Use of trace elements in the fermentation of renewable raw materials in biogas plants

Die Biogasanlagen in Deutschland werden überwiegend mit nachwachsenden Rohstoffen beschickt. Über die Substratzufuhr gelangen unterschiedliche Mikro- und Makroelemente in den Fermenter. Diese Elemente stellen essentielle Nährstoffe für methanbildende Mikroorganismen dar. Eine zu geringe Konzentration dieser Elemente kann den Biogasprozess stören. Eine große Anzahl der landwirtschaftlichen Biogasanlagen verwendet daher handelsübliche Spurenelementlösungen, um den Prozess zu optimieren und höhere Methanerträge zu erzielen. Nach der Vergärung gelangen diese Spurenelemente (meist Schwermetalle) mit dem Gärrest auf landwirtschaftliche Flächen. Die zugefügten Mengen sollten so gering wie möglich gehalten werden, um die Umweltbelastung zu minimieren. Ziel dieser Arbeit war es, die Ursachen für einen Spurenelementmangel in NawaRo-beschickten Biogasanlagen zu untersuchen. Es wurde auch geprüft, ob durch eine Komplexierung der Mikronährstoffe deren Verfügbarkeit für die Mikroorganismen gesteigert und dadurch die zur Stabilisierung des Gärprozesses notwendigen Zugabemengen reduziert werden können. Der Einfluss des Komplexbildners Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA) auf die Bioverfügbarkeit von Metallionen wurde untersucht. Durch die alleinige Zugabe von EDTA zu einem suboptimal versorgten Gärsubstrat konnte der Methanertrag um bis zu 32 % erhöht werden. Beim Einsatz von Spurenelementen konnte durch die Zugabe von EDTA deren Zugabemengen um bis zu 75 % ohne negative Folgen für den Gärprozess verringert werden. Da EDTA ein biologisch schwer abbaubarer Komplexbildner ist, wurde untersucht, ob biologisch leicht abbaubare Komplexbildner (Ethylendiamindibernsteinsäure (EDDS) und Iminodibernsteinsäure (IDS)) den gleichen Effekt haben können. IDS hatte im Rahmen dieser Untersuchungen einen statistisch hoch signifikanten positiven Einfluss auf die Bioverfügbarkeit der Metallionen, der den von EDTA übertraf. IDS stellt somit eine umweltfreundliche Alternative zu EDTA dar. Durch den Einsatz von Komplexbildnern konnte die Bioverfügbarkeit der Metallionen im Fermenter erhöht und damit die Zugabemengen an Spurenelementen zum Ausgleich substratbedingter Mangelerscheinungen reduziert werden. Dies verringert die Belastung der landwirtschaftlichen Flächen, auf denen der Gärrest als Dünger genutzt wird.The operational agricultural biogas plants in Germany are fed mainly with renewable raw materials. During substrate addition, several micro and macro elements enter the digester. These elements are essential nutrients for the methanogens. If their concentration is too low, the production of biogas can be disrupted. A large number of agricultural biogas plants use therefore commercially available trace element solutions to optimize the process and to achieve higher methane yields. When the fermentation is complete, the digestate containing these trace elements (mostly heavy metals) is spread on fields as fertilizer. The amounts added to the biogas process should be kept as low as possible in order to minimize the environmental damage. The purpose of this study was to investigate the cause of trace elements deficiency in renewable raw materials fed biogas plants. It was also tested whether the chelation of the nutrients could increase their bioavailability for microorganisms and thus lead to a reduction of the amounts needed for the stabilization of the fermentation process. The effect of the complexing agent ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) on the bioavailability of metal ions was tested. The sole addition of EDTA to an undersupplied substrate increased the methane yield by up to 32 %. When trace elements were also added, their amounts could be reduced by up to 75 % with no negative consequences for the fermentation process. EDTA is a persistent chelating agent and so it was further tested, whether readily biodegradable chelating agents (ethylenediaminedisuccinic acid (EDDS) and iminodisuccinic acid (IDS)) could have the same effect. During the investigation, IDS had a high statistically significant positive effect on the bioavailability of the metal ions, which exceeded the effect of EDTA. IDS represents therefore a good alternative to EDTA. The bioavailability of the metal ions in the digester was increased by the use of complexing agents, which made the reduction of the trace elements amounts needed to compensate for substrate-related deficiency symptoms possible. This reduces the pollution on the agricultural land on which the digestate is used as fertilizer