EP3371120A1 - Granular pelletized glass material with trace elements, especially as growth support for selective nutrient supply of microorganisms - Google Patents

Granular pelletized glass material with trace elements, especially as growth support for selective nutrient supply of microorganisms

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Publication number
EP3371120A1
EP3371120A1 EP16801975.0A EP16801975A EP3371120A1 EP 3371120 A1 EP3371120 A1 EP 3371120A1 EP 16801975 A EP16801975 A EP 16801975A EP 3371120 A1 EP3371120 A1 EP 3371120A1
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EP
European Patent Office
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glass
trace elements
biogas
microorganisms
minerals
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16801975.0A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Karl Weinberger
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Dennert Poraver GmbH
Original Assignee
Dennert Poraver GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Dennert Poraver GmbH filed Critical Dennert Poraver GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C12M21/04Bioreactors or fermenters specially adapted for specific uses for producing gas, e.g. biogas
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    • Y02E50/30Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the invention relates to a process for producing expanded glass granules, in particular for use in a biogas plant or an anaerobic sewage treatment plant.
  • the invention furthermore relates to expanded glass granules, in particular for use in a biogas plant or an anaerobic sewage treatment plant.
  • biogas or bio-methane produced from biomass can already be used today in all natural gas vehicles without any technical modifications.
  • Biogas or biomethane can be emitted in corresponding engines with very high efficiencies.
  • the range of a biogas-fueled passenger car is approximately 67,600 km per hectare of cultivated area.
  • biogas plants In a biogas plant, there is basically the problem that those microorganisms that metabolize biomass to biogas typically have very low growth rates, which is associated with a low conversion rate of biomass to biogas.
  • biogas plants In order nevertheless to ensure an acceptable conversion rate in a biogas plant by means of a comparatively high concentration of microorganisms, biogas plants frequently employ growth carriers on which the microorganisms settle as biofilms and are thus immobilized.
  • a magnetic expanded glass granules is used as a growth medium.
  • Such a magnetic blown glass developed by the applicant is known from DE 10 2010 039 232 B4 of the Applicant.
  • the invention has for its object to provide a Blähglasgranulat, which is particularly suitable as a growth medium for microorganisms, in particular for use in a biogas plant or an anaerobic sewage treatment plant.
  • the object is achieved according to the invention by the features of claim 1.
  • the object is achieved according to the invention by the features of claim 8.
  • Advantageous and partly inventive in itself are set forth in the subclaims and the description below.
  • the process according to the invention for producing expanded glass granules which is intended in particular for use in a biogas plant or an anaerobic sewage treatment plant, comprises the following process steps:
  • minerals and / or trace elements are added in the preparation of the expanded glass granules, and in particular in the preparation of the aforementioned starting mixture, which serve in particular for the nutrient supply of microorganisms used in the biogas plant or the anaerobic sewage treatment plant.
  • the expanded glass granulate according to the invention which is used in particular for use in a biogas plant or an anaerobic sewage treatment plant, is correspondingly produced from glass flour, a blowing agent and a binder, wherein the expanded glass granules are characterized by an addition of minerals and / or trace elements.
  • the glass powder used is preferably a soda lime silicate glass powder
  • the binder used is preferably an alkali silicate water glass.
  • micronutrients As minerals (also referred to as “macronutrients”) are here and below referred to such substances that are taken by living things, specifically microorganisms, especially of the microorganisms used in the biogas plant and the anaerobic wastewater treatment plant, and metabolized for life and growth .
  • microorganisms especially of the microorganisms used in the biogas plant and the anaerobic wastewater treatment plant, and metabolized for life and growth
  • carbon, nitrogen, phosphorus, sulfur, sodium, calcium, magnesium and / or iron are added as minerals in the manufacture of the expanded glass granules.
  • Trace elements are those substances which are necessary for living beings, again in particular for the microorganisms used in the biogas plant or the anaerobic sewage treatment plant, and in mass fractions of less than 50 mg / kg in the organism
  • trace elements based on cobalt, manganese, molybdenum, nickel, selenium, tungsten and / or zinc are added in the preparation of the expanded glass granules.
  • the expanded glass granules according to the invention are in principle suitable as carriers of biogas and methane-forming biofilms.
  • the growth carriers are broken before use in a fermenter / bioreactor and sieved to a defined grain size.
  • the resulting irregular surface texture results in biofilm formation, i. the settlement of microorganisms, very contrary.
  • Growth carrier is very selective - the proportion of methanogenic organisms is significantly higher than in the surrounding fermentation fluid or inoculum. • The melting of trace elements and minerals in the expanded glass granulate or in the growth media increases the biogas yield compared to the yield obtained with the aid of conventional growth media.
  • a ground soda lime silicate glass in particular with a weight fraction of 60 to 70%, is used as glass flour.
  • the binder used is preferably an alkali-silicate-water glass, in particular with a weight fraction of 15 to 25% added.
  • alkali silicate-water glass as a binder with appropriate temperature control and residence time during the sintering process to achieve a desired ratio between the necessary resistance and desired solubility targeted.
  • blowing agent in particular by using one or more blowing agents of the following substances: dextrose, sodium nitrate, potassium nitrate, sodium carbonate, potassium carbonate, calcium carbonate and dolomite.
  • blowing agents of the following substances dextrose, sodium nitrate, potassium nitrate, sodium carbonate, potassium carbonate, calcium carbonate and dolomite.
  • a release agent in the form of calcium carbonate, dolomite and / or bentonite is added to the expanded glass granules green bodies before foaming in a preferred embodiment.
  • Zinc Sulphate Heptahydrate 0,00010 - 0,00020%
  • the expanded glass granulate according to the invention is used in particular as a growth carrier for microorganisms in a bioreactor, in particular in a biogas plant or an anaerobic sewage treatment plant.
  • Fig. 1 is a diagram of the anaerobic degradation of organic substance, changed to Weiland / P. Weiland, 2001 /,
  • FIG. 3 schematically shows the supply and the availability of micronutrients in a biogas fermenter
  • Fig. 4 shows a PCR-SSCP analysis of samples from a mesophilic
  • FIG. 5 is a diagram of feeding quantity and gas development in a screening experiment with different growth carriers
  • FIG. 7 shows a (glass) syringe as a miniature experimental fermenter for carrying out colonization experiments on different growth carriers
  • FIG. 8 shows a bogie for supporting a plurality of syringes according to FIG.
  • FIG. 12 again shows in a bar chart the concentration of the dry biofilm and the biogas yield in colonization experiments with different growth carriers.
  • the anaerobic conversion of biomass and thus the extraction of the renewable energy source methane is one of the currently most efficient processes for the production of regenerative energy sources from biomass / SRU, 2007 /.
  • macromolecules are synthesized by the plants as metabolic power. Stoichiometrically, these macromolecules can be converted into methane and carbon dioxide at very high efficiency in anaerobic digestion in biogas plants.
  • the primary fermenters secrete exo-enzymes, which dissolve the complex macromolecules of the starting materials by breaking down the hydrogen bonds with the simultaneous incorporation of water. This step is called hydrolysis 3 and allows the microorganisms to take up and convert the formed monomers 4 and dimers, respectively.
  • the individual building blocks (monomers 4) taken up by the primary digesters are converted by the microorganisms into building blocks 5, namely organic acids, alcohols and carbon dioxide (FIG. 1, 2nd step), the acidogenesis 6.
  • acetogenesis 7 the secondary fermentation 8 converts the acids and alcohols formed to acetic acid (acetate 9), hydrogen and carbon dioxide.
  • methanogenesis 10 occurs only under severe exclusion of air (indicated as anaerobic respiration 1 in Figure 1). In this stage, the methanogenic microorganisms from acetic acid or from hydrogen and carbon dioxide form the methane and carbon dioxide contained in the biogas 12.
  • Bioreactors often referred to as fermenters, are containers in which certain microorganisms, cells or small plants are cultured (fermented) under optimal conditions.
  • controllable or controllable in most bioreactors are the composition of the nutrient medium (nutrient solution or substrate), the oxygen supply or tightness against the ingress of oxygen, temperature, pH, sterility and others.
  • the purpose of cultivating in a bioreactor may be to recover the cells or constituents of the cells or recover metabolic products.
  • the degradation of chemical compounds can take place in bioreactors, such. B. in wastewater treatment in sewage treatment plants.
  • reactors In bioreactors a wide variety of organisms are cultivated for different purposes. Therefore, several reactor variants are available in different designs. Typical are stirred tank reactors made of metal, but also strong distinctive variants, such. As fixed bed reactors, photobioreactors, etc. are used.
  • Bioreactors are used in various areas of the process industry, such as:
  • Wastewater treatment plants with biological process stages.
  • an aerobic step first takes place, in which dissolved compounds of microorganisms are bound in the form of the biomass formed.
  • Another process-biological step is anaerobic wastewater treatment, which at very high COD load serves to remove harmful or interfering organic carbon compounds through microbiological degradation processes that take place without the presence of oxygen (anaerobic).
  • bacteria gain the energy required for their metabolism from the conversion of organic carbon compounds to organic acids and subsequently mainly to methane, carbon dioxide, hydrocarbon.
  • the Aerobsystem converts 1 kg COD load into approx. 0.5 kg sludge dry substance formed, approx. 50% is converted to C0 2 and H 2 0.
  • the biomass produced from the activated sludge process (aerobic system) can be passed through an anaerobic process step in an additional fermenter
  • the biomass 1 used is degraded in an anaerobic process with several steps (hydrolysis 3, Acidogenese 6, acetogenesis 7 and methanogenesis 10) to biogas 12 and digestate (see Fig. 1).
  • the containers are hermetically sealed and usually have a stirrer.
  • To operate biogas reactors It is important to know which biological and procedural conditions prevail in the fermenter and what their nutrient status is. However, at most plants only a few parameters are measurable, such as pH and gas quality. Frequently, information on methane or carbon dioxide levels in the gas is missing. Often the operators control their plants on the basis of experience.
  • yeasts that convert the sugar from the mash or the grape juice into alcohol and carbon dioxide (CO 2 ).
  • EPO erythropoietin
  • the biological activity of microorganisms in bioreactors is determined by their metabolism. The better the microorganisms convert organic substances, the higher the process-biological yields are. If the process parameters in the reactor are not optimal or lack nutrients, the biological activity of the microorganisms decreases.
  • Microorganisms can multiply at different rates. Their specific metabolic activity and thus the turnover of the substrate depend strongly on favorable environmental conditions, the presence of competitors / predators and on the energy that the reaction provides them. The denser the population and the higher the substrate availability, the faster substrate conversion takes place - but only within certain limits, as other factors can have a limiting effect.
  • a supporting measure may be an increase in the pH by addition of basic substances (for example sodium bicarbonate, lime, quick lime / hydrated lime).
  • the space load with the new substrate should initially be low and the residence time should be kept high. This gives the weak links enough time to build an effective, adapted to the new conditions population with sufficient density.
  • the space load can be slowly increased. If the space load increases too fast, the syntrophic / methanogenic association can not regrow fast enough. Another approach is to ensure that the concentration of syntrophic
  • Methanogenic organisms process technology is kept artificially high, for example via fermentation residue recycling or immobilization.
  • the limit is 6 - 10 kg oTS / (m 3 * d).
  • Minerals are essential inorganic nutrients that the organism can not produce itself; they have to be fed to him with food. Since the minerals are usually in the form of inorganic compounds, they are unlike some vitamins, insensitive to most cooking methods. For example, they can not be destroyed by heat or air.
  • minerals are important inorganic compounds. They do not serve to provide energy, but act as building and active substance and thus take over important regulatory functions in the organism. "They are involved as catalysts in the metabolism, indispensable for the regulation the pH,
  • Minerals are taken up by plants through the roots of the soil and incorporated into their biomass. They can not be burned and therefore remain as unburned residue in the ash. This property can be used for the determination of the mineral content in the plant material or in the
  • Fermenterschlamm be used. Of the total of 92 different natural elements, 40-50 can be detected in plants. However, only 16 are indispensable for the plant. These nutrients are therefore also referred to as essential nutrients.
  • the minerals in an organism are divided into two dimensions, concentration or function.
  • the microorganisms involved in the biogas process require different minerals for their metabolism and for building up their cell substance. The required amounts are species-specific. "The dry matter of microorganisms consists of about 50% carbon, 1 1% nitrogen, 2% phosphorus and 1% sulfur".
  • Carbon is the main constituent of microorganisms after water.
  • the carbon source used is essentially the supplied substrate.
  • Nitrogen is the most needed nutrient after carbon. It is needed in particular for protein biosynthesis, ie for the formation of enzymes that carry out the reactions in the metabolism. Excessively high nitrogen contents in the substrate can, however, lead to an inhibition of the microbial activity in the fermenter.
  • Phosphorus is involved in the formation of the energy carriers ATP (adenosine triphosphate) and NADP (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) in the metabolism of microorganisms. Lack of phosphate therefore leads to the reduction of the metabolism.
  • ATP adenosine triphosphate
  • NADP nicotinamide adenine dinucleotide phosphate
  • Sulfur is part of the amino acids cysteine and histidine and thus essential for the formation of important enzymes in the metabolism.
  • Other sulfur compounds also play a crucial role in the metabolic cycle, eg FeS complexes as redox partners in electron transport.
  • C, N, P, S and Na + as well as calcium, magnesium and iron fulfill important functions in the metabolism.
  • Calcium and magnesium are important structural elements eg for enzymes.
  • iron is a binding element in the sulfide precipitation. As iron binds to sulfur, iron sulfide can precipitate, reducing sulfide toxicity in the fermenter.
  • iron in the microbial metabolism serves as a reaction partner.
  • Methanogenic bacteria require a transport system to reduce CO 2 to CH 4 .
  • Fe 3+ to Fe 2+ iron first acts as an electron acceptor.
  • Fe 2+ can be used later as an electron donor and thus as an energy carrier.
  • iron is also part of many enzymes.
  • Micronutrients are also referred to as trace elements due to their low concentration in the biomass. Trace elements enter the soil through physical and chemical rock weathering. Consequently, the trace element content in the soil varies depending on the source rock, climate and the impact of planting or management.
  • Plants need trace elements to survive. They extract these substances from the soil, but these are only a few grams per hectare. The micronutrient content in plant biomass is correspondingly low.
  • Methanogenic archees require the elements cobalt (Co), manganese (Mn), molybdenum (Mo), nickel (Ni), selenium (Se), tungsten (W) and zinc (Zn).
  • Cobalt serves primarily as a central atom in Korrinoiden and vitamin B12 enzymes. Cobalt can be incorporated in three different forms as a central ion: as Co 3+ , Co 2+ or Co + . Cobalt-containing enzymes are present in both the methanogenic and the acetogenic bacteria.
  • Manganese (Mn) has similar properties or functions to anaerobic organisms as iron. By reducing Mn 4+ to Mn 2+ and Fe 3+ to Fe 2+, they use these micronutrients as oxidizing agents. Later oxidation reactions can in turn provide electrons for further reactions.
  • Nickel is a kind of universal element in the biogas process because it is involved in the construction of many different enzymes. For example, a nickel-centered atom occurs in urease, hydrogenase, the cofactor F430 and many other enzymes. Urease causes the hydrolysis of urea. The released ammonia serves many microorganisms as nitrogen source.
