Der Ausbau von erneuerbaren Energien hat seit 2000, durch die Einführung des Erneuerbaren Energien Gesetzes, auch im Bereich Biomasse zu einem stetigen Ausbau von Biogasanlagen geführt. Seit ca. 2014 stagniert der Ausbau, aufgrund einer Neuauflage des EEGs, in dem einige Subventionierungen wegfallen. Aus diesem Grund liegt der Fokus momentan u.a. auf der Optimierung von Biogasanlagen und der Minimierung von Störungen (Über- oder Unterfütterung, Temperaturschwankungen, Rührwerksausfall, etc.). Eines dieser Störfaktoren ist der Mangel von Spurenelementen, der häufig beim Einsatz von nachwachsenden Rohstoffen auftritt. Häufig führt dieser Mangel zu einem niedrigen pH-Wert, einem hohem FOS/TAC Verhältnis sowie einer reduzierten Methanausbeute. Bleibt solch ein Mangel unentdeckt, kann es zu einem vollständigen Prozessabsturz innerhalb der Biogasanlage kommen. Die mathematische Beschreibung von anaeroben Prozessen erfolgt bereits seit ca. 40 Jahren und bildet den Biogasprozess mittlerweile sehr gut ab, sodass auf einige Störfaktoren rückgeschlossen werden kann. Durch eine Vielzahl existierender Modelle hat die IWA Task Group ein allgemeingültiges Modell zum anaeroben Abbau entwickelt, das Anaerobic Digestion Model No. 1 (Batstone et al. 2002). Aufbauend auf dem ADM1 sind weitere Modell-erweiterungen entwickelt worden. Eine Übersicht über diese Modelle ist in (Donoso-Bravo et al. 2011) zu finden. Bisher gibt es allerdings noch keinen Modellansatz zur Beschreibung der Spurenelemente innerhalb des ADM1 bzw. dessen Erweiterungen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss der Spurenelemente auf den Biogasprozess, insbesondere im Falle einer Mangelsituation. Dabei gab es zwei Hauptziele. Das erste Hauptziel der vorliegenden Arbeit war eine mathematische Beschreibung der Umwandlungsprozesse von Spurenelemente sowie deren unterschiedliche Bindungsformen bereitzustellen. Diese Beschreibung sollte als Modellerweiterung an ein vorhandenes Modell zum anaeroben Abbau angebunden werden. Mit Hilfe dieses Modells sollte sowohl der Konzentrationsverlauf als auch die durch die Spurenelemente verursachten Auswirkungen auf den Biogasprozess abgebildet werden. Das zweite Hauptziel war die Validierung des Modells durch parallel durchgeführte Laborversuche an Reaktoren zur Untersuchung des Spurenelementmangels. Mit Hilfe der Laborversuche sind die Auswirkungen eines Spurenelementmangels nachgewiesen worden. Dabei zeigte sich nach ca. 3 Monaten Laufzeit ein reduzierter pH-Wert, ein ansteigendes FOS/TAC Verhältnis sowie eine verzögerte Biogasproduktion. Ein vollständig stabiler Prozess hat sich erst durch die Zugabe aller Spurenelemente wieder eingestellt. Gleichzeitig hat die erneute Zugabe der Spurenelemente in die Testreihen nach dem Mangel zu einer starken Schaumbildung geführt. Die mathematische Beschreibung der Umwandlungsprozesse von Spurenelemente erfolgt als eigenständiges Modell und kann an beliebige Modellansätze integriert werden. In der Arbeit ist dafür das ADM1da ausgewählt worden, um eine Beschreibung der anaeroben Prozesse zu integrieren. Gleichzeitig beinhaltet das ADM1da die Beschreibung von Mischsubstraten, sodass mit dem entwickelten Modellansatz zu jedem Substrat die spezifische Spurenelementkonzentration angegeben werden kann. Das