Mykotoxine in Biogasanlagen

Zusammenfassung: Die Wirkung von kontaminiertem Getreide auf den Gärprozess

Zur Ermittlung der Wirkung von kontaminiertem Getreide auf den Gärprozess wurden Batch-Gärversuche in Anlehnung an VDI 4630 angesetzt. Hierfür wurde Mykotoxin-dotiertes Getreide in unterschiedlicher Konzentration in den Versuchsfermentern vergoren und die Auswirkungen auf Gasproduktion und –qualität untersucht. Die Ergebnisse zeigten einen deutlichen Einbruch der Gasproduktion in Abhängigkeit der Mykotoxinkonzentration in den ersten beiden Versuchstagen. Auf die Gesamtgasmenge konnte jedoch kein Einfluss festgestellt werden. Am Versuchsende wiesen alle Ansätze die gleichen Gaserträge auf (siehe Grafik 1). Im Ansatz mit höchster Mykotoxinbelastung lag der Gasertrag kurzzeitig ~ 30% unter der Gasproduktion der Kontrolle mit unbelastetem Getreide. Nach ca. 24 h war diese Hemmung jedoch wieder überwunden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass bei kontinuierlichem Einsatz von belastetem Getreide Einbußen im Gasertrag bis hin zu einem Erliegen des Prozesses eintreten können.

Die Proben wurden in Anlehnung an VDI 4630 zur Bestimmung der Gasausbeute angesetzt. Das Gärvolumen betrug ca. 1400 ml pro Ansatz, der Versuch wurde im dreifachen Ansatz durchgeführt. In jeden Gärbehälter wurden Inokulum und gemahlenes Getreide eingewogen. Mykotoxin-dotiertes Getreide („Getreide belastet“) und unkontaminiertes Getreide („Getreide unbelastet“) wurde dabei in verschiedenen Verhältnissen gemischt. Die genauen Einwaagemengen sind in Tabelle 1 zu finden. Die Gärtemperatur während des gesamten Versuchszeitraums betrug 38,0 ± 0,3°C.

Versuchsergebnisse

Tabelle 2 zeigt die Zusammenfassung der Untersuchungsergebnisse. Ausreißer in einer der Wiederholungen werden angegeben (Ermittlung von Ausreißern nach dem Grubbs-Test I). Bei einem Signifikanzniveau von 1% wurde kein Ausreißer festgestellt. Die ermittelten Gaserträge sind korrigiert auf Normliter. Die Methangehalte wurden auf trockenes Gas umgerechnet sowie einer Kopfraumkorrektur unterzogen (siehe VDI 4630). Die spezifischen Gaserträge der Proben sind als Netto- Gasertrag pro kg FM bzw. oTS Substrat - d.h. abzüglich der Gasproduktion des Inokulums dargestellt. Es folgen weitere Ergebnisse von sogenannten Durchflussversuchen, bei denen wie in der Praxis laufend zugefüttert wird.

Versuche und Ergebnisse mit Durchflussfermentern

In kontinuierlichen Durchflussfermentern wurde der Effekt von Mykotoxin-belastetem Getreide auf Gasertrag, Gaszusammensetzung und Fermenterbiologie untersucht. Es wurde zudem getestet, inwiefern das Produkt Mycofix® der Firma BIOMIN Deutschland GmbH die durch Mykotoxine verursachten Hemmwirkungen aufheben kann. 

Bei niedriger Zugabemenge an belastetem Getreide war die Biogasproduktion im belasteten Fermenter verzögert. Es kam zunächst in den ersten paar Stunden zu einem Einbruch in der Gasproduktion im Vergleich
zum Kontrollfermenter, der jedoch im Verlauf des Tages wieder aufgeholt wurde. Erst bei relativ hoher Zugabemenge an belastetem Getreide konnten deutliche Effekte in der täglichen Biogasproduktion festgestellt werden, die Hemmung betrug bis zu 17% im Vergleich zur Kontrolle. Durch die Zugabe von Mycofix® konnte die Hemmung komplett vermieden werden.

Versuchsbeschreibung: Generelle Versuchsdurchführung und verwendete Substrate

In der Anfahrphase (3,5 Wochen) wurden drei Fermenter mit der Substratkombination Maissilage, Rindergülle und unbelastetem Getreide auf eine stabile Raumlast von 2,5 kg oTS/(m3*d) gebracht (Fütterung 1x täglich). Bei Versuchsstart wurde das unbelastete Getreide der Fütterungsration in Fermenter 2 sowie Fermenter 3 durch belastetes Getreide ersetzt. Zusätzlich wurde mit der täglichen Fütterung in Fermenter 3 das Produkt Mycofix® zugegeben (siehe Tabelle 1 und 2). Einmal wöchentlich wurde 450 ml Gärrest für Analysen entnommen, bzw. um den Füllstand der Fermenter konstant bei 28,0 l zu halten. Der Füllstand der Fermenter wurde jede Woche mittels Füllmessstab bestimmt und angepasst. Bei zu niedrigem Füllstand wurde das fehlende Volumen mit Rindergülle ergänzt. Fermenterinhalt, Maissilage und Rindergülle stammen von einer NAWARO-Biogasanlage aus der Region. Die Substrate wurden in ausreichender Menge geholt, abgesiebt und eingefroren (Maissilage) bzw. gekühlt (Rindergülle) gelagert.  Belastetes und unbelastetes Getreide wurden vom Auftraggeber zur Verfügung gestellt. Das Getreide wurde gemahlen und anschließend trocken gelagert. Die Fermenter wurden in einem Rührintervall von 10 Min. Rühren – 5 Min. Pause betrieben.

