Hochschule Offenburg
offenburg.university
Bachelor-Thesis
WS 2015/2016
Untersuchung zur biologischen
Wasserstofferzeugung ...
Danksagung
Meinen Dank möchte ich allen Personen aussprechen, die diese Arbeit möglich
gemacht haben. Vor allem möchte ich...
“SUCCESS IS THE ABILITY
TO GO FROM FAILURE TO FAILURE
WITHOUT LOSING YOUR
ENTHUSIASM”
(Anonymous)
Zusammenfassung
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Gasproduktion aus Prozesswasser der
hydrothermalen Karbonisierung vo...
Eidesstattliche Erklärung
Hiermit versichere ich eidesstattlich, dass ich die vorliegende Bachelor-Thesis mit
dem Thema
Un...
Inhaltsverzeichnis
i
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis................................................................
Inhaltsverzeichnis
ii
4.3.1 Aufbau und Zusammensetzung ............................................................ 22
4.4...
Inhaltsverzeichnis
iii
Abkürzungsverzeichnis
BSB5 Biologischer Sauerstoffbedarf nach 5 Tagen
CSB Chemischer Sauerstoffbeda...
Einleitung
1
1 Einleitung
Die Auswirkungen des Klimawandels sind überall bemerkbar und CO2 wird als
Hauptursache genannt. ...
Stand des Wissens
2
2 Stand des Wissens
2.1 Reduzierung von Treibhausgasemissionen
Durch die hohen Kosten für Produktion u...
Stand des Wissens
3
Pflanzen verwendet wird, wird später wieder in die Atmosphäre abgegeben. Da die
HTC eine thermo-mechan...
Stand des Wissens
4
Der Begriff der Karbonisierung beschreibt die relative Erhöhung des
Kohlenstoffgehalts in organischen ...
Stand des Wissens
5
und kann später in der Kohle wieder gefunden werden. Bei der Polymerisation bilden
sich kleine Kügelch...
Stand des Wissens
6
Abbildung 2.2: REM-Aufnahmen von karbonisierter Cellulose bei a) 180 °C und 17h und b) 250 °C
und 17 h...
Stand des Wissens
7
Biokohle wird schon einige Zeit zur Verbesserung der Bodeneigenschaften
eingesetzt. Das Vorbild ist de...
Stand des Wissens
8
Der Kohlenstoffgehalt im Prozesswasser verringert sich, wenn das Prozesswasser
mehrmals für Karbonisie...
Stand des Wissens
9
oder nach einer Aufreinigung ins Erdgasnetz eingespeist. Als Substrat werden vor
allem leicht zersetzb...
Stand des Wissens
10
2.3.2 Photobiologische Wasserstoffproduktion
Einige Mikroorganismen sind in der Lage aus Sonnenlicht ...
Stand des Wissens
11
Beim indirekten Weg läuft die Wasserstoffproduktion in zwei Schritten ab. Während
der Photosynthese b...
Stand des Wissens
12
suggerierten in ihrer Untersuchung, dass die erhöhte Wasserstoffproduktion auf das
Temperaturoptimum ...
Stand des Wissens
13
Gattung Bacillus spp. und Clostridium spp. [18] [19]. Das Prinzip basiert auf
dem Effekt, dass einige...
Stand des Wissens
14
effektiv unterdrückt werden, es bleiben aber einige erhalten [29]. Als Säuren
werden vor allem HCl, H...
Motivation
15
3 Motivation
Die hydrothermale Karbonisierung ist eine vielversprechende Technologie zur
Bekämpfung des Klim...
Material und Methoden
16
4 Material und Methoden
4.1 Analytische Verfahren und Messmethoden
4.1.1 Bestimmung von CSB
Der c...
Material und Methoden
17
Lösung pipettiert. Danach wurden die Proben mit Verdünnungswasser jeweils in
einem 1 L Messkolben...
Material und Methoden
18
eingestellt. Nur der flüssige Überstand wurde für die Messung verwendet. Damit
sollte sichergeste...
Material und Methoden
19
einem Vortexer wurden je 0,25 mL Probe in eine Küvette pipettiert und 2 mL H2Odest.
hinzugegeben....
Material und Methoden
20
Bei Messungen des TOC wird zusätzlich der Gesamtstickstoff (TN) gemessen.
Damit der gelöste organ...
Material und Methoden
21
Die getrockneten Proben wurde im gleichen Tiegel in einem Muffelofen bei 550 °C
ausgeglüht. Im Ti...
Material und Methoden
22
4.3 Erhöhung der Wasserstoffausbeute durch „Heat Shock
Treatment“ von Inokulum und Substrat
In ei...
Material und Methoden
23
Flschen nach Einsetzen einer Gummidichtung mit speziell angefertigten Deckeln.
Diese besaßen an d...
Material und Methoden
24
Tabelle 4.1 Einwaagen der Melasse
Versuchsnr. Einwaage Melasse
7 114,75 g
8 115,05 g
9 114,90 g
D...
Material und Methoden
25
Gummidichtung gasdicht schließt. Die durch das Einspannen entstandenen Kräfte
führten dazu, dass ...
Material und Methoden
26
zwischen den Faultürmen ist die Verweilzeit. Ist der erste Faulturm gefüllt, wird der
Inhalt in F...
Material und Methoden
27
geführt wird. Der innere Zylinder ist mit einer Stange beweglich und an der Kopfseite
des äußeren...
Material und Methoden
28
1 L wurden zusätzlich mit einer definierten Menge Stickstoff verdünnt. Das
Gasanalysegerät verfüg...
Material und Methoden
29
Für die Messung der Trockensubstanz wurden die Proben unverdünnt verwendet.
Die genauen Verdünnun...
Ergebnisse
30
5 Ergebnisse
Das Prozesswasser wurde in mehreren anaeroben Versuchen untersucht. Die
gewonnen Informationen ...
Ergebnisse
31
um Stoffe handeln, die den biologischen Abbau negativ beeinflussen. Aus den
Ergebnissen der Trockensubstanzm...
Ergebnisse
32
Der Gesamtstickstoff von Melasse ist auf 15,0 g L-1
bestimmt. Dieses Ergebnis lässt
einen hohen Proteingehal...
Ergebnisse
33
Eine Betrachtung unter dem Mikroskop bekräftigte die Vermutung. Es waren keine
Bewegungen der Bakterien zu e...
Ergebnisse
34
Das Ergebnis der Auswertung ist in Abbildung 5.1 dargestellt. Der oTS des reinen
Prozesswassers führt zu ein...
Ergebnisse
35
die Versuchszeit abgebaut worden. Im Vergleich dazu, sind es im unverdünnten
Prozesswasser nur etwa 45 %.
Ta...
Ergebnisse
36
Abbildung 5.2: Vergleich der spezifischen, kumulierten Gaserträge unter Berücksichtigung der
Eigenproduktion...
Ergebnisse
37
Abbildung 5.3: Zusammensetzung des kumulierten Gasertrags nach 17 Tagen. Darstellung der
Volumenanteile Kohl...
Ergebnisse
38
5.3.2 Co-Fermentierung von Prozesswasser mit Zuckerrübenmelasse
Zwei Versuche wurden ausgewertet, die zum Pr...
Ergebnisse
39
Abbildung 5.4: Vergleich der kumulierten spezifischen Gaserträge aller durchgeführten Versuche.
Darstellung ...
Ergebnisse
40
5.5). Keiner der Versuche mit Melasse hat Methan produziert, stattdessen sind vor
allem Wasserstoff und Kohl...
Ergebnisse
41
dargestellt. Aus dem Vergleich mit den Ergebnissen aus Tabelle 5.2 kann festgestellt
werden, dass Melasse zu...
Ergebnisse
42
Die Abweichung beträgt in den Proben zwischen 55 % und 60 %.
Um trotzdem Aussagen über den Abbau treffen zu ...
Diskussion
43
6 Diskussion
6.1 Methanbildungspotential von Prozesswasser
Das Methanbildungspotential des eingesetzten Proz...
Diskussion
44
befinden sich in einem Bereich zwischen 77 NL CH4 kg-1
TS und
738 NL CH4 kg-1
TS. Dabei wurden Klärschlamm, ...
Ausblick
45
7 Ausblick
Die Ergebnisse zeigten, dass aus reinem Prozesswasser nur wenig Wasserstoff
gewonnen werden konnte....
Literaturverzeichnis
46
8 Literaturverzeichnis
[1] J. Himmelreich, „Spiegel Online“ 10 Oktober 2010. [Online]. Available:
...
Literaturverzeichnis
47
[10] D. Lehner, „Einfluss einer unterschiedlich hohen HTC-Biokohlenausbrinung als
Bodenverbesserer...
Literaturverzeichnis
48
[21] P. Mohammadi, S. Ibrahim, M. Suffian und M. Annuar, „Effects of different
pretreatment method...
Untersuchung zur biologischen Wasserstofferzeugung aus Prozessabwasser der hydrothermalen Karbonisierung (HTC)
Untersuchung zur biologischen Wasserstofferzeugung aus Prozessabwasser der hydrothermalen Karbonisierung (HTC)
Nächste SlideShare
Wird geladen in …5
×

Untersuchung zur biologischen Wasserstofferzeugung aus Prozessabwasser der hydrothermalen Karbonisierung (HTC)

36 Aufrufe

Veröffentlicht am

0 Kommentare
0 Gefällt mir
Statistik
Notizen
  • Als Erste(r) kommentieren

  • Gehören Sie zu den Ersten, denen das gefällt!

Keine Downloads
Aufrufe
Aufrufe insgesamt
36
Auf SlideShare
0
Aus Einbettungen
0
Anzahl an Einbettungen
3
Aktionen
Geteilt
0
Downloads
1
Kommentare
0
Gefällt mir
0
Einbettungen 0
Keine Einbettungen

Keine Notizen für die Folie

Untersuchung zur biologischen Wasserstofferzeugung aus Prozessabwasser der hydrothermalen Karbonisierung (HTC)

  1. 1. Hochschule Offenburg offenburg.university Bachelor-Thesis WS 2015/2016 Untersuchung zur biologischen Wasserstofferzeugung aus Prozessabwasser der hydrothermalen Karbonisierung (HTC) Hochschule Offenburg Studiengang Verfahrenstechnik Schwerpunkt Energietechnik Name: Nicolas Drigalsky Abgabetermin: 9. April 2016 Betreuer: Dr.-Ing. Andreas Wilke Hochschule Offenburg Ahmed Hussein M.Sc. Hinneburg GmbH
  2. 2. Danksagung Meinen Dank möchte ich allen Personen aussprechen, die diese Arbeit möglich gemacht haben. Vor allem möchte ich mich bei Dr.-Ing. Andreas Wilke bedanken. Er hat es immer geschafft, mir neue Wege und Möglichkeiten zu zeigen, wenn mir Ideen gefehlt haben. Mit seiner direkten und herzlichen Art, hat er mir viel beibringen können und mich auch in schwierigen Zeiten auf den rechten Pfad zurück gebracht. Ebenfalls will ich Herrn Ahmed Hussein M.Sc. meinen Dank aussprechen. Er stand bei Fragen immer zur Verfügung und konnte selbst bei schwierigen Fragestellungen helfen und meine Gedanken in eine andere Richtung lenken. Außerdem möchte ich Herrn Uwe Hinneburg danken, der mich zu dieser Arbeit geführt hat und stets großes Interesse und Enthusiasmus für das Thema gezeigt hat, wodurch ich neue Motivation erhalten konnte. Diese Arbeit wäre nicht möglich gewesen ohne die Unterstützung von Katja Stahl M.Sc. und Dipl.-Ing. Almut Henninger. Beide waren immer Bereit Fragen zu beantworten und gaben wertvolle Tipps für die Arbeit im Labor. Zuletzt möchte ich meinen Freunden und meiner Familie danken. Sie haben mich über die Zeit der Arbeit stets Unterstützt und immer an mich geglaubt. Vielen Dank!
  3. 3. “SUCCESS IS THE ABILITY TO GO FROM FAILURE TO FAILURE WITHOUT LOSING YOUR ENTHUSIASM” (Anonymous)
  4. 4. Zusammenfassung Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Gasproduktion aus Prozesswasser der hydrothermalen Karbonisierung von Bioabfällen. Im Gegensatz zu anderen Arbeiten wurde das Ziel verfolgt Wasserstoff zu gewinnen und die Methanproduktion zu unterdrücken. Versuche mit einem wärmebahandeltem Inokulum blieben Ergebnislos. Für weitere Versuche wurde auf die Wärmebehandlung verzichtet und nur eine Prozesstemperatur von 60 °C eingestellt. Das Prozesswasser wurde unverdünnte und 5-fach verdünnt eingesetzt. Aus diesen Versuchen konnten Gaserträge festgestellt werden. Dabei wird die Methanproduktion aber nicht unterdrückt. Insgesamt wurden aus dem unverdünnten Prozesswasser 125 NL CH4 kg-1 oTS hergestellt. Die Verdünnung hat einen Mehrertrag erbracht, dieser beläuft sich auf 177 NL CH4 kg-1 oTS. Die Temperatur als einziger Einstellparameter hat sich als nicht ausreichend herausgestellt. Wasserstoff konnte erst produziert werden, wenn Zuckerrübenmelasse als Co-Substrat verwendet wurde. Durch diesen Einsatz sank der pH-Wert und die Methanproduktion konnte komplett unterdrückt werden. Abstract The following study examines the potential of process liquor from hydrothermal carbonization of bio wastes to produce hydrogen gas in an anaerobic fermentation process. In comparison to other studies, the aim was not to produce methane, but hydrogen instead. For suppression of methanogenic Bacteria, heat treatment of digested sludge was considered a possibility. Experiments carried out with heat treated sludge yield no results. No gas production was observable. Heat-treatment wasn’t used in further experiments. A temperature of 60 °C was set as the sole condition to suppress methanogenic activity. The process liquor was used diluted and in pure form. Additionally, molasses was used in some experiments as a co-substrate. The results show, that no hydrogen was produced from process liquor without the use of molasses. Methanogenic activity was not suppressed, by only using a temperature of 60 °C. Methane was produced with yields ranging from 125 NL CH4 kg-1 VS to 177 NL CH4 kg-1 VS.
