Ein verbesserter Enzymproduktionsprozess liefert mehr Biogas
Das EU-finanzierte Projekt DEMETER reagierte auf diese Herausforderung, indem es die Ausbeute des als C1-Enzym bekannten Biogasenzyms Myceliophthora thermophila C1 erhöhte und gleichzeitig die Kosten senkte. „Wir wollten die Ausbeute des Enzymproduktionsprozesses im industriellen Maßstab sowie die Weiterverarbeitung steigern, die Kosten des Endprodukts senken und das Enzym für eine weit verbreitete Anwendung in der Biogaserzeugung in ganz Europa verfügbar machen“, berichtet Projektkoordinatorin Sandra Hinz. Während der Initiative wurde ein verbesserter Fermentationsprozess für die Enzymproduktion im Labormaßstab entwickelt. Die Forschenden analysierten das alte Fermentationsprotokoll und passten verschiedene Parameter anhand der Ergebnisse eines mathematischen Modells an, das sie aufgrund eines verbesserten Produktionsstamms entwickelten, um ein hochwertigeres Enzym zu erhalten. Darüber hinaus wurde der Enzymproduktionsprozess zur Erhöhung der Enzymkonzentration um mindestens 50 % optimiert. „Der verbesserte Fermentationsprozess wurde zunächst mit einem Reaktor im kleinen Pilotmaßstab überprüft. In einer zweiten Phase wurde der Prozess auf einen Reaktor mit einer Kapazität von 1 500 Litern und 15 Kubikmetern erweitert“, erklärt Hinz.
Verbesserte Eigenschaften
Die Arbeit des Konsortiums führte zu einer Steigerung der Enzymproduktion um 50 %. Hinz erklärt: „Das bedeutet, dass in einem Fermentationsverlauf 50 % mehr Enzyme produziert werden können und daher weniger Produktionszyklen benötigt werden. Neben der erhöhten Produktion wurde auch die Weiterverarbeitung des Enzyms verbessert. Es wurde eine Enzymrückgewinnung von mehr als 95 % erreicht.“ Die Projektpartner testeten die Wirksamkeit des Enzyms in neun groß angelegten Studien. „In diesen Versuchen haben wir verschiedene Arten von Biogasanlagen genutzt, z. B. für die Trocken- und Nassfermentation, sowie Anlagen, die mit verschiedenen Substraten betrieben werden. Die Daten aus den groß angelegten Anlagenversuchen wurden ausgewertet und zeigten, dass in einigen Fällen die Effizienz des Substratabbaus möglicherweise gesteigert wurde, obwohl die Effizienz im Allgemeinen gering war“, kommentiert Hinz. Die Forschenden stellten auch Änderungen bei den rheologischen Eigenschaften fest. Diese Änderungen zeigten sich aufgrund eines verringerten Stromverbrauchs der Rührwerke, einer besseren Fließfähigkeit des Gärrests und auch aufgrund einer geringeren Anzahl schwimmender Schichten. In den Anlagen wurden die positiven Auswirkungen durch die Zugabe des Enzyms auf den Fermentationsprozess entdeckt, was darauf hinweist, dass eine Verbesserung des Biogasprozesses mit kostengünstigen Dosierungen möglich ist. DEMETER testete in Feldversuchen die Wirksamkeit von Enzymen im kleinen und großen Maßstab. „Grundsätzlich wurde festgestellt, dass das Enzym eine kleine Steigerung bei der Wirksamkeit zeigt“, bemerkt Hinz. „Die Mehrheit der Anlagenbetreiber berichtete über ein verbessertes Fließverhalten des Gärrests sowie eine insgesamt bessere Gärrestqualität. Dies führte zu weniger Problemen, die durch Verstopfen oder schwimmende Schichten verursacht wurden, und zu kürzeren Faserstrukturen im Gärrest. Daten von einem neu entwickelten Kapillarviskosimeter zeigten deutlich, dass das Enzym die Viskosität des Gärrests verringerte.“
Finanzielle und ökologische Vorteile
Die technisch-wirtschaftliche Bewertung der Feldversuchergebnisse ergab, dass das Produktionssystem von Biogas bei Verwendung des C1-Enzyms rentabler ist als das herkömmliche System, bei dem kein Enzym verwendet wird. „Darüber hinaus zeigte eine Lebenszyklus-Analyse, die alle Schritte der Biogasproduktion – von der Sammlung von Abfallmaterial über die Herstellung von Enzymen bis zur Speicherung von Biogas – umfasste, im Vergleich zum traditionellen Biogasproduktionsprozess positive Auswirkungen auf die Umwelt“, betont Hinz.
Schlüsselbegriffe
DEMETER, Enzym, Biogas, Fermentation, Biomasse, C1-Enzym, Lebenszyklus-Analyse
