Bereich Biochemische Konversion
Der Bereich Biochemische Konversion konzentriert sich auf die Forschung zur Herstellung von Energieträgern aus Biomasse unter der Beteiligung von Mikroorganismen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Technologie zur Biogasgewinnung und –nutzung.
Eine technisch optimierte biochemische Konversion ist mit vielfältigen Herausforderungen verbunden. So sind gleichermaßen technische, biologische und chemische, wie auch logistische, rechtliche, ökologische und ökonomische Fragestellungen zu berücksichtigen. Dabei ist die Erhöhung der Effizienz des Gesamtprozesses in Kombination mit einer Kostensenkung eines der wesentlichen Ziele der Forschungen. Ebenso werden die sich aus der zunehmenden Flexibilisierung des Betriebes von Biogasanlagen ergebenen Forschungsthemen – insbesondere die neuen Anforderungen an die Technik und die Prozesskontrolle – bearbeitet. Außerdem befasst sich der Bereich mit der effizienten Nutzung der Stoffströme, der Schließung von Nährstoffkreisläufen und begleitet die Demonstration neuer und verbesserter Anlagen und Komponenten.
Alle Aktivitäten laufen vor dem Hintergrund einer umfassenden Evaluierung des Marktes und des Standes der Technik ab, die durch die Beteiligung an verschiedenen Monitoringvorhaben gewährleistet ist. Im Rahmen der intensiven Kooperation mit dem Helmholtz Zentrum für Umweltforschung - UFZ werden zudem vielfältige Fragestellungen hinsichtlich der Eigenschaften der beteiligten Mikroorganismen und deren Populationsdynamik beantwortet.
Der im Bereich angesiedelte Forschungsschwerpunkt "Anaerobe Verfahren" beschäftigt sich mit ausgewählten Themen aus dem Bereich Biogas.
Die Arbeitsgruppen des Bereiches
Die Arbeitsgruppe Charakterisierung und Entwicklung anaerober Prozesse arbeitet an der Analyse und Optimierung der für die biochemische Konversion relevanten Stoffströme. Dies beinhaltet sowohl Substrate, die in Konversionsanlagen genutzt werden als auch Teilströme, die als Nebenprodukte aus den Konversionsanlagen anfallen. Beispielsweise sind dies Abfälle oder nachwachsende Rohstoffe für die Anlagen und Gärreste aus Biogasanlagen oder Schlempen aus der alkoholischen Gärung, die ggf. nach einer Behandlung einer weiteren Nutzung zugeführt werden.
Fokusthemen der Arbeitsgruppe:
- Substrat- und Prozesscharakterisierung
- Desintegration
- Additive
- Verfahrensentwicklung
Ansprechpartner:
Dr. Nils Engler
Tel.: +49 (0)341 2434-389
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Aufgrund der immer höheren Anforderungen an Effizienz und Nachhaltigkeit der Technologien zur biochemischen Konversion erfolgt in der Arbeitsgruppe "Systemoptimierung" die Forschung und Entwicklung zur Verbesserung der Umweltauswirkungen.
Fokusthemen der Arbeitsgruppe:
- Systemoptimierung und -integration
- Emissionssituation und -messungen
- Wirtschaftlichkeitsbewertung Biogas/ Biomethan
- Monitoring/ Anlagendatenbank Biogas/ Biomethan
- Politikberatung
Ansprechpartnerin:
Dipl.- Umweltwiss. Jaqueline Daniel-Gromke (Arbeitsgruppenleiterin)
Tel.: +49 (0)341 2434-441
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Die anaerobe Vergärung von Rest- und Abfallstoffen sowie nachhaltig erzeugter Anbaubiomasse ist ein wichtiger Bestandteil einer zirkulären Bioökonomie. Allerdings wird das vielfältige Substrat- und Produktspektrum mit der derzeitigen Erzeugung von Biogas (Methan and Kohlenstoffdioxid) und Gärresten noch nicht voll ausgeschöpft. Durch die gezielte Beeinflussung und Regelung einzelner Prozessschritte sowie die Entwicklung integrierter biotechnologischer Prozesse, lassen sich sowohl die Effizienz der anaeroben Vergärung verbessern als auch das Substrat- und Produktspektrum erweitern. Ziel der Arbeitsgruppe ist daher die Entwicklung, Anwendung und Optimierung von mikrobiellen Prozessen zur Effizienzsteigerung, Überwachung und Erweiterung des Produktspektrums anaerober Prozesse.
Fokusthemen der Arbeitsgruppe:
- Entwicklung und Anwendung integrierter anaerober Prozesse
- Prozessoptimierung
- Messtechnik zur Prozessüberwachung (u. a. mittels Biosensoren)
- Mikrobielle elektrochemische Technologien
Ansprechpartner:
Dr. Jörg Kretzschmar (Arbeitsgruppenleiter)
Tel.: +49 (0)341 2434-419
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Die angewandten Biogastechnologien unterliegen einer starken Entwicklung. Ausgehend aus dem Wissen um Stoffströme und biologische Zusammenhänge werden in der Arbeitsgruppe Forschungsarbeiten zur Optimierung von Technologien und Komponenten für die Bereitstellung und Nutzung von Biogas durchgeführt.
