Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Biologischen Systemen sind naturliche, durch die Umwelt gegebene enge Grenzen vorgegeben. Hieraus resultieren verschiedene Aspekte, auf die die Verfahrens — technik beim Umgang mit biologischen Systemen achten muss. Zum Abschluss der hier vorgestellten Grundlagen der bio-chemischen Umwandlung sollen daher nach — folgend einige technologische Konsequenzen vorgestellt werden.

Die meisten Organismen, deren Stoffwechsel vorgestellt wurde, wachsen nur innerhalb bestimmter Umweltparameter; beispielsweise konnen die Mehrheit der bekannten Organismen nur bei moderaten Temperaturen (30 bis 50 °C) und neut — ralen pH-Werten existieren. Durch die intensive Erforschung der Extremophilen wurden in den letzten Jahren aber auch vermehrt Organismen isoliert und charak- terisiert, die bei hoheren Temperaturen, hoheren Drucken und extremen pH- Werten leben konnen. Die aktuell bekannten Grenzen zeigt Tabelle 14.1 Leben in diesen Extrembereichen ist jedoch nur einer kleinen Gruppe von Mikroorganismen vorbehalten. Die meisten technischen Prozesse werden mit mesophilen Mikroor­ganismen durchgefuhrt, welche in der Regel nur zwischen 30 und 50 °C sowie pH — Werten zwischen 6 und 8 einsetzbar sind.

Durch diese engen Grenzen mussen technische Prozesse, die mit ganzen Zellen oder einzelnen Enzymen aus Zellen arbeiten, an die Bedurfnisse der Organismen angepasst werden. Ist das nicht der Fall, ware ein effizienter Prozessablauf nicht zu gewahrleisten.

Bioprozesse unterscheiden sich i. Allg. stark von "klassischen" chemischen Prozessen. Die Prozessparameter, die Reaktortypen und die Prozessschritte sind deshalb anders zu wahlen und auszulegen. Ein Beispiel ist die Temperatur als ent — scheidender Einflussfaktor auf die Reaktionsgeschwindigkeit des Zellstoffwech — sels. Diese ist bei den Bioprozessen in einem Bereich von maximal 100 °C zu wahlen, wahrend bei chemischen Verfahren ein Vielfaches dieser Temperatur ein — gestellt werden kann. Dies wiederum fuhrt bei biologischen Prozessen zu klaren Nachteilen im Bezug auf die Katalysatoraktivitat und bietet einen nur geringen Spielraum, durch Temperaturerhohung die Viskositat von hoch viskosen Substra — ten herabzusetzen.

Diese Nachteile lassen sich jedoch ggf. durch eine Reihe von Vorteilen ausglei — chen. Hierzu zahlen die Selektivitat der Prozesse sowie die Moglichkeit, einzigar — tige, nur durch Enzyme katalysierte Reaktionen zu realisieren. AuBerdem ist die Nebenproduktbildung der Prozesse meist gering und es ist ein geringerer Energie — eintrag erforderlich. Hinzu kommt, dass die Anzahl von Prozessschritten im Ver — gleich zu chemischen Prozessen verringert werden kann und es ist ggf. ein verein — fachte Weiterverarbeitung bio-chemisch erzeugter Produkte moglich.

Biologische Prozesse, durch die organische Materialien aerob oder anaerob ab — gebaut werden, unterliegen selbstverstandlich den gleichen naturlichen Grenzen. Beispielsweise wird bei der Kompostierung als ein aerobes Verfahren durch ver — schiedene Mikroorganismen und niedere Pilze organisches Material zu Produkten

Tabelle 14.1 Definition und Wachstumsgrenzen extremophiler Mikroorganismen (Temp. Temperatur)

Temp. Bereich -5 bis 20 °C Temp. Optimum 50 bis 70 °C Temp. Optimum 70 bis 85 °C Temp. Optimum 85 bis 121 °C 10 bis 35 % Salz pH 0,7 bis 4 pH 8 bis 12