neu entwickelte Modell beinhaltet drei wesentliche Schritte: (1) den Abbau des Substrates, indem die Spurenelemente gebunden sind, (2) die Freisetzung der Spurenelemente in den Gärschlamm und (3) die Umwandlung der einzelnen Spurenelement-Bindungsformen untereinander. Dabei sind in dem Modellansatz vier Fraktionen bezüglich der Spurenelemente integriert: (a) freie (bioverfügbare) bzw. leicht gebundene Ionen, (b) adsorbierte Ionen, (c) in Biomasse gebundene SE und (d) ausgefällte SE. Die Beschreibung einzelner Reaktionen sowie die Umwandlungen innerhalb der verschiedenen Fraktionen erfolgt über die Petersen-Matrix.:Danksagung I Inhaltsverzeichnis II Abbildungsverzeichnis IV Tabellenverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis XI 1 Einleitung 1 2 Kenntnisstand 4 2.1 Allgemeiner Aufbau Biogasanlagen 4 2.2 Grundlagen des anaeroben Abbaus 6 2.2.1 Biologische und chemische Prozesse 7 2.2.2 Einflussfaktoren 10 2.3 Spurenelemente 14 2.3.1 Bedarf und Folgen auf den Gärprozess 14 2.3.2 Bioverfügbarkeit von Spurenelementen 16 2.3.3 Quellen – Substrate und Zuschlagstoffe 17 2.4 Anaerobmodelle 18 2.4.1 Allgemein 18 2.4.2 ADM1 – mathematische Beschreibung der wichtigsten Prozesse 20 2.4.3 Weiterentwicklungen des ADM1 Modells 22 2.4.4 Verbesserungsmöglichkeiten am ADM1 Modell 24 2.4.5 Modellierung der Spurenelemente 26 3 Wissenschaftliche und experimentelle Methodik 29 3.1 Versuchsanlage 29 3.2 Versuchsdurchführung 31 3.3 Analysemethoden/Messtechnik 35 4 Auswertung und Diskussion der Laborversuche 38 4.1 Substratzugabe 38 4.2 Kontrollreihe 39 4.3 Testreihen mit Mangel an Spurenelementen 45 4.4 Spurenelementkonzentration innerhalb der Reaktoren 60 4.5 Test auf Signifikanz 64 5 Modellierung des Biogasprozesses unter Berücksichtigung der Spurenelemente 70 5.1 Mathematische Beschreibung des entwickelten Modellansatzes 70 5.2 Anknüpfung an das ADM1da 77 5.3 Programmtechnische Umsetzung/Implementierung 79 5.4 Anwendung des Modells anhand einer Biogasanlage 80 5.4.1 Simulation der Biogasanlage 80 5.4.2 Monovergärung von Maissilage 84 5.4.3 Substratmix zur Vermeidung eines Mangels 88 5.5 Anwendung des Modells anhand des Laborreaktors 93 5.5.1 Vergleich der Simulations- und Messdaten der Kontrollreihe 96 5.5.2 Vergleich der Simulations- und Messdaten der Testreihe 103 6 Zusammenfassung 122 7 Literaturverzeichnis 129 8 Anhang 138 8.1 Laborergebnisse Testreihe 138 8.1.1 Biogasmenge 139 8.2 Boxplot 140 8.2.1 Mangelphase 140 8.2.2 Rückführphase 141 8.3 Massenbilanzen 141 8.4 Vergleich Simulation/Messdaten – Kontrollreihe 142 8.4.1 pH-Wert 142 8.4.2 Biogasmenge 143 8.4.3 Methangehalt 143 8.5 Vergleich Simulation/Messung Testreihe 144 8.5.1 Spurenelemente 144 8.5.2 pH-Wert 146 8.5.3 FOS/TAC Verhältnis 147 8.5.4 Biogasmenge 148 8.5.5 Methangehalt 149

ZUSAMMENFASSUNG Milan Drča Seuchenhygienisch-mikrobiologische Untersuchungen an einer mesophil betriebenen Biogasanlage zur Verwertung von Speiseresten in Verbindung mit methodischen Untersuchungen zum Nachweis von Salmonellen und Escherichia coli aus biologischem Material Institut für Tierhygiene und Öffentliches Veterinärwesen der Veterinärmedizinischen Fakultät der Universität Leipzig und Institut für Umwelt- und Tierhygiene sowie Tiermedizin mit Tierklinik der Universität Hohenheim 156 Seiten, 