  • Hydrogenase catalyzes the oxidation-reduction reaction of hydrogen and plays an essential role.
  • the cofactor F430 (see Figure 2) is indispensable for the final step of methane formation.
  • This cofactor has a nickel central atom.
  • Molybdenum (Mo) and tungsten (W) have similar chemical properties and perform similar tasks during anaerobic conversion. Thus, they usually catalyze the oxidation and reduction reactions of C0 2 . Research has also shown that molybdenum can in some cases be replaced by tungsten. Molybdenum is thus the only known example in which a central atom of one enzyme can be replaced by another, without losing the enzyme-specific effect / Bertram et al, 19941.
  • Selenium is especially useful for building proteins such as Selenocysteine or selenomethionine of importance.
  • Some methanogenic archaea require the selenium-containing proteins to oxidize hydrogen. Inadequate selenium concentration can therefore also be a growth-limiting factor for these archaee / Chasteen, Bentley, 20031.
  • the enzymes and coenzymes required for the metabolism can no longer be sufficiently formed. As a result, the performance of the methanogenic microorganisms decreases.
  • the primary fermentation, d. H. the formation of the longer-chain carboxylic acids and alcohols is not affected. As a result, the metabolic products formed in these upstream process steps accumulate - above all the propionic acid.
  • Table 1 Mineral content in the fermentation substrate of biogas plants, data from 700 analyzes / Lindorfer, 2009 /
  • physical e.g., temperature, friction, comminution
  • chemical e.g., pH
  • biological e.g., microbial degradation
  • Fig. 3 (1) As acidic conditions promote their solubility, they are increasingly converted to sparingly soluble compounds at higher pH in the presence of free phosphate, sulfide, sulfate, and / or carbonate. They are thus initially deprived of direct access by microorganisms (2). However, some microorganisms can "capture” unavailable trace elements via chelating agents and make them usable (3). After this The death of microorganisms releases trace elements in bound and dissolved form (4) and can be reused in the internal circulation of nutrients. The discharge of trace elements takes place with the fermenter content and the biomass into the fermentation residue storage (5). In the case of a recirculation of the fermentation residue, the entrained trace elements and heavy metals are again available for the microorganisms in the fermenter (6).
  • a content of about 50 g Co / L (about 750 g Co / kg DM) seems to be a reasonable size for stable operation of a NawaRo plant.
  • the corresponding concentrations are about 5 times lower (about 10 g Se / L, or about 150 g Se / kg TS), for Mo but about a factor of 10 and for Ni about 40 times higher.
  • FIG. 4 shows the activating effect of the trace element additive for the methanogenic archae. It shows a PCR-SSCP analysis of various samples from a mesophilic maize silage fed only
  • Type 9 iron oxide granules (pure / unbeaten)
  • Type 10 magnetic PORAVER magnetic separator before loading
  • Materials 7 and 8 are newly developed materials with altered chemical properties.
  • Types 9 and 10 served to secure the evidence of the effectiveness of the inventive growth medium.
  • Magnetic PORAVER, type 10 is due to the very slow and inadequate colonization due to its smooth surface texture only conditionally as a growth medium.
  • Lime-soda-silicate glasses are well suited as a growth substrate for the immobilization of the fermenter biocenosis. 2.
  • Broken grain is preferably colonized, since shearing and stripping of the biofilms by movement (agitators) is prevented due to the structurally rich surface.
  • the application of minerals and / or trace elements during the swelling process and / or their admixture in the formulation show positive effects.
  • the minerals or trace elements may be present in the form of oxides, carbonates and hydrates.
  • Coatings with organic substrates have a positive influence, but are only necessary if a very fast colonization is desired.
  • Alkali-alkaline earth silicate glasses are the oldest man-made glass type. These include the flat glass (window glass) melted in large quantities and packaging glass.
  • Borosilicate glasses are very chemical and temperature resistant glasses, which are mainly used for glassware in the laboratory, chemical engineering and in the household. The good chemical resistance to water, many chemicals and pharmaceutical products (hydrolytic class 1) is explained by the boron content of these glasses.
  • the near-surface alkalis and alkaline earths first dissolve. Through this process, the structure is weakened and the network-forming SiO 2 is also dissolved.
  • the soluble oxides or their reaction products are, with the exception of SiO 2 , in the list of minerals and trace elements (Section 1 .4) again.
  • the typical utility glasses are classified as very stable in their chemical resistance (hydrolytic class 1 or 2). The expected dissolved amount of Na, K, Ca and Mg ions is so low that under normal conditions a sufficient and targeted nutrient supply of the microorganisms can not be assumed.
  • the green body used to produce the expanded glass granules is composed essentially of glass powder, iron oxide and water glass.
  • the addition of different amounts of water glass provides a very good opportunity to set the chemical resistance of the entire system in aqueous media targeted and greatly reduced compared to the base glass. If an alkali silicate glass (water glass) is added to the ground basic glass (soda-lime glass), this, in addition to lowering the sintering temperature, depending on the amount added, also leads to a reduction in the chemical resistance. Due to its composition of only two components - the network former Si0 2 and a network converter (flux), in this case Na 2 O, water glass is chemically unstable, especially at high alkali parts.
  • a release agent is necessary in order to prevent the sticking together of the granules under the effect of heat during the swelling process. It is an inert material, which should be selected so that no or only very little interaction with the glass granules occur at the respective process conditions. Most are substances of mineral origin such. Sand, alumina, different carbonates but also high firing clays in the form of powders and flours.
  • Dolomite is a carbonic calcium-magnesium mineral, CaMg (CO 3 ) 2, it is rock forming in the rock of the same name, in dolomitic limestone and in various sedimentary rocks. Dolomite occurs alongside anchorite, CaFe (CO 3 ) 2 , often as a hydrothermal gangue. Its color can range from white, gray, yellowish to reddish brown. Under the action of heat, dolomite begins to decompose at about 830 ° C after the following reaction.
  • reaction products CaO, MgO, but also unreacted CaMg (CO 3 ) 2 accumulate on the surface of the foamed granules by adhesion or Van der Waals forces. If these are introduced into an aqueous solution, then CaO / MgO act as an acid buffer and as hydroxides are very quickly available to the microorganisms for metabolism.
  • Bentonite is a mixture of different clay minerals, which contains montmorillonite (60-80%) as its main constituent, which explains its strong water absorption and swelling capacity. Further accompanying minerals are quartz, mica, feldspar, pyrite or calcite. It was formed mainly by weathering from volcanic ash.
  • the basic composition corresponds to the two types of material 7 or 8 of the preliminary tests.
  • Type and amount of the added trace elements were based on a dissertation on substrate conversion of Methanosarcina mazei / Krätzer 201 11 and work on the same topic at the LfL in Freising / Bauer, Lebuhn, Gronauer; 20091 compiled.
  • premix one and premix two were mixed according to the following composition.
  • dolomite was used as the blowing agent upon heating cleaved C0 2 should not change the redox potential of magnetite but contribute calcium and magnesium in the form of easily soluble in the growth substrate.
  • the green grain produced from the starting mixture in a granulation process was dried at a temperature of 120 ° C in a rotary kiln and then the classification was carried out with a sieve limit of 0.25 mm.
  • the green bodies obtained were mixed with 10 to 15% by weight of release agent and foamed in the directly heated rotary kiln at temperatures between 780 ° C and 815 ° C with a flow time of 10 to 15 minutes.
  • Foaming and cooling, the granules were broken and sieved to a particle size of 0.25-1.5 mm.
  • test material was subjected to elution.
  • the samples, solid, pasty and muddy materials are slowly turned overhead or shaken in distilled water for 24 hours.
  • the liquid / solid ratio should be adjusted to a ratio of 10/1.
  • the sample should remain constantly in motion, further comminution e.g. However, be avoided by abrasion.
  • this procedure assumes that the voting substances are soluble in water.
  • test batch was adjusted once with acetic acid to a pH of 5 and determined over a period of 45 days in addition to the solutes and the adjusting pH.
  • buffer capacity of the growth media in the fermenter should be determined with this experimental setup.
  • HBT Test The University of Hohenheim has developed the so-called HBT Test, which is used to evaluate different substrates and starting materials as well as to present different process engineering conditions in fermenters of biogas plants and sewage treatment plants. Since up to 200 samples are used in the sample carrier, sufficient statistical protection can be achieved via this test.
  • the core pieces of the experimental set-up are reaction vessels in the form of syringes 20 made of glass (FIG. 7) and a device for storing these syringes 20, the bogie 25 (FIG. 8).
  • the syringes 20 have a filling volume of 100 ml and are equipped with a three-way stopcock 26.
  • the syringes can be stored horizontally. It is equipped with a controllable drive which allows rotation of the bogie 25 about the longitudinal axis of the syringes stored therein. The rotation can take place at speeds in the range of 5 to 50 min -1 .
  • Inoculate culture are housed in a heated climate chamber.
  • FIGS. 9 to 11 the temporal evolution of the biofilm is shown in FIGS. 9 to 11.
  • Fig. 9 the values of concentration of the dry biofilm on the nursery carriers in (mg 0 Ts / g growth substrate) in Fig. 10, the microbial total ⁇ population (BAC and ARC) in (10 9 16S rRNA gene copies (GFM) 1 ) and in FIG. 11 the occurrence of archae (ARC) in (10 9 16S rRNA gene copies (gFM) "1 ) (left scale) and their proportion of the total population in% (right scale).
  • the values of the inoculum (IN) are also shown in Figs. 10 and 11. When looking at the diagrams, it is noticeable that the biofilm mass was determined almost exclusively by the two factors "material type of the growth medium" and "time”.
  • the concentration of the dry biofilm on the growth media was determined after a growth time of 33 days (mg 0 Ts / gAutwuchslic) - Fig. 12, left scale, white bars - and each achieved Biogas yield (Ißiogas / kg 0 s) - Fig. 12, right scale, gray bars - opposite.
  • a relationship between the biogas yield and the concentration of the dry biofilm can be derived on the different growth carriers.
  • the growth carriers B3 and B4 in which trace elements are melted down, appear to promote biofilm formation and thereby achieve a higher biogas yield.
  • the lower biofilm mass in sample B4 with simultaneously high biogas yield indicates after this first evaluation that the microorganisms present in the sample had a higher metabolic activity at the time of the measurement. This behavior in biofilms is known. If enough food and optimal living conditions are available to a population that has united into a colony in a biofilm, the microorganisms react with an increased metabolic activity or partially re-dissolve the biofilms and migrate into the fermentation fluid.
  • Growth carriers indicate that saturation had already occurred and that the maximum ratio of growth carrier and biofilm is between 40 and 50 mg oTS per g of growth carrier.
  • similar total populations of microorganisms could be detected as on the growth media.
  • approaches B2 to B4 the population of the archaea and their proportion of the total population increased with the incubation period - the values of the growth carriers were not reached.
  • a strong promotion of methanogenic organisms in the fermentation liquid by the use of the growth carrier could not be detected.
  • the microscopic examinations provided important conclusions which can be used to assess the suitability of the different growth carriers.
  • the degree and shape of the colonization of the growth media could be well assessed by the DNA staining (fluorescence microscopy) of the microorganisms present.
  • the presence of methanogenic organisms was assessed by their autofluorescence.
  • Autofluorescence also occurred in all microbial colonies detected by DNA staining in each of the investigated growth media. Accordingly, methanogenic organisms were represented in all microorganisms colonies of biofilms.
  • Growth carriers are basically suitable as carriers of biogas and methane-forming biofilms.
  • the growth media must be crushed before use in a fermenter / bioreactor and sifted to a defined particle size.
  • the resulting irregular surface structure is very conducive to biofilm formation.
  • the mass of the biofilm adhering to a growth carrier alone does not allow any statements about the quality of the biofilm.
  • the molecular genetic analysis allows a deeper insight.
  • Growth carrier is very selective - the proportion of methanogenic organisms is significantly higher than in the surrounding fermentation fluid or inoculum.
  • the growth carriers bring a significant buffer capacity into the system and thus counteract any process disturbances caused by overacidification.
  • an obviously optimal "micro-environment” is formed for the biofilms, which allows the archae to survive even in an acidified environment.
  • Acetogenesis Formation of acetic acid
  • Acetoclastic decomposing acetic acid
  • Biocenosis (alt. ⁇ bios. Life 'and ⁇ koinos. Together') is a community of organisms of various species in a definable
  • COD Chemical oxygen demand, measure of the sum of all (in water), under certain conditions oxidizable substances
  • DGGE denaturing gradient gel electrophoresis, method for the specific detection of certain DNA sections with the help of the running behavior in a gel with a gradient of denaturing substances
  • DNA deoxyribonucleic acid
  • carrier of the genetic material e- electron (s)
  • EDTA ethylenediaminetetraacetic acid
  • Electron acceptor element by changing its valency
  • Electron donor element that changes its value
  • Electron carrier molecule that transfers electrons to the reduction of another molecule
  • Ergodicity refers to the mean behavior of a system. Such a system is described by a pattern function that determines the evolution of the system over its current state
  • Glucose glucose
  • Halophil loving saline conditions
  • Hydrogenotrophic Utilizing hydrogen for growth
  • Enzymes in gel particles, capsules or in confined reaction spaces The immobilization leads to a shift in the catalytic activity of submicroscopic and microscopic units in macroscopic particles to achieve retention
  • Lignocellulose compound of cellulose with lignin (- inclusions)
  • methanogenic archae methane gas producing microorganisms
  • Network Converters Connections that form a glass together with one or more network creators.
  • Network converters change the structure and properties of the glass OLR: organic loading rate, organic room load oTS: organic dry matter
  • Oxidation state change of a molecule under electron donation
  • PCR Polymerase chain reaction, polymerase chain reaction, molecular biology method for the amplification of specific sections of DNA in order to specifically detect them
  • Polar molecule Molecule with positively and negatively charged end
  • Proteases Protein-splitting enzymes
  • Room load is the amount of organic dry matter
  • Sequence sequence of bases (adenine, cytosine, guanine,
  • SSCP Single Strand conformation polymorphism, method for the specific detection of certain DNA segments with the help of the folding of single-stranded DNA
  • Stabilizers can be both network converters and network formers in the glass. However, they are not able to form a single component as a glass
  • Substrate material that is fermented in a biogas plant Supplementation: Add, Add
  • Taxon ⁇ that, plural: taxa; to Greek ⁇ täxis. (arrangement, rank) designates in biology a group recognized as a systematic unit of
  • Thermophilic a high temperature level loving (about 45 - 65 ° C)

Abstract

A pelletized expanded glass material is provided, which is particularly suitable as a growth support for microorganisms, especially for use in a biogas plant or an anaerobic sewage treatment plant. The production process of the invention for the pelletized expanded glass material comprises the steps of: mixing ground glass, expanding agent and binder to give a starting mixture; pelletizing the starting mixture to give ground glass pellet green bodies; foaming the ground glass pellet green bodies to give expanded glass pellet particles at temperatures of 600 to 950°C. According to the invention, especially in the production of the starting mixture, minerals and or trace elements are added, which serve especially for the nutrient supply of microorganisms used in the biogas plant or the anaerobic sewage treatment plant.

