besonders bioaktiven Huminsäuren. Alter Dauerhumus (mehrere Jahre) ist deshalb besonders wertvoll.

Eine besonders intensive Humusbildung erfolgt in Komposten durch erzwungene Milieuwechsel:

Dies geschieht z.B. beim Umsetzen klassischer Komposthaufen:

Dadurch wird das (meist anaerob) in Rotte befindliche Material homogen gemischt, die Komposttemperatur sinkt, das Material wird intensiv belüftet. Dieser Umwandlungsprozess ist besonders stoffwechselaktiv und beschleunigt die Humifizierung.

Bisher dominierende Mikroorganismen sterben in kurzer Zeit ab und liefern einen Nahrungsschub zum Aufbau neuer, besser angepasster Mikrobiome.

Es baut sich im Kompost ein aerobes Mikrobiom auf, das unmittelbar mit aeroben Bodenverhältnissen harmoniert.

Unterschied der Humusbildung in Böden und Komposten

Bei normalen Mineralböden beträgt der Humusanteil (oTS) einige Prozent.

Im natürlichen Vegetationsrhythmus erfolgt eine kontinuierliche Zufuhr von frischer Biomasse.

In Zusammenspiel mit der Humuszehrung durch die Mikroorganismen führt dies zu einer zeitlich stabilen Zusammensetzung des Humus aus unterschiedlich alten Humusanteilen (frischer Rohhumus bis einige Jahrzehnte alter Dauerhumus).

Damit sind wiederum beste Voraussetzungen für stabile mikrobielle Abläufe im Boden gegeben.

Beim Kompostieren sind Verhältnisse (meist) anders:

Oft erfolgt ein einmaliger Ansatz der Kompostmiete und alle Bestandteile altern einheitlich.

Die Zusammensetzung des Komposthumus ändert sich also kontinuierlich.

Zeit ist dabei ein wichtiger Einflussfaktor für die Humusqualität. Verschiedene Erfahrungswerte aus der professionellen Gärtnerei und der Sanierung degenerierter Böden signalisieren, dass vor allem alte (reife) Komposte mit ihren Huminsäuren zu gesteigerter Bodenfruchtbarkeit führen

(sog. Bodenaktivatoren).

Eine typische Zeitspanne für die Entwicklung von besonders bioaktivem Dauerhumus scheint ca. 4-5 Jahre zu sein.

Sind beschleunigter Bodenaufbau und Kompostierung möglich?

Ein früher oft praktiziertes Verfahren ist die Zugabe einer kleinen Menge von altem Kompost (Reifezeit mehrere Jahre).

Weitere potente Dauerhumusquellen sind:

– Torf (siehe Torfkompostanleitung aus dem Jahre 1944)

– Leonardit

Insbesondere Leonardit und seine Abkömmlinge werden seit langer Zeit weltweit für agrarische Zwecke eingesetzt (außer in Mitteleuropa). Selbst bei der Kultivierung von Wüsten und Steppen gelingt damit in überschaubaren Zeiten ein agrarisch nutzbarer Bodenaufbau. Die einschlägigen Huminprodukte kann man schiffsladungsweise in China einkaufen.

Gesteigerte Biogaserzeugung durch Humus:

Erfahrungsgemäß führt die Zugabe von geringen Mengen an Huminsäuren (gewonnen aus Leonardit) in vielen Fällen zu einer effizienteren Biogaserzeugung und einem stabilen Prozessverlauf. Es sollte daher nicht überraschen, wenn man durch Zugabe einer vergleichsweise geringen Menge von altem Humus zum Futter einer Biogasanlage ebenfalls eine Leistungssteigerung erreicht (ca. 1m³ reifer Kompost auf 100m³ Futter).