mit einem sehr geringen Energieniveau abgebaut (CO2 und H2O). Diese Prozesse laufen schnell ab und erfordern hohe Nahrstoffkonzentrationen. Wichtige Parame­ter dieser Prozesse sind der Sauerstoffgehalt, die Temperatur, die Feuchtigkeit, die Substratkonzentration und der pH-Wert. Zur Beschleunigung des Abbaus und zur Verhinderung von anaeroben Bedingungen kann mit Luft oder Sauerstoff begast werden. Diese MaBnahme bedingt durch die erhohte Bakterienproduktivitat gleichzeitig einen Temperaturanstieg. Die Abstimmung von Temperatur und Ab- baugeschwindigkeit ist hierbei eine verfahrenstechnische Herausforderung. Sie kann nie zur vollstandigen Optimierung des einen oder des anderen Parameters fuhren. Hier muss also ein Kompromiss gefunden werden, der einerseits aerobe Bedingungen gewahrleistet und andererseits die Temperatur in einem Bereich halt, bei dem die Organismen existieren konnen. Dieses Beispiel zeigt die Grenzen und die Sensibilitat der biologischen Prozesse. Es wird u. a. deutlich, dass die Arbeit mit biologischen Systemen nur in bestimmten Prozessfenstern moglich ist. Um die Produktivitat und damit die Wirtschaftlichkeit derartiger biologischer Systeme zu erhohen, werden haufig mathematische Optimierungsverfahren (z. B. Simplex — Verfahren, Genetische Algorithmen) eingesetzt. Diese sogenannten Black-Box — Verfahren haben alle gemeinsam, dass ohne Kenntnisse eines funktionellen Zu — sammenhanges einzelner Prozessparameter eine Optimierung des Prozesses erzielt werden kann.

Ein klassisches anaerobes Verfahren ist z. B. die Vergarung, bei der als End — produkt Biogas bzw. Ethanol entsteht. Auch an diesem Prozess sind eine Reihe von Mikroorganismen beteiligt (d. h. mikrobielle Gemeinschaft), die in einer Nah- rungskette agieren. Diese Prozesse laufen langsam und in Abwesenheit von Sauer- stoff ab. Anders als bei den aeroben Prozessen entsteht hierbei kaum Warme und ein GroBteil der insgesamt zur Verfugung stehenden Energie wird in energierei- chen Molekulen (d. h. Methan, Ethanol) gespeichert, die das Endprodukt der Um- wandlung darstellen. Dies macht diese Prozesse aus energetischer Sicht interes- sant, denn die in den Umwandlungsprodukten gespeicherte Energie ist technisch nutzbar. Die lange Wachstums — und Umsetzungsdauer ist aber wiederum aus tech- nischer Sicht ein Nachteil. Sie fuhrt dazu, dass kaum Nahrstoffe, wie beispielswei — se bei der Kompostierung, zugefuhrt werden mussen. Umgekehrt muss aber — um optimale Wachstumsraten zu gewahrleisten — anaeroben Prozessen zunachst Ener­gie von auBen in Form von Warme zugefuhrt werden. Bei der bakteriellen Um­wandlung der Biomasse ist zudem immer darauf zu achten, dass die Durchflussrate durch den Bioreaktor maximal so groB wie die Wachstumsrate der Bakterien sein darf, um eine Austragung aus dem System zu verhindern. Ansonsten muss fur eine Ruckfuhrung bzw. Ruckhaltung der Zellen gesorgt werden. Bei diesem Prozess muss auBerdem das enge thermodynamische Fenster berucksichtigt werden, wel­ches nur sehr geringe Wasserstoffkonzentrationsschwankungen zulasst, um eine maximale Biogasproduktivitat zu erzielen.

Damit stellt die Arbeit mit biologischen Systemen eine erhohte prozesstechni — sche Herausforderung dar, da die Systeme sehr sensibel sind und die Prozesse in engen Grenzen gesteuert werden mussen. Sie sind jedoch inzwischen, gerade was den Biomasseabbau angeht, prinzipiell etablierte Verfahren. Eine groBe Heraus- forderung stellt aber nach wie vor der Abbau der Lignocellulose, bzw. des Lignins,

dar. Tabelle 14.2 zeigt deshalb zusammenfassend die verfahrenstechnischen Vor — und Nachteile der einzelnen biochemischen Abbaupfade.

Nachfolgend werden exemplarisch drei Bioprozesse herausgegriffen, an denen die bio-chemischen und verfahrenstechnischen Herausforderungen diskutiert wer­den (Tabelle 14.3).

Tabelle 14.3 Biologische Limitationen und verfahrenstechnische Moglichkeiten, diesen zu begegnen (Beispiele)

Verfahrenstechnischer Ansatz Ruckhaltung (z. B. durch Immobilisierung), Ruckfuhrung der Mikroorganismen Mehrstufenverfahren, in denen die Bedin — gungen fur verschiedene Mikroorganismen individuell eingestellt werden konnen In situ Produktabtrennung, zur Verschiebung des Gleichgewichtes zu den gewunschten Produkten (z. B. Strippen)

Langsames Hinzugeben des Substrates

Zerkleinerung, Kopplung von enzymatischen Prozessen mit thermischen Verfahren a Biogasherstellung, b Biodieselproduktion, c Starkeabbau

Biogasproduktion. Die Biogasproduktion stellt ein Standard-Verfahren zur Be — handlung von Biomasse dar. Durch innovative Verfahrenstechnik wird hier ver — sucht, die bio-chemischen Prozesse weiter zu verbessern und somit die bisher ge — gebenen biologischen Limitationen zu umgehen /14-1/.