Description

Beschreibung  description
Blähglasgranulat mit Spurenelementen, insbesondere als Aufwuchsträger zur gezielten Nährstoffversorgung von Mikroorganismen  Expanded glass granules with trace elements, in particular as growth carrier for targeted nutrient supply of microorganisms
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Blähglasgranulat, insbesondere zur Verwendung in einer Biogasanlage oder einer anaeroben Kläranlage. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Blähglasgranulat insbesondere zur Verwendung in einer Biogasanlage oder einer anaeroben Kläranlage. The invention relates to a process for producing expanded glass granules, in particular for use in a biogas plant or an anaerobic sewage treatment plant. The invention furthermore relates to expanded glass granules, in particular for use in a biogas plant or an anaerobic sewage treatment plant.
Das heutige Energieerzeugungssystem basiert auf dem Einsatz fossiler Energie. Die eingesetzten Energieträger sind teilweise starken Preissteigerungen ausgesetzt, die aus einer absehbaren Verknappung der Ressourcen resultieren. Da fossile Energieträger zudem hauptverantwortlich für den anthropogenen Treibhauseffekt sind, finden in den letzen Jahren verstärkte Bemühungen statt, ihren Anteil am Endenergieverbrauch zu verringern. Today's power generation system is based on the use of fossil energy. The energy sources used are sometimes exposed to strong price increases resulting from a foreseeable shortage of resources. Moreover, as fossil fuels are the main cause of the anthropogenic greenhouse effect, more efforts have been made in recent years to reduce their share of final energy consumption.
Auf europäischer Ebene wurde im Dezember 2008 eine Einigung auf eine„integrale Klimaschutz Strategie" erzielt. Bis 2020 soll eine Reduktion des CO2- Ausstoßes um mindestens 20 % auf Basis des Werts von 1990 erreicht werden [KIENBERGER Th: 2010]. At the European level, an agreement was reached on an "integral climate protection strategy" in December 2008. By 2020, a reduction in CO 2 emissions of at least 20% based on the value of 1990 is to be achieved [KIENBERGER Th: 2010].
Einer der vielversprechendsten Ansätze ist die Nutzung von Biomasse und die daraus mögliche Erzeugung von Biogas. Da bei ihrer energetischen / thermischen Nutzung genauso viel C02 anfällt, wie zuvor beim Wachstum aufgenommen wurde, werden sie als„CO2-neutral" betrachtet. Dadurch kann im Idealfall eine klimaneutrale Nutzung erreicht werden. In Deutschland bestanden Anfang 2012 ca. 6.900 Anlagen, in denen Biogas durch Vergärung von Biomasse gewonnen wird. Durch die Umsetzung von Biomasse in Biogas erreicht man die höchste Energieausbeute je Hektar Anbaufläche. One of the most promising approaches is the use of biomass and the resulting potential production of biogas. Since their energy / thermal use generates just as much C0 2 as was previously recorded during growth, they are considered to be "CO 2 -neutral", which means that climate-neutral use can ideally be achieved. In Germany at the beginning of 2012 there were approximately 6,900 plants in which biogas is produced by fermentation of biomass. The conversion of biomass into biogas achieves the highest energy yield per hectare cultivated area.
Im Vergleich zu den BtL Kraftstoffen der zweiten Generation, die erst in einigen Jahren kommerziell verfügbar sein werden, kann Biogas bzw. daraus durch Aufbereitung hergestelltes Biomethan schon heute in allen Erdgasfahrzeugen ohne technische Modifikationen eingesetzt werden. Biogas bzw. Biomethan lässt sich in entsprechenden Motoren mit sehr hohen Wirkungsgraden verströmen. Die Reichweite eines mit Biogas betriebenen Personenkraftfahrzeugs liegt dabei bei etwa 67 600 km pro Hektar Anbaufläche. Compared to BtL second-generation fuels, which will only become commercially available in a few years, biogas or bio-methane produced from biomass can already be used today in all natural gas vehicles without any technical modifications. Biogas or biomethane can be emitted in corresponding engines with very high efficiencies. The range of a biogas-fueled passenger car is approximately 67,600 km per hectare of cultivated area.
In einer Biogasanlage besteht grundsätzlich das Problem, dass diejenigen Mikroorganismen, die Biomasse zu Biogas verstoffwechseln, typischerweise sehr geringe Wachstumsraten aufweisen, was mit einer geringen Umsatzrate von Biomasse zu Biogas einhergeht. Um in einer Biogasanlage dennoch durch eine vergleichsweise hohe Konzentration an Mikroorgansimen eine akzeptable Umsatzrate zu gewährleisten, werden in Biogasanlagen häufig Aufwuchsträger eingesetzt, auf denen sich die Mikroorganismen als Biofilm ansiedeln und somit immobilisiert werden. Zum Rückhalt der immobilisierten Mikroorganismen im Reaktionsraum der Biogasanlage wird beispielsweise ein magnetisches Blähglasgranulat als Aufwuchsträger verwendet. Ein derartiges von der Anmelderin entwickeltes magnetisches Blähglas ist aus der DE 10 2010 039 232 B4 der Anmelderin bekannt. In a biogas plant, there is basically the problem that those microorganisms that metabolize biomass to biogas typically have very low growth rates, which is associated with a low conversion rate of biomass to biogas. In order nevertheless to ensure an acceptable conversion rate in a biogas plant by means of a comparatively high concentration of microorganisms, biogas plants frequently employ growth carriers on which the microorganisms settle as biofilms and are thus immobilized. For the retention of the immobilized microorganisms in the reaction space of the biogas plant, for example, a magnetic expanded glass granules is used as a growth medium. Such a magnetic blown glass developed by the applicant is known from DE 10 2010 039 232 B4 of the Applicant.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Blähglasgranulat bereitzustellen, das als Aufwuchsträger für Mikroorganismen, insbesondere zur Verwendung in einer Biogasanlage oder einer anaeroben Kläranlage, besonders geeignet ist. The invention has for its object to provide a Blähglasgranulat, which is particularly suitable as a growth medium for microorganisms, in particular for use in a biogas plant or an anaerobic sewage treatment plant.
Bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung des Blähglasgranulats wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 . Bezüglich des Blähglasgranulats wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 8. Vorteilhafte und teils für sich gesehen erfinderische Ausgestal- tungen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt. With regard to a method for producing the expanded glass granules, the object is achieved according to the invention by the features of claim 1. With respect to the expanded glass granules, the object is achieved according to the invention by the features of claim 8. Advantageous and partly inventive in itself. tions and further developments of the invention are set forth in the subclaims and the description below.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Blähglasgranulat, das insbesondere zur Verwendung in einer Biogasanlage oder einer anaeroben Kläranlage vorgesehen ist, umfasst die folgenden Verfahrensschritte: The process according to the invention for producing expanded glass granules, which is intended in particular for use in a biogas plant or an anaerobic sewage treatment plant, comprises the following process steps:
- Vermischen von Glasmehl, Blähmittel und Bindemittel zu einer Ausgangsmischung, Mixing glass flour, blowing agent and binder to a starting mixture,
- Granulieren der Ausgangsmischung zu Blähglasgranulat-Grünkörpern, und Granulating the starting mixture into expanded glass granules green bodies, and
- Verschäumen der Blähglasgranulat-Grünkörper zu Blähglasgranulat-Foaming the expanded glass granulate green bodies into expanded glass granules
Partikeln bei Temperaturen von 600 °C bis 950 °C. Particles at temperatures of 600 ° C to 950 ° C.
Erfindungsgemäß werden bei der Herstellung des Blähglasgranulats, und dabei insbesondere bei der Herstellung der vorgenannten Ausgangsmischung, Mineralstoffe und/oder Spurenelemente zugesetzt, die insbesondere für die Nährstoffversorgung von in der Biogasanlage bzw. der anaeroben Kläranlage eingesetzten Mikroorganismen dienen. According to the invention, minerals and / or trace elements are added in the preparation of the expanded glass granules, and in particular in the preparation of the aforementioned starting mixture, which serve in particular for the nutrient supply of microorganisms used in the biogas plant or the anaerobic sewage treatment plant.
Das erfindungsgemäße Blähglasgranulat, das insbesondere zur Verwendung in einer Biogasanlage oder einer anaeroben Kläranlage dient, ist entsprechend hergestellt aus Glasmehl, einem Blähmittel und einem Bindemittel, wobei das Blähglasgranulat durch einen Zusatz an Mineralstoffen und/oder Spurenelementen gekennzeichnet ist. Als Glasmehl ist vorzugsweise ein Kalk-Natron-Silikat- Glasmehl eingesetzt, als Bindemittel ist vorzugsweise ein Alkali-Silikat- Wasserglas eingesetzt. The expanded glass granulate according to the invention, which is used in particular for use in a biogas plant or an anaerobic sewage treatment plant, is correspondingly produced from glass flour, a blowing agent and a binder, wherein the expanded glass granules are characterized by an addition of minerals and / or trace elements. The glass powder used is preferably a soda lime silicate glass powder, and the binder used is preferably an alkali silicate water glass.
Als Mineralstoffe (auch als„Makronährstoffe" bezeichnet) sind hier und im Folgenden solche Stoffe bezeichnet, die von Lebewesen, konkret von Mikroorganismen, insbesondere von den in der Biogasanlage bzw. der anaeroben Kläranlage eingesetzten Mikroorganismen, aufgenommen und zur Lebenserhaltung und zum Wachstum verstoffwechselt werden. Vorzugsweise, aber nicht darauf beschränkend, werden bei der Herstellung des Blähglasgranulats als Mineralstoffe Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Natrium, Kalzium, Magnesium und/oder Eisen zugesetzt. As minerals (also referred to as "macronutrients") are here and below referred to such substances that are taken by living things, specifically microorganisms, especially of the microorganisms used in the biogas plant and the anaerobic wastewater treatment plant, and metabolized for life and growth , Preferably, but not by way of limitation, carbon, nitrogen, phosphorus, sulfur, sodium, calcium, magnesium and / or iron are added as minerals in the manufacture of the expanded glass granules.
Als Spurenelemente (auch als„Mikronährstoffe" bezeichnet) sind solche Stoffe bezeichnet, die für Lebewesen, wiederum insbesondere für die in der Biogasanlage bzw. der anaeroben Kläranlage eingesetzten Mikroorganismen, zur Lebenserhaltung nötig sind und in Massenanteilen von weniger als 50 mg/kg im Organismus vorkommen. Vorzugsweise, aber wiederum nicht darauf beschränkend, werden bei der Herstellung des Blähglasgranulats Spurenelemente auf Basis von Kobalt, Mangan, Molybdän, Nickel, Selen, Wolfram und/oder Zink zugesetzt. Trace elements (also referred to as "micronutrients") are those substances which are necessary for living beings, again in particular for the microorganisms used in the biogas plant or the anaerobic sewage treatment plant, and in mass fractions of less than 50 mg / kg in the organism Preferably, but again not limiting, trace elements based on cobalt, manganese, molybdenum, nickel, selenium, tungsten and / or zinc are added in the preparation of the expanded glass granules.
In Experimenten wurden in Hinblick auf die Beschaffenheit und Vorteile des erfindungsgemäßen Blähglasgranulats (und insbesondere in Hinblick auf deren Verwendung als Aufwuchsträger für Mikroorganismen) folgende Erkenntnisse erlangt: In experiments, in view of the nature and advantages of the expanded glass granules according to the invention (and in particular with regard to their use as growth carriers for microorganisms), the following findings have been obtained:
• Das erfindungsgemäße Blähglasgranulat ist grundsätzlich als Träger von biogas- und methanbildenden Biofilmen geeignet. The expanded glass granules according to the invention are in principle suitable as carriers of biogas and methane-forming biofilms.
• Fermentationsprozesse mit erfindungsgemäßen Aufwuchsträgern zeigten sich im Vergleich zu Kontrollprozessen ohne Aufwuchsträger hinsichtlich der Stabilität des Biogasprozesses stets überlegen.  • Fermentation processes with growth carriers according to the invention always proved to be superior in comparison with control processes without growth carrier with regard to the stability of the biogas process.
• Zweckmäßigerweise werden die Aufwuchsträger vor dem Einsatz in einem Fermenter / Bioreaktor gebrochen und auf ein definiertes Kornband abgesiebt. Die dabei entstehende unregelmäßige Oberflächenstruktur kommt der Biofilmbildung, d.h. der Ansiedlung von Mikroorganismen, sehr entgegen.  Expediently, the growth carriers are broken before use in a fermenter / bioreactor and sieved to a defined grain size. The resulting irregular surface texture results in biofilm formation, i. the settlement of microorganisms, very contrary.
• Die Entwicklung der anhaftenden Biofilmmasse wird maßgeblich durch die Beschaffenheit des Aufwuchsträgers sowie die Verweildauer im Fermenter bestimmt.  • The development of adherent biofilm mass is largely determined by the nature of the growth carrier and the residence time in the fermenter.
• Die Ansiedlung von Mikroorganismen auf den Oberflächen der  • The colonization of microorganisms on the surfaces of the
Aufwuchsträger ist sehr selektiv - der Anteil an methanogenen Organismen ist deutlich höher als in der umgebenden Fermentationsflüssigkeit oder dem Inokulum. • Durch das Einschmelzen von Spurenelementen und Mineralstoffen in das Blähglasgranulat bzw. in die Aufwuchsträger wird die Biogasausbeute im Vergleich zur mit Hilfe von herkömmlichen Aufwuchsträgern erzielten Ausbeute erhöht. Growth carrier is very selective - the proportion of methanogenic organisms is significantly higher than in the surrounding fermentation fluid or inoculum. • The melting of trace elements and minerals in the expanded glass granulate or in the growth media increases the biogas yield compared to the yield obtained with the aid of conventional growth media.
• Unter den Rahmenbedingungen in einem Biogas Fermenter / Bioreaktor gehen die Spurenelemente und Mineral Stoffe über einen langen Zeitraum in Lösung.  • Under the conditions in a biogas fermenter / bioreactor, the trace elements and mineral substances go into solution over a long period of time.
• Die Aufwuchsträger bringen eine erhebliche Pufferkapazität in das System ein und wirken somit etwaigen Prozessstörungen durch Übersäuern entgegen.  • The growth carriers bring a significant buffer capacity into the system and thus counteract any process disturbances caused by overacidification.
• An der Oberfläche der Aufwuchsträger bildet sich ein für die Biofilme offensichtlich optimales„Mikromilieu" aus, welches den Archäen (d.h. den methangasbildenden Mikroorganismen) erlaubt, selbst in einer versauerten Umgebung zu überleben.  • At the surface of the growth media, an apparently optimal "micro-environment" is formed for the biofilms, which allows the archaea (i.e., the methane gas producing microorganisms) to survive even in an acidified environment.
In einer bevorzugten Verfahrensvariante wird als Glasmehl ein gemahlenes Kalk- Natron-Silikat Glas, insbesondere mit einem Gewichtsanteil von 60 bis 70 % verwendet. In a preferred process variant, a ground soda lime silicate glass, in particular with a weight fraction of 60 to 70%, is used as glass flour.