17 Tabellen, 35 Abbildungen, 307 Literaturstellen, 1 Anhang Seuchenhygienisch-mikrobiologische Untersuchungen Es wurden folgende Versuchsvarianten an der Biogasanlage berücksichtigt: Keimträgerversuche während der Hygienisierung, Keimträgerversuche im mesophilen Reaktor und hygienisch-bakteriologische Untersuchungen des Substrates vor und nach der anaeroben Vergärung. Das Ziel der Tenazitätsversuche mit den Keimträgern Typ 1 und Typ 2 während der Pasteurisierung und im mesophilen Reaktor lag darin, nachzuweisen, ob eine sichere Inaktivierung seuchenhygienisch relevanter Bakterien und Viren zu erreichen ist. Es wurden folgende Bakterien und Viren verwendet: Listeria monocytogenes, Yersinia enterocolitica, Salmonella Senftenberg W775 H2S negativ, Escherichia coli, Campylobacter jejuni, Enterococcus faecalis, Felines Calicivirus, ECBO-Virus und Bovines Parvovirus. Zusätzlich zu den Keimträgerversuchen wurde das Substrat vor und nach der anaeroben Behandlung („Input- und Outputkontrolle“) auf seinen Gehalt an Salmonellen, Enterokokken und Gesamtcoliforme sowie Fäkalcoliforme untersucht. Das Ziel der durchgeführten Untersuchungen lag darin, die Effektivität der in der Biogasanlage ablaufenden Prozesse zu überprüfen. Die Ergebnisse der Versuche zur Tenazität der eingebrachten Bakterien während der Hygienisierung zeigten bei allen untersuchten Bakterien eine Inaktivierung bzw. Keimzahlreduktion um mehr als sieben Zehnerpotenzen. Die Ergebnisse der Versuche zur Tenazität der eingebrachten Viren während der Hygienisierung zeigten eine vollständige Inaktivierung von ECBO- und Felinen Caliciviren. Dagegen konnte das Bovine Parvovirus während des gesamten Hygienisierungsprozesses nicht inaktiviert werden. Am Ende der Hygienisierung betrug die Konzentration noch 102,0 (KID50/ml) bei einem Ausgangstiter von 104,50 (KID50/ml). Im mesophilen Reaktor wurden die ermittelten Konzentrationen von Salmonella Senftenberg W775 H2S negativ und Escherichia coli in einer Zeitspanne von 7 d um mehr als acht Zehnerpotenzen reduziert. Enterococcus faecalis erwies sich als wesentlich thermostabileres Testbakterium. Nach 14 d Aufenthaltszeit wurde die ermittelte Ausgangskonzentration von 108 KBE/ml um sechs Zehnerpotenzen reduziert. Die Ergebnisse der hygienisch-bakteriologischen Untersuchungen der Substrate nach der Hygienisierung bzw. die ermittelten Konzentrationen von Gesamtcoliforme, Fäkalcoliforme und Enterokokken zeigten eine Inaktivierung von 5 log 10. In keiner der untersuchten Input- und Outputproben konnten Salmonellen nachgewiesen werden. Untersuchungen zum Nachweis von Salmonellen aus biologischem Material Ziel der vorliegenden Untersuchungen war es, die entsprechenden vier CEN-Nachweismethoden für Salmonellen mit den Substraten Klärschlamm-, Gülle und Erde zu erproben, um deren Eignung für die Praxis beurteilen zu können. Es wurden artifiziell kontaminierte Proben untersucht. Als Testbakterien diente Salmonella Senftenberg. Alle drei verwendeten Salmonella-Konzentrationen (101, 102 und 103 KBE/ml) konnten durch die Methode 2 (MPN-Verfahren) und Methode 3 (Filtrationsmethode) bei allen drei beimpften Substraten wiedergewonnen werden. Der qualitative Nachweis von Salmonella Senftenberg (Methode 4) konnte ebenfalls bei allen untersuchten Proben