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For an enhancement in the time-space-yield of one-stage agricultural biogas plants, experiments for developing early warning indicators (EWI) for process failures and countermeasures for process stabilization and for adapting the substrate composition were conducted. A new EWI was developed, the A/elCon, the proportion of the concentration of organic acids to the electrical conductivity, which warned most effectively in lab- and full-scale experiments. As a countermeasure against process failures, the addition of different additives was tested. In general, the addition of additives counteracted over-acidifications at high organic loading rates (OLR). In contrast to increased OLRs without countermeasures, the microbial communities adapted to high OLRs, if additives were added, by an increase in the relative abundance of hydrogenotrophic and acid tolerant mixotrophic methanogens. The combination of trace elements and NaOH was most beneficial for stabilizing agricultural biogas processes and was successfully used in combination with the A/elCon to maintain a long-term high-performance digestion (up to OLR = 7.5 kg VS m 3 d 1, t > 100 d). A further increase in the time-space-yield was achieved by co-digesting energy-rich lipid-containing substrates. As known from the digestion of biological waste, the high-performance co-digestions were stabilized by CaO additions leading to an aggregate formation. The stabilization was based on the precipitation of toxic long-chain fatty acids with calcium and thus the formation of surfaces for biofilms. Even a long-term high-performance co-digestion (up to OLR = 9 kg VS m 3 d 1, t > 100 d) was established by adding CaO. In this connection the formation of highly effective fatty acid degrading microbial consortia was detected consisting of syntrophic bacteria and hydrogenotrophic archaea that contributed to the process stability. Analyzing the microbial communities the results of the metagenome analysis and of the classical genetic fingerprinting via DGGE were compared. Both methods showed an increase in acidogenic bacteria and thereby especially in lactic acid producing bacteria with increasing loading rates. The results of the metagenome analysis were much more detailed. Zur Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute in einstufigen, landwirtschaftlichen Biogasanlagen wurden Versuche zur Entwicklung von Frühwarnindikatoren (FWI) für Prozessstörungen und von Maßnahmen zur Prozessstabilisierung, sowie zur Substratzusammensetzung durchgeführt. Ein neuer FWI wurde entwickelt, der A/elCon, das Verhältnis aus der Konzentration organischer Säuren (engl.: org. acids) zur elektrischen Leitfähigkeit (engl.: electr. conductivity), der im Labor und in der Großtechnik am effektivsten vor drohenden Prozessstörungen warnte. Als Maßnahme zur Prozessstabilisierung wurde die Zugabe von Additiven untersucht. Grundsätzlich wurde durch die Additivzugabe eine Übersäuerung bei hohen Raumbelastungen vermieden. Im Unterschied zur Leistungssteigerung ohne Additivzugabe, passte sich die mikrobielle Lebensgemeinschaft durch Zunahme der relativen Abundanz hydrogenotropher und säuretoleranter mixotropher Methanogener an hohe Raumbelastungen (BR) an. Eine Kombination aus Spurenelementen und NaOH eignete sich am besten zur Prozessstabilisierung und wurde zusammen mit dem A/elCon erfolgreich zur Etablierung einer Langzeit-Hochlast-Vergärung (bis BR = 7,5 kg oTS m 3 d 1, t > 100 d) von NawaRo eingesetzt. Eine weitere Leistungssteigerung wurde durch Co-Vergärung energiereicher lipidhaltiger Substrate erzielt. Wie aus Anlagen der Abfallwirtschaft bekannt, wurden die Hochlast-Co-Vergärungen bei CaO-Zugabe durch eine Aggregatbildung stabilisiert. Die Aggregate binden toxische, langkettige Fettsäuren und bilden Oberflächen für Biofilme. Es wurde auch eine Langzeit-Hochlast-Co-Vergärung (t > 100 d) durch Zugabe von CaO etabliert. Dabei wurde die Ausbildung einer hocheffektiven fettsäureabbauenden mikrobiellen Lebensgemeinschaft, bestehend aus syntrophen Bacteria und hydrogenotrophen Archaea detektiert, die entscheidend zur Prozessstabilität beitrug. Bei der Charakterisierung der mikrobiellen Biozönosen wurden die Ergebnisse der Metagenomanalyse und des klassischen genetischen Fingerprintings mittels DGGE verglichen. Beide Methoden zeigten eine Zunahme acidogener Bacteria und dabei speziell von Milchsäurebakterien mit zunehmender Raumbelastung. Die Ergebnisse der Metagenomanalyse waren deutlich detaillierter.