Als Bindemittel wird bevorzugt ein Alkali-Silikat-Wasserglas, insbesondere mit einem Gewichtsanteil von 15 bis 25 % zugegeben. Vorteilhafterweise ist es beim Einsatz von Alkali-Silikat-Wasserglas als Bindemittel bei entsprechender Temperaturführung und Verweildauer während des Sinterprozesses möglich, ein gewünschtes Verhältnis zwischen notwendiger Beständigkeit und angestrebter Löslichkeit gezielt zu erreichen. The binder used is preferably an alkali-silicate-water glass, in particular with a weight fraction of 15 to 25% added. Advantageously, it is possible when using alkali silicate-water glass as a binder with appropriate temperature control and residence time during the sintering process to achieve a desired ratio between the necessary resistance and desired solubility targeted.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, durch das Blähmittel zusätzlich Mineralstoffe und/oder Spurenelemente in die Ausgangsmischung einzubringen, insbesondere indem ein oder mehrere Blähmittel aus folgenden Stoffen verwendet werden: Dextrose, Natriumnitrat, Kaliumnitrat, Natriumkarbonat, Kaliumkarbonat, Kalziumkarbonat und Dolomit. Zur zusätzlichen Mineralstoffversorgung der Mikroorganismen, insbesondere mit Kalzium, Magnesium und/oder Eisen, wird in einer bevorzugten Ausführungsform den Blähglasgranulat-Grünkörpern vor dem Verschäumen ein Trennmittel in Form von Kalziumkarbonat, Dolomit und/oder Bentonit zugegeben. It has proved to be advantageous to additionally introduce minerals and / or trace elements into the starting mixture by the blowing agent, in particular by using one or more blowing agents of the following substances: dextrose, sodium nitrate, potassium nitrate, sodium carbonate, potassium carbonate, calcium carbonate and dolomite. For additional mineral supply of the microorganisms, in particular with calcium, magnesium and / or iron, a release agent in the form of calcium carbonate, dolomite and / or bentonite is added to the expanded glass granules green bodies before foaming in a preferred embodiment.
Bevorzugt werden mehrere der folgenden Mineralstoffe und Spurenelemente mit entsprechenden Gewichtsanteilen eingesetzt: Preferably, several of the following minerals and trace elements are used with appropriate proportions by weight:
Natriumselenit-Pentahydrat 0,02000 - 0,04000 % Sodium selenite pentahydrate 0.02000-0.04000%
Nickel(ll)-chlorid-hexahydrat 0,00010 - 0,00030 %  Nickel (II) chloride hexahydrate 0.00010 - 0.00030%
Dinatriummolybdat 0,00010 - 0,00030 %  Disodium molybdate 0.00010 - 0.00030%
Borax 0,00010 - 0,00030 %  Borax 0.00010 - 0.00030%
Zinksulfat-Heptahydrat 0,00010 - 0,00020 %  Zinc Sulphate Heptahydrate 0,00010 - 0,00020%
Cobalt(ll)-chlorid-Hexahydrat 0,00100 - 0,00200 %  Cobalt (II) chloride hexahydrate 0.00100 - 0.00200%
Kupfer(l)-chlorid 0,00010 - 0,00030 %  Copper (I) chloride 0.00010 - 0.00030%
Kaliumpermanganat 0,00020 - 0,00040 %  Potassium permanganate 0,00020 - 0,00040%
Das erfindungsgemäße Blähglasgranulat, bzw. dessen Granulatpartikel, weisen insbesondere Korngrößen auf, die unter 2,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,25 und 1 ,5 mm liegen. The expanded glass granulate according to the invention, or its granulate particles, in particular have particle sizes which are less than 2.5 mm, preferably between 0.25 and 1.5 mm.
Das erfindungsgemäße Blähglasgranulat wird insbesondere als Aufwuchsträger für Mikroorganismen in einem Bioreaktor, insbesondere in einer Biogasanlage oder einer anaeroben Kläranlage, verwendet. The expanded glass granulate according to the invention is used in particular as a growth carrier for microorganisms in a bioreactor, in particular in a biogas plant or an anaerobic sewage treatment plant.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:
Fig. 1 ein Schema des anaeroben Abbaus organischer Substanz, verändert nach Weiland /P. Weiland, 2001/, Fig. 1 is a diagram of the anaerobic degradation of organic substance, changed to Weiland / P. Weiland, 2001 /,
Fig. 2 den Cofaktor F430 der Methyl-Coenzym-M-Reduktase, 2 shows the cofactor F430 of methyl coenzyme M reductase,
Fig. 3 schematisch die Versorgung mit und die Verfügbarkeit von Mikro- nährstoffen in einem Biogasfermenter, Fig. 4 eine PCR-SSCP Analyse von Proben aus einem mesophilen 3 schematically shows the supply and the availability of micronutrients in a biogas fermenter, Fig. 4 shows a PCR-SSCP analysis of samples from a mesophilic
Biogasfermenter / LfL /,  Biogas fermenter / LfL /,
Fig. 5 in einem Diagramm Fütterungsmenge und Gasentwicklung bei einem Screeningversuch mit unterschiedlichen Aufwuchsträgern, FIG. 5 is a diagram of feeding quantity and gas development in a screening experiment with different growth carriers, FIG.
Fig. 6 in einem Diagramm die Basiszusammensetzung und mögliche Variationen zur Einstellung der chemischen Beständigkeit bei einem Alkali- Erdalkali- Boro- Silicatglas, 6 shows a diagram of the basic composition and possible variations for adjusting the chemical resistance in an alkali-earth-alkali borosilicate glass,
Fig. 7 eine (Glas-)Spritze als Miniaturversuchs-Fermenter zur Durchführung von Besiedlungsversuchen an unterschiedlichen Aufwuchsträgern, 7 shows a (glass) syringe as a miniature experimental fermenter for carrying out colonization experiments on different growth carriers,
Fig. 8 ein Drehgestell zur Lagerung einer Vielzahl von Spritzen gemäß Fig. 8 shows a bogie for supporting a plurality of syringes according to FIG.
7,  7,
Fig. 9 in einem Balkendiagramm die zeitliche Entwicklung der Konzentration des trockenen Biofilms bei Besiedlungsversuchen mit unterschiedlichen Aufwuchsträgern,  9 is a bar graph showing the time evolution of the concentration of the dry biofilm in colonization experiments with different growth carriers,
Fig. 10 in einem Balkendiagramm die zeitliche Entwicklung der  10 is a bar chart showing the time evolution of
Mikroorganismenpopulation bei Besiedlungsversuchen mit unterschiedlichen Aufwuchsträgern,  Microorganism population in colonization experiments with different crops,
Fig. 1 1 in einem Balkendiagramm die zeitliche Entwicklung der  Fig. 1 1 in a bar chart, the temporal evolution of
Mikroorganismengruppe (BAC und ARC), ARC und deren %Anteil an der Gesamtpopulation bei Besiedlungsversuchen mit unterschiedlichen Aufwuchsträgern, und  Microorganism group (BAC and ARC), ARC and their percentage of the total population in colonization trials with different crops, and
Fig. 12 wiederum in einem Balkendiagramm die Konzentration des trockenen Biofilms und die Biogasausbeute bei Besiedlungsversuchen mit unterschiedlichen Aufwuchsträgern.  FIG. 12 again shows in a bar chart the concentration of the dry biofilm and the biogas yield in colonization experiments with different growth carriers.
Einander entsprechende Teile und Schritte sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen. Corresponding parts and steps are always provided in all figures with the same reference numerals.
1. Für die Erfindung relevante Hintergrundinformationen 1. Background information relevant to the invention
Zur Erläuterung der Erfindung werden im Folgenden zunächst einige die Erfindung betreffende mikrobiologische, biochemische und verfahrenstechnische Aspekte aufgeführt. 1.1 Der Biogasprozess To explain the invention, some microbiological, biochemical and procedural aspects relating to the invention will first be listed below. 1.1 The biogas process
Grundlagen der Biogasbildung Basics of biogas formation
Die anaerobe Konversion von Biomasse und damit die Gewinnung des erneuerbaren Energieträgers Methan ist eines der derzeit effizientesten Verfahren zur Erzeugung von regenerativen Energieträgern aus Biomasse /SRU, 2007/.  The anaerobic conversion of biomass and thus the extraction of the renewable energy source methane is one of the currently most efficient processes for the production of regenerative energy sources from biomass / SRU, 2007 /.
Aufbauend auf der Energiegewinnung durch die Photosynthese werden als Stoffwechselleistung von den Pflanzen Makromoleküle synthetisiert. Diese Makromoleküle können stöchiometrisch betrachtet beim anaeroben Abbau in Biogasanlagen mit einer sehr hohen Effizienz in Methan und Kohlenstoffdioxid umgewandelt werden. Based on the energy generated by photosynthesis, macromolecules are synthesized by the plants as metabolic power. Stoichiometrically, these macromolecules can be converted into methane and carbon dioxide at very high efficiency in anaerobic digestion in biogas plants.
Diese Umwandlung ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. This transformation is shown schematically in FIG.
Der Abbau von organischer Substanz (d.h. Biomasse 1 , beispielsweise Polysaccharide, Proteine, Lipide) unter Luftabschluss wird immer durch die sog. primäre Gärung 2 eingeleitet (in Fig. 1 als grau hinterlegter Kasten gekennzeichnet). Die Gärung selbst ist ein mikrobieller Konversionsprozess zum Zweck der Energiegewinnung. In diesen Energiestoffwechsel wird jedoch weder Sauerstoff noch ein sonstiger externer Elektronenakzeptor (z. B. N03 ") einbezogen. The decomposition of organic matter (ie biomass 1, for example, polysaccharides, proteins, lipids) under exclusion of air is always initiated by the so-called. Primary fermentation 2 (marked in Fig. 1 as gray box). The fermentation itself is a microbial conversion process for the purpose of energy production. However, neither oxygen nor any other external electron acceptor (eg N0 3 " ) is included in this energy metabolism.
Die primären Gärer sekretieren Exo-Enzyme, die die komplexen Makromoleküle der Ausgangsstoffe durch das Auftrennen der Wasserstoffbrückenbindungen bei gleichzeitiger Einbindung von Wasser auflösen. Dieser Schritt wird Hydrolyse 3 genannt und ermöglicht es den Mikroorganismen, die gebildeten Monomere 4 bzw. Dimere aufzunehmen und umzuwandeln. The primary fermenters secrete exo-enzymes, which dissolve the complex macromolecules of the starting materials by breaking down the hydrogen bonds with the simultaneous incorporation of water. This step is called hydrolysis 3 and allows the microorganisms to take up and convert the formed monomers 4 and dimers, respectively.
Die von den primären Gärern aufgenommenen Einzelbausteine (Monomere 4) werden von den Mikroorganismen zu Bausteinen 5, nämlich organischen Säuren, Alkoholen und Kohlenstoffdioxid umgewandelt (Fig. 1 , 2. Schritt) die Acidoge- nese 6. The individual building blocks (monomers 4) taken up by the primary digesters are converted by the microorganisms into building blocks 5, namely organic acids, alcohols and carbon dioxide (FIG. 1, 2nd step), the acidogenesis 6.
Im dritten Konversionsschritt, der Acetogenese 7 werden durch die sekundäre Gärung 8 die gebildeten Säuren und Alkohole zu Essigsäure (Acetat 9), Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid umgesetzt. Der vierte Konversionsschritt, die Methanogenese 10, läuft nur unter strengem Luftabschluss ab (in Fig. 1 als anaerobe Atmung 1 1 gekennzeichnet). In dieser Stufe bilden die methanogenen Mikroorganismen aus Essigsäure bzw. aus Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid das im Biogas 12 enthaltene Methan und Kohlenstoffdioxid. In the third conversion step, acetogenesis 7, the secondary fermentation 8 converts the acids and alcohols formed to acetic acid (acetate 9), hydrogen and carbon dioxide. The fourth conversion step, methanogenesis 10, occurs only under severe exclusion of air (indicated as anaerobic respiration 1 in Figure 1). In this stage, the methanogenic microorganisms from acetic acid or from hydrogen and carbon dioxide form the methane and carbon dioxide contained in the biogas 12.
Während es sich bei der direkten Umwandlung von Essigsäure in Methan und Kohlenstoffdioxid um eine einfache Disproportionierung handelt, ist die Bildung von Methan aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff biochemisch betrachtet ein Vorgang der anaeroben Atmung. Hierunter versteht man die Oxidation von organischen Verbindungen unter Luftabschluss, bei der, an der Stelle von Sauerstoff, oxidierte organische oder anorganische Verbindungen als Elektronenakzeptor fungieren /Klocke et al., 2009/. While the direct conversion of acetic acid into methane and carbon dioxide is a simple disproportionation, the formation of methane from carbon dioxide and hydrogen is biochemically an anaerobic respiration process. This refers to the oxidation of organic compounds in the absence of air, in which, in place of oxygen, oxidized organic or inorganic compounds act as electron acceptor / Klocke et al., 2009 /.
1.2. Bioreaktor / Fermenter 1.2. Bioreactor / fermenter
Bioreaktoren, häufig auch als Fermenter bezeichnet, sind Behälter, in denen bestimmte Mikroorganismen, Zellen oder kleine Pflanzen unter möglichst optimalen Bedingungen kultiviert (fermentiert) werden.  Bioreactors, often referred to as fermenters, are containers in which certain microorganisms, cells or small plants are cultured (fermented) under optimal conditions.
Wichtige Faktoren, die in den meisten Bioreaktoren steuerbar oder kontrollierbar sind, sind die Zusammensetzung des Nährmediums {Nährlösung oder Substrat), die Sauerstoffzufuhr oder Dichtigkeit gegen Eintritt von Sauerstoff, Temperatur, pH-Wert, Sterilität und andere. Zweck der Kultivierung in einem Bioreaktor kann die Gewinnung der Zellen oder von Bestandteilen der Zellen oder die Gewinnung von Stoffwechselprodukten sein. Auch der Abbau von chemischen Verbindungen kann in Bioreaktoren stattfinden, wie z. B. bei der Abwasserreinigung in Kläranlagen. Important factors controllable or controllable in most bioreactors are the composition of the nutrient medium (nutrient solution or substrate), the oxygen supply or tightness against the ingress of oxygen, temperature, pH, sterility and others. The purpose of cultivating in a bioreactor may be to recover the cells or constituents of the cells or recover metabolic products. The degradation of chemical compounds can take place in bioreactors, such. B. in wastewater treatment in sewage treatment plants.
In Bioreaktoren werden unterschiedlichste Organismen für verschiedene Zwecke kultiviert. Daher stehen mehrere Reaktorvarianten in unterschiedlicher Ausführung zur Verfügung. Typisch sind Rührkesselreaktoren aus Metall, aber auch sich stark unterscheidende Varianten, wie z. B. Festbettreaktoren, Photobioreaktoren etc. werden verwendet. In bioreactors a wide variety of organisms are cultivated for different purposes. Therefore, several reactor variants are available in different designs. Typical are stirred tank reactors made of metal, but also strong distinctive variants, such. As fixed bed reactors, photobioreactors, etc. are used.