Versuchsphasen

Die Fermenterversuche wurden in mehrere Versuchsphasen eingeteilt. Die Mykotoxinkonzentration in den Fermentern 2 und 3 wurde durch Steigerung der Zugabemenge an belastetem Getreide allmählich erhöht. Analog dazu wurde die Menge an unbelastetem Getreide in Fermenter 1 ebenfalls erhöht. Die Mycofix® -Menge in Fermenter 3 wurde jeweils der Zugabemenge an belastetem Getreide angepasst. Ab einer Raumbelastung von 3,0 kg oTS/(m3*d) wurde täglich zur Fütterungsration 1 ml Pflanzenöl zugegeben, um die Schaumbildung in den Fermentern zu unterdrücken.

In Phase VI wurde die Fütterung von 1x täglich kurzzeitig auf Fütterung zweimal täglich umgestellt. Der Grund hierfür war, dass etwa sieben Stunden nach Fütterung die deutlichste Hemmwirkung durch die Mykotoxine zu sehen war, die aber dann durch die belasteten Fermenter im weiteren Tagesverlauf bis zur nächsten Fütterung wieder aufgeholt wurde. Im täglichen Gasertrag zeigte sich daher bei unbelastetem und belastetem Fermenter kaum Unterschied. Ziel der Fütterung 2x täglich war es, den Effekt der Hemmwirkung durch die Mykotoxine deutlicher herauszuarbeiten. Da dies nicht der Fall war, wurde die Fütterung nach 6 Tagen wieder auf 1x täglich umgestellt.

Analytik

Einmal wöchentlich wurden TS, oTS, pH, FOS/TAC, NH4-N und der Gehalt an org. Säuren (C2-C6) im Gärrest bestimmt sowie Rückstellproben genommen. Die Proben wurden anfangs (bis Phase III) 5 Stunden nach der Fütterung genommen, ab Phase IV 3 Stunden nach der Fütterung. Die Bestimmungsgrenze der Fettsäuren lag bei < 20 mg/l. Es wurde hauptsächlich Essigsäure in geringen Mengen nachgewiesen, des Weiteren konnte zum Teil Propionsäure gefunden werden.

Versuchsergebnisse: Analysewerte

Bei den Werten TS, oTS, pH, FOS/TAC und NH4-N konnten keine signifikanten Unterschiede zwischen den drei Fermentern festgestellt werden. In allen drei Fermentern stiegen TS und oTS während des Versuchs an. Der pH-Wert blieb relativ konstant bei ca. 7,8, ebenso der FOS/TAC, der um den Wert 0,15 schwankte. Der Ammonium-Gehalt in den Fermentern stieg bis zum Versuchsende von 3.000 mg/l auf etwa 4.000 mg/l an. 

An organischen Säuren konnte nur Essigsäure (C2) und geringe Mengen an Propionsäure (C3) in den Fermentern detektiert werden. Längerkettige Säuren (C4-C6) wurden nicht gefunden. In der Anfahrphase hatten alle drei Fermenter ein konstant niedriges Essigsäureäquivalent von ca. 80 mg/l. 
Über den gesamten Versuchszeitraum wies Fermenter 1 den größten Gehalt an Essigsäure sowie geringe Mengen an Propionsäure auf (Mittelwert Essigsäure 378 mg/l, Propionsäure 21 mg/l), Fermenter 2 und 3 hatten geringere Mengen (Fermenter 2: Mittelwert Essigsäure 325 mg/l, Propionsäure 9 mg/l; Fermenter 3: Mittelwert Essigsäure 297 mg/l, Propionsäure 0 mg/l).

Versuchsergebnisse: Biogasproduktion und –zusammensetzung – tabellarische Übersicht

Die ermittelten Gaserträge sind korrigiert auf Normliter. Die Methangehalte wurden auf trockenes Gas umgerechnet sowie einer 100 %-Korrektur unterzogen (siehe VDI 4630). Tabelle 1 (siehe oben) gibt einen tabellarischen Überblick über die durchschnittliche tägliche Biogasproduktion (in Normliter pro Tag) während der verschiedenen Versuchsphasen sowie den prozentualen Unterschied der beiden Fermenter mit belastetem Getreide zu Fermenter 1 mit unbelastetem Getreide. In der Anfahrphase war die Gasproduktion aller drei Fermenter im gleichen Bereich.