erbracht werden. Ein Vergleich der beiden Methoden 1 und 2, die jeweils der Ermittlung der wahrscheinlichsten Keimzahl dienen, zeigte die Ungenauigkeit der Methode 1. Das angewandte MPN-Verfahren der Methode 1 lieferte bei allen untersuchten Substraten, die mit einer Konzentration von 102 und 103 KBE/ml beimpft waren, einen ungenauen Wert von >2,4 x 102 KBE/ml. Aufgrund der angewandten Nachweisverfahren sowie der gewonnenen Ergebnisse (mit Ausnahme der Methode 1) konnte festgestellt werden, dass die vorgeschlagenen Entwürfe zum Nachweis von Salmonellen für alle drei untersuchten Substrate geeignet sind. Untersuchungen zum Nachweis von Escherichia coli aus biologischem Material 120 natürlich kontaminierte Gülle-, Klärschlamm-, Speiserest- und Bioabfallproben wurden mittels zweier quantitativen MPN- Nachweismethoden (Makro- und Mikromethode) untersucht. Die gewonnenen Maximal- und Medianwerte der Makromethode lagen bei allen untersuchten Substraten durchschnittlich zwischen einer halben und einer Zehnerpotenz höher als bei der Mikromethode. Eine Ausnahme stellten allerdings die Medianwerte der untersuchten Gülleproben und die Maximalwerte der untersuchten Speiseabfallproben dar. Hierbei zeigten die beiden Methoden vergleichbare Werte. Aufgrund der Ergebnisse und der Tatsache, dass die Makromethode drei biochemische Eigenschaften von Escherichia coli umfasst, und damit eine sicherere Identifizierung von Escherichia coli gewährleistet, empfiehlt sich daher, bei Untersuchungen von biologischem Material die Makromethode anzuwenden.

Der vorliegende Bericht fasst abschließend die Ergebnisse des Forschungsvorhabens 'Potenziale zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von Biogasanlagen - Energetische Effizienz von Repoweringmaßnahmen' zusammen. Das Vorhaben wurde im Zeitraum vom 1. Januar 2014 bis 30. April 2016 durchgeführt und durch die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe (FNR) gefördert (FKZ: 22400912).

In den drei Standorthauptgruppen Sachsens wurden in den Jahren 2011 und 2012 Anbauversuche zur Ertragsprüfung von Hybridroggen als Ganzpflanze (GPS) im Vergleich zu Mais durchgeführt. Es wurden vier Erntetermine gewählt. Weil Roggen innerhalb weniger Tage nach dem optimalen Erntetermin zur Biogasproduktion schwer verdauliche Ligninstrukturen inkrustiert, nimmt die Methanausbeute mit zunehmendem Reifegrad ab. Um Mikroorganismen im Fermenter auch stärker verholzte Pflanzenteile zugänglich zu machen, hat die Firma LEHMANN Maschinenbau GmbH (Pöhl) ein mechanisch-thermisches Aufschlussverfahren unter dem Namen Bioextrusion entwickelt. Durch Aufspaltung der silierten Hybridroggen-Proben konnten die Methanausbeuten im Durchschnitt aller Erntetermine und Versuchsstandorte um 13 % gesteigert werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene zweiphasige Vergärungssysteme hinsichtlich der mikrobiellen Biomasse und Abbauaktivität charakterisiert, mit dem Ziel, eine mikrobiologische Prozessüberwachung zu ermöglichen. Bei der analytischen Begleitung des Biogasprozesses stellte sich heraus, dass viele Biomasse- und Aktivitätsparameter anlagen- bzw. substratspezifische Werte aufweisen und Prozessstörungen bzw. Verfahrensmodifikationen über diese mikrobiologischen Kenngrößen detektiert und verifiziert werden