  5. 5. Eidesstattliche Erklärung Hiermit versichere ich eidesstattlich, dass ich die vorliegende Bachelor-Thesis mit dem Thema Untersuchung zur biologischen Wasserstofferzeugung aus Prozessabwasser der hydrothermalen Karbonisierung (HTC) von mir selbstständig und ohne unerlaubte fremde Hilfe angefertigt worden ist, insbesondere, dass ich alle Stellen, die wörtlich oder annähernd wörtlich oder dem Gedanken nach aus Veröffentlichungen, unveröffentlichten Unterlagen und Gesprächen entnommen worden sind, als solche an den entsprechenden Stellen innerhalb der Arbeit durch Zitate kenntlich gemacht habe, wobei in den Zitaten jeweils der Umfang der entnommenen Originalzitate kenntlich gemacht wurde. Die Arbeit lag in gleicher oder ähnlicher Fassung noch keiner Prüfungsbehörde vor und wurde bisher nicht veröffentlicht. Ich bin mir bewusst, dass eine falsche Versicherung rechtliche Folgen haben wird. Ort, Datum Drigalsky, Nicolas
  6. 6. Inhaltsverzeichnis i Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis............................................................................................... iii 1 Einleitung............................................................................................................. 1 2 Stand des Wissens.............................................................................................. 2 2.1 Reduzierung von Treibhausgasemissionen................................................... 2 2.2 Hydrothermale Karbonisierung...................................................................... 3 2.2.1 HTC-Biokohle als Bodenverbesserer...................................................... 6 2.2.2 Prozesswasser aus der hydrothermalen Karbonisierung........................ 7 2.3 Energiegewinn aus Prozesswasser............................................................... 8 2.3.1 Biogasproduktion .................................................................................... 8 2.3.2 Photobiologische Wasserstoffproduktion .............................................. 10 2.3.3 Dark Fermentation ................................................................................ 11 3 Motivation.......................................................................................................... 15 4 Material und Methoden...................................................................................... 16 4.1 Analytische Verfahren und Messmethoden ................................................. 16 4.1.1 Bestimmung von CSB........................................................................... 16 4.1.2 Bestimmung von BSB5.......................................................................... 16 4.1.3 Bestimmung von Ammonium-Stickstoff (NH4 + -N) ................................. 17 4.1.4 Bestimmung von Gesamt-Phosphat ..................................................... 18 4.1.5 Bestimmung von Glucose ..................................................................... 18 4.1.6 Bestimmung von Gesamtkohlenstoff und Gesamtstickstoff .................. 19 4.1.7 Bestimmung der organischen Trockensubstanz ................................... 20 4.2 Analyse der Rohmaterialien ........................................................................ 21 4.2.1 HTC-Prozesswassers ........................................................................... 21 4.2.2 Zuckerrübenmelasse ............................................................................ 21 4.3 Erhöhung der Wasserstoffausbeute durch „Heat Shock Treatment“ von Inokulum und Substrat .......................................................................................... 22
  7. 7. Inhaltsverzeichnis ii 4.3.1 Aufbau und Zusammensetzung ............................................................ 22 4.4 Einfluss von Melasse als Co-Substrat der Wasserstoffproduktion aus HTC- Prozesswasser bei thermophiler Prozesstemperatur............................................ 25 4.4.1 Aufbau und Zusammensetzung der Versuchsreihe .............................. 25 4.4.2 Gasmessung und -analyse ................................................................... 26 4.4.3 Auswertung und Verdünnung der Messproben..................................... 28 5 Ergebnisse ........................................................................................................ 30 5.1 Analytik der verwendeten Stoffe.................................................................. 30 5.2 Erhöhung der Wasserstofferträge mittels „Heat-Shock-Treatment“............. 32 5.3 Möglichkeiten der Nutzung von Prozesswasser zur Wasserstofferzeugung 33 5.3.1 Gaserträge aus der Nutzung von reinem Prozesswasser..................... 33 5.3.2 Co-Fermentierung von Prozesswasser mit Zuckerrübenmelasse......... 38 5.3.3 Einfluss von Melasse auf den biologischen Abbau ............................... 40 6 Diskussion......................................................................................................... 43 6.1 Methanbildungspotential von Prozesswasser.............................................. 43 7 Ausblick............................................................................................................. 45 8 Literaturverzeichnis ........................................................................................... 46
  8. 8. Inhaltsverzeichnis iii Abkürzungsverzeichnis BSB5 Biologischer Sauerstoffbedarf nach 5 Tagen CSB Chemischer Sauerstoffbedarf TOC Gesamter organischer Kohlenstoff TC Gesamtkohlenstoff DOC Gelöster organischer Kohlenstoff IC Anorganischer Kohlenstoff PO4-P Gesamt-Phosphat NH4-N Ammonium-Stickstoff TS Trockensubstanz oTS Organische Trockensubstanz H2Odest Deionisiertes Wasser H2O Wasser H2 Wasserstoff CH4 Methan CO2 Kohlendioxid O2 Sauerstoff DNS Dinitrosalicylsäure HTC Hydrothermale Karbonisierung PW Prozesswasser EEG Erneuerbare-Energien-Gesetz
  9. 9. Einleitung 1 1 Einleitung Die Auswirkungen des Klimawandels sind überall bemerkbar und CO2 wird als Hauptursache genannt. Pflanzen nutzen CO2 zum Wachstum und Aufbau von Biomasse. Mit der hydrothermalen Karbonisierung besteht eine Technologie die es ermöglicht aus diesen biologischen Stoffen Biokohle zu machen. Kohlenstoff aus der Atmosphäre wird in der Kohle gebunden und kann langfristig gespeichert werden. Der Prozess folgt der natürlichen Inkohlung wie sie bei der Entstehung von Braun- und Steinkohle stattfindet. Unter hohen Temperaturen und Drücken wird Biomasse zersetzt und zur Kohle umgebaut. Dieser Vorgang findet in Wasser als Reaktionsmedium statt. Am Ende der Karbonisierung findet sich die Biomasse in einem Kohleschlamm wieder. Dieser wird durch verschiedene Technologien entwässert und die entstandene Biokohle kann unterschiedlich verwendet werden. Die Biokohle kann energetisch genutzt oder als Bodenverbesserer eingesetzt werden. Forschungen beschäftigen sich auch damit, auf diesem Weg Aktivkohle herzustellen. Im Vergleich ist die Energie in der Kohle höher als im Ausgangssubstrat. Kohle als Bodenverbesserer erhöht das Pflanzenwachstum, die Fähigkeit Wasser zu speichern und senkt gleichzeitig Lachgasemissionen. Als Nebenprodukt beim Abpressen der Kohle ein Prozesswasser. Dieses Abwasser kann nicht ohne weiteres in die Kanalisation eingeleitet werden und muss aufwendig gereinigt werden. Es hat sich herausgestellt, dass im Prozesswasser Stoffe enthalten sind, die biologisch abgebaut werden können. Eine Möglichkeit ist der Biogasprozess, mit der Erzeugung von Methan. Eine Alternative dazu ist die biologische Erzeugung von Wasserstoff. Wasserstoff ist vielseitig Nutzbar und kann in weiteren Schritten zu wertvollen Stoffen umgewandelt werden.
  10. 10. Stand des Wissens 2 2 Stand des Wissens 2.1 Reduzierung von Treibhausgasemissionen Durch die hohen Kosten für Produktion und Fachkräfte in Europa und Nordamerika verlagern Unternehmen ihr Produktionswerke in Schwellenländer. Dort werden am Band Waren für Märkte und Firmen auf der ganzen Welt produziert. Die damit verbesserte finanzielle Situation, führt zur weiteren Expansion von Firmen und der Bildung ganzer Dörfer und Städte. Dieser Aufschwung ist immer an einen erhöhten Energieverbrauch gekoppelt, der einfach und vor allem billig gelöst werden soll [1]. Der Ausbau von Kohlekraftwerken führt überall zu einer Erhöhung der Treibhausgasemissionen. Durch die Nutzung von regenerativen Energiequellen wurde in den letzten Jahren dieser Problematik entgegengewirkt. Vor allem die Photovoltaik hat sich durch die einfache und robuste Bauweise als bewährte regenerative Technologie herausgestellt. Auch der Betrieb von Wind- und Wasserkraftwerken bewegt eine weitere Abkopplung von den klassischen Energieträgern wie z.B. Erdöl und Braun- bzw. Steinkohle. Außer bei der Wasserkraft ist man bei Wind und Sonne aber darauf angewiesen, dass diese zur Zeit des Energiebedarfs auch verfügbar sind. Speicher für regenerative Energien sind noch sehr teuer und können die Grundlast nicht ausreichend decken. Um das Speicherproblem in den Griff zu bekommen, hat sich die Forschung in den letzten Jahrzehnten um die Entwicklung neuer Technologien gekümmert, die als Produkt einen gut speicherbaren Energieträger wie Methan erzeugen. Biogasanlagen sind heute überall auf dem Land zu sehen und produzieren Energie in Form von Biogas. Sie verwenden überwiegend Energiepflanzen als Substrate, aber zum Teil auch Reststoffe wie Grünschnitt und Lebensmittelabfälle. Parallel dazu wurde eine Technologie vom Anfang des 20. Jahrhunderts wieder aufgegriffen, die hydrothermale Karbonisierung, kurz HTC (vom englischen hydrothermal Carbonisation). Unter hohen Temperaturen und Drücken wird Biomasse zu Kohle umgebaut. Der Prozess ist dem natürlich auftretenden Inkohlungsprozess nachempfunden. Durch die Verwendung von biologischen Reststoffen in der HTC werden so Biokohlen hergestellt, die energetisch verwendet werden können. Dadurch schließt sich ein Kreislauf, denn nur das CO2, welches für den Aufbau von
  11. 11. Stand des Wissens 3 Pflanzen verwendet wird, wird später wieder in die Atmosphäre abgegeben. Da die HTC eine thermo-mechanische Umwandlung von Biomasse ist, kann sie eine große Substratvielfalt verwenden. Damit können auch Stoffe genutzt werden, die biologisch nur schlecht oder nicht weiter abbaubar sind [2]. 2.2 Hydrothermale Karbonisierung Durch die hydrothermale Karbonisierung wird Biomasse in Biokohle umgewandelt. Das Prinzip dieser Umwandlung folgt dem natürlichen Inkohlungsprozess wie er unter der Erde stattfindet. Abgestorbene Biomasse wird von Mikroorganismen und einfachen Pilzen zersetzt. Dabei werden zuerst die einfach zersetzbaren Kohlenhydrate und Proteine verwendet, später dann auch Zellulose und Lignin. Durch das Absterben weiterer Biomasse bilden sich Überlagerungen und der Abbauprozess geht vom aeroben ins anaerobe über. Aus der Zellulose und dem Lignin werden Huminstoffe gebildet. Dieser Vorgang wird auch Vertorfung genannt. Die Torfschichten werden durch neue Schichten abgesenkt, wodurch sich Druck und Temperatur erhöhen. Diese geochemischen Faktoren sorgen zuerst für eine Entwässerung des Torfs und ein Umwandlung zu Weichbraunkohle. Während dieses Vorgangs spalten sich Kohlendioxid, Methan und sauerstoffhaltige funktionelle Gruppen ab. Der relative Kohlenstoffanteil in der Kohle steigt. Der Inkohlungsprozess folgt der Hiltsche’n Regel, nach der die Tiefe den Grad der Inkohlung bestimmt [3]. Durch den Wasser- und realtiven Kohlenstoffanteil in der Kohle unterscheidet man Braun- und Steinkohle. Sind die Umgebungsbedingungen gegeben, läuft der Prozess weiter und es bildet sich Anthrazit und letztlich Graphit. Anfang des 20. Jahrhunderts wurden große Anstrengungen in die Erforschung des natürlichen Inkohlungsprozesses gesteckt. Friedrich Bergius erhielt 1931 für seine Arbeit „Die Entwicklung von chemischen Hochdruckverfahren“ den Chemienobelpreis. Er hatte die Absicht verfolgt, die Umwandlung von Biomasse zu Kohle genauer zu verstehen. Nach dem Ende dieser Arbeit hat er sich um die Erforschung von Hochdruckverfahren zur Gewinnung von Substitutionen fossiler Energieträger gekümmert. Bergius hat durch seine Arbeit den Grundstein für die heutige Technologie zur hydrothermalen Karbonisierung (HTC) gelegt. Bei der HTC wird Biomasse im wässrigen Milieu unter Ausschluss von Sauerstoff in einem Druckbehälter zur sogenannten Biokohle umgebaut. Damit der Prozess abläuft, muss die Temperatur und der Druck erhöht werden.
  12. 12. Stand des Wissens 4 Der Begriff der Karbonisierung beschreibt die relative Erhöhung des Kohlenstoffgehalts in organischen Verbindungen. Diese Umwandlung findet hauptsächlich durch eine Abspaltung von Wasser statt. Bedingt durch die Nutzung von Wasser als Reaktionsmedium kann die HTC insbesondere feuchte Biomassen als Substrate verwenden. Heutige Untersuchungen beschäftigen sich mit der Nutzung von Reststoffen wie Gärreste oder Klärschlamm [4]. Diese Stoffe haben einen hohen Wassergehalt und können in der HTC ohne technische Trocknung umgesetzt werden. Die Umwandlung von Biomasse zu Kohle geschieht wie bereits beschrieben bei erhöhten Temperaturen. Diese bewegen sich in einem Bereich von 180°C bis 220 °C. In einem geschlossenen System steigt der Reaktorinnendruck auf ca. 10 bar bis 25 bar. Das Ausgangsubstrat wird in diesem Bereich für mehrere Stunden karbonisiert. In dieser Zeit laufen eine Vielzahl von Reaktionen parallel ab. Es werden organische Säuren abgespalten und Intermediate gebildet. Der genaue Reaktionsablauf ist durch die Anzahl an Reaktionen noch nicht geklärt. Aktuelle Forschungen beschäftigen sich mit den grundlegenden Abläufen während der Karbonisierung und dem Ziel den Prozess besser steuern zu können. Der Prozess kann in fünf vereinfachte Reaktionsmechanismen eingeteilt werden. Die Hydrolyse ist eine chemische Reaktion bei der das komplexe Biopolymer mit Wasser in kleinere Bestandteile zersetzt wird. Kohlenhydrate werden zum Beispiel in einzelne Zucker und Proteine in Aminosäuren umgewandelt. Anschließend kommt es zu einer Dehydratisierung. Dabei wird das in der Biomasse enthaltene Wasser abgespalten. Mit der Decarboxylierung ist beim HTC-Verfahren die Abspaltung von CO2 aus der Biomasse zu verstehen. Weiter treten Aromatisierungsreaktionen auf. Durch die ringförmigen chemischen Verbindungen der Aromaten erhält die Kohle eine gute chemische Stabilität und charakteristische Struktur. Aufgrund der Bildung reaktionsfähiger Intermediate kommt es ebenfalls zur Polymerisation. Karayildirim et al. [5] haben in ihrer Arbeit die Reaktionspfade in einem vereinfachten Model dargestellt. Kruse et al. [6] haben in einer späteren Arbeit Beeinflussungen zwischen den Reaktionspfaden feststellen können (Abbildung 2.1). Während Lignin über eine Feststoff-Feststoff Umwandlung zur HTC-Kohle wird, werden Cellulose und Hemicellulose über die Polymerisation von gelösten Zwischenprodukten zu Kohle. Die Struktur des Lignins bleibt bei diesem Vorgang weitestgehend vorhanden
  13. 13. Stand des Wissens 5 und kann später in der Kohle wieder gefunden werden. Bei der Polymerisation bilden sich kleine Kügelchen. Sie haben im Vergleich zur HTC-Kohle aus Lignin einen höheren C-Anteil und werden deshalb als „Koks“ bezeichnet. Furfural und HMF (Hydroxymethylfurfural) sind die Hauptausgangstoffe bei der Polymerisation. Abbildung 2.1:Vereinfachte Darstellung der Reaktionspfade während der hydrothermalen Karbonisierung [6]. Die Beeinflussung der Reaktionspfade ist noch nicht genau geklärt. Ein Anhaltspunkt ist, dass Lignin in der Pflanze als Stukturstoff wirkt in den sich Cellulose und Hemicellulose einlagern. Wird der Prozess schnell aufgeheizt, kann es zur Polymerisation der Intermediate auf der Cellulose selber kommen. Dadurch wird der Reaktionspfad A (Abbildung 2.1) inhibiert [6].
  14. 14. Stand des Wissens 6 Abbildung 2.2: REM-Aufnahmen von karbonisierter Cellulose bei a) 180 °C und 17h und b) 250 °C und 17 h [6]. Die Produkte der hydrothermalen Karbonisierung können sehr unterschiedlich sein. Abhängig vom Ausgangssubstrat und den eingestellten Prozessparameter, vor allem der Reaktionsdauer, entstehen Produkte die Ähnlichkeit mit Humus, Torf und Braunkohle haben. Das dabei als Nebenprodukt entstehende Prozesswasser enthält eine Vielzahl an organischen Säuren. Essigsäure ist mit Abstand am meisten vorhanden. Sie entsteht bei der Hydrolyse von Acetatgruppen aus den Hemicellulosen. Andere organische Bestandteile des Prozesswassers sind Pentosen, Furane sowie Ameisensäure [7]. 2.2.1 HTC-Biokohle als Bodenverbesserer 1942 zerstörte ein großer Brand in der Nähe von Brandenburg ein rund fünf Quadratkilometer großes Areal. Dieses Gebiet wird heute als Lieberorser Wüste bezeichnet und ist die größte Wüste Deutschlands. Bis 1992 wurde sie hauptsächlich für militärische Zwecke verwendet. Die Bodenverhältnisse dort sind wüsten- und steppenähnlich. Die Oberfläche ist hauptsächlich von Sand bedeckt. An diesem Beispiel soll gezeigt werden, dass überall Gebiete entstehen können, die für Ackerbau und Landwirtschaft nicht genutzt werden können.