Anwendung finden Bioreaktoren in den unterschiedlichsten Bereichen der Prozessindustrie wie zum Beispiel in: Bioreactors are used in various areas of the process industry, such as:
Kläranlagen, mit biologischen Prozessstufen. Beim Belebtschlammverfahren findet zunächst ein aerober Schritt statt, in dem gelöste Verbindungen von Mikroorganismen in Form der gebildeten Biomasse gebunden werden. Wastewater treatment plants, with biological process stages. In the activated sludge process, an aerobic step first takes place, in which dissolved compounds of microorganisms are bound in the form of the biomass formed.
Eine weitere prozessbiologische Stufe ist die anaerobe Abwasserreinigung, sie dient bei sehr hoher CSB-Belastung der Entfernung schädlicher oder störender organischer Kohlenstoffverbindungen durch mikrobiologische Abbauprozesse, die ohne Vorhandensein von Sauerstoff (anaerob) ablaufen. Dabei gewinnen Bakterien die für ihren Stoffwechsel erforderliche Energie aus der Umsetzung der organischen Kohlenstoffverbindungen zu organischen Säuren und in weiterer Folge hauptsächlich zu Methan, Kohlendioxid, Kohlenwasserstoff. Another process-biological step is anaerobic wastewater treatment, which at very high COD load serves to remove harmful or interfering organic carbon compounds through microbiological degradation processes that take place without the presence of oxygen (anaerobic). Here, bacteria gain the energy required for their metabolism from the conversion of organic carbon compounds to organic acids and subsequently mainly to methane, carbon dioxide, hydrocarbon.
Beim Anaerobsystem werden aus 1 kg CSB Fracht nur etwa 0,1 kg Schlamm- Trockensubstanz gebildet, der restliche Kohlenstoff wird zu rd.90 % in Methan, C02 und H20 umgesetzt. In the anaerobic system, only about 0.1 kg of sludge dry matter is formed from 1 kg COD load, the remaining carbon is converted to about 90% in methane, C0 2 and H 2 0.
Beim Aerobsystem werden aus 1 kg CSB Fracht rd. 0,5 kg Schlamm- Trockensubstanz gebildet, rd. 50 % wird zu C02 und H20 umgesetzt. The Aerobsystem converts 1 kg COD load into approx. 0.5 kg sludge dry substance formed, approx. 50% is converted to C0 2 and H 2 0.
Die gebildete Biomasse aus dem Belebtschlammverfahren (Aerobsystem) kann über einen anaeroben Prozessschritt, in einem zusätzlichen Fermenter The biomass produced from the activated sludge process (aerobic system) can be passed through an anaerobic process step in an additional fermenter
(Faulturm), zu methanreichem Klärgas umgesetzt werden. (Digestion tower), are converted to methane-rich sewage gas.
Biogasanlagen biogas plants
Die eingesetzte Biomasse 1 wird in einem anaeroben Prozess mit mehreren Schritten (Hydrolyse 3, Acidogenese 6, Acetogenese 7 und Methanogenese 10) zu Biogas 12 und Gärrest abgebaut (vgl. Fig. 1 ). Die Behälter sind luftdicht abgeschlossen und verfügen in der Regel über ein Rührwerk. Um Biogasreaktoren op- timal betreiben zu können, muss bekannt sein, welche biologischen und verfahrenstechnischen Bedingungen im Fermenter herrschen und wie dessen Nährstoffstatus ist. Doch an den meisten Anlagen sind nur wenige Parameter messbar, wie pH-Wert und Gasqualität. Häufig fehlen bereits Angaben zu Methan- oder Kohlendioxid-Gehalten im Gas. Oft steuern die Betreiber ihre Anlagen auf Basis von Erfahrung. The biomass 1 used is degraded in an anaerobic process with several steps (hydrolysis 3, Acidogenese 6, acetogenesis 7 and methanogenesis 10) to biogas 12 and digestate (see Fig. 1). The containers are hermetically sealed and usually have a stirrer. To operate biogas reactors It is important to know which biological and procedural conditions prevail in the fermenter and what their nutrient status is. However, at most plants only a few parameters are measurable, such as pH and gas quality. Frequently, information on methane or carbon dioxide levels in the gas is missing. Often the operators control their plants on the basis of experience.
Brauereien und Winzereien Breweries and wineries
Auch in der Brauerei oder der Winzerei werden Bioreaktoren gebraucht, die hier aber z. B. als Gärbottiche bezeichnet werden. Die verwendeten Mikroorganismen sind hier Hefen, die den Zucker aus der Maische bzw. dem Traubensaft in Alkohol und Kohlenstoffdioxid (CO2) umwandeln. Also in the brewery or the winery bioreactors are needed, but here z. B. be referred to as Gärbottiche. The microorganisms used here are yeasts that convert the sugar from the mash or the grape juice into alcohol and carbon dioxide (CO 2 ).
Pharma- und Kosmetikindustrie Pharmaceutical and cosmetics industry
Die wertvollsten in Bioreaktoren hergestellten Produkte sind medizinisch- pharmakologische Produkte wie zum Beispiel das als Dopingmittel bekanntgewordene Erythropoietin (EPO) oder moderne Insuline.  The most valuable products made in bioreactors are medical-pharmacological products such as the erythropoietin (EPO) known as doping agent or modern insulins.
Die biologische Aktivität von Mikroorganismen in Bioreaktoren wird durch ihren Stoffwechsel bestimmt. Je besser die Mikroorganismen organische Stoffe umsetzen, umso höher fallen die prozessbiologischen Ausbeuten aus. Sind die prozesstechnischen Parameter im Reaktor nicht optimal oder fehlen Nährstoffe, sinkt die biologische Aktivität der Mikroorganismen.  The biological activity of microorganisms in bioreactors is determined by their metabolism. The better the microorganisms convert organic substances, the higher the process-biological yields are. If the process parameters in the reactor are not optimal or lack nutrients, the biological activity of the microorganisms decreases.
1.3. Wachstumsgeschwindigkeiten der Mikroorganismen 1.3. Growth rates of microorganisms
Mikroorganismen können sich unterschiedlich schnell vermehren. Ihre spezifische Stoffwechselleistung und damit der Umsatz des Substrats hängen stark von günstigen Umweltbedingungen, der Gegenwart von Konkurrenten/Räubern und von der Energie ab, die ihnen die Reaktion zur Verfügung stellt. Je dichter die Population und je höher die Substratverfügbarkeit, desto schneller erfolgt der Substratumsatz - allerdings nur innerhalb gewisser Grenzen, da andere Faktoren limitierend wirken können. Das Wachstum der hydrolytischen und acidogenen Mikroorganismen ist, soweit dies bisher getestet werden konnte, im Durchschnitt schneller als das von syntrophen Bakterien sowie von methanogenen Archäen. Die Syntrophen und Methanogenen stellen damit gewöhnlich den Flaschenhals der Biogasproduktion dar. Sie sind das "schwächste" Glied der Biozönose, nach dem sich der Gesamt- prozess richten muss. Microorganisms can multiply at different rates. Their specific metabolic activity and thus the turnover of the substrate depend strongly on favorable environmental conditions, the presence of competitors / predators and on the energy that the reaction provides them. The denser the population and the higher the substrate availability, the faster substrate conversion takes place - but only within certain limits, as other factors can have a limiting effect. The growth of the hydrolytic and acidogenic microorganisms, as far as has been tested so far, on average faster than that of syntrophic bacteria and methanogenic archaea. The syntenes and methanogens thus usually represent the bottleneck of biogas production. They are the "weakest" link in the biocenosis according to which the overall process must be directed.
Beim Anfahren eines Fermenters ist es deshalb sinnvoll, die Substratzugabe langsam zu steigern und eine relativ große Verweilzeit vorzusehen, um allen Mitgliedern der Biogas-Biozönose ausreichend Zeit zum Aufbau einer effizienten Populationsdichte zu gewähren. Wird zu viel Substrat auf einmal zugegeben, wachsen insbesondere die hydrolytischen / acidogenen Mikroorganismen und die entstehenden Säuren können nicht vollständig zu Biogas umgewandelt werden. Dies hat einen Abfall des pH-Wertes im Fermenter zur Folge. When starting up a fermenter, it is therefore useful to increase the substrate addition slowly and to provide a relatively long residence time to allow all members of the biogas biocenosis sufficient time to build an efficient population density. If too much substrate is added at once, especially the hydrolytic / acidogenic microorganisms grow and the resulting acids can not be completely converted to biogas. This results in a drop in the pH in the fermenter result.
Da methanogene Archäen säureempfindlicher reagieren als hydrolytische / acidogene Bakterien, steigt der Anteil von organischen Säuren im Fermenter immer stärker an und kann zu einem Absturz führen, wenn die Raumbelastung nicht deutlich reduziert bzw. die Fütterung ausgesetzt wird. Ein Aussetzen der Fütterung senkt die Säurebildung und führt, wenn dies rechtzeitig erfolgt, zu einer Erholung des Prozesses. Eine unterstützende Maßnahme kann eine Erhöhung des pH-Wertes durch Zugabe von basisch wirkenden Substanzen sein (z.B. Natrium- hydrogencarbonat, Kalk, Branntkalk/Löschkalk). Since methanogenic archees are more sensitive to acids than hydrolytic / acidogenic bacteria, the proportion of organic acids in the fermenter increases more and more and can lead to a crash if the load on the room is not significantly reduced or the feeding is suspended. Suspension of feeding lowers acid formation and, if timely, results in recovery of the process. A supporting measure may be an increase in the pH by addition of basic substances (for example sodium bicarbonate, lime, quick lime / hydrated lime).
Aus denselben Gründen beeinträchtigen plötzliche Veränderungen im Betrieb besonders die Syntrophen und Methanogenen. Diese brauchen am längsten, um sich an die neuen Gegebenheiten anzupassen. Die Folge ist gewöhnlich eine Versäuerung wie oben geschildert. For the same reasons, sudden changes in operation particularly affect the syntrophes and methanogens. These take the longest to adapt to the new conditions. The consequence is usually an acidification as described above.
Demnach ist z.B. bei Substratwechsel oder Änderung der Betriebstemperatur vorsichtig vorzugehen. Wenn der Betrieb vor der Änderung stabil war, sollte die Raumbelastung mit dem neuen Substrat anfangs gering und die Verweilzeit groß gehalten werden. So bekommen die schwachen Kettenglieder ausreichend Zeit zum Aufbau einer effektiven, den neuen Bedingungen angepassten Population mit ausreichender Dichte. Hat diese neu zusammengesetzte Biozönose sich stabilisiert (typischerweise nach etwa 20 Tagen), kann die Raumbelastung langsam gesteigert werden. Wird die Raumbelastung zu schnell gesteigert, kann die Assoziation Syntrophe / Methanogene nicht schnell genug nachwachsen. Ein weiterer Ansatz ist es zu gewährleistet, dass die Konzentration der Syntrophen / Accordingly, care should be taken, for example, when changing the substrate or changing the operating temperature. If the operation was stable before the change, the space load with the new substrate should initially be low and the residence time should be kept high. This gives the weak links enough time to build an effective, adapted to the new conditions population with sufficient density. Once this newly synthesized biocenosis has stabilized (typically after about 20 days), the space load can be slowly increased. If the space load increases too fast, the syntrophic / methanogenic association can not regrow fast enough. Another approach is to ensure that the concentration of syntrophic
Methanogenen Organismen verfahrenstechnisch künstlich hoch gehalten wird, beispielsweise über Gärrestrückführung oder Immobilisierung. Methanogenic organisms process technology is kept artificially high, for example via fermentation residue recycling or immobilization.
Allgemeinen Erfahrungen nach liegt die Grenze beispielsweise für Maissilage und optimaler Spurenelementversorgung im Bereich 6 - 10 kg oTS / (m3 * d). For example, for maize silage and optimal trace element supply, the limit is 6 - 10 kg oTS / (m 3 * d).
1.4 Mineralstoffe und Spurenelemente 1.4 Minerals and trace elements
Begriffsdefinition und Bedeutung Definition of terms and meaning
Mineralstoffe sind lebensnotwendige anorganische Nährstoffe, welche der Organismus nicht selbst herstellen kann; sie müssen ihm mit der Nahrung zugeführt werden. Da die Mineralstoffe meist in Form anorganischer Verbindungen vorliegen, sind sie, anders als einige Vitamine, gegen die meisten Zubereitungsmethoden unempfindlich. Zum Beispiel können sie durch Hitze oder Luft nicht zerstört werden. Für den menschlichen, tierischen und pflanzlichen Organismus stellen Mineralstoffe wichtige anorganische Verbindungen dar. Dabei dienen sie nicht der Energiebereitstellung, sondern wirken als Bau- und Wirkstoff und übernehmen so wichtige Regelfunktionen im Organismus.„Sie sind als Katalysatoren am Stoffwechsel beteiligt, unentbehrlich für die Regulation des pH-Werts, [....], für die Schaffung von Puffersystemen, [...], oder die Förderung von Enzymsystemen" Hernes et al., 20051.  Minerals are essential inorganic nutrients that the organism can not produce itself; they have to be fed to him with food. Since the minerals are usually in the form of inorganic compounds, they are unlike some vitamins, insensitive to most cooking methods. For example, they can not be destroyed by heat or air. For the human, animal and plant organisms, minerals are important inorganic compounds. They do not serve to provide energy, but act as building and active substance and thus take over important regulatory functions in the organism. "They are involved as catalysts in the metabolism, indispensable for the regulation the pH, [...], for the creation of buffer systems, [...] or the promotion of enzyme systems "Hernes et al., 20051.
Mineralstoffe werden von Pflanzen über die Wurzeln aus dem Boden aufgenommen und in ihre Biomasse eingebaut. Sie können nicht verbrannt werden und verbleiben daher als unverbrannter Rückstand in der Asche. Diese Eigenschaft kann für die Bestimmung des Mineralstoffanteils im Pflanzenmaterial oder im Minerals are taken up by plants through the roots of the soil and incorporated into their biomass. They can not be burned and therefore remain as unburned residue in the ash. This property can be used for the determination of the mineral content in the plant material or in the
Fermenterschlamm genutzt werden. Von den insgesamt 92 verschiedenen natürlichen Elementen können 40-50 in Pflanzen nachgewiesen werden. Jedoch sind lediglich 16 davon für die Pflanze unentbehrlich. Diese Nährstoffe werden daher auch als essentielle Nährstoffe bezeichnet. Fermenterschlamm be used. Of the total of 92 different natural elements, 40-50 can be detected in plants. However, only 16 are indispensable for the plant. These nutrients are therefore also referred to as essential nutrients.
Man teilt die Mineralstoffe in einem Organismus nach zwei Dimensionen ein, nach der Konzentration oder nach der Funktion. The minerals in an organism are divided into two dimensions, concentration or function.