In Phase I und II sieht man einen Einbruch der Gasproduktion von Fermenter 2 im Vergleich zu Fermenter 1 und 3, der in den folgenden Phasen wieder verschwand und erst gegen Ende des Versuchs in Phase VII wieder auftrat. Die Gasproduktion von Fermenter 3 lag in fast allen Versuchsphasen analog der Gasproduktion von Fermenter 1.

In Tabelle 2 (siehe oben) sind die durchschnittlichen Zusammensetzungen des Biogases während des Versuchs für alle drei Fermenter aufgeführt. Der Methangehalt aller drei Fermenter war annähernd gleich. Fermenter 3 wies im Durchschnitt einen niedrigeren H2S-Gehalt und einen erhöhten H2-Gehalt als Fermenter 1 und 2 auf.

Versuchsergebnisse: Graphische Darstellung der Gasproduktion und -zusammensetzung

Abbildung 2 zeigt den täglichen Gasertrag der drei Versuchsfermenter. Vor allem in der letzten Versuchsphase (Phase VII) ist ein deutlicher Hemmeffekt durch das belastete Getreide zu sehen, hier war die Gasproduktion in Fermenter 2 deutlich reduziert. Im Vergleich hierzu wies der mit Mycofix® stabilisierte Fermenter 3 eine zur Kontrolle vergleichbare Gasproduktion auf.

Zusammenfassung und Interpretation der Ergebnisse

Alle drei Fermenter wiesen in der Anfahrphase vergleichbare Gaserträge und Analysewerte auf. In der täglichen Gasproduktion konnte insgesamt nur eine relativ geringe Hemmwirkung durch die Mykotoxine beobachtet werden, die auch mit steigender Mykotoxindosis nicht viel stärker wurde. Erst in der letzten Versuchsphase (Phase VII) kam es zu einem erheblichen Einbruch der täglichen Biogasproduktion um bis zu 17 % in Fermenter 2, wohingegen die Gasproduktion von Fermenter 3 mit Zugabe von Mycofix beim gleichen Niveau wie im Kontrollfermenter 1 lag. Betrachtet man den Gärverlauf nach der Fütterung über den  Tag hinweg, sieht man auch bei niedrigerer Zugabemenge von belastetem Getreide den Effekt der Mykotoxine auf die Fermenter. Zunächst kam es zu einem deutlichen Einbruch in den Fermentern mit Mykotoxin, der sein Maximum nach etwa 7 Stunden erreichte.

Nach dieser Zeit war aber die Gasproduktion im Fermenter mit Mykotoxin höher als in der Kontrolle, so dass der Effekt im Mittel über den ganzen Tag kaum noch vorhanden war. Fermenter 3 mit Mycofix® lag mit dem Verlauf der Gasproduktion zwischen Fermenter 1 und 2. Anfangs war hier ebenfalls eine Hemmung zu sehen, die Erholung trat jedoch früher ein als bei Fermenter 2. Es trat also eine Hemmung der Bakterien im Fermenter auf, auf die aber eine rasche Regeneration folgte. Bei der kontinuierlichen Zugabe von belastetem Getreide in Praxisanlagen lässt sich aber daher bei hoher Dosis eine Dauerhemmung des Prozesses erwarten.

Die Ergebnisse weisen aber auch darauf hin, dass es in gewissem Maß zu einer Gewöhnung an eine Mykotoxinbelastung kommen kann. Nach dem kurzzeitigen Einbruch der Gasproduktion von Fermenter 2 in den ersten Versuchsphasen, kam es zu einer Erholungsphase in der die Gasproduktion der von Fermenter 1 entsprach bzw. diese sogar überstieg. Erst bei einer deutlichen Erhöhung der Mykotoxinbelastung konnte erneut ein Hemmeffekt erzielt werden.

Auch im Säurespektrum zeigte sich ein Unterschied zwischen unbelastetem Fermenter 1 und den belasteten Fermentern 2 und 3. Das Säurespektrum des unbelasteten Fermenters war höher als bei den beiden
anderen Fermentern, was darauf hindeutet, dass der erste Schritt der Biogasbildung, die Hydrolyse, hier schon weiter fortgeschritten war als in den anderen Fermentern, und somit mehr Essigsäure für die Gasbildung zur Verfügung stand. Fermenter 3 wies über den gesamten Versuchszeitraum die niedrigsten Säurewerte auf.

Im Methangehalt konnte kein Unterschied in den drei Fermentern festgestellt werden. Der H2S-Gehalt von Fermenter 3 war deutlich niedriger als bei Fermenter 1 und 2. Dies könnte auch an der Zugabe von Mycofix® in Fermenter 3 liegen, das eventuell eine schwefelbindende Wirkung haben könnte. Der Schwefel stand damit weniger für die Bildung von H2S zur Verfügung, es verblieb mehr H2 im Biogas.