  15. 15. Stand des Wissens 7 Biokohle wird schon einige Zeit zur Verbesserung der Bodeneigenschaften eingesetzt. Das Vorbild ist der Terra Preta. Dieser anthropogene Boden wird im Amazonasbecken gefunden. Er ist durch langjährigen Eintrag von Tonscherben, Fäkalien, Kohle, Asche, Küchenabfällen und Knochen entstanden. Haupteigenschaften sind die verbesserte Bodenfruchtbarkeit und Speicherfähigkeit von Kohlenstoff [8]. Die Hauptaufgaben des Bodens befinden sich in der Regelung natürlicher Kreisläufe. Durch die Fähigkeit Wasser und Nährstoffe zu speichern finden im Boden unterschiedlichste Reaktionen statt. Durch die makroskopische Struktur und Mikroorganismen ist ein Boden in der Lage Stoffe zu speichern, filtern und zu puffern. Ebenfalls kommt es zur Stoffumwandlung. Tote Biomasse wird von Mikroorganismen zersetzt, die dabei Nährstoffe wieder frei geben. Mit der HTC-Biokohle wird versucht, diese Eigenschaften zu verbessern. Untersuchungen dazu ergaben eine Reihe von Vorteilen:  Geringere Auswaschung von Stickstoff im Boden [9]  Durch die makroskopische Struktur erhöht sich die Stabilität des Bodens  Die Kohle wirkt als Wasserspeicher und Filter [10]  Bei der Verwendung in sauren Böden hat die Kohle eine neutralisierende Wirkung [10]  Geringere Lachgasemissionen durch die Steuerung der Mikroorganismen [9] 2.2.2 Prozesswasser aus der hydrothermalen Karbonisierung Durch den hohen Einsatz von Wasser entsteht bei der hydrothermalen Karbonisierung eine große Menge Prozesswasser. Dieses Abwasser ist durch organische Stoffe hoch belastet und kann toxische Stoffe enthalten. Die Zusammensetzung variiert abhängig vom eingesetzten Material. Durch die hohen organischen Belastungen kann Prozesswasser nicht unbehandelt in Kläranlagen gegeben werden. Im Prozesswasser finden sich phenolische Verbindungen, Zucker, polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK‘s) und andere gelöste organische Verbindungen [11]. Auch flüchtige organische Säuren können enthalten sein. Während die organischen Komponenten mit aeroben Verfahren abgebaut werden können, bieten flüchtige organische Säuren ein Potential zur energetischen Nutzung in anaeroben Fermentationen.
  16. 16. Stand des Wissens 8 Der Kohlenstoffgehalt im Prozesswasser verringert sich, wenn das Prozesswasser mehrmals für Karbonisierungsvorgänge verwendet wird. Der Kohlenstoffanteil der Biokohle kann durch diese Verwendung um 5 % bis 10 % erhöht werden [12]. 2.3 Energiegewinn aus Prozesswasser Die Einsatzmöglichkeiten der HTC-Anlagen sind vielseitig und bieten großes Potential, beispielsweise in der Reststoffverwertung. Um die Wirtschaftlichkeit der Anlagen zu verbessern, gilt es, sich mit der Abwasserproblematik zu beschäftigen. Der Aufwand zur Reinigung des Prozesswassers mit chemischen Methoden ist kostenintensiv. Es wird nach anderen Verfahren gesucht, das Prozesswasser zu reinigen. Durch den hohen Gehalt an Organik im Prozesswasser, ist ein Potential zur biologischen Verwertung vorhanden. Aktuelle Forschungen beschäftigen sich mit der energetischen Nutzung des Prozesswassers in biologischen Verfahren. Das bekannteste Verfahren ist der Biogasprozess. Die im Prozesswasser enthaltene Organik kann in diesem Prozess zu Methan abgebaut werden. B. Wirth et al. berichten von einem maximalen Methananteil von 70 % im entstandenen Gas, bei einem Abbau von 60 % CSB [7]. Eine andere Möglichkeit, die sich in den letzten Jahren zur Reinigung hoch belasteter Abwässer herausgestellt hat, ist die anaerobe Produktion von Wasserstoff. Wasserstoff ist energiereich (122 kJ/g) und wird als umweltfreundlicher Energieträger angesehen, da bei der Verbrennung nur Wasser entsteht. Die bekanntesten herkömmLichen Verfahren zur Wasserstoffgewinnung sind die Dampfreformierung und die Elektrolyse von Wasser. Biologische Verfahren sind weniger energieintensiv, da sie schon bei Umgebungstemperatur ablaufen. Es gibt zwei Wege, Wasserstoff biologisch herzustellen. Photobiologisch oder mittels anaerobe Fermentation. Prozesswasser aus der hydrothermalen Karbonisierung wurde noch nicht als mögliches Substrat für die Wasserstofferzeugung untersucht. 2.3.1 Biogasproduktion Die Produktion von Biogas ist eine Möglichkeit zur Verwertung des Prozesswassers. Die Produkte des Biogasprozesses sind hauptsächlich Methan und Kohlendioxid. Biogasanlagen sind technisch sehr weit entwickelt und durch das EEG subventioniert. Das entstandene Methan wird zum Großteil in BHKWs verstromt
  17. 17. Stand des Wissens 9 oder nach einer Aufreinigung ins Erdgasnetz eingespeist. Als Substrat werden vor allem leicht zersetzbare Silage oder Gülle verwendet. Der Trend geht von den Energiepflanzen immer mehr in Richtung Reststoffe. Die Grundlagen für die Erzeugung von Methan stellt der Biogasprozess. Er kann in vier Schritte unterteilt werden. Zu Beginn steht die Hydrolyse. Komplexe Makromoleküle wie Fette, Eiweiße, Kohlenhydrate und Proteine werden zersetzt. Dieser Vorgang findet von Bakterien mit Hilfe von Enzymen statt. Als Produkte entstehen Oligomere und Monomere wie Zucker, Aminosäuren und Fettsäuren. Die zweite Phase des Biogasprozesses beschreibt die Acidogenese. Sie kann als Versäuerungsphase betrachtet werden. Die Produkte der Hydrolyse werden von acidogenen Mikroorganismen weiter zersetzt. Dabei entstehen vor allem niedere Fett- und Carbonsäuren sowie Alkohole beispielsweise Ethanol. Aus dem Abbau von Proteinen werden Schwefelwasserstoff (H2S) und Ammoniak (NH3) gebildet. Einige Produkte der Acidogenese können direkt für die Methanproduktion genutzt werden. Dabei sind Essigsäure (Acetat), Kohlendioxid und Wasserstoff zu nennen. Die dritte Phase ist die Acetogenese. Die niederen Alkohole sowie Fett- und Carbonsäuren der Acidogenese werden von Mikroorgansimen genutzt, und zu Essigsäure umgesetzt. Als letzter Schritt ist die Methanogenese zu nennen. Sie beschreibt die Bildung von Methan aus den vorliegenden Stoffen und Verbindungen. Sie kann auf zwei Weisen stattfinden. Acetoklastische methanogene Mikroorganismen nutzen Essigsäure zur Bildung von Methan. Hydrogenotrophe Mikroorganismen verwenden dafür im Prozess entstandenes Kohlendioxid und Wasserstoff. Als Reststoff der Biogasproduktion bleibt der Gärrest vorhanden. Er besteht aus Stoffen, die im Prozess nicht zersetzt werden können wie beispielsweise das Lignin. Der Biogasprozess wird in vielen landwirtschaftlichen Anlagen in einem Fermenter durchgeführt. Dies bedeutet, dass alle vier Phasen gleichzeitig, bei den gleichen Umgebungsbedingungen stattfinden. Dabei sind die optimalen Vorrausetzungen für die einzelnen Mikroorgansimen aber sehr unterschiedlich. Der pH-Wert für hydrolytische und acidogene Mikroorganismen hat sein Optimum im leicht sauren Bereich zwischen 5 und 6. Die für die Methanproduktion erforderlichen Archaeen benötigen für ihren Stoffwechsel aber einen neutralen pH-Bereich von etwa pH 7,0 bis pH 7,5.
  18. 18. Stand des Wissens 10 2.3.2 Photobiologische Wasserstoffproduktion Einige Mikroorganismen sind in der Lage aus Sonnenlicht Wasserstoff zu erzeugen. Dabei können zwei Typen unterschieden werden, photoautotrophe und photoheterotrophe Mikroorganismen. Photoautotrophe Mikroorganismen sind vor allem Algen und Cyanobakterien. Sie verwenden Sonnenlicht und Kohlendioxid als einzige C-Quelle. Unter anaeroben Verhältnissen erzeugen sie mittels Photolyse aus Wasser Wasserstoff. Die Enzymgruppe der Hydrogenasen katalysiert dabei die Reaktion. 4H2O→2O2+4H2 (1) Der zweite Typ, die photoheterotrophen Mikroorgansimen, nutzt als C-Quelle Kohlenstoff in organischer Form, wie beispielswiese Kohlenhydrate, Fettsäuren oder Alkohole. Energiegewinn durch Photosynthese Photoautotrophe und photoheterotrophe Mikroorganismen nutzen Sonnenlicht zum Energiegewinn. Die Umwandlung erfolgt dabei in chemische Energie. Die von der Sonne ausgestrahlte Energie erzeugt freie Elektronen durch die Reaktionen stattfinden, die zum Aufbau von ATP und NAD(P)H führen. Diese Stoffe sind wichtig für den Energiekreislauf. Ausschlaggebend für die Funktion der Photosynthese ist der lichtabsorbierende Farbstoff Chlorophyll. Die Photosynthese läuft in einem Photosystem ab. Das System setzt sich aus einem Antennenkomplex und einem reaktionsfähigen Zentrum zusammen. Der Antennenkomplex ist aus einer Vielzahl von Proteinen aufgebaut, die mit Pigmentmolekülen verbunden sind. Trifft Sonnenlicht auf den Antennenkomplex wird dieser energetisch angeregt und in einen Zustand höherer Energie gehoben. Diese Energie wird an das Reaktionszentrum weitergeleitet, wo Elektronen abgegeben werden. Durch die Elektronentransportkette werden Reaktionen in Gang gesetzt die zur Bildung von ATP führen [13]. Biophotolyse Unter Biophotolyse wird die photosyntetische Produktion von Wasserstoff aus Wasser verstanden. Dabei werden zwei Produktionswege unterschieden. Bei der direkten Biophotolyse wird das Sonnenlicht direkt genutzt um Wasser in Sauerstoff, Elektronen und Protonen zu spalten. Die angeregten Elektronen werden in einer Transportkette bis zu den Hydrogenasen weitergeleitet. Dort entsteht der Wasserstoff aus der Reduzierung der gewonnen Protonen.
  19. 19. Stand des Wissens 11 Beim indirekten Weg läuft die Wasserstoffproduktion in zwei Schritten ab. Während der Photosynthese bilden die Zellen Kohlenhydrate und speichern diese in Form von beispielsweise Stärke. Steht kein Licht zur Photosynthese mehr zur Verfügung, nutzen die Zellen die gespeicherten Energiereserven. Durch eine Fermentation der endogenen Kohlenhydrate wird die gespeicherte Energie freigesetzt. Überschüssige freie Elektronen werden von den Hydrogenasen an Protonen weitergegeben, die molekularen Wasserstoff bilden. 2.3.3 Dark Fermentation Die Dark Fermentation ist ein in der Natur weit verbreiteter Prozess zur anaeroben Wasserstofferzeugung. Er wird hauptsächlich von strikten und fakultativ anaeroben Mikroorgansimen durchgeführt. Sie sind in der Lage eine Vielzahl von Substraten wie Kohlenhydrate, Zucker, Proteine und Fette zu nutzen. Als Produkte entstehen Wasserstoff, Kohlendioxid und Intermediate des Stoffwechsels wie beispielsweise Essigsäure, Buttersäure und Ethanol. Die maximale theoretische Wasserstoffausbeute wird stöchiometrisch aus dem Abbau von Glucose mit 4 mol H2 pro mol Glucose bestimmt (2). 𝐶6 𝐻12 𝑂6 + 4𝐻2 𝑂 → 2𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂− + 2𝐻𝐶𝑂3 − + 4𝐻+ + 4𝐻2 (2) Die Reaktion wird durch das aus dem Abbau der Glucose entstehende Zwischenprodukt Pyruvat angetrieben. Pyruvat wird in einem von zwei Enzymsystemen zu Acetyl-Coenzym A (kurz Acetyl-CoA) umgebaut. Acetyl-CoA kann weiter abgebaut werden zu entweder Acetat oder Buttersäure bei gleichzeitiger Produktion von Wasserstoff. Eine Vielzahl von Mikroorgansimen ist zur anaeroben Wasserstoffproduktion fähig. Darunter zählen vor allem Vertreter der Gastungen Clostridien, Enterobacter und Citrobacter. Die optimale Wasserstoffproduktion ist dabei von den Umgebungsbedingungen abhängig. Mikroorganismen besitzen unterschiedliche Vorlieben bezüglich Temperatur und pH und verwerten verschiedene Substrate. Temperatur Die Temperatur ist ein Einflussparameter im „Dark Fermentation“-Prozess. Sie kann sich im mesophilen Bereich zwischen 25 °C und 40 °C oder im thermophilen Bereich zwischen 40 °C und 65 °C bewegen. Auch höhere Temperaturen bis über 80 °C sind möglich. Aus der Literatur ist bekannt, dass die Wasserstoffproduktion im thermophilen Bereich höher ist als im mesophilen [14]. Valdez-Vazquez et al.