Konzentration: Elemente in relativ hohen Konzentrationen im Organismus - über 50 mg pro kg Körpergewicht - werden als Mengen- oder Makroelemente (Mineralstoffe) bezeichnet. Elemente mit weniger als 50 mg pro kg Körpergewicht heißen Spuren- oder Mikroelemente /Entrup et al, 20081. Für eine Reihe von Spurenelementen ist es bis heute ungeklärt, ob sie zufälliger Bestandteil des jeweiligen Organismus sind oder ob ihnen tatsächlich eine physiologische Funktion zukommt. Concentration: Elements in relatively high concentrations in the organism - over 50 mg per kg of body weight - are referred to as quantity or macroelements (minerals). Elements with less than 50 mg per kg body weight are called trace elements or microelements / Entrup et al., 20081. For a number of trace elements, it is still unclear whether they are a random component of the organism or whether they actually have a physiological function.
Funktion: Nach ihrer Funktion im Organismus unterscheidet man zwischen Baustoffen (Mineralstoffen) und Reglerstoffen (Spurenelementen). Function: According to their function in the organism, a distinction is made between building materials (minerals) and regulators (trace elements).
Ein von der Universität Hohenheim durchgeführter Abgleich zahlreicher Biogasanlagen mit ähnlicher Technik, nahezu identischen Substraten und gleicher Betriebsweise zeigte, dass vor allem die maximal erzielbare volumenspezifische Leistung der Anlagen stark variierte. A comparison made by the University of Hohenheim of numerous biogas plants with similar technology, almost identical substrates and the same operating mode showed that above all the maximum achievable volume-specific performance of the plants varied widely.
Bei einzelnen Biogasanlagen traten Prozessstörungen bereits auf, sobald die (auf organische Trockensubstanz bezogene) Faulraumbelastung auf über 2 kg pro Kubikmeter und Tag (oTS = 2 kg/(m3 * d)) erhöht wurde. In anderen Biogasanlagen ließen sich hingegen problemlos mehr als doppelt so hohe In individual biogas plants, process disturbances already occurred as soon as the (on organic dry substance related) Faulraumbelastung on over 2 kg per cubic meter and day (oTS = 2 kg / (m 3 * d)) was increased. In other biogas plants, however, could easily be more than twice as high
Faulraumbelastungen von zum Teil über 5 kg /(m3 * d) (oTS) realisieren. Faulraumbelastungen of partly over 5 kg / (m 3 * d) (oTS) realize.
Im Biogaslabor der Universität Hohenheim durchgeführte Untersuchungen an „weniger leistungsfähigen" Gärsubstraten aus Praxisanlagen zeigten, dass die eingeschränkte Leistungsfähigkeit der Fermenterbiologie auf deren„Mangelernäh- rung" beruhte. Durch Zugabe von zuvor im Mangel befindlichen Spurenelementen wurde die Produktivität der Bakterien deutlich gesteigert, sodass im gleichen Zeitraum bei unverändertem Gärvolumen deutlich mehr Biomasse zu Methan umgesetzt werden konnte. Eine Prozesshemmung mit einhergehender Säureanreicherung trat ein. In the biogas laboratory of the University of Hohenheim conducted studies on "less efficient" fermentation substrates from practice facilities showed that the limited capacity of the fermenter biology on their "malnutrition" By adding previously lacking trace elements, the productivity of the bacteria was significantly increased, so that significantly more biomass could be converted to methane with unchanged fermentation volume during the same period.
Makronährstoffe / Mineralstoffe Macronutrients / Minerals
Die am Biogasprozess beteiligten Mikroorganismen benötigen für ihren Stoffwechsel und zum Aufbau ihrer Zellsubstanz verschiedene Mineralstoffe. Dabei sind die benötigten Mengen artspezifisch.„Die Trockenmasse von Mikroorganismen besteht etwa zu 50 % aus Kohlenstoff, zu 1 1 % aus Stickstoff, zu 2 % aus Phosphor und zu 1 % aus Schwefel".  The microorganisms involved in the biogas process require different minerals for their metabolism and for building up their cell substance. The required amounts are species-specific. "The dry matter of microorganisms consists of about 50% carbon, 1 1% nitrogen, 2% phosphorus and 1% sulfur".
Daraus lässt sich ableiten, dass Kohlenstoff der bedeutendste Nährstoff ist, gefolgt von Stickstoff, Phosphor und verschiedenen Schwefelverbindungen From this it can be deduced that carbon is the most important nutrient, followed by nitrogen, phosphorus and various sulfur compounds
I Bischof sberger et al., 20051. I bishop sberger et al., 20051.
Kohlenstoff ist nach Wasser der Hauptbestandteil der Mikroorganismen. Als Kohlenstoffquelle dient im Wesentlichen das zugeführte Substrat. Carbon is the main constituent of microorganisms after water. The carbon source used is essentially the supplied substrate.
Stickstoff \s\ nach Kohlenstoff der am meisten benötigte Nährstoff. Er wird insbesondere benötigt für die Proteinbiosynthese, also für die Bildung von Enzymen, die die Reaktionen im Stoffwechsel durchführen. Zu hohe Stickstoffgehalte im Substrat können allerdings zu einer Hemmung der mikrobiellen Aktivität im Fermenter führen. Nitrogen is the most needed nutrient after carbon. It is needed in particular for protein biosynthesis, ie for the formation of enzymes that carry out the reactions in the metabolism. Excessively high nitrogen contents in the substrate can, however, lead to an inhibition of the microbial activity in the fermenter.
Phosphor ist für die Bildung der Energieträger ATP (Adenosintriphosphat) und NADP (Nicotinamidadenindinukleotidphosphat) im Stoffwechsel der Mikroorganismen mitbestimmend. Phosphatmangel führt deshalb zur Erlahmung des Stoffwechsels. Phosphorus is involved in the formation of the energy carriers ATP (adenosine triphosphate) and NADP (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate) in the metabolism of microorganisms. Lack of phosphate therefore leads to the reduction of the metabolism.
Schwefel ist Bestandteil der Aminosäuren Cystein und Histidin und damit essentiell zur Bildung wichtiger Enzyme im Stoffwechsel. Auch andere Schwefelverbindungen spielen im Stoffwechselkreislauf eine entscheidende Rolle, z.B. FeS-Komplexe als Redoxpartner im Elektronentransport. Sulfur is part of the amino acids cysteine and histidine and thus essential for the formation of important enzymes in the metabolism. Other sulfur compounds also play a crucial role in the metabolic cycle, eg FeS complexes as redox partners in electron transport.
Natrium ist für (einige) Archäen wichtig, da der Energieträger ATP bei diesen nicht nur über die Leistung von„Protonenpumpen", sondern auch über„Na+- Pumpen" erzeugt wird /Deppenmeier et al., 1999/. Bei Unterversorgung mit Na+ können also der Energiestoffwechsel der Methanogenen und damit die Sodium is important for (some) archaea, since the energy carrier ATP is not only generated by the power of "proton pumps" but also by "Na + pumps" / Deppenmeier et al., 1999 /. In the case of undersupply of Na + , the energy metabolism of the methanogens and thus the
Methanogenese in der Biogasproduktion einbrechen. Dies kann beim Unterschreiten von 50 mg Na+ / g TS bereits der Fall sein. Break down methanogenesis in biogas production. This may already be the case when 50 mg Na + / g TS are fallen short of.
Im Bereich der Mineral Stoffe erfüllen neben C, N, P, S und Na+ auch Kalzium, Magnesium und Eisen wichtige Funktionen im Stoffwechsel. Kalzium und Magnesium sind wichtige Strukturelemente z.B. für Enzyme. In the area of mineral substances, C, N, P, S and Na + as well as calcium, magnesium and iron fulfill important functions in the metabolism. Calcium and magnesium are important structural elements eg for enzymes.
Eisen übernimmt im Biogasprozess drei wichtige Aufgaben. Zum einen ist Eisen ein Bindungselement bei der Sulfidfällung. Indem sich Eisen an Schwefel bindet, kann Eisensulfid ausgefällt werden, wodurch die Sulfidtoxizität im Fermenter reduziert wird. Eisen takes over three important tasks in the biogas process. On the one hand, iron is a binding element in the sulfide precipitation. As iron binds to sulfur, iron sulfide can precipitate, reducing sulfide toxicity in the fermenter.
Zum anderen dient Eisen im mikrobiellen Stoffwechsel als Reaktionspartner. On the other hand, iron in the microbial metabolism serves as a reaction partner.
Methanogene Bakterien benötigen zur Reduktion von CO2 zu CH4 ein Transportsystem. Durch die Reduktion von Fe3+ zu Fe2+ fungiert Eisen zuerst als Elektronenakzeptor. Dadurch kann Fe2+ zu einem späteren Zeitpunkt als Elektronendonator und somit als Energieträger genutzt werden. Schließlich ist Eisen auch noch Bestandteil vieler Enzyme. Methanogenic bacteria require a transport system to reduce CO 2 to CH 4 . By reducing Fe 3+ to Fe 2+ , iron first acts as an electron acceptor. As a result, Fe 2+ can be used later as an electron donor and thus as an energy carrier. Finally, iron is also part of many enzymes.
Grundsätzlich zählt nicht nur die Menge eines Nährstoffes, sondern auch das optimale Verhältnis aller Nährstoffe zueinander, um optimale Prozessbedingungen zu erhalten. Dazu wurde ein C/N/P- Verhältnis in etwa zwischen 100:5:1 und 200:5:1 empfohlen /Effenberger et al., 2007/. Mikronährstoffe / Spurenelemente Basically, not only the amount of a nutrient counts, but also the optimal ratio of all nutrients to each other in order to obtain optimal process conditions. For this purpose, a C / N / P ratio of approximately between 100: 5: 1 and 200: 5: 1 was recommended / Effenberger et al., 2007 /. Micronutrients / trace elements
Mikronährstoffe werden aufgrund ihrer geringen Konzentration in der Biomasse auch als Spurenelemente bezeichnet. Spurenelemente gelangen durch physikalische und chemische Gesteinsverwitterung in den Boden. Folglich variiert der Spurenelementgehalt im Boden je nach Ausgangsgestein, Klima und dem Einfluss der Bepflanzung bzw. der Bewirtschaftung.  Micronutrients are also referred to as trace elements due to their low concentration in the biomass. Trace elements enter the soil through physical and chemical rock weathering. Consequently, the trace element content in the soil varies depending on the source rock, climate and the impact of planting or management.
Pflanzen benötigen Spurenelemente zum Überleben. Sie entziehen dem Boden diese Stoffe, wobei es sich jedoch lediglich um wenige Gramm pro Hektar handelt. Entsprechend gering ist der Mikronährstoffgehalt in pflanzlicher Biomasse. Plants need trace elements to survive. They extract these substances from the soil, but these are only a few grams per hectare. The micronutrient content in plant biomass is correspondingly low.
Eine ausreichende Gegenwart und Verfügbarkeit mancher Spurenelemente ist für Mikroorganismen lebensnotwendig. Methanogene Archäen benötigen die Elemente Kobalt (Co), Mangan (Mn), Molybdän (Mo), Nickel (Ni), Selen (Se), Wolfram (W) und Zink (Zn). A sufficient presence and availability of some trace elements is vital for microorganisms. Methanogenic archees require the elements cobalt (Co), manganese (Mn), molybdenum (Mo), nickel (Ni), selenium (Se), tungsten (W) and zinc (Zn).
Kobalt dient vor allem als Zentralatom in Korrinoiden und Vitamin B12 Enzymen. Kobalt kann dabei in drei verschiedenen Formen als Zentralion eingebaut werden: als Co3+, Co2+ oder Co+. Kobalthaltige Enzyme sind sowohl in den methanogenen, als auch in den acetogenen Bakterien vorhanden. Cobalt serves primarily as a central atom in Korrinoiden and vitamin B12 enzymes. Cobalt can be incorporated in three different forms as a central ion: as Co 3+ , Co 2+ or Co + . Cobalt-containing enzymes are present in both the methanogenic and the acetogenic bacteria.
Mangan (Mn) hat bei anaeroben Organismen ähnliche Eigenschaften oder Funktionen wie Eisen. Sie nutzen durch die Reduktion von Mn4+ zu Mn2+ und Fe3+ zu Fe2+ diese Spurennährstoffe als Oxidationsmittel. Durch spätere Oxidationsreakti- onen können wiederum Elektronen für weitere Reaktionen bereitgestellt werden. Manganese (Mn) has similar properties or functions to anaerobic organisms as iron. By reducing Mn 4+ to Mn 2+ and Fe 3+ to Fe 2+, they use these micronutrients as oxidizing agents. Later oxidation reactions can in turn provide electrons for further reactions.
Nickel ist im Biogasprozess eine Art Universalelement, denn es ist am Aufbau vieler verschiedener Enzyme beteiligt. So kommt ein Nickel-Zentral-Atom beispielsweise in Urease, Hydrogenase, dem Cofaktor F430 und noch vielen weiteren Enzymen vor. Urease bewirkt die Hydrolyse von Harnstoff. Das dabei freiwerdende Ammoniak dient vielen Mikroorganismen als Stickstoffquelle. Nickel is a kind of universal element in the biogas process because it is involved in the construction of many different enzymes. For example, a nickel-centered atom occurs in urease, hydrogenase, the cofactor F430 and many other enzymes. Urease causes the hydrolysis of urea. The released ammonia serves many microorganisms as nitrogen source.
Hydrogenase katalysiert die Oxidations-Reduktions-Reaktion von Wasserstoff und spielt dabei eine essentielle Rolle. Hydrogenase catalyzes the oxidation-reduction reaction of hydrogen and plays an essential role.
Der Cofaktor F430 (siehe Fig. 2) ist für den letzten Schritt der Methanbildung unverzichtbar. Dieser Cofaktor weist ein Nickelzentralatom auf. The cofactor F430 (see Figure 2) is indispensable for the final step of methane formation. This cofactor has a nickel central atom.
Molybdän (Mo) und Wolfram (W) weisen ähnliche chemische Eigenschaften auf und übernehmen während der anaeroben Konversion auch vergleichbare Aufgaben. So katalysieren sie für gewöhnlich die Oxidations- und Reduktionsreaktionen des C02. Untersuchungen haben außerdem gezeigt, dass Molybdän in einigen Fällen durch Wolfram ersetzt werden kann. Molybdän ist damit das einzig bekannte Beispiel, bei dem ein Zentralatom eines Enzyms durch ein anderes ersetzt werden kann, ohne dass die enzymspezifische Wirkung verloren geht /Bertram et ai, 19941. Molybdenum (Mo) and tungsten (W) have similar chemical properties and perform similar tasks during anaerobic conversion. Thus, they usually catalyze the oxidation and reduction reactions of C0 2 . Research has also shown that molybdenum can in some cases be replaced by tungsten. Molybdenum is thus the only known example in which a central atom of one enzyme can be replaced by another, without losing the enzyme-specific effect / Bertram et al, 19941.
Selen ist vor allem für den Aufbau von Proteinen wie z.B. Selenocystein oder Selenomethionin von Bedeutung. Einige methanogene Archäen benötigen die selenhaltigen Proteine zur Oxidation von Wasserstoff. Für diese Archäen kann eine unzureichende Selenkonzentration daher auch zum wachstumslimitierenden Faktor werden /Chasteen, Bentley, 20031. Selenium is especially useful for building proteins such as Selenocysteine or selenomethionine of importance. Some methanogenic archaea require the selenium-containing proteins to oxidize hydrogen. Inadequate selenium concentration can therefore also be a growth-limiting factor for these archaee / Chasteen, Bentley, 20031.
