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Aufzeichnungen Biogaserzeugung: Stickstoff-Ernährung von Vergärern

 

1. Einleitung

Weil Ammoniakvergiftung im Vergärern regelmäßig vorkommt, sind die meisten Biogasanlagen Betreiber verängstigt Proteinprodukte zu verwenden. Allerdings sollte man wissen, dass ein Vergärer Bedarf an Protein hat (und nicht nur mineralischem Stickstoff), um die Bakterienflora zu regenerieren. Wenn dieser Bedarf nicht durch die Ration abgedeckt wird, wird die Gärung stillstehen und nicht mehr stattfinden.

  • Was ist der Bedarf an Stickstoff / Protein eines Vergärers?
  • Ab welcher Koncentration besteht Gefahr das eine Ammoniakvergiftung auftritt?
  • Ab welcher Koncentration an Proteinen wird ein Mangel auftreten?

Winfo hat diese Werte experimentell bestimmt, in Bezug auf ihre Labor-Fermenter.

2. Diese Werte sind auch in voller Größe für verschiedene Kunden validiert.

Die enzymatischen Arsenale von bakteriellen Konsortien in einem anaeroben Vergärer sind Proteine. Die Bakterien werden ständig durch den Gärrestabfluss gespült, somit müssen sie sich ständig vermehren, und ihre Zellstrukturen ersetzt werden.

Der Gärrest enthält 10 bis 100 Milliarden Bakterien/ml. Über 40% dieser Bakterien zeigen eine proteolytische Aktivität.


Proteine sind große Biomoleküle, die durch eine Reihe von Aminosäuren in einer bestimmten Reihenfolge aufgebaut sind. Bevor sie in die Zelle eingebaut werden können, müssen die Proteine zuerst hydrolysiert werden in Oligopeptiden und freien Aminosäuren. Nur dann können sie die Zellwand passieren (verdaut werden) um weiter umgewandelt zu werden zu bakteriellen Proteinen. Diese Hydrolyse (Proteolyse) findet außerhalb der Zelle statt. Die überwiegende Mehrheit (90%) der Protease (Enzyme) befindet sich an der Außenseite der Zellmembrane. 10% werden tatsächlich im Gärgut freigegeben.

Nun können die Oligo-Peptiden und freien Aminosäuren durch die Zellmembrane in die Zelle gelangen, wo sie 5 verschiedenen Umwandlungen unterzogen werden können:

  1. Die Hydrolyse der Oligopeptide zu freien Aminosäuren.
  2. Die Wiederverwendung von freien Aminosäuren für die bakteriellen Proteinsynthese (dieser Vorgang benötigt viel Energie)
  3. Katabolismus (Abbruch) von Aminosäuren in Ammoniak + Kohlenhydrat-Skelette (dieser Vorgang produziert Energie für die Zelle)
  4. Wiederverwendung von Ammoniak um neue Aminosäuren zu erzeugen (dieser Vorgang benötigt Energie).
  5. Die Diffusion des Ammoniaks aus der Zelle

 

 

Eine weitere Kategorie von Organismen, die den Fermenter bewohnt, die Protozoen.
Gärgut enthält nur 100.000-1.000.000 Protozoenzellen/ml, aber da diese Organismen extrem groß sind, stellen sie 10-50% der gesamten lebendigen Biomasse aus einem Fermenter da.
Die Protozoen nehmen einen bedeutenden Teil der Stickstoff-Umwandlung ein. Protozoen bearbeiten Proteine in einer anderen Weise als Bakterien:

  1. Nehmen die Proteine in der Zelle auf ohne vorherige Hydrolyse. Dafür nehmen sie vorzugsweise die unlöslichen Proteinen.
  2. Wie Bakterien, produzieren sie Energie von desaminationen der Aminosäuren (Kohlenhydrat-Skelette + Ammoniak)
  3. Aber sie können Ammoniak nicht wieder verwenden, um Aminosäuren zu erzeugen!
  4. Sie haben einen viel umfangreicheren Desaminierungsmetabolismus als Bakterien.

