Biomethanisation under typical and atypical temperatures : with a special focus on methanogenic activity and -diversity

Die anaerobe Vergärung (AV) kann als „Waste-to-Energy“ Technologie bezeichnet werden, bei der leicht verfügbare Abfälle (z.B. aus der Landwirtschaft oder Nahrungsmittelproduktion) zur Herstellung von Biogas genutzt werden. Biogas besteht im Wesentlichen aus Methan und Kohlendioxid und kann als erneuerbare Energiequelle zur Strom- und Wärmeerzeugung genutzt werden. Der Prozess selbst besteht aus vier eng miteinander verwobenen Phasen, der Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und Methanogenese. Die Methanogenese, der letzte Schritt der AV, ist ein komplexer Bioprozess, welcher eine stabile und anpassungsfähige Archaea-Gemeinschaft voraussetzt, um reibungslos ablaufen zu können. Wenn landwirtschaftliche Abfälle verwendet werden, z.B. Rindergülle, wird die Biomethanisierung üblicherweise unter mesophilen (37 C) oder thermophilen (55 C) Bedingungen durchgeführt.In dieser Studie wurde der Einfluss der Temperatur auf die anaerobe Vergärung und die Auswirkungen auf den Gasertrag, die mikrobielle Zusammensetzung und die methanogene Aktivität untersucht. Ein spezieller Fokus lag dabei auf dem Temperaturbereich zwischen mesophilen und thermophilen Bedingungen. Es wurden drei verschiedene Temperaturen (37 C (MES), 45 C (GAP) und 55 C (THERM)) in einem Langzeit-Biomethanisierungsexperiment (171 Tage) mit Reaktoren im Labormaßstab (2 L; fed-batch) und dem Substrat Rindergülle und Maisstroh (1:200 (w/w)) verglichen. Der Versuchsaufbau konzentrierte sich dabei auf die Verknüpfung von physikalisch-chemischen Analysen, theoretischen Biogaspotenzialberechnungen und molekularen Gemeinschaftsanalysen (Microarray (ANAEROCHIP), spezifischer methanogener Aktivitätstest (SMA)).Insbesondere das adaptive Verhalten der methanogenen Gemeinschaft, d.h. deren Dynamik und Aktivität wurden beleuchtet. Der SMA-Test zeigte welcher Stoffwechselweg bei verschiedenen Temperaturen aktiv war wohingegen die Änderungen in der Zusammensetzung der methanogenen Gemeinschaft mit dem ANAEROCHIP beobachtet wurden.Die Ergebnisse zeigten, dass die Temperatur die methanogene Gemeinschaft signifikant beeinflusst. Die atypische Temperatur von 45C zeigte eine perfekte Prozessstabilität und die höchste Biogasausbeute.Bei Summierung der Methanausbeuten aller SMA-Testsubstrate (Acetat, Propionat, Butyrat, H2/CO2) war die Methanproduktion bei GAP geringfügig höher als bei THERM und fast doppelt so hoch als bei MES. Weiters wurde bei 37 und 45 C ein Wechsel von der hydrogenotrophen zur acetoklastischen Methanogenese beobachtet, wohingegen der Trend bei 55 C entgegengesetzt war. Unsere Ergebnisse bestätigen, dass Biomethanisierung bei 45C eine hohe Reaktorstabilität und -aktivität ermöglicht.Zusätzlich, und im Gegensatz zu bisherigen Studien wiesen GAP- und THERM-Reaktoren eine metabolisch vielfältigere methanoge Gemeinschaft als MES-Reaktoren auf. Methanomicrobiaceae war die dominierende methanogene Familie in allen Behandlungen, wenn auch in unterschiedlicher Abundanz. Eine detaillierte Kosten- und Energiebilanzrechnung und Hygienisierungsprüfung soll nun den zusätzlichen Vorteil der Erhöhung der Temperatur von MES auf GAP aufzeigen.Anaerobic digestion (AD) can act a waste-to-energy technology, using commonly available residues (e.g. from agriculture or food production) to produce biogas. Biogas consists basically of methane and carbon dioxide, and can be used as renewable energy source to produce electricity and heat. The process itself comprises four phases that are closely interwoven, namely hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis. Methanogenesis, the last step of AD, is a complex bioprocess, which needs a stable or adaptable archaeal community in order to run smoothly. When using agricultural residues, e.g. cattle manure, biomethanisation is commonly conducted under mesophilic (37C) or thermophilic (55C) conditions.This study focused on the specific effect of temperature on anaerobic digestion and evaluated its influence on gas yield as well as on the microbial community composition and methanogenic activity. A special focus was laid on the temperature in between mesophilic- and thermophilic conditions. Therefore, three different temperatures (37 C (MES), 45 C (GAP) and 55 C (THERM)) were compared in a long- term biomethanisation experiment (171 days) with lab-scale bioreactors (2 L; fed-batch) using the substrate cattle manure and corn straw (1:200 (w/w)). The experimental set-up concentrated on linking physicochemical analyses, theoretical biogas potential calculations and molecular community analyses (microarray (ANAEROCHIP), specific methanogenic activity test (SMA)).The focus was laid on the adaptive behaviour of the methanogenic community with a special interest on community dynamics and -activity.In detail, the SMA test evaluated, which pathway of methanogenesis was active over time at different temperatures and at the same time the community transition was monitored with the ANAEROCHIP.The findings showed, that temperature significantly affected the methanogenic community. The atypical temperature of 45 C exhibited perfect process stability and highest biogas yields.Adding up methane yields of all SMA test-substrates (acetate, propionate, butyrate, H2/CO2), methane production at GAP was marginally higher than THERM and almost twice as high as MES. Furthermore at 37 and 45 C, a change from hydrogenotrophic- to acetoclastic methanogenesis was observed, whereas the trend was opposite at 55 C. Our findings support, that the GAP conditions exhibit high reactor stability and -activity.Additionally, in contrast to other studies, GAP and THERM treatments had a metabolically more diverse methanogenic community, than MES. Methanomicrobiaceae was the dominating methanogenic family in all treatments, although at varying abundance at MES, GAP and THERM. A detailed cost- and energy balance calculation and hygienisation test shall reveal the additional benefit of increasing the temperature from MES towards GAP.Pia Plattner, BScZusammenfassung in deutscher SpracheUniversity of Innsbruck, Masterarbeit, 2018(VLID)271019