Fokusthemen der Arbeitsgruppe:
- Identifizierung von technischen Schwachstellen im Betrieb
- Analyse der Gesamteffizienz von Biogasanlagen
- Technische Bewertung von Anlagen und Komponenten
- Konzepterstellung zur Erzeugung von Biogas aus Rest- und Abfallstoffen
Weitere Informationen zur Arbeitsgruppe
Ansprechpartner:
Dr. Marcel Pohl (Arbeitsgruppenleiter)
Tel.: +49 (0)341 2434-471
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Agrarsysteme und Agrarlandschaften unterliegen vielfältigen Herausforderungen. Die Biogastechnologie, auch in Kombination mit stofflichen Nutzungen, bietet durch ihre Substratflexibilität Chancen, die Agrarsysteme und Agrarlandschaften multifunktional zu gestalten und fortzuentwickeln. Das beinhaltet Emissionsminderungen (v.a. klimarelevante CH4 und N2O-Emissionen, außerdem das indirekt klimawirksame NH3) , z.B. durch Vergärung von Wirtschaftsdüngern und anderen Reststoffströmen. Durch die Erweiterungen von Fruchtfolgen und Anbausysteme um Elemente wie z.B. Zwischenfrüchte, Futterbau-Leguminosengemenge, blühende Dauerkulturen (z.B. Wildstaudenmischungen, durchwachsene Silphie) können Biodiversitätsschutz, C-Speicherung (Humusaufbau, Paludikulturen auf Moorstandorten), Klimaanpassungen, z.B. durch Verbesserung des Wasserhaushalts (Infiltration, Wiederherstellung beeinträchtigter Feldkapazität), Bodenschutz (Erosionsschutz, Humushaushalt), Gewässerschutz (vor Nährstoff- und Sedimenteintrag) ermöglicht und gleichzeitig Wertschöpfungsnetze für den ländlichen Raum erhalten werden.
Fokusthemen der Arbeitsgruppe:
- Emissionsminimierte Wirtschaftsdüngerketten (v.a. mittels Vergärung)
- Biogas als Ermöglichungstechnologie für produktiven, klimafreundlichen Ökolandbau
- Agrarreststoffnutzung unter Berücksichtigung von Humushaushalt
- Multifunktionale Anbauelemente (Zwischenfrüchte, blühende Dauerkulturen, Agroforst, Palludikulturen, Leguminosengemenge etc.) und Effekte auf Betriebs- und Agrarlandschaftsebene
- Wirtschaftlichkeitsbewertung multifunktionaler Substrate, insb. für Biogas/ Biomethan
- Emissionsminimierte organische Düngesysteme (Berücksichtigung von Gärrestketten, emissionsminimierter Kompostierung, Pflanzenkohle etc.)
- Phytoremediation/Phytomining und aquatische Biomasse
- Politikberatung
Ansprechpartner:
Prof. Dr. agr. Walter Stinner (Arbeitsgruppenleiter)
Tel.: +49 (0)341 2434-524
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Der Einsatz von aussagekräftigen Prozessmodellen bietet wertvolle Informationen für eine automatisierte, effiziente und sichere Prozessführung biochemischer Konversionsverfahren. Im Rahmen der Nachwuchsforschungsgruppe werden praxisrelevante Modellstrukturen und Regelungsverfahren implementiert, evaluiert und gezielt hinsichtlich ihrer konkreten Anwendung zur Prozessautomatisierung im großtechnischen Anlagenbetrieb weiterentwickelt. Das interdisziplinäre Forschungsvorhaben schafft damit die grundlegende Voraussetzung, um modellbasierte Automatisierungskonzepte zur Zustandsüberwachung und Prozessführung langfristig im regulären Anlagenbetrieb zu etablieren.
Fokusthemen der Arbeitsgruppe:
- Prozessmodellierung und -bilanzierung
- Zustandsüberwachung und Regelung
- Modellbasierte Prozessoptimierung
- Systemidentifikation und Parameterschätzung
- Prozess- und Effizienzbewertung
- Methodenvalidierung im Labor- und Praxismaßstab
Weitere Informationen: Projektseite
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Sören Weinrich (Arbeitsgruppenleiter)
Tel.: +49 (0)341 2434-341
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Die Arbeitsgruppe untersucht die mikrobielle Ökologie anaerober Prozesse mit dem Ziel, die Biogasproduktion auf der Grundlage eines vertieften mikrobiologischen Prozessverständnisses zu optimieren. Ein weiteres Ziel ist die Erschließung natürlicher mikrobieller Ressourcen für die biotechnologische Anwendung in der biochemischen Konversion von Biomasse. Die Forschungsthemen umfassen die Suche nach mikrobiellen Indikatoren für Prozessstörungen, um neue Monitoringverfahren und Frühwarnsysteme für die Steuerung von Biogasreaktoren zu entwickeln, sowie die biologische Substratvorbehandlung lignocellulosereicher Substrate und die Bioaugmentation von Biogasreaktoren mit angereicherten Kulturen aus Umweltsystemen.
Fokusthemen der Arbeitsgruppe:
- Zusammensetzung und Aktivitäten von mikrobiellen Gemeinschaften – Prozessverständnis
- Monitoring-Tools und mikrobielle Frühwarnsysteme
- Lignocellulosereiche Substrate
- Vorbehandlungsverfahren und Bioaugmentation
Ansprechpartnerin:
Dr. Sabine Kleinsteuber
Tel.: +49 (0)341 235-1325
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