  20. 20. Stand des Wissens 12 suggerierten in ihrer Untersuchung, dass die erhöhte Wasserstoffproduktion auf das Temperaturoptimum der Hydrogenasen (zwischen 50 °C und 70 °C) zurückzuführen ist [14]. pH Der pH-Wert für die Wasserstoffproduktion wird in der meisten Literatur im Bereich zwischen pH 5,0 und pH 6,0 angegeben, mit einem Optimum um pH 5,5 [15]. Einige Untersuchungen zeigten aber auch, dass Wasserstoff im neutralen und alkalischen pH-Bereich zwischen pH 6,8 und pH 8,0 produziert werden kann. Die meisten Studien zeigten, dass die Wasserstoffproduktion aufhört, sobald der pH sinkt. Der letzte gemessene pH-Wert bewegt sich für diese Studien im Bereich von pH 4,0 bis pH 4,8 [15] [16]. Als Grund werden dafür die, aus der Fermentation von Kohlenhydraten, entstehenden organischen Säuren wie Essigsäure, Buttersäure oder Propionsäure genannt. Für die Wasserstoffproduktion werden hauptsächlich Mischkulturen verwendet. Der Vorteil besteht darin, dass eine größere Substratpalette eingesetzt werden kann und der Prozess nicht sterilisiert werden muss, wodurch die Kosten sinken. Bei der Verwendung von Mischkulturen besteht aber auch das Problem der wasserstoffzehrenden Mikroorganismen. Diese nutzen den vorhandenen Wasserstoff zum Energiegewinn und senken den Gesamtertrag. Als Beispiel sind vor allem methanogene Archaeen zu nennen, die Wasserstoff und Kohlendioxid zu Methan umsetzten können. Erhöhung der Wasserstoffausbeute durch Vorbehandlungsmethoden In der Literatur wurden unterschiedliche Vorbehandlungsmethoden untersucht, die alle das Ziel verfolgen, die Wasserstoffausbeute zu erhöhen. Dabei sollen wasserstoffverbrauchende Mikroorganismen unterdrückt werden. Die Methoden können in mehrere Kategorien eingeteilt werden. Es gibt physikalische, chemische, physiochemische, und biologische Methoden. Diese können auch untereinander kombiniert werden [17]. Die physikalischen Methoden umfassen die Vorbehandlung mit physikalischen Effekten. Untersucht wurden thermische Verfahren wie Aufheizen und Einfrieren sowie die Bestrahlung mit Mikro- oder Ultraschallwellen.  Die Wärmebehandlung ist die meist verbreitetste Technologie zur Anreicherung von Mischkulturen mit Sporen-formenden Mikroorganismen der
  21. 21. Stand des Wissens 13 Gattung Bacillus spp. und Clostridium spp. [18] [19]. Das Prinzip basiert auf dem Effekt, dass einige Mikroorganismen Sporen bilden, sobald sie eine veränderte Umgebung vorfinden. Dadurch können sie in harten Umgebungsbedingungen weiter überleben [20]. Wasserstoffverbrauchende Mikroorgansimen halten den erhöhten Temperaturen nicht stand und sterben ab. Die Wärmebehandlung wird sehr verschieden angewendet. Die zwei wichtigsten Parameter sind dabei die Temperatur sowie die Dauer der Temperaturerhöhung. Temperaturen bewegen sich im Bereich von 40 °C bis 120 °C bei Verweilzeiten von 10 Minuten bis zu 3 Stunden.  Die zweite rein thermische Methode ist das Einfrieren und Auftauen von Inokulum. Der Mechanismus ist vergleichbar mit der Wärmebehandlung. Inokulum wird bei -10 °C bis -25 °C für 24 Stunden eingefroren und bei Raumtemperatur aufgetaut. Die Ergebnisse auf die Wasserstoffproduktion gehen dabei auseinander. Einige Ergebnisse berichteten von einer Erhöhung, andere hingegen erhielten geringe Ausbeuten [21] [22] [23].  Die Ultraschallbehandlung beruht auf dem Effekt der Kavitation. Ultraschallwellen mit Frequenzen zwischen 20 kHz und 10 MHz bewegen sich durch das Medium. Dabei entstehen Gas und Dampfblasen, die ab einer kritischen Größe zusammenbrechen und extreme lokale Bedingungen schaffen. Dabei entstehen für sehr kurze Zeit Drücke bis zu 50 MPa und Temperaturen um 5000 K [24]. Neben den thermischen Effekten treten außerdem hohe Scherkräfte auf, die Zellwände zerstören können [25]. Einige Studien berichten auch von der Entstehung von Radikalen [26] [27]. Die chemischen Vorbehandlungsmethoden nutzen Chemikalien wie Säuren, Laugen, Ozon und ionische Flüssigkeiten. Oft werden auch direkt Inhibitoren wie beispielsweise Chloroform, KNO3 und CO2 verwendet.  Die Verwendung von Säuren und Laugen ist als Vorbehandlungsmethode weit verbreitet. Dabei wird der pH in einen Bereich versetzt, der für die Wasserstoffkonsumenten nicht geeignet ist. In Mischkulturen überleben dabei die Mikroorganismen, die in der Lage sind schützende Sporen zu bilden. Darunter vor allem die Wasserstoffproduzenten wie z.B. Clostridium spp. und Bacillus spp.. Wasserstoffverbrauchende Mikroorganismen wie beispielsweise hydrogenotrophe Methanogene bilden keine Sporen und sterben ab [28]. Mit dieser Methode kann ein Großteil der wasserstoffnutzenden Mikroorganismen
  22. 22. Stand des Wissens 14 effektiv unterdrückt werden, es bleiben aber einige erhalten [29]. Als Säuren werden vor allem HCl, H2SO4, HNO3 und HClO4 verwendet. Der pH wird damit zwischen einen Wert von pH 2,0 bis pH 4,0 eingestellt. Alkalische Vorbehandlungen nutzen hauptsächlich NaOH um den pH auf pH 10,0 bis pH 12,0 einzustellen. Behandeltes Inokulum verweilt im eingestellten pH zwischen 2 und 24 Stunden [28] [30].  Ozon wird als Vorbehandlungsmethode für Substrate eingesetzt. Es fördert den Abbau von Lignin und hilft bei der Lösung von Hemicellulosen. Die gelösten Stoffe sind für die Hydrolysephase besser verfügbar [31].  Ionische Flüssigkeiten sind organische Salze die aus organischen Kationen und anorganischen Anionen bestehen. Bei Temperaturen < 100 °C verhalten sie sich wie Flüssigkeiten [32] [33]. Ionische Flüssigkeiten besitzen die Eigenschaft lignocellulosehaltige Stoffe zu delignifizieren. Dabei werden polymere Ligninketten aufgebrochen und können von Mikroorgansimen abgebaut werden. Durch den Aufbruch werden auch die im Lignin eingelagerten Stoffe besser verfügbar. Cellulose beispielweise kann durch Ionische Flüssigkeiten vom Lignin getrennt werden und verbleibt in Lösung [32]. Die Nutzung von ionischen Flüssigkeiten bietet zwar gute Ergebnisse, ist aber aufgrund der hohen Kosten für großtechnische Anwendungen noch nicht geeignet [34].
  23. 23. Motivation 15 3 Motivation Die hydrothermale Karbonisierung ist eine vielversprechende Technologie zur Bekämpfung des Klimawandels. Jedoch stellt das Prozesswasser der hydrothermalen Karbonisierung noch ein Problem da. Es ist durch organische Bestandteile hoch belastet und muss unter hohem Aufwand gereinigt werden. Um die Belastung zu verringern und gleichzeitig Energie zu gewinnen bieten sich biologische Verfahren an. Erste Ergebnisse konnte man mit der Produktion von Methan im Biogasprozess bereits erreichen. Gegenüber der Methanproduktion wird die biologische Wasserstoffproduktion als robuster angesehen und könnte zur Verwertung des Prozesswassers besser geeignet sein. Nach jetzigem Stand sind noch keine Informationen darüber vorhanden, ob Prozesswasser zur Wasserstoffproduktion verwendet werden kann. Ziel dieser Arbeit ist es, einen Einblick darin zu erhalten, ob aus Prozesswasser der hydrothermalen Karbonisierung Wasserstoff gewonnen werden kann. Dafür wird der biologische Abbau sowie die Gasproduktion untersucht. Um eine mögliche inhibierende Wirkung des Prozesswassers festzustellen wird es einmal verdünnt und unverdünnt verwendet. In einem zusätzlichen Versuch wird Melasse als Co-Substrat verwendet. Damit soll untersucht werden, wie sich das Prozesswasser auf ein gut zersetzbares Substrat auswirkt. Gleichzeitig wird dadurch versucht einen möglichen Nährstoff- und Spurenelementmangel des Prozesswassers auszugleichen. Der biologische Abbau wird über die Summenparameter CSB, BSB5 und TC ausgewertet.
  24. 24. Material und Methoden 16 4 Material und Methoden 4.1 Analytische Verfahren und Messmethoden 4.1.1 Bestimmung von CSB Der chemische Sauerstoffbedarf ist ein gängiger Analyseparameter in der Abwasserbehandlung. Er beschreibt den Bedarf an Sauerstoff, der für eine vollständige Oxidation der organischen Verbindungen notwendig ist. Für die Versuche wurde auf die Küvetten-Test der Firma Hach-Lange zurückgegriffen. Mit ihnen kann schnell und einfach ein Messwert erhalten werden. Es kamen folgende Test-Kits zum Einsatz: Tabelle 4.1: Verwendete CSB-Küvetten Tests und entsprechender Messbereich Name Messbereich (mg / L O2) LCK514 100 bis 2000 LCK014 1000 bis 10000 Für die Messung des chemischen Sauerstoffbedarfs wurde 0,5 mL der zu messenden Substanz in eine Küvette gegeben und entsprechend der Arbeitsvorschrift weiter behandelt [35] [36]. Oxidierbare Stoffe reagieren mit schwefelsaurer Kalliumdichromatlösung. Als Katalysator wird Silbersulfat verwendet. Die Auswertung erfolgt über die Grünfärbung des Cr3+ automatisch im DR2800 Photometer (Hach-Lange GmbH). 4.1.2 Bestimmung von BSB5 Zur Bestimmung des biologischen Sauerstoffbedarfs wurde das Verfahren nach DIN 1899-1 (BSBn Bestimmung nach n Tagen) angewendet. Zur Messung wurde ein Verdünnungswasser entsprechend der Norm angesetzt. Die verwendeten Mikroorganismen wurden aus dem Ablauf der Kläranlage Grießheim gewonnen. Die notwendigen Lösungen waren bereits im Labor vorhanden und wurden nicht neu angesetzt. Allylthioharnstoff-Lösung (ATH) wurde vor jeder Messung neu angesetzt, da es nur kurzzeitig stabil ist. Vor der Verdünnung wurde zu jeder Probe 2 mL ATH-
  25. 25. Material und Methoden 17 Lösung pipettiert. Danach wurden die Proben mit Verdünnungswasser jeweils in einem 1 L Messkolben zu einem Gesamtvolumen von 700 mL verdünnt. Diese Lösung wurde in zwei Karlsruher Flaschen (350 mL) verteilt. Der Sauerstoffgehalt wurde mit einer optischen Sauerstoffsonde bestimmt, bevor die Flaschen verschlossen und im Inkubator bei 20 °C gelagert wurden. Nach 5 Tagen wurde mit der Sauerstoffsonde der Restgehalt an Sauerstoff gemessen. Aus der Differenz der Sauerstoffkonzentrationen konnte nach Norm der biologische Sauerstoffbedarf nach 5 Tagen bestimmt werden [37]. 4.1.3 Bestimmung von Ammonium-Stickstoff (NH4-N) Zur Bestimmung des Ammonium-Stickstoffgehalts wurden Küvetten-Test der Firma Hach-Lange verwendet. Aus früheren Arbeiten waren noch alte Küvetten-Tests vorhanden, welche benutzt werden konnten. Diese hatten jedoch das empfohlene Mindesthaltbarkeitsdatum schon weit überschritten. Um zu verifizieren ob die Messgenauigkeit der Küvetten noch gegeben war, wurden sie mit einer Lösung eines bekannten Ammoniumstandards getestet. Die Standardlösung wurde mit getrocknetem Ammoniumsulfat ((NH4)2SO4) angesetzt. Dieses wurde vorher für 24 Stunden bei 105 °C getrocknet. 3,6601 g Analysengeeignetes Ammoniumsulfat (M = 132,14 g Mol-1 , Hersteller: Carl Roth GmbH + Co. KG) wurden eingewogen und in einem 250 mL Messkolben mit H2Odest. gelöst. Die Endkonzentration ergab sich somit auf 4000 mg NH4 + L-1 . Da mit den Küvetten-Tests aber der Ammonium- Stickstoff bestimmt wird, musste die Konzentration noch umgerechnet werden. Aus dem Vergleich der Molmassen erhält man die Ammonium-Stickstoffkonzentration. Diese belief sich auf 3111,11 mg NH4-N L-1 . Mit diesem Standard wurden die Küvetten-Tests LCK302 getestet. Um die Zielkonzentration von 100 mg NH4-N L-1 zu erreichen wurden 0,833 mL Standardlösung in einen 25 mL Messkolben gegeben und mit H2Odest. aufgefüllt. Aus der verdünnten Lösung wurden 0,2 mL in eine Küvette pipettiert und entsprechend der Arbeitsanweisung im Photometer (DR2800) ausgewertet [38]. Die Ergebnisse lagen im erwarteten Messbereich und zeigten, dass die alten Test-Kits noch verwendet werden können. Versuchsproben wurden vor der Analyse für 10 min in einer Mikrozentrifuge (Thermo Scientific Espresso) zentrifugiert. Die Drehzahl der Zentrifuge wurde auf 10000 min-1
  26. 26. Material und Methoden 18 eingestellt. Nur der flüssige Überstand wurde für die Messung verwendet. Damit sollte sichergestellt werden, dass keine Feststoffpartikel die Messung verfälschen. 4.1.4 Bestimmung von Gesamt-Phosphat Phosphat ist ein wichtiger Bestandteil von Substraten. Mikroorgansimen nutzen Phosphor im Stoffwechsel überall in Form von ATP und NADP. Dabei kann nur der Phosphor genutzt werden, der in Form von ortho-Phosphat vorliegt. Für die Bestimmung des Gesamt-Phosphatgehalts wurden Küvetten Tests verwendet (Hach-Lange, LCK348 0,5-5,0 mg PO4-P L-1 ). Auch hier waren noch alte Kits vorhanden und wurden einer Verifizierung unterzogen. Dafür wurde eine bereits bestehende Standardlösung mit 50 mg PO4-P L-1 verwendet. In einem 10 mL Messkolben wurde 1 mL des Standards gegeben und mit H2Odest. bis zur Marke aufgefüllt. Nach Arbeitsvorschrift wurden die Schritte 1 bis 3 ausgeführt und die Küvette anschließend für 1 Stunde in einen auf 100 °C vorgeheizten Ofen gestellt [39]. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur (18 °C bis 20 °C) wurden die Schritte 5 bis 8 der Arbeitsanweisung durchgeführt und die Küvette konnte mit dem DR2800 Photometer ausgewertet werden. Die Proben der Versuche wurden wie bei der Ammonium-Stickstoffmessung vor der Auswertung abzentrifugiert und der flüssige Überstand für Messungen verwendet. 4.1.5 Bestimmung von Glucose Die Konzentration der Glucose wird mit der DNS-Methode bestimmt. Dafür wurde vor jeder Messung eine neue Kalibrationsgerade erstellt. Dieser Schritt ist notwendig, da die DNS-Lösung (3,5-Dinitrosalicylsäure) nicht stabil ist und alte Kalibrationen zu ungenauen Ergebnissen führen. Das Prinzip der Reaktion kann der Arbeitsanweisung entnommen werden [40]. Zur Erstellung der Kalibrationsgeraden wurde eine Lösung mit einer Glucosekonzentration von 10 g L-1 angesetzt. In einem 100 mL Messkolben wurden dafür m = 1,0006 g D(+)-Glucose (Fluka Chemie GmbH) mit H2Odest. gelöst. In Reagenzgläsern wurden auf ein Gesamtvolumen von 1 mL, sieben Verdünnungen hergestellt. Sie lagen im Bereich von 1 g Glucose L-1 bis 7 g Glucose L-1 . Zusätzlich wurde ein Reagenzglas mit 1 mL H2Odest. befüllt um einen Null-Wert zu haben. Nach Zugabe von jeweils 2 mL DNS-Reagenz wurden die Reagenzgläser in kochendes Wasser gegeben, um die Reaktion zu starten. Nach genau 5 Minuten wurden diese dann zum Anhalten der Reaktion in ein Eiswasserbad gegeben. Nach Mischung mit
