Microorganisms of anaerobic digestion and their potential for process enhancement

Die Produktion von Biogas, besetzt im Angesicht anderer regenerativer Energiequellen wie Wind, Sonne und Wasser, eine kleine, aber nichts destotrotz bedeutende Nische, da neben der nachhaltigen Erzeugung von Energie gleichzeitig organische Abfallströme bedient werden können. Biogas entsteht in einem anaeroben Vergärungsprozess, in welchem organische Reststoffe durch ein Konsortium von Mikroorganismen in hauptsächlich Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) umgewandelt werden. Die Interaktion, die in diesem Prozess zwischen Bakterien, Archaeen und ihrer Umwelt ablaufen sind so komplex und vielfältig, dass der Gesamtprozess immer noch nicht vollständig entschlüsselt werden konnte. Im Zuge dieser PhD-Arbeit wurde versucht, einige Wissenslücken zu schließen, um schlussendlich die Effizienz dieses komplexen Prozesses ein Stück steigern zu können.Laborversuche wurden durchgeführt, um das Biomethanpotential verschiedenster Substrate zu testen, die Überwachung des Abbauprozesses zu verbessern und Änderungen der mikrobiellen Gemeinschaft zu verstehen. Daneben wurden auch bestehende Großanlagen einem Monitoring unterzogen, um Fluktuationen und Verschiebungen in der bakteriellen und methanogenen Gemeinschaft zu überwachen und Zusammenhänge zwischen biotischen und abiotischen Umweltfaktoren aufzudecken. Kombinationsverfahren wie Milchsäureproduktion und nachgeschaltete Biomethanisierung erwiesen sich als geeigneter, hocheffizienter Prozess zu Bioabfallbehandlung, Rückstände aus der Palmölproduktion erwiesen sich als geeignete Substrate für anaerobe Vergärung und ein neuartiges solid-state-Verfahren, das aerobe und anaerobe Phasen kombinierte, konnte als hocheffizientes Verfahren für lignocellulosereiche Substrate bestätigt werden. Ergebnisse zeigten einerseits eine große Variabilität der bakteriellen Komponente der Mikrobiota, und andererseits eine große Stabilität der Archaeengemeinschaft. Die methanogenen Archaeen werden deshalb als wenig geeignet angesehen, das Prozessmonitoring frühzeitig zu unterstützten, während die bakterielle Biota durchaus Potenzial aufweist, zur Früherkennung von Prozessproblemen beizutragen.Beside common renewable energy sources, such as solid biofuels, hydro, wind and solar power, the production of biogas is a small niche, achieving waste management and energy recovery at the same time. Biogas is produced in an anaerobic digestion process, where biodegradable material is transformed into mostly methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) by a consortium of bacteria and archaea. Interactions among these microorganisms and their environment are complex and diverse, thus the anaerobic digestion process is still far away from being fully understood. The main objective of the present PhD thesis was to fill some of the related knowledge gaps, helping to finally improve the overall anaerobic digestion process efficiency. Three lab-scale experiments were conducted to review the biomethane potential (BMP) and the process stability of multifaceted substrates. High CH4 yields of fermentation residues from a lactic-acid generating biorening approach and of fibre-containing residues from the palm oil and paper industries, revealed a suitable potential for full-scale application. The pretreatment of complex organic matter by mechanical, chemical or biological applications was found to be a viable option for increasing the overall degradation efficiency and decreasing reactor retention time. In all bench-scale reactors, acetoclastic Methanosarcina was found to be the dominant methanogen, accompanied by a hydrogenotrophic consortium of Methanobacterium, Methanoculleus and Methanosphaera. Changes in reactor temperatures, co-substrate or pretreatment type caused minor effects on the methanogenic community composition. Twelve full-scale biogas plants were monitored three times a year to find links between biotic characteristics and abiotic process parameters. Acetoclastic Methanosarcina or Methanosaeta were found to be dominant in reactors operated under mesophilic conditions, accompanied by hydrogenotrophic consortia of Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanoculleus, Methanocorpusculum and Methanosphaera. High abundances of Methanothermobacter were found in reactors operated at 55 C. Correlation analysis to determine any links between the microbial communities found, and the physico-chemical parameters investigated revealed a positive relationship between Methanosarcina and concentrations of acetate.author Mag. Biol. Andreas WalterKumulative Dissertation aus sieben ArtikelnZusammenfassung in deutscher SpracheUniversität Innsbruck, Dissertation, 2017OeBB(VLID)234182