Autor: Dr.Lutz Pickelmann
Webseiten:
https://www.chiemseemoor.de
https://www.agro-kolloide.de/

12 Apr, 2024

Thomas Klein12. April 2024Allgemein

Mit der Fluoreszenzmikroskopie den Ausfall der Biogasanlage verhindern

Biogasanlagen bieten beste Voraussetzungen, um aus Gülle Biogas zu erzeugen und aus dem Gärrest einen ökologisch gut verwertbaren Dünger zu gewinnen. In der modernen Tierhaltung ist jedoch der Einsatz von antibakteriellen Wirkstoffen oder Arzneimitteln zur Sicherung der Tiergesundheit und Hygiene manchmal unerlässlich. Diese Wirkstoffe dürfen nicht in zu großen Mengen in die Biogasanlage gelangen, denn hier entfalten sie ihre antibakterielle und hemmende Wirkung auf die im Fermenter lebenden Mikroorganismen. Dies bremst die Gärtätigkeit und verlangsamt und mindert die Gasproduktion und -qualität. Im schlimmsten Fall kommt der Gärprozess zum Erliegen und das Fermentermaterial muss ausgetauscht werden. Der wirtschaftliche Schaden kann bei großen Anlagen mehrere 10.000 Euro betragen. Um dies zu vermeiden, können Substrate oder Güllen, bei denen ein Verdacht auf das Vorhandensein von Hemmstoffen besteht, im Labor mittels Fluoreszenzmikroskopie untersucht werden. Auch die mikrobielle Zusammensetzung des Fermentermaterials kann unter Abgleich der Inputstoff-Zusammensetzung mit Referenzanlagen verglichen werden. Abweichungen können frühzeitig identifiziert und gezielte Gegenmaßnahmen rechtzeitig ergriffen werden.

Exkurs: Welche Mikroorganismen sind an der Bildung von Biogas und Methan beteiligt?

Der Abbau von Biomasse erfolgt durch eine Vielzahl von Mikroorganismen auf unterschiedlichen Stoffwechselwegen bis zur vollständigen Umsetzung zu Kohlendioxid und Methan. Die beteiligten Mikroorganismen lassen sich in zwei Gruppen unterteilen. Die Gruppe 1 besteht aus Bakterien, die für den Abbau von hochmolekularen Verbindungen wie Zellulose und für die Vergärung von niedermolekularen Verbindungen wie Zuckern zu organischen Säuren verantwortlich sind. Organismen dieser Gruppe machen mit 75 bis 95 % den Hauptanteil aller Mikroorganismen im Biogas-Fermenter aus und werden als Zellulose-Abbauer und Säurebildner bezeichnet. Die Gruppe 2 der Mikroorganismen ist direkt für die Bildung von Methan verantwortlich. Sie stellt mit 5 bis 25 % den kleineren Teil der am anaeroben Abbau beteiligten Organismen. Vertreter dieser Gruppe werden als methanbildende Mikroorganismen bezeichnet.

Wie funktioniert die fluoreszenzmikroskopische Analyse?

Die quantitative Erfassung der am Gärprozess beteiligten Organismengruppen erfolgt durch fluoreszenzmikroskopische Analyse der Mikroorganismen. Aufgrund der hohen Anzahl von Mikroorganismen in Biogasanlagen (zum Teil über 100 Billiarden Mikroorganismen pro Kubikmeter) werden die ermittelten Zellzahlen auf einen Milliliter Fermentermaterial bezogen. Durch die Auswertung der Zusammensetzung der verschiedenen Methanbildner, die in der Gruppe 2 vertreten sind, können Veränderungen im Zusammenleben der methanbildenden Population erfasst werden.

Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme einer Biogasanlage mit den Substraten Mais, Rindermist und Gülle. Bakterien erscheinen in blauer Färbung, Methanbildner werden gelb bis orange dargestellt.

Die beispielhafte fluoreszenzmikroskopische Aufnahme zeigt die mikrobielle Lebensgemeinschaft einer Probe bei 400-facher Vergrößerung. Die Probe wurde verdünnt und mit Licht verschiedener Wellenlängen angeregt. Durch einen Fluoreszenzfarbstoff erscheinen die zelluloseabbauenden und säurebildenden Organismen im Bild blau. Methan-bildende Zellen werden durch Licht mit einer Wellenlänge von 420 nm zur Eigenfluoreszenz angeregt und hier in Orange bis gelb dargestellt.