können. Im Normalbetrieb der Vergärung von Maissilage konnte in der Hydrolysestufe eine starke Vermehrung der mikrobiellen Gesamtzellzahl sowie eine Zunahme des Archaea:Bacteria-Verhältnisses verzeichnet werden. Die Aktivitätsprofile von Hydrolasen (unspezifische Esterase, Polysaccharasen und Proteasen) erlaubten eine Visualisierung des Hydrolysefortschritts. Hierbei erwiesen sich die Esterase-, Cellulase- und Xylanaseaktivität als besonders aussagekräftig. Ähnlich ermöglichte dies die Analyse der Atmungsaktivität, die die mikrobielle Abbauaktivität des Eingangs- bzw. das Restgaspotential des Ausgangsmaterials der Hydrolysestufe wiedergibt. Die phylogenetischen Analysen der ersten Prozessstufe zeigten eine klare Dominanz von cellulolytischen Bakterien der Gattung Clostridium (Ø 35%). Der Anteil der hydrogenotrophen Methanogenen lag in den untersuchten Systemen etwa 50% über dem der Acetoklastischen, was darauf schließen lässt, dass der hydrogenotrophe Methanbildungsweg favorisiert wird. Es wurde aber auch eine erhöhte Abundanz der nicht-methanogenen Crenarchaeota festgestellt, deren Rolle im Biogasprozess noch ungeklärt ist. Im Zuge dieser Arbeit wurde weiterhin die Vergärbarkeit von HCH-belasteter Grassilage bzw. ein potentieller mikrobieller β-HCH-Abbau untersucht. Hier konnte gezeigt werden, dass die Aktivität der Mikroorganismen durch die Schadstoffbelastung des Substrates nicht inhibiert war. Darüber hinaus konnte ein Abbau des β-HCH nach der Hydrolyse der Grassilage nachgewiesen werden. Durch das Auftreten von Prozessstörungen bzw. Verfahrensmodifikationen konnten die Auswirkungen auf die untersuchten mikrobiologischen Kenngrößen näher untersucht und u. a. auch statistisch abgesichert verifiziert werden. Korrelationsanalysen verdeutlichten die mikrobiellen bzw. biochemischen Zusammenhänge im System. Besonders interessant sind dabei die signifikanten Korrelationen zwischen der Gesamtzellzahl, der Esteraseaktivität und dem Chemischen Sauerstoffbedarf, die für jede Verfahrensstufe nachgewiesen werden konnten. Diese Analysen zeigten erstmalig, dass die unspezifische Esteraseaktivität als allgemeiner mikrobieller Aktivitätsparameter in verschiedenen Prozessstufen von Biogasanlagen als Indikator zur Prozesseffizienz und -stabilität einsetzbar ist. Daher wurde die Methodik als Schnelltest weiterentwickelt, der auch vor Ort Anwendung finden kann. Dies ermöglicht eine direkte Analyse des Biogassubstrates, der Effizienz der Substratumsetzung sowie die Detektion von Störungen und eine entsprechende Steuerung und Regelung des Prozesses.

Die im Biogasprozess anfallenden Gärreste werden oftmals als Wirtschaftsdünger verwendet. Krankheitserreger, die sich in den Gärresten befinden können über die Düngung in die Lebensmittelkette gelangen. Die Möglichkeit einer Vermehrung von Bakterien in den Biogasanlagen sowie deren Ausbreitung schürt die Bedenken der Öffentlichkeit. Das Ziel dieser Arbeit war es, Nachweismethoden für die Untersuchung von Proben aus Biogasanlagen zu etablieren, die Praxistauglichkeit dieser anhand von Proben aus Biogasanlagen zu überprüfen und die mikrobielle Belastung dieser Proben hinsichtlich ausgewählter Indikatorkeime zu erfassen. Bei den Indikatorkeimen handelte es sich um Clostridium perfringens, Clostridium