Die Produktion von Biogas aus landwirtschaftlichen Primärprodukten oder Reststoffen stellt einen we-sentlichen Beitrag zur Reduktion des CO2-Ausstoßes sowie zur Entwicklung einer nachhaltigen Landbewirtschaftung dar. Gegenwärtig stehen im Fokus der Forschung die Entwicklung und Optimierung von Biogasreaktoren und Betriebstechniken sowie die Optimierung der Substratbereitstellung. Über die Zusammensetzung der an der Biogasbildung beteiligten mikrobiellen Lebensgemeinschaften in landwirt-schaftlichen Biogasanlagen gibt es jedoch bis heute nur wenige Informationen. Im Rahmen dieser Studie wurde die Struktur der methanogenen Biozönose in zehn landwirtschaftlichen Biogasanlagen, welche auf Basis von Nachwachsenden Rohstoffen (NawaRo) betrieben wurden, unter-sucht. Hierzu wurde ein polyphasischer Ansatz mit verschiedenen kultivierungsunabhängigen, molekularen Verfahren gewählt. Primär wurde eine PCR-RFLP Analyse der Nukleotidsequenz der 16S rDNA sowie des mcrA Gens durchgeführt. Die Bestimmung der relativen Häufigkeit der Methan bil-denden Mikroorganismen in den Proben erfolgte mittels quantitativer real-time PCR (Q-PCR) auf Basis gruppenspezifischer Primer für das 16S rDNA Gen. Für ausgewählte Biogasreaktoren wurde ergänzend eine mikroskopische Quantifizierung mittels Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH) durchgeführt. Für die FISH wurden spezifische Sonden für die Domänen Bacteria (EUB338) und Archaea (ARCH915) so-wie für die Ordnungen Methanomicrobiales (MG1200), Methanobacteriales (MB311 und MB1174) und den Familien Methanosarcinaceae (Ms821) und Methanosaetaceae (Mx825) verwendet. Die Ergebnisse der Analysen zeigten, dass in neun der zehn untersuchten Biogasanlagen die hydroge-notrophen Methanogenen, repräsentiert durch Vertreter der Ordnungen Methanomicrobiales und Methanobacteriales, vorherrschend waren. In diesen Biogasreaktoren wurde die Gattung Methanoculleus (Ordnung Methanomicrobiales) als dominierende Gattung nachgewiesen. Nennenswerte Anteile an ace-toklastischen Methanbildnern, insbesondere der Gattung Methanosaeta, konnten für sechs der untersuchten zehn Anlagen nachgewiesen werden. Jedoch wurde nur in einer Biogasanlage diese Gattung als die dominierende Gruppe von Methanbildnern nachgewiesen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass in 90 % der untersuchten Biogasanlagen die hydrogenotrophe Methanogenese der vorrangige Stoff-wechselweg für die Methanproduktion ist. In dieser Studie konnte kein Zusammenhang zwischen den jeweils zur Biogasgewinnung eingesetzten Substraten und der Struktur der Archaea-Biozönose beobachtet werden. Ebenso wenig scheinen unter-schiedliche Verweilzeiten der Substrate sowie die Raumbelastung der Reaktoren einen Einfluss auf die methanogenen Archaea zu haben. Jedoch ließ sich ein negativer Einfluss hoher Ammonium- bzw. Am-moniakkonzentrationen auf das Wachstum acetoklastischer Methanbildner, insbesondere Methanosaeta spp., in den untersuchten landwirtschaftlichen Biogasanlagen feststellen. Die aus dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse dienen dem grundlegenden Verständnis der methanoge-nen Lebensgemeinschaft in landwirtschaftlichen Biogasanlagen, und sollen somit zur weiteren Optimierung der Biogasgewinnung beitragen. Biogas production from agricultural main products or remnants provides a substantial contribution to the reduction of CO2 emissions but also to the development of a sustainable agriculture. Currently, the re-search focuses on development and optimization of biogas reactors and reactor performance as well as optimization of substrate eligibility. However, the knowledge of the structure and dynamics of microbial communities which are involved in the biogas production is still insufficient. Within this study, the structures of methanogenic biocoenosis in ten agricultural biogas plants which are operated on basis of renewable raw materials were analyzed. Therefore a polyphasic approach with differ-ent culture independent molecular genetic techniques was chosen. First, PCR-RFLP analyses of 16S rDNA and mcrA genes were conducted. For determination of the relative abundance of methane pro-ducing microorganisms in the samples a quantitative real-time PCR (Q-PCR) on basis of 16S rDNA group-specific primers was applied. Fluorescence in situ hybridization (FISH) was carried out for direct quantification of methanogenic cells in reactor contents of six of the ten biogas plants. FISH was carried out with specific probes for the domains Bacteria (EUB338) and Archaea (ARCH915), the orders Metha-nomicrobiales (MG1200) and Methanobacteriales (MB311 and MB1174) and the families Methanosarcinaceae (Ms821) and Methanosaetaceae (Mx825). The results of the analyses showed, that in nine of the ten biogas plants the hydrogenotrophic methano-gens, represented by the orders Methanomicrobiales and Methanobacteriales, were prevalent. The genus Methanoculleus (Methanomicrobiales) was the predominating genus in these biogas plants. Acetoclastic methanogens such as organisms of the genus Methanosaeta were found only in six of the ten analyzed biogas plants. However, in one biogas plant Methanosaeta was determined as the predominant methano-genic group. These results indicate that the hydrogenotrophic methanogenesis was the major metabolic pathway for methane production in 90 % of the analyzed biogas plants. In this study, no correlation between used substrates for biogas production and the structure of Archaea biocoenosis could be observed. Also, the retention time of substrates and the organic loading rate of reac-tors seemed to have no obvious effect on the methanogenic Archaea. However, in the analyzed biogas plants a negative influence of high ammonium and ammonia concentrations, respectively, on the growth of acetoclastic methanogens in particular Methanosaeta spp. was determined. The results of this study serve the basic understanding of the methanogen community in agricultural bio-gas plants and are to contribute to further optimization of biogas production.