Die festgestellten Zellzahlen der in der Probe gefundenen Mikroorganismen werden mit einer Datenbank abgeglichen. Die Datenbank erfasst die Ergebnisse mehrjähriger Untersuchungen an unterschiedlichsten Biogasanlagen im In- und Ausland, biochemische Prozesszustände und Inputstoffe wie un-/belastete Gülle. Auf diese Weise können Abweichungen zu den SOLL-Zellzahlen und SOLL-Populationszusammensetzungen festgestellt werden. Im Zusammenspiel mit weiteren prozessbiologischen Parametern wie dem FOS/TAC-Verhältnis, den Gärsäurekonzentrationen, der Spurenelementuntersuchung oder der Viskositätsbestimmung ergibt sich ein tieferer Einblick in die Fermenterbiologie. Abweichungen aufgrund eines Hemmstoffeintrags können so identifiziert werden und gezielte Gegenmaßnahmen ergriffen werden.

Fazit: Fluoreszenzmikroskopie zur Optimierung der Gärprozesse

Biogasanlagen-Betreiber sind tagtäglich mit der Auswahl der ihnen angebotenen Inputstoffe oder unterschiedlichsten Prozesshilfsstoffe konfrontiert. Neben wirtschaftlichen Betrachtungen und der möglichen Gasausbeute ist die Unbedenklichkeit neuer Inputstoffe für die Fermenterbiologie eine wiederkehrende Fragestellung. Eine Erfassung des IST-Zustandes der mikrobiellen Aktivität mittels Fluoreszenzmikroskopie im Fermenter vor dem Einsatz eines neuen oder unbekannten Inputstoffs kann prozessbegleitend Anhaltspunkte zu Änderungen der Prozessstabilität liefern.

Prozessbiologische Betreuung aus dem Labor

Für die Kunden der MT Energy Service aus Zeven, einem BGA-Servicespezialisten, spielt das hauseigene Labor deswegen eine zentrale Rolle bei der kontinuierlichen Gewährleistung der Anlagenleistung. Das MTE Labor führt nicht nur fluoreszenzmikroskopische Analysen durch, sondern berät auch bei der Problemlösung und Ursachenbekämpfung.

Autor: Dr. Schöpfer

Weitere Informationen unter www.mte-service.de

23 Mrz, 2024

Thomas Klein23. März 2024Allgemein

Die Bedeutung der Eisenbasierten Entschwefelung in Biogasanlagen

Entdecken Sie die Schlüsselrolle von Eisen in der Entschwefelung und seine vielfältigen Anwendungen in der Biogasproduktion. Erfahren Sie alles über die Gewinnung, Erwartungen und Qualitätsstandards.

Grundlagen der Entschwefelung über Eisen

Entschwefelung ist ein essenzieller Prozess zur Reinigung von Gasen, bei dem Schwefelverbindungen entfernt werden. Eisenbasierte Methoden sind hierbei besonders effektiv. Sie bieten eine zuverlässige Lösung zur Reduzierung von Schwefelwasserstoffgehalten in Biogasen, was nicht nur die Umwelt schützt, sondern auch die Lebensdauer und Effizienz der Anlagen erhöht. Nachgeschaltete Entschwefelungstechniken, z.B. biologische Luftentschwefelung oder Aktivkohle, lassen die Entstehung von Schwefelwasserstoff (H₂S) zunächst zu, obwohl nachgewiesen ist, dass H₂S einen hemmenden Einfluss auf die Methanogenese hat und Spurenelemente durch hohe Sulfid-Konzentrationen im Gärmedium ausgefällt werden.

Gewinnung von wasserbasierten Eisenhydroxid

Grundwasser enthält in Deutschland gelöstes Eisen. Für die Nutzung als Brauch- oder Trinkwasser ist in der Regel eine Entfernung des Eisens erforderlich. Das geschieht durch pH-Wert-Verschiebungen, Oxidation und Filterung. Dabei entsteht ein amorphes Eisenhydroxid, das durch verschiedene Aufbereitungsschritte zu pastösen oder pulverförmigen Produkten verarbeitet werden kann.

Herstellung von Eisenoxid

Eisenoxid findet breite Anwendung in der Industrie, von der Pigmentherstellung bis hin zur Entschwefelung. Die Herstellungsmethoden variieren je nach gewünschtem Oxid Typ und Einsatzzweck, wobei thermische Verfahren zu den gängigsten zählen.