Ein Fermenter mit einer geringeren Bevölkerung von Protozoen, ist weniger empfindlich gegenüber hohen Konzentrationen an Protein in der Nahrung. Es ist technisch möglich, die Protozoen pharmakologisch zu unterdrücken (Monensin), aber wir, Ernährungswissenschaftler, bevorzugen lieber biologische Ernährungs-Techniken und greifen ungerne auf pharmakologische Lösungen zurück. Auch ist es nicht wünschenswert, Protozoen vollständig auszurotten, weil sie in Symbiose mit Methan-Bakterien leben (Substrat-Wechsel und machanicher Träger).
Jetzt verstehn wir besser, wie gefährliche Situationen entstehen, wenn die Proteinzufuhr (oder die mineralische Stickstoff-Versorgung) nicht ausreichend ist:

  1. Zu hohe Proteinzufuhr: Aminosäurekatabolismus von Protein stört den Wiederaufbau. Die Zellen produzieren Biogas, aber scheiden Ammoniak aus im Fermenter. Wiederum inaktiviert das Ammoniak Metanogenese.
  2. Optimale Proteinzufuhr: Alle oben genannten Aktionen erfolgen. Der Anbau von Zellstrukturen und Zellvermehrung finden statt, Das Protein produziert Methanreiches Biogas, ohne die Ammoniak-Werte bis auf toxischen Wert zu erhöhen.
  3. Unzureichende Proteinzufuhr: die Verfügbarkeit von Protein wird ausschließlich für den Aufbau von zellulären Proteinen verwendet. Mit der Zeit wird das Biogas ärmer an Methangehalt. Die Anzahl der Bakterien/ml fällt bis die Biogas-Qualität wirklich schlecht wird.

 

 

Das größte Problem für die meisten Biogasanlagenbetreuer ist, dass keine Bedarfs und Fütterunsgstabellen für Vergären existieren (im Gegensatz zum Tierfutter für Rinder, Schweine, Geflügel ...). Die Berater sind daher meistens ratlos, wenn Sie eine ausgewogene Ration erstellen sollen.
Aus diesen Grunde hat Winfo vor ein paar Jahren die gigantische Aufgabe in ihren Laboratorien übernommen den minimalen und maximalen zulässigen gehalt für jeden einzelnen Nährstoff zu bestimmen.

Dies gibt uns die Möglichkeit, nicht nur sichere, sondern auch nahezu optimale Ernährungsrationen zu erstellen, während anderen ein bisschen aufs geradewohl arbeiten.
Die wieder Herstellung von einen erkranktem Vergärer (der eine zu hohe oder zu niedrige Proteinzufuhr hat), wurde im Laboratorium untersucht, und erfolgreich an mehreren Vergärern getestet ohne das diese entleert werden mussten (siehe Fallstudien, die im Abschnitt Aufzeichnungen Biogaserzeugung).

 

3. Ursache der Ammoniakvergiftung / Alkalose

 

Ammoniak ist das Hauptabfallprodukt des Proteinkatabolismus.
Aminosäuren sind die grundlegenden Bausteine von Proteinen. Wie der Name schon sagt, haben alle Aminosäuren, eine Säuregruppe und eine Aminogruppe (Ammonium).
Im Gegensatz zum Menschen, haben die meisten Bakterien keine Bedarf für Aminosäuren (außer für die Methanbakterien, die einige der 20 Aminosäuren nicht erzeugen können).
Viele Bakterien können die entsprechenden Aminosäuren selber aus mineralischem Stickstoff erzeugen (Ammoniak, Nitrate ...), und einige können dies aus elementarem Stickstoff (N2) producieren (Stickstoff macht 80% unserer Atmosphäre aus).
Bakterien nutzen die Aminosäuren der Proteine, die im Gärgut vorhanden sind. Diese Aminosäuren werden in die bakterielle Zellproteine eingebaut.
Aber diese Aminosäuren können auch ein anderen Weg einschlagen: sie werden katabolisiert (abgebaut), um Energie zu produzieren für das Bakterium.
Wenn Bakterien ausreichend Stickstoff gefunden haben, um ihre strukturellen Proteine aufzubauen, werden die übrigen Proteine umgewandelt zu biogas und Ammoniak. Solange der Ammoniak nicht überschüssig ist (ungifitiges Niveau), producieren diese Proteine Biogas von gute Qualität. Bei Proteinüberschuss im Gärgut ist die Ammoniakproduktion so hoch das sie toxisch wird für die methanogenen Bakterien. Dann stürtzt die Methan Produktion ab.
Ammoniak ist giftig ab 1500ppm (ausgedrückt in Stickstoff). Ammoniak ist sehr giftig bei einer Konzentration von 3000 ppm.

 

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Wichtige Begriffe auf dieser Seite sind: Biogas-Labor, Verband der Ernährungswissenschaftler, anaerobe Vergärer, kinetische und Biogas Potenzial

aktualisiert: 11-Jul-2012