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Hochschule Offenburgoffenburg.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
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!
“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 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.
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
Inhaltsverzeichnis
i
Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis ............................................................................................... iii
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.
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
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
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].
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.
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-
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
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
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
Extin
ktio
n E
540
Glucosekonzentration cGlucose g / L
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-1eingestellt. 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-1und 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)
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.
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
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).
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.