Produktion von Eisen(II)-Chlorid

Eisen(II)-Chlorid ist eine weitere wichtige Chemikalie in der Wasserbehandlung zur Phosphorfällung in Kläranlagen und Entschwefelungsprodukt in Biogasanlagen. Es wird durch die Reaktion von Eisen mit Salzsäure gewonnen und muss unter strengen Sicherheits- und Qualitätsstandards hergestellt werden.

Erwartungen an Eisenhydroxid als Entschwefelungsmittel

Kunden in der Biogasbranche erwarten von Eisenprodukten eine hohe Entschwefelungseffizienz, Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit. Die Erfüllung dieser Erwartungen hängt stark von der Qualität und Beschaffenheit der eingesetzten Eisenprodukte ab.

Qualitätsunterschiede bei Eisenprodukten

Die Qualität von Eisenprodukten kann je nach Herstellungsprozess und Rohstoffen erheblich variieren. Diese Unterschiede können signifikante Auswirkungen auf die Effizienz der Entschwefelung haben, weshalb eine sorgfältige Auswahl entscheidend ist.

Die Bedeutung der Oxalatlöslichkeit von Eisen

Die Oxalatlöslichkeit ist ein wichtiger Indikator für die Reaktivität von Eisenverbindungen, besonders in Anwendungen, die eine hohe Effizienz erfordern, wie bei der Entschwefelung von Biogasanlagen. Diese Eigenschaft bestimmt, wie gut sich Eisenverbindungen in Oxalsäure lösen, was wiederum Einfluss auf ihre Wirksamkeit in chemischen Reaktionen hat. Die Messung der Oxalatlöslichkeit ist daher ein entscheidender Schritt zur Sicherstellung der Qualität von Eisenprodukten.

Lafu GmbH: Ein Institut für Oxalatlöslichkeitsanalyse

Die Lafu GmbH ist ein renommiertes Labor, das spezialisiert ist auf die Analyse und Qualitätssicherung chemischer Produkte, einschließlich der Oxalatlöslichkeit von Eisen. Durch ihre Expertise und fortschrittliche analytische Ausrüstung bietet die Lafu GmbH wichtige Dienstleistungen für die Industrie, um die Effizienz und Sicherheit von eisenbasierten Entschwefelungsprozessen zu gewährleisten. Mehr Informationen finden Sie hier.

https://lafu-gmbh.com/

Ursachen für Schwefelwasserstoffgehalte im Fermenter

Schwefelwasserstoff (H₂S) ist eine häufige Verunreinigung in Biogasanlagen, die durch die Zersetzung schwefelhaltiger organischer Substanzen, wie Rapsschrot, entsteht. Zusätzlich können verschiedene andere Faktoren die Konzentration von H₂S im Fermenter erhöhen, darunter zählt die Betriebstemperatur und der pH-Wert. Eine effektive Entschwefelung, insbesondere durch den Einsatz von qualitativ hochwertigem Eisenhydroxid, ist daher entscheidend, um die Bildung von korrosivem und toxischem Schwefelwasserstoff zu minimieren. Eine schwere Korrosion entsteht dann, wenn im Fermenter Milieu der Biogasanlage zu hohe Konzentrationen von Sauerstoff eingetragen werden. Es entsteht eine schweflige Säure, die die Mauerkronen und Bauteile der Biogasanlage angreift. Stellen Sie deswegen den Sauerstoffgehalt, je nach Anlage, auf 0,3%-0,5% ein.

Fazit: Die Zukunft der eisenbasierten Entschwefelung

Die Nutzung von Eisen in der Entschwefelung bietet zahlreiche Vorteile für die Umwelt und die industrielle Effizienz. Die ständige Weiterentwicklung der Gewinnungs- und Verarbeitungstechnologien von Eisenverbindungen sowie die strengen Qualitätskontrollen sind entscheidend, um den wachsenden Anforderungen der Industrie gerecht zu werden. Unternehmen wie Lafu GmbH spielen eine wichtige Rolle in der Qualitätssicherung und Forschung, um die Leistungsfähigkeit und Umweltverträglichkeit von eisenbasierten Entschwefelungsmitteln weiter zu verbessern.

