Hohenheim, Univ., Diss., 2002.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Berlin.

In den Pflanzenzellwänden befindliche Polysaccharide stehen dem Prozess nur bedingt als Energiequelle zur Verfügung, da diese in einem Komplex mit Lignin verknüpft sind. Um diese Substanzen für den Biogasprozess verfügbar zu machen und demnach den Substratumsatz bzw. die Prozesseffizienz zu erhöhen, sind geeignete Stoffe oder Techniken einzusetzen bzw. zu entwickeln. In dieser Arbeit wurde zielführend der Einsatz von unterschiedlichen Enzympräparaten in drei verschiedenen Prozessstufen bei ausgewählten Energiepflanzen mit variierender Häcksellänge untersucht. Anhand von Enzymaktivitätsbestimmungen konnten Enzympräparate für die einzelnen Stufen selektiert werden. Die ausgewählten Enzyme wurden einzeln oder in Mischung während der Silierung, direkt vor dem Biogasprozess sowie während des Biogasprozesses zum Substrat dotiert und dieses nach der jeweiligen Vorbehandlung in Batch-Gärtests vergoren. Neben der Biogas- und Methanausbeute wurde zur Bewertung der Enzymleistung der Abbau an Lignocellulose sowie die Freisetzung an niedermolekularen Kohlenhydraten ermittelt. Zusätzlich wurde das Quellen der Lignocellulose mit Hilfe eines Wasserzusatzes in Form einer Vorhydrolyse als Vorbehandlungsmethode mit allgemein positivem Ergebnis geprüft. Das Ziel der verbesserten Substratumsetzung bei Mais und Roggen und folglich einer Erhöhung der Biogasproduktion wurde durch den Zusatz ausgewählter Enzympräparate erreicht. Es konnten Grundlagen bezüglich der Wirkung von Enzymen in Biogasprozessen geschaffen werden, anhand derer deutlich wurde, dass besonders die enzymatische Behandlung in den der Methanisierung vorgelagerten Prozessstufen weiterzuentwickeln ist. / Polysaccharides of plant cell walls are of limited digestibility due to their cross-linking to lignin. In order to make the molecules available for the biogas process and thus increase the substrate utilization and process efficiency appropriate substances or techniques are needed. It was therefore the aim of this work to investigate the effects of different enzyme preparations in three digestion process stages. Selected energy plants with varying degrees of particle sizes (chopping lengths) were used as digester feedstock. Enzyme preparations for the different process stages were chosen by enzyme assays. The selected enzymes were added to the feedstock during the ensiling, directly before the biogas process or during the biogas process separate or in mixtures. Pre-treated substrates were subsequently digested in batch fermentation tests. Beside the biogas and methane yield the degradation degree of lignocellulose and the release of low molecular carbohydrates were investigated for evaluating the enzyme performance. Additionally, the swelling of lignocellulose caused by addition of water in a pre-hydrolysis process was examined as a method of pre-treatment, with generally positive results. The aim of an improved substrate conversion of maize and rye and thus an enhanced biogas production by enzymatic pretreatments was achieved. Scientific fundamentals regarding the impact of enzymes on biogas processes were established. Enzymatic pretreatments in process steps before methanation showed potential for further developments.