botulinum, Enterokokken, Escherichia coli, ESBL-bildende Enterobaceriaceae und Salmonellen. Für die Etablierung der bakteriologischen Nachweismethoden wurde autoklavierter Gärrest mit einer definierten Keimmenge beimpft und auf verschiedene Nährmedien aufgebracht. Diese wurden bebrütet, ausgezählt und die KbE/ml berechnet. Mittels Probitanalyse wurde für jedes Medium die untere Grenze für den Nachweis aus beimpftem Gärrest bestimmt. Bei den Nährmedien handelte es sich um Brilliance™ Salmonella Agar, XLT4 Agar und XLD Agar für den Nachweis von Salmonella spp. Für E. coli wurden Tergitol 7 Lactose TCC Agar und Brilliance™ E. coli/Coliform Selektiv Agar verwendet. Der Nachweis von Enterokokken erfolgte mittels Slanetz Bartley Agar und Enterococcus Selektivagar. Für die ESBL-bildenden Enterobacteriaceae wurde der Brilliance™ ESBL Agar eingesetzt. Die getesteten Nährmedien zum Nachweis von C. perfringens waren Membran Clostridium Perfringens (mCP) Selektivnährboden sowie Tryptose Sulphite Cycloserine (TSC) Agar überschichtet mit TSC Agarbasis. Für C. botulinum erfolgte der Nachweis auf Eigelb Laktose Agar. Darüber hinaus wurde eine PCR zur C. perfringens Toxintyp-Bestimmung nach dem Protokoll von VAN ASTEN et al. (2009) etabliert. Zum Nachweis von C. botulinum wurde die PCR nach dem Protokoll von HILL et al. (2010) eingesetzt. Bei der Untersuchung der Praxistauglichkeit wurden Proben aus zehn Biogasanlagen des Freistaates Sachsen entnommen und untersucht. Hierbei handelte es sich um Proben aus Abschnitten vor, während und nach der Fermentation. Anhand der ermittelten Nachweisgrenze sowie der Handhabung wurden die folgenden Nährmedien für die Untersuchung der Biogasanlagen-Proben ausgewählt: Brilliance™ Salmonella Agar, XLT4 Agar, Brilliance™ E. coli/Coliform Selektiv Agar, Slanetz Bartley Agar, Brilliance™ ESBL Agar, TSC Agar überschichtet mit TSC Agarbasis und Eigelb Laktose Agar. Für die Anzucht anaerober Bakterien wurden die Proben vor der Beimpfung der Agarplatten erhitzt. Zudem erfolgte eine Anreicherung des zuvor erhitzten Probenmaterials in TPYG Bouillon. Diese wurde genutzt, um daraus aufgereinigte DNA mittels PCR auf C. botulinum und C. perfringens zu untersuchen. Die verwendeten Nährmedien wurden im Praxistest positiv evaluiert. Die Ergebnisse für die Proben aus den Biogasanlagen zeigten, dass, mit Ausnahme von C. perfringens, alle Indikatororganismen während des Biogasprozesses einer Reduktion unterlagen. Die durchschnittliche anaerobe Lebendkeimzahl belief sich auf 107 bis 108 KbE/g Probe. E. coli erfuhr eine Reduktion um bis zu vier Zehnerpotenzen. Enterokokken wurden um 1 bis 2 log10 Stufen reduziert. ESBL-bildende Enterobacteriaceae konnten in sechs der zehn Biogasanlagen nachgewiesen werden. Hierbei handelte es sich überwiegend um E. coli und Klebsiella spp. In keiner der Proben konnten Salmonellen oder C. botulinum nachgewiesen werden. Typ A war der am häufigsten nachgewiesene C. perfringens-Toxintyp. Das β2-Toxin-Gen wurde in 20 Fällen nachgewiesen. Einmal konnte C. perfringens Typ C, β2-Toxin-Gen-positiv detektiert werden. Der hygienische Status der Gärreste entsprach in etwa dem hygienischen Status von Gülle. In Abhängigkeit vom Indikatorkeim war eine Verbesserung des Status durch eine Reduktion der Keimzahl festzustellen.