  27. 27. Material und Methoden 19 einem Vortexer wurden je 0,25 mL Probe in eine Küvette pipettiert und 2 mL H2Odest. hinzugegeben. Nach kurzem Rühren mit einem Rührspatel um eventuelle Blasen zu entfernen, konnten die Proben ausgewertet werden. Zur Auswertung kam ein Photometer (Genesys 10S UV-VIS) zum Einsatz. Zuerst wurde das Gerät mit der Nullprobe justiert und dann nacheinander die anderen Proben mit steigender Konzentration ausgewertet. Abbildung 4.1: Ausgewertet Kalibrationsgerade am Beispiel der Endproben der zweiten Versuchsreihe. Aufgetragen mit Regressionsgerade. Zur Auswertung wurde mit Hilfe von MS Excel eine lineare Regression zwischen den Messwerten durchgeführt. Die Funktion der Regressionsgeraden wurde für die Auswertung der Messproben verwendet. 4.1.6 Bestimmung von Gesamtkohlenstoff und Gesamtstickstoff Der Gesamtkohlenstoff (TOC) wurde mit einem automatischen TOC Analysator (Shimadzu TOC-V CPN) durchgeführt. Dieser verfügte zusätzlich über ein TNM-1 Stickstoffmodul zur Bestimmung der Gesamtstickstoffkonzentration. Zur Messung flüssiger Proben war ein Autosampler mit 68 Plätzen angeschlossen. Der TOC wird über die Differenzmethode aus anorganischem Kohlenstoff (IC) und Gesamtkohlenstoff (TC) bestimmt. 𝑇𝑂𝐶 = 𝑇𝐶 − 𝐼𝐶 (3) E540= 0.175cGlucose R² = 0.9992 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 ExtinktionE540 Glucosekonzentration cGlucose g / L
  28. 28. Material und Methoden 20 Bei Messungen des TOC wird zusätzlich der Gesamtstickstoff (TN) gemessen. Damit der gelöste organische Kohlenstoff bestimmt werden kann, mussten die Proben vorher gefiltert werden. Dafür wurden 0,45 m Filter (Membranfilter LCW916, Hach Lange) eingesetzt. Für die Versuche wurde nur der TC bestimmt. Dafür ist eine neue Messmethode mit neuer Kalibration angelegt worden. Die verwendeten Chemikalien wurden vor der Einwaage für 24 Stunden bei 105 °C getrocknet. 0,5333g Kaliumhydrogenphtalat (Carl Roth GmbH + Co KG.) wurden ein einem 250 mL Messkolben mit Reinstwasser gelöst. Diese Lösung entsprach einer Kohlenstoffkonzentration von 1000 mg L-1 . In 100 mL Messkolben wurden daraufhin die folgenden Konzentrationen hergestellt: 300 mg C L-1 , 200 mg C L-1 , 100 mg C L-1 und 10 mg C L-1 . Der Kalibrationsbereich des Gesamtstickstoffs wurde auf 1 mg N L-1 bis 100 mg N L-1 eingestellt. 1,8065 g Kaliumnitrat wurden dafür mit Reinstwasser in einem 250 mL Messkolben gelöst. Die Konzentration des Standards betrug 1000 mg N L-1 . Daraus wurden vier Verdünnungen in 100 mL Messkolben hergestellt: 100 mg N L-1 , 50 mg N L-1 , 10 mg N L-1 und 1 mg N L-1 . Der Messung der Proben erfolgte automatisch nach Programmierung der Probentabelle. Das für eine Messung benötigte Probenvolumen betrug etwa 35 mL. Die Proben wurden dafür in kleinen Fläschchen gefüllt und im Autosampler platziert. Weitere Angaben über das Messverfahren können der Gerätebeschreibung entnommen werden. 4.1.7 Bestimmung der organischen Trockensubstanz Zur Bestimmung der organischen Trockensubstanz (oTS) wurde die zu untersuchende Probe in einen Porzellan-Tiegel gefüllt und gewogen. Aus der Differenz der Massen des leeren Tontiegels und des Gefüllten wurde die Probenmasse bestimmt. mProbe = mTiegel, voll - mTiegel, leer (4) Die Tiegel wurde nach dem wiegen bei 105 °C für 24 Stunden getrocknet und erneut gewogen. Aus der Differenz der Tiegelmasse und des Restgewichts wurde die Trockensubstanz (TS) bestimmt. TS = mTiegel, getrocknet- mTiegel, leer (5)
  29. 29. Material und Methoden 21 Die getrockneten Proben wurde im gleichen Tiegel in einem Muffelofen bei 550 °C ausgeglüht. Im Tiegel befand sich danach noch der anorganische Anteil der Probe (Glührest). Welcher nach abkühlen ausgewogen wurde. Aus dem Glührest und der zuvor bestimmten Trockensubstanz wurde die organische Trockensubstanz (oTS) berechnet. oTS = TS - Glührest (6) 4.2 Analyse der Rohmaterialien Im Vorfeld der Versuche wurde für die zwei verwendeten Materialien (Prozesswasser und Zuckerrübenmelasse) eine Reihe von Analysen durchgeführt. Dieser Schritt war notwendig, um den zu erwartenden Messbereich der Versuche einschätzen zu können. Dabei wurden die Messmethoden wie in Kap. 4.1 beschrieben durchgeführt. 4.2.1 HTC-Prozesswasser Das für die Versuche verwendete Prozesswasser stammt aus einer Karbonisierung von Bioabfällen. Durchgeführt in der HTC-Anlage der Firma SmartCarbon AG im Vergärungswerk Leonberg. Das Prozesswasser wurde in 1000 L IBC-Container gefüllt und auf das Firmengelände der Hinneburg GmbH transportiert. Die Lagerung fand im Freien ohne Lichtschutz statt. Die Zusammensetzung des verwendeten Prozesswassers war zu Beginn komplett unbekannt. Um Anhaltspunkte zu haben wurde auf ein Prüfbericht vom Ergo Umweltinstitut GmbH zurückgegriffen [41]. Das Dokument wurde von der Firma SmartCarbon AG zur Verfügung gestellt. Dort wurden bereits zwei Prozesswässer der gleichen HTC-Anlage untersucht. Angaben über den HTC-Prozess sowie verwendetes Substrat waren nicht zu finden. 4.2.2 Zuckerrübenmelasse Die in den Versuchen verwendete Melasse stammt von der Firma Hansa. Sie wurde in einem 1000 L IBC-Container im Freien auf dem Firmengelände der Hinneburg GmbH gelagert.
  30. 30. Material und Methoden 22 4.3 Erhöhung der Wasserstoffausbeute durch „Heat Shock Treatment“ von Inokulum und Substrat In einem ersten Versuch sollte herausgefunden werden, ob Prozesswasser zur Wasserstoffproduktion genutzt werden kann. Die hohe organische Belastung sowie möglich inhibierende Stoffe führten zu einem Versuchsaufbau mit mehreren Verdünnungen. R. Krebs et. al [42] haben in ihrer Arbeit verschiedene Verdünnungen mit einem Standardisierten Gärtest (GB21) untersucht. Eine 10 fache Verdünnung erbrachte im Vergleich zur unverdünnten Probe eine schnellere Methanproduktion. Die Pure HTC Probe zeigte bei diesem Versuch einen typischen Inhibierungsverlauf. Die Mikroorganismen mussten sich erst über einen Zeitraum von 30 bis 40 Tagen an das Substrat anpassen, bevor sie in die exponentielle Phase gewechselt sind [42]. Die in dieser Arbeit durchgeführten Versuche wurden dementsprechend mit einer Verdünnung von 1:10 durchgeführt. Zusätzlich wurde ein Versuch mit einer Verdünnung von 1:1 angesetzt. Damit sollte herausgefunden werden, ob nicht auch eine wirtschaftlichere Verdünnung zu akzeptablen Ergebnissen führt. Verglichen wurden die Verdünnungsversuche dabei mit einem unverdünnten Versuch. K. Moospohin hat in ihrer Arbeit verschiedene Verhältnisse von Inokulum zu Substrat auf die Wasserstoffproduktion untersucht. Auf Grundlage ihrer Ergebnisse wurde der Faulschlammgehalt mit 10% angesetzt [43]. Der Faulschlamm wurde mit dem Heat-Shock-Treatment vorbehandelt. Da unklar war, ob die Nährstoffe und Spurenelemente des Prozesswassers ausreichend zur Bildung von Biomasse vorhanden waren, wurde Melasse als Co- Substrat eingesetzt. Melasse kam in drei der insgesamt zehn Versuche zum Einsatz. Das Gesamtvolumen der Versuche wurde durch die Zugabe von Melasse zusätzlich erhöht. 4.3.1 Aufbau und Zusammensetzung Die Versuche wurden in 1 L Reaktoren angesetzt die im Vorfeld überprüft wurden (Abbildung 4.2). Als Reaktorkörper wurden 1 L Weithalsflaschen der Firma Schott verwendet. Die Flaschen verfügten über einen Einsatz in Form einer Metallplatte. An dieser waren ein Steigrohr verbunden mit einem Schlauch sowie ein zusätzlicher Schlauch zum Anschluss von Gasbeuteln vorhanden. Verschlossen wurden die
  31. 31. Material und Methoden 23 Flschen nach Einsetzen einer Gummidichtung mit speziell angefertigten Deckeln. Diese besaßen an den Seiten drei Aussparungen für einen Drehmomentschlüssel. Abbildung 4.2: Skizze der Reaktoren. Reaktorkörper A, Metallplatte B mit Anschluss an Gasbeutel C, Begasungsschlauch D und Steigrohr E. Außerdem Deckel mit Aussparungen zum Verschließen mittels Drehmomentschlüssel F Die Melasse wurde bevor sie in die Reaktoren gegeben wurde leicht erwärmt um die Fließeigenschaften zu verbessern. Ein 50 mL Messkolben wurde bis zur Markierung mit Melasse gefüllt und ausgewogen. 50 mL Melasse ergaben ein Gewicht von m = 71,4427g bei Raumtemperatur. Dieser Wert wurde auf ein Melassevolumen von 80 mL umgerechnet und entsprach m = 114,30832 g. Die Versuche 7,8 und 9 aus Tabelle 4.2 wurden zuerst mit Melasse befüllt. Dabei wurden die folgenden Mengen Melasse eingewogen (Tabelle 4.1).
  32. 32. Material und Methoden 24 Tabelle 4.1 Einwaagen der Melasse Versuchsnr. Einwaage Melasse 7 114,75 g 8 115,05 g 9 114,90 g Das Prozesswasser wurde mit Leitungswasser verdünnt. Die Verdünnungen sind dabei 1:2 für die Versuche 2,5 und 8 sowie 1:10 für 3,6 und 9 nach Tabelle 4.2. Tabelle 4.2 Aufbau der Versuchsreihe mit wärmebehandeltem Inokulum. Angaben der Volumen der eingesetzten Materialien und der Vorbehandlungsmethode. HST steht für „Heat Shock Treatment“ und bezeichnet das erwärmen für 2 Stunden bei 80 °C. Versuchsnr. Inokulum Prozesswasser Melasse Vorbehandlung 1 80 mL 720 mL 0 HST Inokulum 2 80 mL 360 mL 0 HST Inokulum 3 80 mL 72 mL 0 HST Inokulum 4 80 mL 720 mL 0 HST Inokulum & Substrat 5 80 mL 360 mL 0 HST Inokulum & Substrat 6 80 mL 72 mL 0 HST Inokulum & Substrat 7 80 mL 720 mL 80 mL HST Inokulum 8 80 mL 360 mL 80 mL HST Inokulum 9 80 mL 72 mL 80 mL HST Inokulum 10 80 mL 0 80 mL HST Inokulum Die Wärmebehandlung wurde im Wasserbad bei 80 °C durchgeführt. Der Faulschlamm wurde dafür in eine 1 L Schott-Flasche gegeben. Während der Erwärmung wurden die weiteren Reaktoren mit Prozesswasser befüllt. Die Versuche Nr. 4 bis Nr. 6 wurden zusätzlich mit Inokulum befüllt, das nicht wärmebehandelt wurde. Diese drei Versuche wurden zusammen mit dem Prozesswasser im Wasserbad aufgeheizt. Die Temperaturen wurden mit einem Pt-100 gemessen und in einem Bereich von 75 °C bis 82 °C gehalten. Der Wasserstand im Bad musste durch nachgießen immer wieder angepasst werden, wodurch die Temperaturen nicht konstant waren. Zum Schließen der Flaschen wurden neu angefertigte Deckel verwendet. Im Technikum stand dafür eine spezielle Vorrichtung zum Einspannen zur Verfügung. Mittels Drehmomentschüssel konnten die Deckel so angezogen werden, dass die
  33. 33. Material und Methoden 25 Gummidichtung gasdicht schließt. Die durch das Einspannen entstandenen Kräfte führten dazu, dass die Flasche des Versuchs 9 zerbrach. Der Grund dafür lag wahrscheinlich daran, dass die Flasche nicht exakt gerade in der Halterung montiert wurde. Die Kräfte könnten sich dann nicht auf die Fläche, sondern punktuell ausgewirkt haben. Nach dem verschließen wurden die Flaschen auf Dichtigkeit überprüft. Dafür wurde der Gasschlauch geschlossen und am Steigrohr Stickstoff angeschlossen. In einem Wasserbad wurde die Flasche auf Bläschenbildung untersucht die am Deckel entstehen könnte. Waren keine Bläschen zu erkennen, konnte der Gasschlauch wieder geöffnet werden und die Flaschen wurden für ungefähr eine Minute weiter mit Stickstoff begast um eine anaerobe Atmosphäre zu erhalten. Nachdem alle Reaktoren verschlossen und inertisiert waren, wurden sie in ein mit entkalktem Wasser befülltes Bad überführt. Dieses war mit einem Thermostat (Julabo ED Einhängethermostat) versehen, das auf 60 °C eingestellt wurde. Das Thermostat verfügt über eine Füllstandkontrolle die als Trockengehschutz funktioniert. Wird der Füllstand unterschritten schaltet das Thermostat aus und gibt ein akustisches Signal ab. Um die Kondensation des Wassers zu verringern wurden Verdunstungsschutzkugeln auf die Wasseroberfläche gegeben. Es musste trotzdem täglich frisches, entkalktes Wasser nachgegeben werden. 4.4 Einfluss von Melasse als Co-Substrat der Wasserstoffproduktion aus HTC-Prozesswasser bei thermophiler Prozesstemperatur Da aus der ersten Versuchsreihe keine Ergebnisse entstanden sind, wurde eine zweite Reihe von Versuchen angesetzt. Der verwendete Faulschlamm wurde für diese Versuche nicht überhitzt und jeder Versuch wurde doppelt aufgebaut. Die Prozesstemperatur betrug weiterhin 60 °C, es wurden keine Vorbehandlungen durchgeführt. Es sollte untersucht werden, ob Prozesswasser allein für die Wasserstoffproduktion verwendet werden kann und wie sich Melasse als Co- Substrat auswirkt. Die Laufzeit der Batch-Versuche wurde auf 14 Tage angesetzt. 4.4.1 Aufbau und Zusammensetzung der Versuchsreihe Als Inokulum wurde frischer Faulschlamm aus der Kläranlage Grießheim verwendet. Dieser wurde am ersten Versuchstag dem Faulturm 2 entnommen. Der Unterschied