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Betrachtung der regionalen Klimawandelfolgen auf die landwirtschaftlichen Erträge des agrarintensiven Landes Niedersachsen. Zu diesem Zweck wurde das neuentwickelte robuste Pflanzenmodell BioStar herangezogen um mittels hochaufgelösten (100 × 100 m) Wettreg Klimadaten des 21. Jahrhunderts die Entwicklung der Biomasseerträge von vier Wintergetreiden (Weizen, Gerste, Roggen & Triticale), drei Maissorten (differenziert nach Reifezeitpunkt) und drei weiterer Feldfrüchte (Sonnenblume, Sorghum & Sommerweizen) zu modellieren. Bei dem Pflanzenmodell BioStar handelt es sich um ein kohlenstoffbasiertes Pflanzenmodell, mit dem anhand von Eingangsklimadaten (Niederschlagshöhe, Temperatur, Globalstrahlung, Luftfeuchte und Windgeschwindigkeit) und dem verfügbaren Bodenwasser (Feldkapazität) der Ertragszuwachs im Verlauf der Vegetationsperiode simuliert wird. Das Modell eignet sich für die Thematik insbesondere auch deshalb, da es an der Universität Göttingen entwickelt und auf Niedersächsischen Standorten validiert wurde. Die zur Modellierung benötigten Bodenparameter wurden der Niedersächsischen BÜK50n entnommen. Dabei kamen nur Flächen zur Anwendung, die nach der Corine Landbedeckungserhebung von 2005 zu den landwirtschaftlich genutzten Flächen in Niedersachsen zählen. Die mittlere Größe dieser gut 90.000 Flächen liegt damit um 33 ha. Die Entwicklung wird unter Berücksichtigung des IPCC Szenarios A1B sowie des CO2-Düngeeffekts bis zum Ende des Jahrhunderts pflanzenabhängig stagnierend bis deutlich positiv verlaufen, wovon allerdings nicht alle Regionen in gleicher Weise profitieren können. Insgesamt verschieben sich die landwirtschaftlichen Gunstgebiete weiter nach Westen — was aber durch die bessere Entwicklung des Westens und nicht in einer negativen Entwicklung der östlichen Flächen begründet ist. Das Ostbraunschweigische Hügelland ist meist unter den Regionen mit der besten Entwicklung, kann im absoluten Vergleich aber nie zu den guten landwirtschaftlichen Standorten aufschließen. Größter Verlierer wird den Ergebnissen nach das südliche Hügelland sein, das über die kommenden Jahrzehnte zusehends schlechtere Voraussetzungen für den Pflanzenanbau bietet. Die gesamte Entwicklung wird dabei aber erst ab etwa der Jahrhunderthälfte einsetzen, vorher lassen sich für den Großteil der Pflanzen kaum Veränderungen konstatieren. In den kommenden 20 Jahren zeigt nur die Gerste deutliche Anzeichen eines Ertragszuwachses und mittelreifender Mais eines Ertragsrückgangs. Bis 2099 kehrt sich dieser Trend dann wieder um. Eigentlich alle Feldfrüchte zeigen spätestens zum Jahrhundertende eine positive Entwicklungstendenz, wenn Winterweizen, Winterroggen und Wintertriticale auch nur vergleichsweise schwach. Die beiden hauptausschlaggebenden Entwicklungsfaktoren werden in Zukunft zum einen die atmosphärische CO2-Konzentration sein, über deren Düngeeffekt die Erträge positiv beeinfluss werden. Ihr stehen die abnehmenden Sommerniederschläge gegenüber, die sich deutlich negativ auf die Erträge auswirken. Vieles wird in Zukunft davon abhängen, inwieweit diese Niederschläge tatsächlich zurückgehen werden und wie stark der CO2-Düngeeffekt tatsächlich ausfallen wird. Ungeachtet dessen werden sich aber die Wintergerste und der Sommerweizen dennoch tendenziell positiv entwickeln können, da beider Entwicklung relativ unabhängig von den CO2- Konzentrationen verläuft, wobei die Gerste zusätzlich weniger anfällig auf sinkende Sommerniederschläge reagiert. Interessant wird auch die Entwicklung des Maises werden. Im Gegensatz zu anderen Studien die nur mit „Mais“ modellieren, wurde hier auf früh-, mittel- und spätreifende Sorten zurückgegriffen. Die unterschiedlichen Sorten besitzen über das Jahrhundert deutlich größere Unterschiede als etwa die Arten Weizen, Roggen und Triticale. Während mittelreifender Mais die schlechtesten Aussichten, eigentlich unter allen behandelten Pflanzen, besitzt, wird spätreifender Mais mit den deutlichsten Ertragszuwächsen im kommenden Jahrhundert rechnen können.