FAQs

Was macht Eisen zu einem effektiven Entschwefelungsmittel?

„Eisen reagiert mit Schwefelwasserstoff, um unschädliche Eisen(II)-Sulfide zu bilden, wodurch die Konzentration von H₂S im Biogas effektiv reduziert wird.“

Warum ist die Oxalatlöslichkeit von Eisen wichtig?

„Die Oxalatlöslichkeit ist ein Maß für die Reinheit und Reaktivität von Eisenverbindungen, was direkt ihre Wirksamkeit in chemischen Reaktionen beeinflusst.“

Wie beeinflussen die Qualitätsunterschiede bei Eisenprodukten die Entschwefelung?

„Qualitativ hochwertige Eisenprodukte haben eine höhere Effizienz und Zuverlässigkeit in der Entschwefelung, was die Wirtschaftlichkeit und Umweltverträglichkeit der Anwendung verbessert.“

Können alle Eisenverbindungen für die Entschwefelung verwendet werden?

„Nicht alle Eisenverbindungen sind gleich wirksam. Die Auswahl hängt von der spezifischen Anwendung und den Betriebsbedingungen ab. Hier ist zu unterscheiden, wie hoch die wirksamen Bestandteile sind.“

Wie wird die Qualität von wasserbasierten Eisenprodukten für die Entschwefelung sichergestellt?

„Durch sorgfältige Auswahl der Rohstoffe, kontrollierte Herstellungsprozesse und regelmäßige Qualitätsprüfungen, einschließlich der Oxalatlöslichkeitsanalyse.“

Was sind die Herausforderungen bei der eisenbasierten Entschwefelung?

„Die Herausforderungen umfassen die Sicherstellung der Produktqualität, die Optimierung der Prozesseffizienz und die Minimierung der Umweltauswirkungen.“

Autor: Dr. Leiker

8 Mrz, 2024

Thomas Klein8. März 2024Allgemein

Chelatisierung von Spurenelementen im Fermenter

Bedeutung der Chelatisierung und Vergleich der Wirksamkeit von EDTA und Zitronensäure

Einführung

Spurenelemente spielen eine wichtige Rolle im Fermentationsprozess. Sie sind notwendig für das Wachstum und die Aktivität mikrobieller Kulturen. Wie der Name „Spurenelemente“ schon ausdrückt, werden diese nur in kleinen Mengen benötigt. Durch „Chelatisierung“ kann deren Wirksamkeit weiter gesteigert werden.

Dieser Artikel erklärt die Wirkung der „Chelatisierung“ und deren Bedeutung beim Einsatz von Spurenelementen im Biofermenter. Er vergleicht die Bioverfügbarkeit der standardgemäß eingesetzten Chelatisierungsmittel EDTA und Zitronensäure. Abschließend wird diese unter verschiedenen Aspekten bewertet.

Um möglichen Verwirrungen vorzubeugen, sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass für Chelatierung auch die Begriffe Maskierung bzw. Komplexierung als

Begriffe verwendet werden.

Was bewirkt Chelatisierung?

Werden Salze von Spurenelementen nur in Wasser gelöst, bilden sie leicht unlösliche Verbindungen mit Bestandteilen des Fermenterinhalts (Schwefelwasserstoff, Sulfat, Carbonat, etc.). Dadurch werden die vorhandenen Spurenelemente unwirksam.

Durch Chelatisierung⁽²⁾ werden sie „maskiert“, sie werde „unsichtbar“ gegenüber den oben genannten Stoffen. So wird die Bioverfügbarkeit von Spurenelementen im Fermenter erhalten und eine Überdosierung vermieden.

Die am häufigsten eingesetzten Chelatisierungsmittel sind EDTA und Zitronensäure, beide haben ihre Vor- und Nachteile. Während EDTA für seine Effizienz bekannt ist, bietet Zitronensäure eine umweltfreundlichere Alternative. Durch den gezielten Einsatz beider Chelatisierungsmittel lassen sich Risiken minimieren bei gleichzeitiger Maximierung des Gasertrages.

Beide Chelatisierungsmittel sind gut verfügbar und konstengünstig.