  34. 34. Material und Methoden 26 zwischen den Faultürmen ist die Verweilzeit. Ist der erste Faulturm gefüllt, wird der Inhalt in Faulturm 2 überführt, um dort weiter gelagert zu werden. Dies hatte zur Folge, dass der Faulschlamm hier besser ausgefault war. Prozesswasser und Melasse wurden wie in der ersten Versuchsreihe verwendet. Aufgebaut wurden insgesamt 5 Versuche in Doppelbestimmung. Ein zusätzlicher Versuch ohne Substrat wurde zur Überprüfung der Eigenproduktion ebenfalls aufgebaut. Als Reaktoren kamen die in Kap. 4.3.1 beschriebenen Flaschen zum Einsatz. Für alle Versuche wurde die Faulschlammmenge auf 400 mL erhöht. Für den ersten Versuch wurden 400 mL des Prozesswassers hinzugegeben. Der zweite Versuch wurde nur mit 80 mL Prozesswasser angesetzte, das mit Leitungswasser auf ein Gesamtvolumen von 400 mL verdünnt wurde. In die anderen Versuche wurde zuerst Melasse gegeben. Dafür wurden die Reaktorflaschen auf einer Laborwage platziert. Die Einwaagen der Melasse können Tabelle 4.3 entnommen werden. Tabelle 4.3: Einwaagen der Melasse Versuch: Prozesswasser & Melasse Prozesswasser 1:5 & Melasse Melasse Einwaage Melasse: 114,27 g 114,29 g 114,33 g 114,34 g 114,29 g 114,30 g Durch die Verwendung von Leitungswasser als Verdünnungsmedium sollte zum einen nachgestellt werden, wie der Prozess in industriellen Fermentern durchgeführt werden könnte. Zum andern enthält Leitungswasser zusätzliche Spurenelemente die für Mikroorganismen essentiell sind. 4.4.2 Gasmessung und -analyse Das entstandene Gas wurde im Technikum der Hochschule ausgewertet. Dort konnte ein Analyseturm (Eigenbau) zur Auswertung der Gaszusammensetzung verwendet werden. Die messbaren Gase waren Wasserstoff, Methan, Kohlendioxid und Sauerstoff. Zur Messung des produzierten Gasvolumens wurde ein Eudiometer verwendet. In einem mit Flüssigkeit gefüllten Zylinder ist ein zweiter Zylinder angebracht. Dieser Zylinder ist nach unten hin geöffnet, sodass sich die Schwefelsäure gleichmäßig ausbreiten kann. An der Kopfseite ist eine Stange befestigt, durch die das Gas
  35. 35. Material und Methoden 27 geführt wird. Der innere Zylinder ist mit einer Stange beweglich und an der Kopfseite des äußeren mit einer Stellschraube befestigt. Zieht man nun den inneren Zylinder nach oben, erhöht sich der Ausgleichsdruck der Flüssigkeit (Abbildung 4.3, Stellung 2). Abbildung 4.3: Schematischer Aufbau und Verwendung des Eudiometers. Durch nach oben Ziehen des inneren Zylinders entsteh ein Unterdruck (Stellung 2) im System. Wird das Ventil geöffnet strömt Gas in das Innere (Stellung 3). Damit das Volumen unter Umgebungsdruck Die Gasbeutel wurden an einem Anschluss des Dreiwegeventils befestigt und geöffnet. Das Messgas strömte ins Innere des Eudiometers. Bevor die Gassäule mit einem Messband abgemessen werden konnte, mussten die Flüssigkeitspegel manuell ausgeglichen werden. Dadurch wurde sichergestellt, dass das Gas auf Umgebungsdruck eingestellt war. Der bestehende Atmosphärendruck wurde online über die Wetterstation der Hochschule abgerufen (http://wetterstation.hs- offenburg.de/). Aus der Höhe der Gas-Säule und dem Durchmesser konnte das Gasvolumen berechnet werden. Das Gasanalysegerät benötigt einen Gasvolumenstrom von etwa 1 L min-1, um nach 45 bis 55 Sekunden konstante Ergebnisse anzuzeigen. Dementsprechend mussten die Gasvolumen der Versuche mindestens 1 L betragen. Gasvolumina geringer als
  36. 36. Material und Methoden 28 1 L wurden zusätzlich mit einer definierten Menge Stickstoff verdünnt. Das Gasanalysegerät verfügt über zwei Kabelanschlüsse für einen Teststand, die bei einer manuellen Messung mit Blindanschlüssen belegt sein mussten. Wurden diese installiert, konnte das Gerät eingeschaltet werden und war nach ca. 2 Minuten einsatzbereit. Im eingeschalteten Zustand pump das Gerät kontinuierlich über den Messgasanschluss Gas zur Analyse. Zwischen den Messungen der Gasbeutel wurde das System mit Umgebungsluft gespült. Außerdem musste bei kleinen Gasmengen um 1 L darauf geachtet werden, dass keine Schwefelsäure aus dem Eudiometer angesaugt wurde. Eine Gasmessung der Versuche wurde i.d.R. dann durchgeführt, wenn die in den Gasbeuteln gesammelte Gasmenge augenscheinlich größer als 1 L war. Dadurch konnte der Verdünnungsschritt übergangen werden. Für die Gasmengen beim Beenden der Versuche musste dieser Schritt aufgrund der geringen Volumina jedoch durchgeführt werden. 4.4.3 Auswertung und Verdünnung der Messproben Zu Bilanzierung des Abbauverhaltens der Versuche wurde jeder Versuch mit allen in Kap. 4.1 beschrieben Methoden ausgewertet. Ziel dieser Untersuchung war herauszufinden, ob sich Unterschiede beim Abbauverhalten zeigen. Die Proben stammten vom ersten und letzten Versuchstag. Das Probenvolumen betrug 50 mL für die Proben vom ersten Versuchstag. Am letzten Versuchstag wurden insgesamt 90 mL Probe genommen und in eine 50 mL und zwei 20 mL Probengefäße gefüllt. Damit sollte gewährleistet werden, dass bei Fehlmessungen noch Ersatz vorhanden war. Alle Proben wurden zuerst für zwei Wochen eingefroren und vor dem Messtag bei Raumtemperatur langsam aufgetaut. Jeder Parameter, außer der Trockensubstanz, wurde doppelt bestimmt, um die Vergleichbarkeit zu erhöhen. Die zur Analyse notwendigen Verdünnungen wurden an die Versuche angepasst. Eine Berechnung mit den Einzelwerten der verwendeten Stoffe (Tabelle 5.1) wurde zur Einstellung der richtigen Verdünnung herangezogen. Für Messwerte die außerhalb des Kalibrationsbereichs lagen, wurden die Verdünnungen angepasst und die Messung wiederholt. Es wurde so verdünnt, dass der erwartete Wert etwa in der Mitte des messbaren Bereichs lag. Alle Versuche mit Melasse mussten höher verdünnt werden, da die Melasse den Großteil der organischen Bestandteile enthielt.
  37. 37. Material und Methoden 29 Für die Messung der Trockensubstanz wurden die Proben unverdünnt verwendet. Die genauen Verdünnungen können Tabelle 4.4 und Tabelle 4.5 entnommen werden. Tabelle 4.4: Verdünnungen zur Messung der analytischen Parameter der Proben vom ersten Versuchstag PW PW verdünnt PW & Melasse PW verdünnt & Melasse Melasse CSB 1:10 1 1:20 1:20 1:20 BSB5 1:50 1:50 1:200 1:200 1:200 TC 1:50 1:50 1:200 1:200 1:200 TN 1:50 1:50 1:200 1:200 1:200 NH4-N 1:10 1:10 1:20 1:20 1:20 PO4-P 1:10 1:10 1:40 1:20 1:20 Glucose 1 1 1:5 1:5 1:5 Durch den Abbau der organischen Fracht waren die Verdünnungen für die Endproben i.d.R. kleiner gewählt. Tabelle 4.5: Verdünnungen zur Messung der analytischen Parameter der Proben vom letzten Versuchstag PW PW verdünnt PW & Melasse PW verdünnt & Melasse Melasse CSB 1:10 1:10 1:100 1:100 1:100 BSB5 1:10 1:10 1:100 1:100 1:100 TC 1:50 1:20 1:100 1:100 1:100 TN 1:50 1:20 1:100 1:100 1:100 NH4-N 1:10 1:10 1:6,25 1:6,25 1:6,25 PO4-P 1:50 1:10 1:100 1:100 1:100 Glucose 1 1 1 1 1
  38. 38. Ergebnisse 30 5 Ergebnisse Das Prozesswasser wurde in mehreren anaeroben Versuchen untersucht. Die gewonnen Informationen geben Aufschluss über das Gaspotential sowie die Wirkung auf den Abbauprozess. Weiter können Aussagen darüber getroffen werden, welchen Einfluss Prozesswasser hat, wenn es mit Melasse in einer Co- Fermentierung eingesetzt wird. 5.1 Analytik der verwendeten Stoffe Ziel: Das Ziel für die Untersuchung der Rohstoffe ist in Kapitel 4.4 definiert. Erwartung: Es wird erwartet, dass die Zusammensetzung des Prozesswassers vergleichbar ist, mit den vom Ergo Umweltinstitut GmbH untersuchten Prozesswässern. Die analysierten Prozesswässer stammen aus der gleichen HTC- Anlage. Die Ausgangsstoff sind jedoch nicht dieselben, wie für das verwendete Prozesswasser (Bio Abfälle). Aus Ergebnissen der Literatur, wird eine mittlere bis schlechte biologische Abbaubarkeit für das Prozesswasser erwartet (Anteil des BSB5 am CSB < 50 %). Der Kohlenstoffgehalt des Prozesswassers sollte zum größten Teil in gelöster Form als DOC vorliegen. Für die verwendete Melasse werden Messergebnisse erwartet, die um ein Vielfaches größer sind wie beim Prozesswasser. Melasse wird aus der Zuckerherstellung gewonnen und ist sehr zähflüssig. Der Wassergehalt der Melasse wird entsprechend gering erwartet. Es ist davon auszugehen, dass der Großteil der Trockenmasse organisch ist und ein hoher Gehalt an reduzierenden Zuckern gefunden wird. Ergebnisse: Die Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle 5.1 zusammengefasst. Das Verhältnis von BSB5 zu CSB beträgt für das Prozesswasser rund 39 %. Dieses Ergebnis beschreibt ein mäßiges Abbaupotential des verwendeten Prozesswassers. Ein Vergleich des Gesamtkohlenstoffs (TC) und des gelösten Kohlenstoffs (DOC) zeigt, dass die Kohlenstoffverbindungen zum überwiegenden Teil in gelöster Form vorliegen. Die Differenz der Ergebnisse spricht dafür, dass nur sehr wenig filtrierbare (0,45 m) Partikel im Prozesswasser vorliegen. Gleichzeitig zeigt sich, dass der schwer abbaubare Teil des CSB entsprechend nicht filtrierbar ist. Dabei kann es sich
  39. 39. Ergebnisse 31 um Stoffe handeln, die den biologischen Abbau negativ beeinflussen. Aus den Ergebnissen der Trockensubstanzmessung wird deutlich, dass Prozesswasser zum überwiegenden Teil aus Wasser besteht. Die Trockenmasse beträgt nur rund 2,5 %, davon sind jedoch über 70 % organische Verbindungen. Stickstoff liegt im untersuchten Prozesswasser hauptsächlich als Ammonium- Stickstoff vor. Gelöster Phosphor, in Form von ortho-Phosphat-P, liegt mit einer Konzentration von 94,9 mg L-1 vor. Es wird außerdem ein Restgehalt an reduzierenden Zuckern mit 1 g L-1 festgestellt. Tabelle 5.1: Zusammensetzung der in den Versuchen verwendeten Materialien. Einheit Prozesswasser Melasse Faulschlamm Chem. Sauerstoffbedarf (CSB) [g/L] 27,8 1166,5 6,1 Biol. Sauerstoffbedarf (BSB5) [g/L] 10,8 - 1,7 Gesamt Kohlenstoff (TC) [g/L] 11,7 447,7 7,7 Gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) [g/L] 11,2 437,3 0,689 Stickstoff, gesamt (TN) [mg/L] 846 15039 2163 Ammonium (als N) [mg/L] 564 3,57 1072 Phosphor, gelöst (als ortho-Phosphat-P) [mg/L] 94,9 117,5 38,6 Reduzierende Zucker [g/L] 1,0 208,6 0,04 Trockensubstanz [g/kg] 24,8 718,5 30,3 Organische Trockensubstanz [g/kg] 17,9 629,4 17,4 Die Ergebnisse der Melasse-Untersuchung zeigen, dass der Überwiegende Teil der Kohlenstoffverbindungen gelöst vorliegt. Melasse hat den geringsten Wasseranteil, dieser Beträgt weniger als 29 %. Die Trockenmasse ist zu mehr als 87 % Organik.
  40. 40. Ergebnisse 32 Der Gesamtstickstoff von Melasse ist auf 15,0 g L-1 bestimmt. Dieses Ergebnis lässt einen hohen Proteingehalt vermuten. Der als Ammonium-Stickstoff gebundene Stickstoff ist für die Melasse sehr gering. Der Phosphorgehalt ist vergleichbar mit dem Prozesswasser (117,55 mg L-1 ). Die Konzentration an reduzierenden Zuckern ist mit 208,6 g L-1 ermittelt. 5.2 Erhöhung der Wasserstofferträge mittels „Heat-Shock- Treatment“ Mit der Anwendung des „Heat-Shock-Treatment“ wird das Ziel verfolgt, die wasserstoffzehrenden Mikroorgansimen im Inokulum abzutöten. Gleichzeitig soll festgestellt werden, ob ein höherer Gasertrag erreicht werden kann, wenn das Prozesswasser ebenfalls vor dem Versuch mit dem „Heat-Shock-Treatment“ behandelt wird. Durch die Behandlung des Faulschlamms mit dem „Heat-Shock-Treatment“ wird erwartet, dass die methanbildenden Mikroorganismen abgestorben sind und kein Methangehalt im Gas vorliegt. Das entstehende Gas sollte entsprechend nur aus Wasserstoff und Kohlendioxid bestehen. In drei Versuchen ist zusätzlich zum Inokulum das Prozesswasser mitbehandelt worden. Entgegen der Literatur wird davon ausgegangen, dass sich durch diese Maßnahme keine Erhöhung der Gaserträge einstellt. Die lässt sich darauf zurückführen, dass das Prozesswasser bereits bei der Karbonisierung für mehrere Stunden hohen Temperaturen ausgesetzt war. Ein deutlich höherer Gasertrag wird vor allem beim zusätzlichen Einsatz von Melasse erwartet. Die Versuchsreihe mit wärmebehandeltem Inokulum ergibt für keinen der Versuche einen Gasertrag. Nach sieben Tagen wurde zur Überprüfung ein zusätzlicher Reaktor gestartet. Dieser besteht nur aus Melasse und Inokulum, das nicht vorbehandelt ist. Der Versuch zeigt schon in den ersten Stunden eine Gasproduktion, was zu der Vermutung führte, dass die Mikroorganismen in den andern Versuchen wahrscheinlich durch die Vorbehandlung abgestorben sind.
  41. 41. Ergebnisse 33 Eine Betrachtung unter dem Mikroskop bekräftigte die Vermutung. Es waren keine Bewegungen der Bakterien zu erkennen. Da kein Gas produziert werden konnte, wurde entschlossen, für diese Versuche keine weitere Analytik durchzuführen. 5.3 Möglichkeiten der Nutzung von Prozesswasser zur Wasserstofferzeugung Prozesswasser wurde in zwei unterschiedlichen Konzentrationen in einem anaeroben Prozess, mit dem Ziel Wasserstoff zu erzeugen, eingesetzt. Aus den Ergebnissen können Informationen zum Gasbildungspotential und dem biologischen Abbau gewonnen werden. 5.3.1 Gaserträge aus der Nutzung von reinem Prozesswasser Aus den vorliegenden Ergebnissen soll geklärt werden, ob Prozesswasser generell als Substrat bei der Erzeugung von Wasserstoff in Frage kommt. Mit den Messwerten der Gasanalyse sollen Informationen über das Gasbildungspotential sowie eine Hemmwirkung des Prozesswassers gewonnen werden. Zwei Versuche wurden durchgeführt, die unterschiedliche Prozesswasser- konzentrationen enthalten. Mit den Messergebnissen aus Tabelle 5.1 und der Zusammensetzung (Kapitel 4.4.1), ist das Verhältnis der organischen Trockenmassen von Prozesswasser und Inokulum berechnet worden. Dadurch können Informationen über die Belastung des Faulschlamms erhalten werden. Um eine Inhibierende Wirkung des Prozesswassers festzustellen, werden die Gaserträge der einzelnen Messungen auf die organische Trockensubstanzmasse des Prozesswassers bezogen. Es wird erwartet, dass die Faulschlammbelastung einen Einfluss auf die Gaserträge hat. Bei höherer Faulschlammbelastung ist die Konzentration an möglich hemmenden Stoffen durch das Prozesswasser höher, was zu einem niedrigeren Gasertrag führen sollte. Im Weiteren wird erwartet, dass die Gasproduktion innerhalb der Versuchszeit komplett abläuft. Dies sollte sich vor allem durch einen konstanten spezifischen Gasertrag deutlich machen.