Die Bedeutung anderer Elemente (z.B. Kupfer, Aluminium, Vanadium und Bor) für die Biogasproduktion ist noch unklar. Jedoch die Schwermetalle Kupfer, Silber, Blei, Quecksilber, Cadmium, Gold und Arsen sind typischerweise toxisch. The importance of other elements (e.g., copper, aluminum, vanadium and boron) for biogas production is still unclear. However, the heavy metals copper, silver, lead, mercury, cadmium, gold and arsenic are typically toxic.
Bei allen Spurenelementen ist die Konzentration, in der die Elemente vorliegen, sowie deren Verfügbarkeit für die Mikroorganismen von entscheidender Bedeutung /Ch. Bauer, M. Lebuhn, A. Gronauer; 2009/. Für jede Komponente gibt es sowohl eine Art Minimal- als auch eine Maximalkonzentration, bei deren jeweiliger Unter- bzw. Überschreitung der mikrobielle Stoffwechselprozess eingeschränkt bzw. gehemmt wird /Bischofsberger et al., 20051. In all trace elements, the concentration in which the elements are present and their availability to the microorganisms is crucial / Ch. Bauer, M. Lebuhn, A. Gronauer; 2009 /. For each component, there is both a kind of minimum and a maximum concentration, with their respective Under- or exceeding the microbial metabolic process is restricted or inhibited / Bischofsberger et al., 20051.
Sind die Spurenelemente in zu geringen Konzentrationen vorhanden, so können unter anderem die für den Stoffwechsel benötigten Enzyme und Coenzyme nicht mehr ausreichend gebildet werden. Als Folge sinkt die Leistungsfähigkeit der methanogenen Mikroorganismen. Die primäre Gärung, d. h. die Bildung der längerkettigen Karbonsäuren und Alkoholen ist hiervon nicht betroffen. Dadurch reichern sich die in diesen vorgelagerten Prozessschritten gebildeten Stoffwechselprodukte an - allen voran die Propionsäure. If the trace elements are present in too low concentrations, among other things, the enzymes and coenzymes required for the metabolism can no longer be sufficiently formed. As a result, the performance of the methanogenic microorganisms decreases. The primary fermentation, d. H. the formation of the longer-chain carboxylic acids and alcohols is not affected. As a result, the metabolic products formed in these upstream process steps accumulate - above all the propionic acid.
Untersuchungen zeigen, dass die Nährstoffgehalte in Biogasanlagen in einem breiten Bereich schwanken. Die Gärsubstratanalysen von über 700 verschiedenen Biogasanlagen zeigen, dass die Gehalte einzelner Elemente zwischen den niedrigsten und den höchsten Werten um den Faktor 200 schwanken können (TabelleStudies show that the nutrient contents in biogas plants vary widely. The fermentation substrate analyzes of over 700 different biogas plants show that the contents of individual elements can vary between the lowest and the highest values by a factor of 200 (Table
1 )- 1 )-
Tabelle 1 : Mineralstoffgehalte im Gärsubstrat von Biogasanlagen, Daten von 700 Analysen /Lindorfer, 2009/ Table 1: Mineral content in the fermentation substrate of biogas plants, data from 700 analyzes / Lindorfer, 2009 /
Wird im Gärsubstrat eines Fermenters ein Spurenelementmangel festgestellt und dieser durch die Zugabe technischer Mineralstoffmischungen anlagenindividuell ausgeglichen, so setzt meist innerhalb weniger Tage eine deutliche Prozessstabilisierung mit einhergehendem Säureabbau ein und die Faulraumbelastung kann wieder bzw. weiter gesteigert werden. Mineralstoffe und Spurenelemente im Biogas Fermenter If a trace element deficiency is detected in the fermentation substrate of a fermenter and this is compensated individually by the addition of technical mineral mixtures, usually within a few days a clear process stabilization with concomitant acid degradation takes place and the digester space load can be increased again or further. Minerals and trace elements in the biogas fermenter
Aufbauend auf den Erkenntnissen aus den laufenden Versuchen gerät die Versorgung der methanbildenden Biozönose mit Nährstoffen und Spurenelementen verstärkt in den Fokus. Bis vor etwa 5 Jahren herrschte in der Praxis allgemein Unkenntnis über den genaueren Bedarf I Effenberger M., Lebuhn M., Gronauer A; 2007/. Seit dieser Zeit wurde über die Supplementierung viel geforscht, publiziert und patentiert IHaun, 2008, Hölker, 2010, Agraferm, 2009/. Dabei ist das nötige Quantum einzelner Elemente z.B. für den Enzymstoffwechsel nur einer der vielen Faktoren der Biogasausbeute  Building on the findings from the ongoing experiments, the supply of the methane-forming biocenosis with nutrients and trace elements is increasingly becoming the focus of attention. Until about 5 years ago, there was a general lack of knowledge about the exact requirements in practice. Effenberger M., Lebuhn M., Gronauer A; 2007 /. Since then, much has been researched, published and patented by IHaun, 2008, Hölker, 2010, Agraferm, 2009 /. The necessary quantum of individual elements is e.g. for enzyme metabolism only one of the many factors of biogas yield
Eine Vielzahl verschiedener Anbieter für so genannte„Standard- Spurenelementmischungen" befindet sich bereits auf dem Markt. Das vielfältige Angebot sowie dessen richtige Dosierung sind für den Anlagenbetreiber nur schwer überschaubar. Wichtig für Betreiber von Biogasanlagen ist in diesem Zusammenhang jedoch zu bemerken, dass„viel mehr" nicht viel mehr bringt. Eine Überdosierung kann im Gegenteil hemmend bzw. toxisch auf die Biozönose wirken. Ganz abgesehen von den Auswirkungen auf die Gärrestqualität und die Bioverfügbarkeit im Boden, welches zu Konflikten z.B. mit der Düngemittelverordnung führen kann. Dies gilt es in der Zukunft verstärkt zu berücksichtigen. A variety of different suppliers for so-called "standard trace element mixtures" is already on the market.The diverse range and its correct dosage are difficult for the plant operator manageable.However, it is important for operators of biogas plants, however, that "much more "does not bring much more. On the contrary, an overdose can have an inhibitory or toxic effect on the biocenosis. Quite apart from the effects on the digestate quality and the bioavailability in the soil, which leads to conflicts e.g. with the Fertilizer Ordinance. This should be taken into account increasingly in the future.
Spurenelemente und andere Schwermetalle gelangen durch das zugegebene Substrat, über Geräteabrieb sowie durch Prozesshilfsstoffe in gebundener, biologisch häufig nicht verfügbarer Form in den Biogasfermenter (Fig. 3). Durch physikalische (z.B. Temperatur, Reibung, Zerkleinern), chemische (z.B. pH-Wert) und biologische (z.B. mikrobieller Abbau) Prozesse werden diese gelöst und damit mikrobiell verfügbar. Trace elements and other heavy metals enter the biogas fermenter through the added substrate, via equipment erosion and through process aids in bound, biologically often unavailable form (FIG. 3). By physical (e.g., temperature, friction, comminution), chemical (e.g., pH), and biological (e.g., microbial degradation) processes, these are dissolved and thereby become microbially available.
(Fig. 3 (1)). Während saure Bedingungen ihre Löslichkeit fördern, werden sie bei höherem pH-Wert in Gegenwart von freiem Phosphat, Sulfid, Sulfat und/oder Carbonat zunehmend in schwer lösliche Verbindungen überführt. Sie sind damit dem direkten Zugriff durch Mikroorganismen zunächst entzogen (2). Manche Mikroorganismen können jedoch über Ausschleusung von Komplexbildnern nicht verfügbare Spurenelemente "einfangen" und für sich nutzbar machen (3). Nach dem Absterben von Mikroorganismen werden Spurenelemente in gebundener und gelöster Form wieder freigesetzt (4) und können im internen Kreislauf der Nährstoffe erneut verwendet werden. Der Austrag von Spurenelementen erfolgt mit dem Fermenterinhalt und der Biomasse ins Gärrestlager (5). Im Fall einer Rezirkulation des Gärrests stehen die mitgeführten Spurenelemente und Schwermetalle erneut für die Mikroorganismen im Fermenter zur Verfügung (6). (Fig. 3 (1)). As acidic conditions promote their solubility, they are increasingly converted to sparingly soluble compounds at higher pH in the presence of free phosphate, sulfide, sulfate, and / or carbonate. They are thus initially deprived of direct access by microorganisms (2). However, some microorganisms can "capture" unavailable trace elements via chelating agents and make them usable (3). After this The death of microorganisms releases trace elements in bound and dissolved form (4) and can be reused in the internal circulation of nutrients. The discharge of trace elements takes place with the fermenter content and the biomass into the fermentation residue storage (5). In the case of a recirculation of the fermentation residue, the entrained trace elements and heavy metals are again available for the microorganisms in the fermenter (6).
In Biogasanlagen besteht die Gefahr von Spurenelement-Mangelsituationen insbesondere im Mono-NawaRo-Betrieb, es gibt aber auch derartige Berichte bei Anlagen mit Güllezusatz. Eine typische Folge von Spurenelementmangel ist die Hemmung der Methanogenese und eine damit verbundene Versäuerung. In biogas plants, there is the danger of trace element shortage situations, especially in mono-renewable operation, but there are also such reports in systems with slurry additive. A typical consequence of trace element deficiency is the inhibition of methanogenesis and associated acidification.
In entsprechend nachgestellten Versuchen mit Mais-Monobetrieb konnten nur hydrogenotrophe, jedoch keine acetociastischen Methanogene in den versäuerten Fermentern nachgewiesen werden /Lebuhn et ai, 2008b/. Dabei war die Raumbelastung vor der Versäuerung relativ gering, weswegen die Anwesenheit von acetociastischen Methanogenen zwar erwartet aber nicht gefunden wurde. Offenbar reagieren hydrogenotrophe Methanogene weniger empfindlich auf einen Spurenelementmangel mit Versäuerung als acetoclastische Methanogene. In suitably simulated experiments with maize mono operation only hydrogenotrophic but no acetociastic methanogens could be detected in the acidified fermenters / Lebuhn et ai, 2008b /. The space load before the acidification was relatively low, which is why the presence of acetociastic methanogens was expected but not found. Apparently, hydrogenotrophic methanogens are less sensitive to a trace element deficiency with acidification than acetoclastic methanogens.
Nach Untersuchungen /Lebuhn und Gronauer, 2009/ erscheint für einen stabilen Betrieb einer NawaRo-Anlage ein Gehalt von etwa 50 g Co / L (ca. 750 g Co / kg TS) eine sinnvolle Größenordnung zu sein. Für Selen liegen die entsprechenden Konzentrationen etwa 5-fach niedriger (etwa 10 g Se / L, bzw. ca. 150 g Se / kg TS), für Mo aber etwa um den Faktor 10 und für Ni etwa um den Faktor 40 höher. According to investigations / Lebuhn and Gronauer, 2009 /, a content of about 50 g Co / L (about 750 g Co / kg DM) seems to be a reasonable size for stable operation of a NawaRo plant. For selenium, the corresponding concentrations are about 5 times lower (about 10 g Se / L, or about 150 g Se / kg TS), for Mo but about a factor of 10 and for Ni about 40 times higher.
Aus Fig. 4 wird die aktivierende Wirkung des Spurenelementzusatzes für die methanogenen Archäen ersichtlich. Sie zeigt eine PCR-SSCP-Analyse verschiedener Proben aus einem mesophilen, nur mit Maissilage gefütterten FIG. 4 shows the activating effect of the trace element additive for the methanogenic archae. It shows a PCR-SSCP analysis of various samples from a mesophilic maize silage fed only
Versuchsfermenter des Instituts für Landtechnik und Tierhaltung der LfL. Dabei wurde ein Teil der DNA des Schlüsselenzyms der Methanogenese (mcrA/mrtÄ) vermehrt und aufgetrennt. Die auftretenden Banden sind also ausschließlich methanogenen Archäen zuzuordnen. Es ergaben sich deutliche Veränderungen der Bandenmuster in Abhängigkeit der Betriebsweise und des Zustands der methanogenen Population. Beispielsweise nahmen die Diversität und die Anzahl der Methanogenen während der Versäuerung des Fermenters ab. Dagegen entstanden während der Erholung, die durch den Zusatz von Spurenelementen zustande kam, neue Banden, die für das Aufwachsen bestimmter methanogener Archäen stehen. Experimental fermenter of the Institute of Agricultural Engineering and Animal Husbandry of the LfL. A part of the DNA of the key enzyme of methanogenesis (mcrA / mrtÄ) was multiplied and separated. The resulting bands are therefore exclusive attributable to methanogenic archaea. Significant changes in banding patterns were found, depending on the mode of operation and the state of the methanogenic population. For example, the diversity and number of methanogens decreased during acidification of the fermentor. On the other hand, during the recovery caused by the addition of trace elements, new bands emerged, representing the growth of certain methanogenic archaea.
2. Blähglasgranulat als Aufwuchsträger für Mikroorganismen 2. expanded glass granules as growth carrier for microorganisms
2.1 Vorversuche mit modifizierten und neuen Materialtypen 2.1 Preliminary tests with modified and new material types
Durchführung der Vorversuche Carrying out the preliminary tests
Um gleichmäßige Umgebungsbedingungen zu schaffen, wurde im Technikum / Klimaraum von PORAVER ein Screeningversuch durchgeführt. Dazu wurden 10 Versuchsfermenter, die im Wesentlichen durch geschlossene Kunststoffbehälter gebildet waren, mit entsprechendem Umfeld aufgebaut und mit den unten aufgeführten Materialtypen beschickt.  In order to create a uniform environment, a screening test was carried out in the PORAVER Technikum / Klimaraum. For this purpose, 10 experimental fermenters, which were essentially formed by closed plastic containers, were constructed with the appropriate environment and charged with the material types listed below.
Typ 1 rundes Sprüh-Korn Type 1 round spray grain
Typ 2 Bruchkorn  Type 2 broken grain
Typ 3 Bruchkorn mit Xanthan -Beschichtung  Type 3 broken grain with xanthan coating
Typ 4 Bruchkorn mit Xanthan/Nährlösungsbeschichtung  Type 4 broken grain with xanthan gum / nutrient solution coating
Typ 5 Bruchkorn mit 3. Beschichtung (Version Südchemie)  Type 5 broken grain with 3rd coating (version Südchemie)
Typ 6 Bruchkorn mit Zeolith - Beschichtung  Type 6 broken grain with zeolite coating
Typ 7 reduzierend erschmolzene Körnung  Type 7 reducing melted grain
Typ 8 Dolomit als Blähmittel  Type 8 dolomite as blowing agent
Typ 9 Eisenoxid-Granulat (pur/ungebläht)  Type 9 iron oxide granules (pure / unbeaten)
Typ 10 magnetisches PORAVER (Magnetabscheider vor der Verla- dung)  Type 10 magnetic PORAVER (magnetic separator before loading)
Tabelle 2: Materialtypen für die weiterführenden Versuche bei DP  Table 2: Material types for further experiments at DP
Bis zur Nummer 6 handelt es sich um Modifikationen an der bereits am ATB eingesetzten Versuchskörnung. Bei gleicher Rezeptur wurde nur das Herstell- verfahren auf die Mischgranulierung umgestellt und das Korn gebrochen. Die jeweiligen Beschichtungen wurden im Nachgang aufgetragen. Up to the number 6 are modifications to the test grain used already at the ATB. With the same recipe, only the manufacturing switched to the mixed granulation and broken the grain. The respective coatings were applied subsequently.