Eigenschaften von EDTA

„EDTA“ steht für eine Gruppe industriell hergestellter Chelatbildner, die effektiv bestimmte Metallionen binden können. Wegen der hohen Stabilität der Metall-EDTA Komplexe wird EDTA gerne zur Chelatisierung in Bioreaktoren eingesetzt. Eine Untersuchung der Universität Hohenheim⁽¹⁾ fand 2014 heraus, dass sich der Einsatz von Spurenelementen (bei gleichbleibendem Methanertrag) durch Zugabe von EDTA um bis zu 75% verringern ließ.

Ein Nachteil ist jedoch die schlechte biologische Abbaubarkeit von EDTA.

Vorteile:

· Bildet sehr stabile Metall-Komplexe

· Chelatisiert breites Spektrum an Metallionen

· Reduziert deutlich die Menge (Konzentration) der zuzusetzenden Spurenelemente.

Nachteile:

· Industrieller Ursprung

· Schlechte biologische Abbaubarkeit

· Mögliche Gesundheitsrisiken bei Überexposition

Eigenschaften von Zitronensäure

Zitronensäure ist eine organische Säure, die natürlich in vielen Früchten vorkommt. Großtechnisch wird sie durch Biofermentation hergestellt. Zitronensäure spielt in biochemischen Prozessen der meisten Organismen eine wichtige Rolle (Zitronensäurezyklus) und ist sehr gut biologisch abbaubar.

Sie wirkt ebenfalls als Chelatbildner, zeigt allerdings geringere Bindungsstärke zu Metallionen, was gleichbedeutend mit geringerer Stabilität im Vergleich zu EDTA ist.

Vorteile:

· Gute biologische Abbaubarkeit

· Gute Bioverfügbarkeit der komplexierten Spurenelemente

Nachteile:

· Geringere Wirksamkeit im Vergleich zu EDTA bei bestimmten Spurenelementen

Vergleich EDTA mit Zitronensäure

Der Hauptunterschied zwischen EDTA und Zitronensäure liegt in der „Komplexstärke“, also der Stabilität der gebildeten Chelate. Während EDTA stärkere und stabilere Komplexe bildet, bietet Zitronensäure den Vorteil der Umweltverträglichkeit durch biologische Abbaubarkeit.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass es Spurenelemente gibt, bei denen die Komplexstärke der Zitronensäurechelate für den Einsatz in Bioreaktoren ausreichend ist. Das ermöglicht es, den Einsatz beider Chelatbildner zu optimieren, ohne Einbußen beim Gasertrag.

FAQs

Wie wirkt sich die Chelatisierung auf die Fermentation aus?

„Chelatisierung erhöht die Bioverfügbarkeit von Spurenelementen und steigert so die Aktivität der Mikroorganismen und damit die Gasausbeute.“

Kann Zitronensäure EDTA umfassend ersetzen?

„Die Wirksamkeit von Zitronensäure ist nicht für alle Spurenelemente gleich gut. Deshalb kommt es auf den Einzelfall an, ob auf EDTA verzichtet werden kann.“

Gibt es Alternativen zu EDTA und Zitronensäure?

„Ja, es gibt andere organische Komplexbildner wie Gluconsäure Iminodibernsteinsäure (IDS) oder bestimmte Aminosäuren. Die Auswahl hängt von den spezifischen Anforderung en des Fermentationsprozesses und den gewünschten Eigenschaften des Endprodukts ab. Diese Alternativen sind allerdings auch mit höhren Kosten verbunden.“

Können alle Spurenelemente chelatisiert werden?

„Grundsätzlich ja. Allerdings hängt die Chelatbildung für die einzelnen Spurenelemente von den konkreten Bedingungen im Fermenter ab. Deshalb ist eine eine sorgfältige Analyse des Zustands des Fermenters notwendig, damit die richtigen Spurenelemente in der richtigen Menge und mit dem richtigen Chelatisierungsmittel eingesetzt werden.“

⁽¹⁾Vintiloiu, Anca; Einsatz von Spurenelementen bei der Vergärung von nachwachsenden Rohstoffen in Biogasanlagen;

URN: urn:nbn:de:bsz:100-opus-9860; URL: http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2014/986/