Die im Biogasprozess anfallenden Gärreste werden oftmals als Wirtschaftsdünger verwendet. Krankheitserreger, die sich in den Gärresten befinden können über die Düngung in die Lebensmittelkette gelangen. Die Möglichkeit einer Vermehrung von Bakterien in den Biogasanlagen sowie deren Ausbreitung schürt die Bedenken der Öffentlichkeit. Das Ziel dieser Arbeit war es, Nachweismethoden für die Untersuchung von Proben aus Biogasanlagen zu etablieren, die Praxistauglichkeit dieser anhand von Proben aus Biogasanlagen zu überprüfen und die mikrobielle Belastung dieser Proben hinsichtlich ausgewählter Indikatorkeime zu erfassen. Bei den Indikatorkeimen handelte es sich um Clostridium perfringens, Clostridium botulinum, Enterokokken, Escherichia coli, ESBL-bildende Enterobaceriaceae und Salmonellen. Für die Etablierung der bakteriologischen Nachweismethoden wurde autoklavierter Gärrest mit einer definierten Keimmenge beimpft und auf verschiedene Nährmedien aufgebracht. Diese wurden bebrütet, ausgezählt und die KbE/ml berechnet. Mittels Probitanalyse wurde für jedes Medium die untere Grenze für den Nachweis aus beimpftem Gärrest bestimmt. Bei den Nährmedien handelte es sich um Brilliance™ Salmonella Agar, XLT4 Agar und XLD Agar für den Nachweis von Salmonella spp. Für E. coli wurden Tergitol 7 Lactose TCC Agar und Brilliance™ E. coli/Coliform Selektiv Agar verwendet. Der Nachweis von Enterokokken erfolgte mittels Slanetz Bartley Agar und Enterococcus Selektivagar. Für die ESBL-bildenden Enterobacteriaceae wurde der Brilliance™ ESBL Agar eingesetzt. Die getesteten Nährmedien zum Nachweis von C. perfringens waren Membran Clostridium Perfringens (mCP) Selektivnährboden sowie Tryptose Sulphite Cycloserine (TSC) Agar überschichtet mit TSC Agarbasis. Für C. botulinum erfolgte der Nachweis auf Eigelb Laktose Agar. Darüber hinaus wurde eine PCR zur C. perfringens Toxintyp-Bestimmung nach dem Protokoll von VAN ASTEN et al. (2009) etabliert. Zum Nachweis von C. botulinum wurde die PCR nach dem Protokoll von HILL et al. (2010) eingesetzt. Bei der Untersuchung der Praxistauglichkeit wurden Proben aus zehn Biogasanlagen des Freistaates Sachsen entnommen und untersucht. Hierbei handelte es sich um Proben aus Abschnitten vor, während und nach der Fermentation. Anhand der ermittelten Nachweisgrenze sowie der Handhabung wurden die folgenden Nährmedien für die Untersuchung der Biogasanlagen-Proben ausgewählt: Brilliance™ Salmonella Agar, XLT4 Agar, Brilliance™ E. coli/Coliform Selektiv Agar, Slanetz Bartley Agar, Brilliance™ ESBL Agar, TSC Agar überschichtet mit TSC Agarbasis und Eigelb Laktose Agar. Für die Anzucht anaerober Bakterien wurden die Proben vor der Beimpfung der Agarplatten erhitzt. Zudem erfolgte eine Anreicherung des zuvor erhitzten Probenmaterials in TPYG Bouillon. Diese wurde genutzt, um daraus aufgereinigte DNA mittels PCR auf C. botulinum und C. perfringens zu untersuchen. Die verwendeten Nährmedien wurden im Praxistest positiv evaluiert. Die Ergebnisse für die Proben aus den Biogasanlagen zeigten, dass, mit Ausnahme von C. perfringens, alle Indikatororganismen während des Biogasprozesses einer Reduktion unterlagen. Die durchschnittliche anaerobe Lebendkeimzahl belief sich auf 107 bis 108 KbE/g Probe. E. coli erfuhr eine Reduktion um bis zu vier Zehnerpotenzen. Enterokokken wurden um 1 bis 2 log10 Stufen reduziert. ESBL-bildende Enterobacteriaceae konnten in sechs der zehn Biogasanlagen nachgewiesen werden. Hierbei handelte es sich überwiegend um E. coli und Klebsiella spp. In keiner der Proben konnten Salmonellen oder C. botulinum nachgewiesen werden. Typ A war der am häufigsten nachgewiesene C. perfringens-Toxintyp. Das β2-Toxin-Gen wurde in 20 Fällen nachgewiesen. Einmal konnte C. perfringens Typ C, β2-Toxin-Gen-positiv detektiert werden. Der hygienische Status der Gärreste entsprach in etwa dem hygienischen Status von Gülle. In Abhängigkeit vom Indikatorkeim war eine Verbesserung des Status durch eine Reduktion der Keimzahl festzustellen.