Als Beitrag zur Prozessoptimierung der Co-Vergärung wurden Untersuchungen zur Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute von Biogasreaktoren durchgeführt. Das Ziel hierbei war einen Frühwarnindikator für die Prozessstörung „Übersäuerung“ zu entwickeln, um den Prozess der Biogasbildung gezielt zu steuern. Es wurden verschieden Maßnahmen wie die Reduzierung der Raumbelastung und der Einsatz von Additiven wie Natronlauge (NaOH) und Calciumoxid (CaO) untersucht, um den Prozess der Biogasbildung zu stabilisieren. Hierbei zeigte sich, dass CaO besser als NaOH für die Entsäuerung geeignet war. Insbesondere beim Einsatz von CaO konnte eine Aggregatbildung beobachtet werden. Das Calcium, das durch das CaO zugeführt wurde, verursachte Ausfällungen mit langkettigen organischen Säuren (LCFA) und mit Phosphat, das von phosphatspeichernden Organismen (PAO) rückgelöst wurde. Zusätzlich wurde die Abnahme der organischen Säuren in der flüssigen Phase vermutlich durch Adsorption der organischen Säuren an die Ausfällungen, durch die Säureaufnahme der PAO und durch einen Säureabbau in den Aggregaten aufgrund vorteilhafter Milieubedingungen ermöglicht. Aufgrund der besonderen Rolle des Calciums hinsichtlich der Prozessstabilisierung, wurde es auf die Eignung als Parameter zur Prozesssteuerung untersucht. Hierbei stellte sich heraus, dass der Quotient aus der Konzentration an organischen Säuren zur Calciumkonzentration (FWI) sensitiver hinsichtlich einer Prozessstörung war als die untersuchten typischen Prozessüberwachungsparameter. Experimentelle Untersuchungen zeigten, dass der FWI zwischen 3 und 7 Tagen vor dem Eintreten einer Übersäuerung durch signifikante Änderungen in seinem Verlauf warnte. Dieser Zeitraum war für die Einleitung von Maßnahmen zur Stabilisierung des Biogasprozesses ausreichend. Zur Steigerung der Raum-Zeit-Ausbeute wurde die Raumbelastung über den FWI gesteuert erhöht. Hierbei stellte sich heraus, dass ein Zeitintervall von 8 Tagen zwischen zwei Erhöhungen der Substratfracht nicht unterschritten werden sollte. Der Betrieb bei Raumbelastungen von 6,0 und 9,5 kg oTS m-3 d-1 mit Fettanteilen von bis zu 87 % und bei Methanausbeuten von 0,9 m³ (kg oTS)-1 war mit dem Einsatz von CaO als Additiv erfolgreich. As a contribution to the optimization of co-digestion, investigations to increase the space-time-yield of digesters were accomplished. The aim was to develop an early warning indicator in terms of over-acidification to control the process of biogas formation. Different counter measures were undertaken to stabilize the process of biogas formation, including the reduction of the organic loading rate, the addition of sodium hydroxide (NaOH), and the introduction of calcium oxide (CaO). The results showed that CaO was more capable of stabilizing the process than NaOH. The formation of aggregates was observed particularly when CaO was used as the additive. The cal-cium, which was charged by the CaO addition, formed insoluble salts with long chain fatty acids (LCFAs), and caused the precipitation of calcium phosphate compounds. Additionally, the decrease in the amount of accumulated acids in the liquid phase was likely enabled by the adsorption of VFAs by the precipitates, the acid uptake by the PAOs and the degradation of VFAs in the aggregates containing favorable milieu conditions. Due to the special role of calcium in terms of process stabilization, its applicability as control parameter was investigated. The ratio of the concentration of organic acids to the calcium concentration (EWI) was found to be more sensitive in terms of process failures than the investigated typical monitoring parameters. The EWI warned be-tween 3 to 7 days before a process failure took place. Experiments showed that this period was long enough to take action successfully in counter measures to stabilize the process. The EWI was applied to increase the organic loading rate (OLR). The experiments showed that a time interval of 8 days between two increases of the OLR was found to be adequate. At OLRs of 6.0 and 9.5 kg VS m-3 d-1 including up to 87 % of fat, the operation of the biogas formation process with additions of CaO was successful. Although the OLR was as high, the methane yield reached almost its expected range with 0.9 m³ (kg VS)-1.