⁽²⁾Chelatisierung eines Metallions (wirksamer Bestandteil der Spurenelemente) bewirkt, dass die Anzahl der freien Metallionen im Fermenterinhalt verringert wird. Für die Bildung unlöslicher Verbindungen mit Schwefelwasserstoff, Carbonat oder Sulfat muss aber eine bestimmte Anzahl von freien Metallionen vorliegen. Die für die Bildung unlöslicher Verbindungen benötigte Menge an Metallionen unterscheidet sich für die einzelnen Spurenelemente. Die Mikroorganismen können kleinste Menge an Spurenelementen aufnehmen. Die Chelate liefern dann die Menge der verbrauchten Metallionen wieder nach (Massenwirkungsgesetz), deshalb beeinträchtigen sie nicht deren Wirksamkeit, sondern verbessern sie durch die Verhinderung der Bildung unlöslicher Verbindungen.

Autor: Dr. Brüne Cremer

12 Feb, 2024

Thomas Klein12. Februar 2024Allgemein

Löslichkeit von Cobalt im Biogas Prozess: Ein Schlüsselelement für Effizienz und Stabilität

Entdecken Sie die Bedeutung der Löslichkeit von Cobalt im Biogas-Prozess, ihre Herausforderungen und Optimierungsmethoden für einen stabilen und effizienten Biogasbetrieb.

Einführung in die Rolle von Cobalt im Biogas-Prozess

Cobalt, ein essenzielles Mikroelement in der Biogasproduktion, spielt eine zentrale Rolle bei der Methanogenese, dem Prozess der Methanbildung. Die Löslichkeit von Cobalt ist dabei entscheidend, da sie die Verfügbarkeit dieses Schlüsselelements für die mikrobiellen Gemeinschaften im Biogasreaktor bestimmt. Trotz seiner Bedeutung wird der Bedarf an löslichem Cobalt oft unterschätzt, was zu einer suboptimalen Biogasproduktion führen kann.

Die Grenzen der herkömmlichen Spurenelementanalyse

Lange Zeit galt die Ermittlung des Gesamtinhalts an Spurenelementen als ausreichend für die Beurteilung der Nährstoffverfügbarkeit im Biogasprozess. Diese Sichtweise hat sich jedoch als unzureichend erwiesen, da sie nicht die spezifische Löslichkeit und Bioverfügbarkeit von Elementen wie Cobalt berücksichtigt. Es ist daher notwendig, über herkömmliche Methoden hinauszugehen und die löslichen Anteile direkt zu bestimmen.

Neuartige Methode zur Bestimmung des löslichen Cobalts

Die Bedeutung einer präzisen Analyse des löslichen Cobalts wird durch die Arbeit von Institutionen wie der Lufa Oldenburg unter der Leitung von Dr. Bischoff hervorgehoben. Ihre Entwicklungen, wie die eigens erstellte Hausmethode, ermöglicht eine genauere Bestimmung des löslichen Cobaltanteils und bietet damit eine solide Grundlage für die Optimierung des Biogas-Prozesses.

Quellen von Cobalt im Biogas-Prozess

Natürliche Quellen von Cobalt im Biogas-Prozess umfassen Mist, Gülle und Hühnertrockenkot. Diese Substrate können jedoch aufgrund variabler Zusammensetzungen und Behandlungsverfahren unterschiedliche Mengen an bioverfügbarem Cobalt enthalten. Zudem kann eine Unterversorgung durch geringere Zusätze in Futtermitteln entstehen, was die Notwendigkeit einer gezielten Supplementierung unterstreicht.

Cobalt als Schlüsselelement für einen stabilen Biogas-Prozess

Die Löslichkeit von Cobalt ist entscheidend für einen stabilen Biogas-Prozess. Eine ausreichende Versorgung mit löslichem Cobalt unterstützt nicht nur die Methanproduktion, sondern fördert auch die Gesundheit und Effizienz der mikrobiellen Gemeinschaften. Cobalt muss daher in einer Form zugesetzt werden, die seine Löslichkeit und Bioverfügbarkeit maximiert. Sprechen Sie uns an, wir haben genau das richtige Produkt für Sie.