Beispiele sind innovative Methoden, um den Biomasseaustrag aus dem System zu verringern und somit die Aktivitat des Reaktors zu bewahren; dies unterscheidet sich von Verfahren der klassischen Ruckfuhrung, bei der ausgetragene Biomasse abgetrennt und zuruckgepumpt wird. Hierzu zahlen Methoden, wie die Immobili — sierung der Zellen auf Tragermaterialien, die Mikrofiltration des Ausgangsstroms, sowie die Verbindung der Zellen zu Zellverbanden durch geschickte Einstellung der Prozessparameter oder die Zugabe von Kationen und Polymeren. Dadurch kann auf den zusatzlichen apparativen Aufwand einer Ruckfuhrung verzichtet werden. Beispiele fur die Anwendung von diesen Methoden sind Festbett — oder Biofilmreaktoren.

Eine weitere Neuerung ist die Verwendung von zweistufigen Abbauprozessen /14-3/. Diese, besonders bei hoch verschmutzten Abwassern, bevorzugt verwende — ten Verfahren, bestehen aus zwei getrennten anaeroben Prozessschritten. Hierbei wird der Umstand genutzt, dass der Biomasseabbau durch mehrere Organismen — typen konsekutiv katalysiert wird. Es werden hierbei im ersten Schritt bevorzugt acidogene und im zweiten Prozessschritt methanogene Mikroorganismen, gemaB der naturlichen Abbaukette, genutzt. Diese Trennung fuhrt zu einer erhohten Pro- zessstabilitat und — effizienz, da z. B. die Reaktionszeiten fur beide Teilschritte un — terschiedlich sind und so die Bedingungen individuell eingestellt werden konnen.

Biodieselproduktion. Bei der Biodieselproduktion werden Fette mit Methanol oder anderen Alkoholen unter Verwendung eines Katalysators umgeestert. Es ent — stehen dabei Glycerin, das abgetrennt wird, und Fettsauremethylester (d. h. Bio­diesel). Diese Verfahren werden vornehmlich mit chemischen Katalysatoren durchgefuhrt.

Alternativ kann die Umesterung auch biokatalytisch mit verschiedenen Lipasen erreicht werden /14-7/. Eine Herausforderung ist die Wahl des geeigneten Biokata — lysators. So hat sich gezeigt, dass der Wassergehalt und der Methanolgehalt in der Ol-Methanol-Mischung unterschiedliche Effekte auf die Aktivitat der einzelnen Enzyme hat. Wo das eine Enzym in Abwesenheit des Wassers ganzlich inaktiviert wird, zeigen andere Enzyme einen deutlichen Aktivitatsverlust durch einen erhoh — ten Wassergehalt. Eine andere Moglichkeit, in den Prozess einzugreifen, ist die Abtrennung vom Reaktionsprodukt Glycerin durch Absorber wie Silica. Diese Entfernung eines Produktes wahrend des laufenden Prozesses (ISPR — in situ pro­duct removal) fuhrt zu einer Verschiebung des thermodynamischen Gleichgewich- tes zu den Produkten.

Starkeabbau. Der Abbau von Starke zu Bioethanol ist ein mehrstufiger Prozess, der ausgehend vom Getreide, die mechanische Zerkleinerung, enzymatische Ver — flussigung, die Fermentation, die Destillation und die Aufreinigung beinhaltet /14-5/. An Teilen dieser Prozessschritte sind Enzyme und ganze Zellen beteiligt. So werden die Starkemolekule des Getreides durch Amylasen in Zucker fur die Fermentation umgewandelt. Die Zucker konnen dann durch die Fermentation einer Hefe in Ethanol umgesetzt werden. Schon bei der Zerkleinerung der Ausgangsma — terialien zeigen sich Auswirkungen dieses Schrittes auf den gesamten Prozess, denn die PartikelgroBe hat entscheidenden Einfluss auf die Aktivitat der Enzyme. Sind die Partikel zu groB, haben die Enzyme nicht die notige Angriffsflache und das Erreichen eines spezifischen Umsatzpunktes dauert uberproportional langer. Sind die Partikel zu klein, resultiert eine erhohte Viskositat der Losung und es er — geben sich erschwerende Bedingungen im weiteren Prozessverlauf.

Die enzymatische Starkeverflussigung fur sich alleine betrachtet ist eine verfah — renstechnische Herausforderung. Dem durch die Prozesswarme verursachten Akti — vitatsverlust der Biokatalysatoren kann durch eine mehrmalige Zugabe der Enzy­me begegnet werden. Speziell hier bedarf es zukunftig neuer hyperthermophiler industriell einsetzbarer Biokatalysatoren. Zusatzlich angewendete Kochschritte sorgen fur einen vollstandigen Abbau zu Zuckern, die dann in Standard- Fermentationsprozessen zu Ethanol umgesetzt werden.

Energie aus Biomasse

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