  42. 42. Ergebnisse 34 Das Ergebnis der Auswertung ist in Abbildung 5.1 dargestellt. Der oTS des reinen Prozesswassers führt zu einer Faulschlammbelastung von 1. Für beide Versuche konnte nach sieben Tagen das erste Messergebnis erhalten werden. Gas ist über die gesamte Versuchszeit von 17 Tagen entstanden. Wie erwartet, scheint die Faulschlammbelastung einen Einfluss auf die Gasproduktion zu haben. Beide Versuche zeigen bei der ersten Messung unterschiedliche Gaserträge. Dieser Unterschied findet sich ebenfalls in den kumulierten Gaserträgen am Ende der Versuche. Wurde das Prozesswasser verdünnt, stellt sich die Belastung auf 0,2 ein (oTSProzesswasser / oTSFaulschlamm). Der spezifische kumulierte Gasertrag erreicht dabei am Ende der Versuche einen Wert von (707,0±15,0) NL kg-1 oTS Prozesswasser. Bei einer Faulschlammbelastung von 1,0 steigt der Gesamtertrag am Ende auf (369,0±2,2) LN kg-1 oTS Prozesswasser. Abbildung 5.1: Vergleich der spezifischen, kumulierten Gaserträge bei unterschiedlichen Faulschlammbelastungen. Der verdünnte Versuch zeigt gegen Ende der Versuchszeit einen leicht abflachenden Verlauf. Dies könnte ein Hinweis auf Substrat oder Nährstoffmangel sein. Ist das Substratangebot für die Mikroorganismen zu gering wird, endet die Log.-Wachstumsphase und einige Mikroorganismen sterben ab. Die Ergebnisse der Prozesswasserzusammensetzung (Tabelle 5.2) zeigen, dass der Gesamtkohlenstoff weitestgehend verbraucht wurde. Etwa 84 % der Kohlenstoffkonzentration sind über 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 spez.kumulierterGasertrag [NL/kgoTSProzesswasser] Zeit t / d Faulschlammbelastung: 1 Faulschlammbelastung: 0,2
  43. 43. Ergebnisse 35 die Versuchszeit abgebaut worden. Im Vergleich dazu, sind es im unverdünnten Prozesswasser nur etwa 45 %. Tabelle 5.2: Zusammensetzung des Prozesswassers nach 17 Tagen Versuchszeit. Durchschnittliche Messergebnisse für oTS, CSB, BSB5, TC, TN und pH-Wert. Einheit Prozesswasser Prozesswasser verdünnt (1:5) Start Ende Start Ende oTS [g / kg] 17,3 ± 0,5 11,56 ± 0,02 17,9 (1) 10,35 ± 0,29 CSB [g / L] 25,0 ± 4,0 23,0 ± 2,2 35,0 ± 6,0 24,0 ± 6,0 BSB5 [g / L] 13,4 ± 0,4 1,76 ± 0,14 13,7 ± 1,4 6,44 ± 0,19 TC [g / L] 11,493 ± 0,016 6,4 ± 2,3 10,3 ± 2,0 1,66 (2) TN [g / L] 1,125 ± 0,014 1,0 ± 0,4 0,36 ± 0,17 0,7 ± 0,6 pH (3) [ - ] 6,85 ± 0,11 7,73 ± 0,17 7,50 ± 0,02 7,92 ± 0,06 (1): Messwert aus Ergebnissen des Vorversuchs (2): Messwert einer Einzelmessung (3): pH des gesamten Reaktorinhalts Damit eine Aussage auf das Gasbildungspotential des Prozesswassers getroffen werden kann, muss die Eigenproduktion des Faulschlamms mit einbezogen werden. Die Messergebnisse aus Abbildung 5.1 enthalten noch den Eigenertrag, da dieser nur am Ende der Versuche einmal bestimmt wurde und für die Messergebnisse während der Versuchszeit keine Angaben vorhanden sind. Aus dem kumulierten Gasertrag über die Versuchszeit und dem Ergebnis der Faulschlammproduktion, kann die exakte spezifische Gasproduktion berechnet werden. Die Ergebnisse sind in Abbildung 5.2 dargestellt. Reines Prozesswasser produziert über 17 Tage (4,99±0,08) NL L-1 Prozesswasser. Der verdünnte Versuch, mit geringerer Prozesswasserkonzentration, zeigt eine Erhöhung des spez. Gasertrags auf (5,9±0,4) NL L-1 Prozesswasser.
  44. 44. Ergebnisse 36 Abbildung 5.2: Vergleich der spezifischen, kumulierten Gaserträge unter Berücksichtigung der Eigenproduktion des Faulschlamms. Um Aussagen über die Zusammensetzung des Gases treffen zu können, sind die Ergebnisse der Gasanalyse ausgewertet worden. Abbildung 5.3 zeigt die Volumenanteile der Komponenten Kohlendioxid, Methan, Wasserstoff und Sauerstoff des kumulierten Gasertrags am Ende der Versuche. Der Eigenertrag des Faulschlamms ist bei dieser Darstellung bereits abgezogen. Ausgehend von der Prozesstemperatur von 60 °C wird kein Anteil an Methan erwartet. Die Zusammensetzung sollte nur aus Kohlendioxid und Wasserstoff bestehen. Die Beschriftungen entsprechen den Faulschlammbelastungen aus Abbildung 5.1. Reines Prozesswasser hat eine Faulschlammbelastung von 1,0 und 0,2 für das verdünnte Prozesswasser. Der Kohlendioxidanteil ist in beiden Versuchen vergleichbar und liegt bei etwa 50 % bis 51 %. Auffallend ist, dass entgegen der Erwartung in beiden Versuchen Methan gemessen werden kann. Im Vergleich zeigt sich, dass aus reinem Prozesswasser ein höherer Methananteil erhalten wird. Der erwartete Wasserstoff kann nur in geringen Anteilen festgestellt werden. Durch Verdünnung des Prozesswassers ist eine Erhöhung des Wasserstoffanteils erreicht worden. Dieser konnte dadurch von 2,3 % für das reine Prozesswasser auf 8,7 % ansteigen. 0 1 2 3 4 5 6 7 Prozesswasser Prozesswasser verdünnt (1:5) spez.Gasertrag [NL/LProzesswasser]
  45. 45. Ergebnisse 37 Abbildung 5.3: Zusammensetzung des kumulierten Gasertrags nach 17 Tagen. Darstellung der Volumenanteile Kohlendioxid, Methan, Wasserstoff und Sauerstoff. In beiden Versuchen ist ein geringer Sauerstoffanteil messbar. Das Ergebnis zeigt, dass die Prozesswasserkonzentration nur geringen Einfluss auf die Gaszusammensetzung hat. Unterschiede sind in den Anteilen von Methan und Wasserstoff erkennbar. Ebenfalls kann festgestellt werden, dass durch eine Prozesstemperatur von 60 °C die Methanproduktion nicht unterdrückt wird. Die Ergebnisse der spezifischen Gaserträge in Tabelle 5.3 zeigen, dass die Prozesswasserkonzentration nur geringe Auswirkungen auf den Methanertrag hat. Tabelle 5.3: Durchschnittliche spez. Gaserträge der Komponenten Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4) und Wasserstoff (H2). Angaben bezogen auf den Gesamtertrag am Ende der Versuche. Versuch Spez. Gaserträge (NL / LProzesswasser) CO2 CH4 H2 Reines Prozesswasser 2,55 ± 0,13 2,20 ± 0,19 0,116 ± 0,027 Prozesswasser verdünnt (1:5) 3,0 ± 0,4 2,2 ± 0,7 0,51 ± 0,13 Die einzelnen Komponenten zeigen nur für Kohlendioxid und Wasserstoff unterschiedliche Ergebnisse. 0% 20% 40% 60% 80% 100% Prozesswasser Prozesswasser verdünnt (1:5) Vol-% CO2 CH4 H2 O2CO2 CH4 H2 O2
  46. 46. Ergebnisse 38 5.3.2 Co-Fermentierung von Prozesswasser mit Zuckerrübenmelasse Zwei Versuche wurden ausgewertet, die zum Prozesswasser zusätzlich Melasse enthalten. Als Vergleichsversuch ist ein Reaktor nur mit Melasse als Substrat betrieben. Ziel dieser Untersuchung ist festzustellen, ob Melasse den Gasertrag erhöhen kann. Melasse besitzt gegenüber dem Prozesswasser größere Mengen reduzierende Zucker. Teil dieser Zucker ist die gut abbaubare Glucose. Aus den Ergebnissen der Substratuntersuchung geht ebenfalls hervor, dass die Melasse ein besseres C/N Verhältnis gegenüber dem Prozesswasser besitzt. Mit Zugabe von Melasse wird das Ziel verfolgt, das Nährstoffangebot für die Mikroorganismen zu verbessern. Durch die Verwendung von Melasse ändert sich die Faulschlammbelastung. Da das Prozesswasser im Vergleich zur Melasse einen geringen oTS besitzt (Tabelle 5.1), wird davon ausgegangen, dass die Faulschlammbelastung überwiegend auf die Melasse zurückzuführen ist. In Tabelle 5.4 sind die Verhältnisse der organischen Trockensubstanzen von Prozesswasser und Melasse wie sie in den Versuchen eingesetzt werden dargestellt. Es zeigt sich, dass beim Einsatz von 400 mL Prozesswasser und 80 mL Melasse ein Verhältnis von 10:1 erzielt wird. Sind die Volumen für Prozesswasser und Melasse gleich, erhöht sich dieses Verhältnis auf 50:1. Die Faulschlammbelastung liegt in den Versuchen im Bereich von 9,4:1 bis 10,4:1. Das Prozesswasser hat in diesen Versuchen nur geringe Auswirkung auf die Faulschlammbelastung. Tabelle 5.4: oTS-Verhältnisse zwischen den eingesetzten Substraten Melasse und Prozesswasser und die daraus entstehende Faulschlammbelastung. Aufgrund der ähnlichen Faulschlammbelastung, wird davon ausgegangen, dass reines Prozesswasser zusammen mit Melasse den größten kumulierten Gasertrag liefert. Versuch oTS Verhältnis (Melasse : Prozesswasser) Faulschlammbelastung (oTSSubstrat : oTSInokulum) Reines Prozesswasser & Melasse 10:1 10,4:1 Prozesswasser verdünnt (1:5) & Melasse 50:1 9,5:1 Reine Melasse - 9,4:1
  47. 47. Ergebnisse 39 Abbildung 5.4: Vergleich der kumulierten spezifischen Gaserträge aller durchgeführten Versuche. Darstellung der durchschnittlichen Messwerte. Die Ergebnisse der Gasmessung in Abbildung 5.4: Vergleich der kumulierten spezifischen Gaserträge aller durchgeführten Versuche. Darstellung der durchschnittlichen Messwerte.zeigen, dass der höchste kumulierte Gasertrag von dem Versuch erzielt wurde, in dem Melasse mit verdünntem Prozesswasser abgebaut wurde. Ist Melasse alleine eingesetzt sinkt der Gasertrag. Der Versuch mit reinem Prozesswasser und Melasse zeigt den geringsten Ertrag. Alle Versuche produzierten das Gas hauptsächlich in den ersten sieben Tagen nach Versuchsstart. Ab diesem Zeitpunkt sind die kumulierten Gaserträge nur sehr gering vom absolut erzeugten Gasertrag am Ende unterschiedlich. Zum Vergleich sind die Ergebnisse aus Kapitel 5.3.1 ebenfalls in Abbildung 5.4 dargestellt. Diese liegen um ein vielfaches höher, als alle Ergebnisse die aus der Melasse entstammen. Die Faulschlammbelastung ist bei den Versuchen mit Melasse um den Faktor 10 und Faktor 50 größer. Im Vergleich kann ebenfalls festgestellt werden, dass der kumulierte Gasertrag schneller ansteigt wenn Melasse verwendet wird. Dieser schnelle Anstieg weist auf eine Wasserstoffproduktion hin. Die Ergebnisse der Gaszusammensetzung bestätigen diese Aussage (Abbildung 0 100 200 300 400 500 600 700 800 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0 5 10 15 20 kumulierterspezifischerGasertrag inNL/kgoTS(Prozesswasser) kumulierterspezifischerGasertrag inNL/kgoTS(Prozesswasser+Melasse) Zeit t / d Reines Prozesswasser & Melasse Prozesswasser verdünnt (1:5) & Melasse Melasse Faulschlammbelastung: 1 Faulschlammbelastung: 0,2
  48. 48. Ergebnisse 40 5.5). Keiner der Versuche mit Melasse hat Methan produziert, stattdessen sind vor allem Wasserstoff und Kohlendioxid feststellbar. Der Wasserstoffanteil scheint eine Verbindung mit dem kumulierten Gasertrag zu haben. Der höchste Anteil ist mit 30 % für das verdünnte Prozesswasser festzustellen. Der kumulierte Gasertrag für diesen Versuch ist auf (73±5) NL kg-1 oTS bestimmt worden. Die reine Melasse hat einen Wasserstoffanteil von 27,4 % bei einem Ertrag von (60±6) NL kg-1 oTS. Aus reinem Prozesswasser und Melasse entstand im gebildeten Gas der geringste Wasserstoffanteil (15,9 %) und Gasertrag ((27±8) NL kg-1 oTS). Abbildung 5.5: Gaszusammensetzung des kumulierten Gasertrags am Ende der Versuchszeit. Der größte Anteil nimmt Kohlendioxid ein. Die Volumenanteile bewegen sich zwischen 66,2 % und 79,7 %. 5.3.3 Einfluss von Melasse auf den biologischen Abbau Ein Vergleich der Gaszusammensetzungen der Versuche mit Melasse (Abbildung 5.5) und aus reinem Prozesswasser (Abbildung 5.3) zeigt unterschiedliche Zusammensetzungen. Sobald Melasse als Co-Substrat eingesetzt wird, zeigt sich eine Wasserstoffproduktion. Die Methanproduktion wird vollständig unterdrückt. Welchen Einfluss die Melasse auf den Prozess hat, zeigt sich beim Vergleich der pH-Werte. In Tabelle 5.5 sind die pH-Werte der Proben vom letzten Versuchstag 0% 20% 40% 60% 80% 100% Prozesswasser & Melasse Prozesswasser verdünnt (1:5) & Melasse Melasse vol-% CO2 H2 O2CO2 H2 O2
  49. 49. Ergebnisse 41 dargestellt. Aus dem Vergleich mit den Ergebnissen aus Tabelle 5.2 kann festgestellt werden, dass Melasse zu einer Senkung des pH-Werts führt. Der saure pH ist vorteilhaft für die Wasserstoffproduktion und verhindert gleichzeitig die Methanproduktion. Tabelle 5.5: Konzentrationen von CSB, BSB5, TC, TN und reduzierenden Zuckern sowie der oTS- Gehalt und pH-Wert aus den Versuchen mit Melasse und Prozesswasser. Durchschnittswerte der Proben nach 17 Tagen Versuchszeit. Einheit Prozesswasser & Melasse Prozesswasser verdünnt (1:5) und Melasse Melasse oTS [g / kg] 77,0 ± 1,0 58,4 ± 0,5 69,0 ± 2,3 CSB [g / L] 126,3 ± 0,6 109,73 ± 0,08 122,0 ± 2,2 BSB5 [g / L] 60,0 ± 6,0 50,0 ± 2,2 55,2 ± 0,4 TC [g / L] 48,9 ± 0,4 44,38 ± 0,07 47,79 ± 0,12 TN [g / L] 3,0 ± 0,4 2,60 ± 0,07 2,78 ± 0,12 Red. Zucker [g / L] 21,00 ± 0,18 23,1 ± 0,4 22,1 ± 0,4 pH [ - ] 4,97 ± 0,04 4,78 ± 0,07 4,826 ± 0,016 Messwerte der Proben vom Anfang der Versuche können nicht zur Auswertung genutzt werden. Es hat sich herausgestellt, dass die Reaktoren zum Zeitpunkt der Probennahme nicht homogen gemischt waren. Mit den Angaben über die Einwaage der Melasse aus Tabelle 4.3 und der Materialzusammensetzung (Tabelle 5.1) ist der erwartete TS für die Startproben berechnet. In Tabelle 5.6 sind die Ergebnisse dieser Berechnung den gemessenen Werten gegenübergestellt. Tabelle 5.6: Erwarteter TS in den Proben vom ersten Versuchstag im Vergleich zum gemessenen TS. Versuch TS erwartet [g / kg] TS gemessen [g / kg] Prozesswasser & Melasse 104,1 46,0 ± 8,0 Prozesswasser verdünnt (1:5) & Melasse 96,2 41,0 ± 2,9 Melasse 94,2 37,0 ± 1
  50. 50. Ergebnisse 42 Die Abweichung beträgt in den Proben zwischen 55 % und 60 %. Um trotzdem Aussagen über den Abbau treffen zu können, sind die erwarteten Messergebnisse für TC, TN, CSB, oTS und reduzierende Zucker berechnet worden. Beim Vergleich der Ergebnisse aus Tabelle 5.5 und Tabelle 5.7 zeigt sich, dass der oTS abgebaut wurde. Melasse, die zusammen mit verdünntem Prozesswasser verwendet worden ist, zeigt den höchsten oTS-Abbau. Dieser Versuch hat auch als einziger eine CSB Reduktion aufweisen können. In den anderen zwei Versuchen stieg die CSB-Konzentration leicht an. Auffallend beim Vergleich der TC- und TN-Konzentrationen ist, dass die Messergebnisse der Endproben mit den berechneten Werten der Startproben identisch sind. Gerade die TC-Konzentration hätte aufgrund der Kohlendioxidproduktion in den Endproben geringer ausfallen sollen. Tabelle 5.7: Erwartete Messwerte aus der Berechnung mit den Ergebnissen der Zusammensetzung von Melasse, Prozesswasser und Faulschlamm. Einheit Prozesswasser & Melasse Prozesswasser verdünnt (1:5) und Melasse Melasse oTS [g / kg] 94,1 96,3 94,6 CSB [g / L] 121,5 122,5 119,7 TC [g / L] 48,9 44,4 47,8 TN [g / L] 3,0 2,6 2,8 Red. Zucker [g / L] 19,5 21,0 20,9 Ebenfalls kann beobachtet werden, dass die Konzentration reduzierender Zucker ansteigt. Melasse besteht neben reduzierenden Zuckern auch zum Teil aus Saccharose. Saccharose löst sich in Wasser bei saurem pH zu Glucose und Fructose [44]. Der chemische Sauerstoffbedarf steigt während der Versuchszeit für reine Melasse und bei dem Versuch mit Melasse und unverdünntem Prozesswasser an. Ein Abbau des CSB ist nur im Versuch mit verdünntem Prozesswasser und Melasse erkennbar. Hier stellt sich ein Kozentrationsunterschied von rund 10 % ein.