Techniken zur Optimierung der Cobalt-Löslichkeit

Eine der effektivsten Methoden zur Optimierung der Cobalt-Löslichkeit ist die Chelatisierung. Durch die Bildung stabiler Komplexe kann Cobalt effizienter von den Mikroorganismen verstoffwechselt werden. Weiterhin ist die Interaktion von Cobalt mit Schwefel von Bedeutung, da diese Verbindungen Cobalt im Substrat fixieren und seine Verfügbarkeit beeinflussen können.

Fallstudien und Praxisbeispiele

Praxisbeispiele aus der Biogasbranche zeigen, wie durch gezielte Anpassungen und Supplementierungen die Cobalt-Löslichkeit erfolgreich optimiert wurde. Diese Erfahrungen bieten wertvolle Einblicke und bewährte Praktiken für Biogasanlagenbetreiber.

Die wirtschaftlichen Auswirkungen der Cobalt-Optimierung

Die Optimierung der Cobalt-Löslichkeit trägt nicht nur zur Stabilität des Biogas-Prozesses bei, sondern kann auch erhebliche wirtschaftliche Vorteile bieten. Durch die Steigerung der Methanproduktion und die Verbesserung der Prozesseffizienz können Betreiber von Biogasanlagen ihre Rentabilität signifikant erhöhen.

Häufig gestellte Fragen (FAQs) zur Cobalt-Löslichkeit

Warum ist Cobalt wichtig für den Biogas-Prozess?

„Cobalt ist ein essentielles Spurenelement, das für die Aktivität der Methan bildenden Mikroorganismen notwendig ist. Eine angemessene Versorgung mit löslichem Cobalt kann die Methanproduktion signifikant steigern und zur Stabilität des Biogas-Prozesses beitragen.„

Wie beeinflusst die Form von Cobalt seine Löslichkeit und Verfügbarkeit im Biogas-Prozess?

„Die Löslichkeit von Cobalt wird durch seine chemische Form beeinflusst. Cobalt, das in chelatisierter Form vorliegt, ist leichter löslich und kann effizienter von Mikroorganismen aufgenommen werden als nicht-chelatisiertes Cobalt.„

Kann die Cobalt-Versorgung durch Standard-Futtermittel ausreichend sein?

„Die Cobalt-Versorgung durch Standard-Futtermittel ist oft unzureichend für optimale Biogasproduktionsprozesse, besonders wenn Futtermittel mit geringeren Zusätzen verwendet werden. Eine gezielte Supplementierung kann erforderlich sein, um eine ausreichendeCobalt-Versorgung sicherzustellen.„

Welche Rolle spielt die Analyse von löslichem Cobalt?

„Die Analyse von löslichem Cobalt ermöglicht eine präzise Bewertung der tatsächlich verfügbaren Cobalt-Mengen für die Methanogenese. Dies ist entscheidend für die gezielte Optimierung der Spurenelementversorgung in Biogasanlagen.„

Wie kann die Löslichkeit von Cobalt im Biogas-Prozess optimiert werden?

„Die Löslichkeit von Cobalt kann durch Chelatisierung und die Anpassung des pH-Werts im Biogasreaktor optimiert werden. Auch die Vermeidung von übermäßigen Schwefelverbindungen kann helfen, die Verfügbarkeit von Cobalt zu verbessern.„

Schlussfolgerung und Zusammenfassung

Die Löslichkeit von Cobalt im Biogas-Prozess ist ein entscheidender Faktor für die Effizienz und Stabilität der Methanproduktion. Eine adäquate Versorgung mit löslichem Cobalt unterstützt die mikrobielle Aktivität und fördert einen reibungslosen Ablauf desBiogas-Prozesses. Durch die Anwendung wissenschaftlicher Methoden zur Analyse und Optimierung der Cobalt-Löslichkeit können Biogasanlagenbetreiber ihre Produktion steigern und die Wirtschaftlichkeit ihrer Anlagen verbessern. Die fortlaufende Forschung unddie Entwicklung neuer Technologien versprechen weitere Fortschritte in der Nutzung von Cobalt und anderen Spurenelementen, um die Biogasproduktion nachhaltiger und effizienter zu gestalten.

Author Archives: Thomas Klein