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene zweiphasige Vergärungssysteme hinsichtlich der mikrobiellen Biomasse und Abbauaktivität charakterisiert, mit dem Ziel, eine mikrobiologische Prozessüberwachung zu ermöglichen. Bei der analytischen Begleitung des Biogasprozesses stellte sich heraus, dass viele Biomasse- und Aktivitätsparameter anlagen- bzw. substratspezifische Werte aufweisen und Prozessstörungen bzw. Verfahrensmodifikationen über diese mikrobiologischen Kenngrößen detektiert und verifiziert werden können. Im Normalbetrieb der Vergärung von Maissilage konnte in der Hydrolysestufe eine starke Vermehrung der mikrobiellen Gesamtzellzahl sowie eine Zunahme des Archaea:Bacteria-Verhältnisses verzeichnet werden. Die Aktivitätsprofile von Hydrolasen (unspezifische Esterase, Polysaccharasen und Proteasen) erlaubten eine Visualisierung des Hydrolysefortschritts. Hierbei erwiesen sich die Esterase-, Cellulase- und Xylanaseaktivität als besonders aussagekräftig. Ähnlich ermöglichte dies die Analyse der Atmungsaktivität, die die mikrobielle Abbauaktivität des Eingangs- bzw. das Restgaspotential des Ausgangsmaterials der Hydrolysestufe wiedergibt. Die phylogenetischen Analysen der ersten Prozessstufe zeigten eine klare Dominanz von cellulolytischen Bakterien der Gattung Clostridium (Ø 35%). Der Anteil der hydrogenotrophen Methanogenen lag in den untersuchten Systemen etwa 50% über dem der Acetoklastischen, was darauf schließen lässt, dass der hydrogenotrophe Methanbildungsweg favorisiert wird. Es wurde aber auch eine erhöhte Abundanz der nicht-methanogenen Crenarchaeota festgestellt, deren Rolle im Biogasprozess noch ungeklärt ist. Im Zuge dieser Arbeit wurde weiterhin die Vergärbarkeit von HCH-belasteter Grassilage bzw. ein potentieller mikrobieller β-HCH-Abbau untersucht. Hier konnte gezeigt werden, dass die Aktivität der Mikroorganismen durch die Schadstoffbelastung des Substrates nicht inhibiert war. Darüber hinaus konnte ein Abbau des β-HCH nach der Hydrolyse der Grassilage nachgewiesen werden. Durch das Auftreten von Prozessstörungen bzw. Verfahrensmodifikationen konnten die Auswirkungen auf die untersuchten mikrobiologischen Kenngrößen näher untersucht und u. a. auch statistisch abgesichert verifiziert werden. Korrelationsanalysen verdeutlichten die mikrobiellen bzw. biochemischen Zusammenhänge im System. Besonders interessant sind dabei die signifikanten Korrelationen zwischen der Gesamtzellzahl, der Esteraseaktivität und dem Chemischen Sauerstoffbedarf, die für jede Verfahrensstufe nachgewiesen werden konnten. Diese Analysen zeigten erstmalig, dass die unspezifische Esteraseaktivität als allgemeiner mikrobieller Aktivitätsparameter in verschiedenen Prozessstufen von Biogasanlagen als Indikator zur Prozesseffizienz und -stabilität einsetzbar ist. Daher wurde die Methodik als Schnelltest weiterentwickelt, der auch vor Ort Anwendung finden kann. Dies ermöglicht eine direkte Analyse des Biogassubstrates, der Effizienz der Substratumsetzung sowie die Detektion von Störungen und eine entsprechende Steuerung und Regelung des Prozesses.

No description available.