  51. 51. Diskussion 43 6 Diskussion 6.1 Methanbildungspotential von Prozesswasser Das Methanbildungspotential des eingesetzten Prozesswassers ist um ein vielfaches geringer als in anderen Untersuchungen. Das in dieser Arbeit untersuchte Prozesswasser erreichte Methanerträge zwischen 125 NL CH4 kg-1 oTS und 177 NL CH4 kg-1 oTS. Dabei wird der größere Ertrag vom verdünnten Prozesswasser erreicht. Krebs et al. [42] haben in ihrer Untersuchung eines HTC-Prozesswassers aus Klärschlamm einen maximalen Methanertrag von rund 270 NL CH4 kg-1 oTS feststellen können. Dieses Ergebnis entstand bei einer 30-fachen Verdünnung des Prozesswassers. Wurde das Prozesswasser nur 10-fach verdünnt sank der Methanertrag des gleichen Prozesswassers auf etwa 230 NL CH4 kg-1 oTS. Unterschiede in den Ergebnissen zeigen sich neben den Methanerträgen auch im Zeitpunkt an dem die Gasproduktion beendet ist. Die Ergebnisse von Krebs et al. [42] zeigen nach etwa 3 bis 5 Tagen kaum noch veränderte Erträge. Das höher verdünnte Prozesswasser erreichte diesen Zeitpunkt ebenfalls früher. Ein Vergleichsversuch mit unverdünntem Prozesswasser produzierte hingegen erst nach über 30 Tagen Methan. Die Ergebnisse aus Abbildung 5.1 deuten auf einen ähnlichen Verlauf hin wie er von Krebs et al. beschrieben wird. Verdünntes Prozesswasser wird schneller abgebaut. Jedoch ist die Gasproduktion nach 3 bis 5 Tagen noch nicht vollständig abgelaufen. Ein weiterer Unterschied ist die Prozesstemperatur. Diese ist in der Arbeit von Krebs et al. mit einem Standardisierten Gärtest (GB21) auf 35 °C festgelegt [45]. Im Vergleich dazu wurde in der vorliegenden Arbeit eine Prozesstemperatur von 60 °C eingestellt. B. Wirth hat in einer Untersuchung von HTC-Prozesswasser aus einer Karbonisierung von Klärschlamm keinen Einfluss der Temperatur auf den Methanertrag feststellen können [46]. Unterschiede zwischen den Ergebnissen von Krebs et al. und den hier vorliegenden sind auf das Ausgangssubstrat des Karbonisierungsprozess‘ zurückzuführen. Ramke et al. [2] haben die Methanerträge von Prozesswässern unterschiedlicher Ausgangssubstrate der hydrothermalen Karbonisierung verglichen. Ihre Ergebnisse
  52. 52. Diskussion 44 befinden sich in einem Bereich zwischen 77 NL CH4 kg-1 TS und 738 NL CH4 kg-1 TS. Dabei wurden Klärschlamm, Gärreste, Bioabfall, Citrusfrüchte und Speisereste als Ausgangsmaterialien für die Karbonisierung eingesetzt. Der geringste Ertrag wurde für Gärreste ermittelt, die höchsten Erträge für Speisereste und Citrusfrüchte. Die Ergebnisse von Bioabfall und Klärschlamm bewegen sich in der Mitte. Tabelle 6.1: Gaspotentiale, Methangehalt und Kohlenstoffkonzentration verschiedener Prozesswässer [2]. Ausgangssubstrat Sepz. GP [NL / kg TS] CH4 [%] TOC [mg / L] Gärrest 77 57,9 8.636 Klärschlamm 148 57,1 6.000 Bioabfall 227 72,3 23.788 In der vorliegenden Arbeit wurde ebenfalls Prozesswasser aus eine Karbonisierung von Bioabfall verwendet. Die Ergebnisse betragen zwischen 74 NL kg-1 TS und 105 NL kg-1 TS bei Methananteilen von 37 % und 44 %. Der TOC wurde in Form von TC auf 11.700 mg L-1 bestimmt. Vergleicht man die Werte mit den in Tabelle 6.1 dargestellten Ergebnissen, scheint das Prozesswasser besser vergleichbar mit dem Prozesswasser aus Gärresten zu sein. Ein eindeutigerer Vergleich könnte stattfinden, wenn die Zusammensetzung des Bioabfalls vor der Karbonisierung bekannt ist. Nach Aussagen des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, ist die Zusammensetzung von Bioabfällen über das Jahr unterschiedlich [47]. Entsprechend verändert sich die Zusammensetzung des Prozesswassers, was wiederum einen Einfluss auf den Gasertrag ausübt.
  53. 53. Ausblick 45 7 Ausblick Die Ergebnisse zeigten, dass aus reinem Prozesswasser nur wenig Wasserstoff gewonnen werden konnte. Die Methanproduktion ist nicht vollständig unterdrückt. Es wird vorgeschlagen, den pH vor der Fermentation in einen sauren Bereich zwischen pH 5 und pH6 zu versetzten. Um weitere Informationen über eine Hemmwirkung zu erhalten, sollte der Gehalt an phenolischen Verbindungen im Prozesswasser überprüft werden. Um Informationen über die Anpassungsfähigkeit der Mikroorganismen zu erhalten sollten Versuche bis zum Abbruchkriterium durchgeführt werden. Um die Kinetik genauer zu beschreiben, muss eine Methode gefunden werden, das produzierte Gas täglich auszuwerten. Melasse hat sich als ausschlaggebender Faktor bei der Produktion von Wasserstoff erwiesen. Dabei wurde ebenfalls festgestellt, dass ein oTS-Verhältnis von 1:50 zwischen Prozesswasser und Melasse einen Mehrertrag liefert. Diese Ergebnisse müssen in weiteren Versuchen bestätigt werden. Es ist denkbar das oTS-Verhältnis weiter zu erhöhen auf 1:100 und 1:200. Auch könnte die Melasse durch Glucose substituiert werden. Damit kann die Vergleichbarkeit zu anderen Arbeiten erhöht werden. Die Wasserstoffproduktion läuft parallel zur Produktion von flüchtigen organischen Säuren ab. Besonders interessant ist die Produktion von Ethanol während des Prozesses. Eine Messung des FOS/TAC könnte weitere Informationen liefern, die Wasserstoffproduktion zu erhöhen. Ebenfalls wird empfohlen den Versuchsaufbau nach einem Standardisierten Gärtest, beispielweise VDI 4630 oder GB21 durchzuführen.
  54. 54. Literaturverzeichnis 46 8 Literaturverzeichnis [1] J. Himmelreich, „Spiegel Online“ 10 Oktober 2010. [Online]. Available: http://www.spiegel.de/politik/ausland/energiepolitik-indiens-unersaettliche-gier-a- 723694.html. [Zugriff am 6 April 2016]. [2] H. Ramke, D. Blöhse, H. Lehmann, M. Antonietti und J. Fettig, „Machbarkeitsstudie zur Energiegewinnung aus organischen Siedlungsabfällen“ Höxter, 2010. [3] Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, „Spektrum“ [Online]. Available: http://www.spektrum.de/lexikon/geowissenschaften/inkohlung/7515. [Zugriff am 5 März 2016]. [4] TerraNova Energy, Clean Energy beyond Coal - Energiebilanz TerraNova Energy Verfahren, 2011. [5] T. Karayildirim, A. Sinag und A. Kruse, „Char and Coke Formation as Unwanted Side Reaction of the Hydrothermal Biomass Gasification“ Chem. Eng. Technol., Nr. 11, pp. 61-68, 2008. [6] A. Kruse, E. Dinjus und N. Tröger, „Hydrothermale Karbonisierung: 1. Einfluss des Lignins in Lignocellulosen“ Chemie Ingenieur Technik, Nr. 83, pp. 1734- 1741, 2011. [7] B. Wirth, J. Mumme und B. Erlach, „Anaerobic treatment of waste water derived from hydrothermal carbonization“ in 20th European Biomass Conference and Exhibition, 2012. [8] W.-A. Bischoff, A. Schwarz und J. Pfenning, „Pyrolyse- und HTC-Kohlen als Bodenverbesserer auf sandigen Böden im Gemüsebau“ Mitteilungen der. Gesellschaft für Pflanzenbauwissenschaften, Bd. 24, pp. 56-57, 2012. [9] J. Harter, H.-M. Krause, S. Schuettler, R. Ruser, M. Fromme, S. Thomas, A. Kappler und S. Behrens, „Linking N2O emissions from biochar-amended soil to the structure and function of the N-cycling microbial community“ The ISME Journal, pp. 660-674, August 2014.
  55. 55. Literaturverzeichnis 47 [10] D. Lehner, „Einfluss einer unterschiedlich hohen HTC-Biokohlenausbrinung als Bodenverbesserer auf den Wachstums- und Entwicklungsverlauf bei Sojabohnen (Glycine max. [L.] Merr.)“ Wien, 2015. [11] L.-P. Xiao, Z.-J. Shi, F. Xu und R.-C. Sun, „Hydrothermal carbonization of lignocellulosic biomass“ Bioresource Technology, Bd. 118, pp. 619-623, 2012. [12] M. H. Uddin, M. T. Reza, J. G. Lynam und C. J. Coronella, „Effects of water recycling in hydrothermal carbonization of loblolly pine“ Enviromental progress & sustainable energy, Bd. 33, Nr. 4, pp. 1309-1315, 2013. [13] „Wikipedia“ 5 April 2016. [Online]. Available: https://de.wikipedia.org/wiki/Photosynthese. [Zugriff am 5 April 2016]. [14] I. Valdez-Vazquez, E. Ríos-Leal, F. Esparza-Gracía, F. Cecchi und H. M. Poggi- Varaldo, „Semi-continuous solid substrate anaerobic reactors for H2 production from organic waste: Mesophilic versus thermophilic regime“ International Journal of Hydrogen Energy, Bd. 30, pp. 1383-1391, 2005. [15] S. K. Khanal, W.-H. Chen, L. Li und S. Sung, „Biological hydrogen production: effects of pH and intermediate products“ International Journal of Hydrogen Energy, Bd. 29, Nr. 11, pp. 1121-1133, 2004. [16] G. Liu und J. Shen, „Effects of culture and medium conditions on hydrogen production from starch using anaerobic bacteria“ Journal of Bioscience and Bioengineering, Bd. 98, Nr. 4, pp. 251-256, 2004. [17] M. Z. Bundhoo, R. Mohee und M. A. Hassan, „Effects of pre-treatment technologies on dark fermentative biohydrogen production: A review“. [18] R. K. Goud, O. Sarkar und S. V. Mohan, „Regulation of biohydrogen production by heat-shock pretreatment facilitates selective enrichment of Clostridium sp.“ International Journal of Hydrogen Energy, Bd. 39, Nr. 14, pp. 7572-7586, 2014. [19] H. Argun und F. Kargi, „Effects of sludge pre-treatment method on bio-hydrogen production by dark fermentation of waste ground wheat“ International Journal of Hydrogen Energy, Bd. 34, Nr. 20, pp. 8543-8548, 2009. [20] S. Foster und K. Johnstone, „Pulling the trigger: the mechanism of bacterial spore germination“ molecular microbiology, Bd. 4, Nr. 1, pp. 137-141, 1990.
  56. 56. Literaturverzeichnis 48 [21] P. Mohammadi, S. Ibrahim, M. Suffian und M. Annuar, „Effects of different pretreatment methods on anaerobic mixed microflora for hydrogen production and COD reduction from palm oil mill effluent“ Journal of Cleaner Production, Bd. 19, Nr. 14, pp. 1654-1658, 2011. [22] P. Mohammadi, S. Ibrahim, M. Suffian und M. Annuar, „Comparative study on the effect of various pretreatment methods on the enrichment of hydrogen producing bacteria in anaerobic granulated sludge from brewery wastewater“ Korean Journal of Chemical Engineering, Bd. 29, Nr. 10, pp. 1347-1351, 2012. [23] H. Liu, G. Wang, D. Zhu und G. Pan, „Enrichment of the hydrogen-producing microbial community from marine intertidal sludge by different pretreatment methods“ International Journal of Hydrogen Energy, Bd. 34, Nr. 24, pp. 9696- 9701, 2009. [24] A. Tiehm, K. Nickel und U. Neis, „The use of ultrasound to accelerate the anaerobic digestion of sewage sludge“ Water Science and Technology, Bd. 36, Nr. 11, pp. 121-128, 1997. [25] C. Chu, D. Lee, B.-V. Chang, C. You und J. Tay, „“Weak” ultrasonic pre- treatment on anaerobic digestion of flocculated activated biosolids“ Water Research, Bd. 36, Nr. 11, pp. 2681-2688, 2002. [26] G. Erden und A. Filibeli, „Ultrasonic pre-treatment of biological sludge: consequences for disintegration, anaerobic biodegradability, and filterability“ Journal of Chemical Technology and Biotechnology, Bd. 85, Nr. 1, pp. 145-150, 2010. [27] C. M. Braguglia, A. Gianico und G. Mininni, „Comparison between ozone and ultrasound disintegration on sludge anaerobic digestion“ Journal of Environmental Management, Bd. 95, pp. 139-143, 2012. [28] S. Chang, J.-Z. Li und F. Liu, „Evaluation of different pretreatment methods for preparing hydrogen-producing seed inocula from waste activated sludge“ Renewable Energy, Bd. 36, Nr. 5, pp. 1517-1522, 2011. [29] S. O-Thong, P. Prasertsan und N.-K. Birkeland, „Evaluation of methods for preparing hydrogen-producing seed inocula under thermophilic condition by process performance and microbial community analysis“ Bioresource Technology, Bd. 100, Nr. 2, pp. 909-918, 2009.

×