Bei den Materialien 7 und 8 handelt es sich um neu entwickelte Materialen mit veränderten chemischen Eigenschaften. Materials 7 and 8 are newly developed materials with altered chemical properties.
Die Typen 9 und 10 dienten zur Beweissicherung der Wirksamkeit der erfindungsmäßigen Aufwuchsträger. Types 9 and 10 served to secure the evidence of the effectiveness of the inventive growth medium.
Zum Ansetzen der Kulturbrühe wurde Inokulum aus dem Versuchsaufbau am ATB, Panseninhalt vom Schlachthof Nürnberg und Glasbruch aus der Glashalde der PORAVER Produktion verwendet. Der Glasbruch wurde zugegeben, da seit langem bekannt ist, dass durch eine mehrmonatige Lagerung des aufbereiteten Recyclingglases es zu einer Kompostierung kommt und dabei organische Verunreinigungen und Anhaftungen abgebaut werden. Da im Inneren der Glashalde mit Sicherheit anaerobe Bedingungen herrschen, wurde zugrunde gelegt, dass in diesem Umfeld sich eine Biozönose entwickelt, hat welche an ein Glassubstrat gut angepasst sein sollte. To prepare the culture broth, inoculum from the experimental set-up at the ATB, rumen contents from the slaughterhouse Nuremberg and glass breakage from the glass pile of the PORAVER production were used. The glass breakage was added because it has long been known that a storage of the recycled recycled glass for several months causes composting and thereby organic impurities and buildup are broken down. Since anaerobic conditions certainly prevail inside the glass pile, it was assumed that a biocenosis develops in this environment, which should be well adapted to a glass substrate.
Durch fortlaufende Überwachung und Messung der pH - Werte, der FOS / TAC - Werte und der Gasbildungsrate der einzelnen Fermenter konnten sehr schnell Unterschiede im Verhalten einzelner Fermenter festgestellt werden (Fig. 5). By continuous monitoring and measurement of the pH values, the FOS / TAC values and the gas formation rate of the individual fermenters, differences in the behavior of individual fermenters could be detected very quickly (FIG. 5).
Bewertung der Ergebnisse der Vorversuche Evaluation of the results of the preliminary tests
Untersuchungen mittels Phasenkontrastmikroskopie zur Feststellung der Besiede- lungsdichte erbrachten bei einigen Versuchstypen sehr ermutigende Ergebnisse. Aufgrund der schlechten Darstellbarkeit sind die Ergebnisse hier jedoch nicht gezeigt.  Phase contrast microscopy studies to determine colonization density gave very encouraging results in some types of experiments. Due to poor representability, the results are not shown here.
Der sich bereits im Projekt am ATB Potsdam im Einsatz befindliche Typ 1 (jedoch mit vorgewaschener Oberfläche) war zwar deutlich schneller besiedelt als im Vorprojekt, schnitt jedoch bei der Besiedelung als auch bei der Gasbildung deutlich schlechter ab als alle anderen im Test befindlichen Varianten. Dieses Resultat lässt den Schluss zu, dass eine glatte Oberfläche aus physikalischen Gründen einer guten Besiedelung entgegensteht, obwohl chemisch dieselben Milieubedingungen vorliegen wie bei den anderen Materialtypen. Although the type 1 (but with prewashed surface) already in use at the ATB Potsdam was already in use at a much faster rate than in the preliminary project, it did significantly worse in terms of population and gas formation than any other variant in the test. This result It can be concluded that a smooth surface for physical reasons precludes a good colonization, although chemically the same environmental conditions exist as with the other material types.
Beim Fermenter mit dem Eisenoxid-Granulat, Typ 9, trat schon bei geringer Raumbelastung und nach kürzester Zeit eine Übersäuerung ein, was zum vorzeitigen Ausscheiden dieses Typs aus der Testreihe führte. In the iron-oxide granulate type 9 fermenter, hyperacidity occurred even at low volume and in the shortest possible time, leading to premature excretion of this type from the test series.
Magnetisches PORAVER, Typ 10 eignet sich auf Grund der sehr langsamen und mangelhaften Besiedelung durch seine zu glatte Oberflächenbeschaffenheit nur bedingt als Aufwuchsträger. Magnetic PORAVER, type 10 is due to the very slow and inadequate colonization due to its smooth surface texture only conditionally as a growth medium.
Der förderliche Einfluss einer Beschichtung mit Xanthan (Material Typ 3 und 4) auf die Besiedelung der Aufwuchsträger war zu erwarten. Dieses Vorgehen ist in der Biotechnologie allgemein bekannt und kann als Stand der Technik angesehen werden. The beneficial influence of a coating with xanthan (material types 3 and 4) on the colonization of the growth carrier was to be expected. This approach is well known in biotechnology and can be considered as prior art.
Von besonderem Interesse waren jedoch die Resultate bei Typ 4. Bei dieser Variante war eine sehr schnelle und intensive Besiedelung mit überdurchschnittlicher Biogasbildung zu beobachten. Dies belegt augenscheinlich die positive Wirkung von Nährstoffen auf die Vitalität der Fermenter Biozönose. Of particular interest, however, were the results for type 4. In this variant, a very rapid and intensive colonization with above-average biogas formation was observed. This evidently proves the beneficial effect of nutrients on the vitality of the fermenter biocenosis.
Mit fortschreitender Versuchsdauer wurde jedoch der Unterschied zu den anderen Bruchkorn Typen immer geringer und war nach einigen Wochen nicht mehr feststellbar. Daraus lässt sich ableiten, dass die Dotierung der Oberflächenbeschich- tung mit Nährstoffen bei der Besiedelung einen positiven Effekt zeigt. Das Angebot an Spurenelementen veranlasste die Mikroorganismen ganz offensichtlich sich bevorzugt in diesem Umfeld anzusiedeln und mit erhöhter Stoffwechselaktivität zu reagieren. Als organische Verbindung wird Xanthan jedoch bei den Stoffwechselvorgängen im Fermenter in sehr kurzer Zeit aufgelöst bzw. abgebaut. As the trial progressed, however, the difference with the other types of broken grains became smaller and smaller and after a few weeks was no longer detectable. It can be deduced from this that the doping of the surface coating with nutrients during colonization has a positive effect. The supply of trace elements caused the microorganisms quite obviously prefer to settle in this environment and to react with increased metabolic activity. However, as an organic compound, xanthan gum is dissolved or degraded during the metabolic processes in the fermenter in a very short time.
Ist keine Beschichtung mehr vorhanden, so ist auch hier wie bei den anderen Ma- terialtypen nur noch die Glasoberfläche und deren Wechselwirkung mit den besiedelnden Mikroorganismen ausschlaggebend für den weiteren Einsatz. If there is no coating left, then, as with the other ma- only the glass surface and its interaction with the colonizing microorganisms are crucial for further use.
Das Bruchkorn Typ 2 wie auch das Material aus der reduzierend erschmolzenen Serie, Typ 7, bei welcher zusätzlich statt des γ- Fe203 das billigere und besser zu verarbeitende Magnetit eingesetzt worden war, zeigten nach langsamerem Start eine sehr intensive Bakterienbesiedelung. Insbesondere waren methanogene Archäen der Spezies Methanosarcina nachweisbar. The Bruchkorn type 2 as well as the material from the reducing smelted series, type 7, in which instead of the γ-Fe 2 0 3 the cheaper and better to be processed magnetite had been used, showed after slower start a very intensive bacterial colonization. In particular, methanogenic archae of the species Methanosarcina were detectable.
Mit Dolomit als Blähmittel, Typ 8, entwickelte sich nach einer Verzögerung zu Beginn des Versuchszeitraums ebenfalls eine sehr starke und dichte Besiedelung mit Mikroorganismen. With dolomite as the blowing agent, type 8, a very strong and dense colonization with microorganisms developed after a delay at the beginning of the test period.
Die anfänglichen Schwierigkeiten bei der Besiedelung sind darauf zurückzuführen, dass bei dem kalzinierten Dolomit (Reaktionen siehe unter Abschnitt 2.2.3.) an der Oberfläche der Granulate zuerst der hohe pH Wert 12,6 abgebaut werden muss- te. Diese hohe Alkalität stellt sich auf Grund der Reaktion von gebranntem Dolomit beim Einbringen in wässrige Lösung ein. Nachdem durch die organischen Säuren aus dem Substrat der hohe pH-Wert abgepuffert war, fanden die Organismen entsprechende Umgebungsbedingungen, welche sie zu einer Besiedelung veranlassten. The initial difficulties in colonization are due to the fact that in the calcined dolomite (reactions see Section 2.2.3.) On the surface of the granules first the high pH value of 12.6 had to be reduced. This high alkalinity is due to the reaction of calcined dolomite when introduced into aqueous solution. After the high pH was buffered by the organic acids from the substrate, the organisms found appropriate environmental conditions, which caused them to colonize.
Aus dem Vergleich mit den anderen Materialtypen in Bezug auf Besiedlungsdichte und Gasbildungsrate kann abgeleitet werden, dass beim Vorhandensein von Kalzium und Magnesium in leicht löslicher Form offensichtlich die Besiedelung der Aufwuchsträger gefördert wird. From the comparison with the other types of material in terms of population density and gas formation rate can be derived that in the presence of calcium and magnesium in slightly soluble form apparently the colonization of the growth medium is promoted.
Der Einfluss des nicht umgesetzten Kalzium- / Magnesiumcarbonats als Puffer zur pH-Wert Stabilisierung im Substrat ist noch zu untersuchen. The influence of unreacted calcium / magnesium carbonate as a buffer for pH stabilization in the substrate remains to be investigated.
Zusammenfassend kann festgestellt werden: In summary, it can be stated:
1 . Kalk-Natron-Silikat Gläser eignen sich gut als Aufwuchssubstrat zur Immobilisierung der Fermenterbiozönose. 2. Gebrochenes Korn wird bevorzugt besiedelt, da ein Abscheren und Abstreifen der Biofilme durch Bewegung (Rührwerke) aufgrund der strukturreichen Oberfläche verhindert wird. 1 . Lime-soda-silicate glasses are well suited as a growth substrate for the immobilization of the fermenter biocenosis. 2. Broken grain is preferably colonized, since shearing and stripping of the biofilms by movement (agitators) is prevented due to the structurally rich surface.
3. Chemische und physikalische Eigenschaften des Glases scheinen Auswirkungen auf die Vitalität der Biozönosen zu haben.  3. Chemical and physical properties of the glass seem to affect the vitality of the biocenoses.
4. Das Aufbringen von Mineralstoffen und/oder Spurenelementen beim Blähvorgang und/oder deren Zumischung bei der Rezeptierung zeigen positive Effekte. Die Mineralstoffe bzw. Spurenelemente können in Form von Oxiden, Car- bonaten und Hydraten vorliegen.  4. The application of minerals and / or trace elements during the swelling process and / or their admixture in the formulation show positive effects. The minerals or trace elements may be present in the form of oxides, carbonates and hydrates.
5. Beschichtungen mit organischen Substraten haben einen positiven Einfluss, sind jedoch nur erforderlich, wenn eine sehr schnelle Besiedelung angestrebt wird.  5. Coatings with organic substrates have a positive influence, but are only necessary if a very fast colonization is desired.
2.2 Weiterentwickeltes Blähglasgranulat als Aufwuchsträger 2.2 Further developed expanded glass granules as growth carrier
2.2.1 Glas als Basis des Substratmaterials 2.2.1 Glass as the basis of the substrate material
Alkali-Erdalkali-Silicatgläser sind der älteste, von Menschen künstlich hergestellte Glastyp. Hierzu gehören die in großen Mengen erschmolzenen Flachgläser (Fensterglas) und Verpackungsgläser.  Alkali-alkaline earth silicate glasses are the oldest man-made glass type. These include the flat glass (window glass) melted in large quantities and packaging glass.
Borosilikatgläser sind sehr Chemikalien- und temperaturbeständige Gläser, die vor allem für Glasgeräte im Labor, der chemischen Verfahrenstechnik und im Haushalt eingesetzt werden. Die gute chemische Beständigkeit gegenüber Wasser, vielen Chemikalien und pharmazeutischen Produkten (hydrolytische Klasse 1 ) erklärt sich durch den Bor-Gehalt dieser Gläser. Borosilicate glasses are very chemical and temperature resistant glasses, which are mainly used for glassware in the laboratory, chemical engineering and in the household. The good chemical resistance to water, many chemicals and pharmaceutical products (hydrolytic class 1) is explained by the boron content of these glasses.
Werden Gläser einem wässrigen Medium ausgesetzt, so gehen zuerst die oberflächennahen Alkalien und Erdalkalien in Lösung. Durch diesen Vorgang wird die Struktur geschwächt und das netzwerkbildende SiO2 wird ebenfalls aufgelöst. Die in Lösung gehenden Oxide bzw. deren Reaktionsprodukte finden sich, mit Ausnahme des SiO2, in der Liste der Mineralstoffe und Spurenelemente (Abschnitt 1 .4) wieder. Die typischen Gebrauchsgläser sind jedoch in ihrer chemischen Beständigkeit (hydrolytische Klasse 1 oder 2) als sehr stabil einzuordnen. Die zu erwartende gelöste Menge an Na -, K -, Ca - und Mg - Ionen ist so gering, dass unter normalen Bedingungen von einer ausreichenden und gezielten Nährstoffversorgung der Mikroorganismen nicht ausgegangen werden kann. If glasses are exposed to an aqueous medium, the near-surface alkalis and alkaline earths first dissolve. Through this process, the structure is weakened and the network-forming SiO 2 is also dissolved. The soluble oxides or their reaction products are, with the exception of SiO 2 , in the list of minerals and trace elements (Section 1 .4) again. However, the typical utility glasses are classified as very stable in their chemical resistance (hydrolytic class 1 or 2). The expected dissolved amount of Na, K, Ca and Mg ions is so low that under normal conditions a sufficient and targeted nutrient supply of the microorganisms can not be assumed.
Wie in Fig. 6 beispielhaft dargestellt besteht grundsätzlich die Möglichkeit, durch Veränderung im Glassatz / Gemenge ein Glas mit höherer Löslichkeit (hydrolytische Klasse 3) zu erschmelzen. Den stärksten Einfluss auf die chemische Beständigkeit erzielt man durch eine Erhöhung der Alkalianteile (Na20, K20). Aber auch durch die Steigerung der Erdalkalianteile (CaO, MgO), allerdings nur in den glastechnologisch vorgegebenen Grenzen, ist ein deutlicher Effekt zu erzielen. As shown by way of example in FIG. 6, it is fundamentally possible to melt a glass with a higher solubility (hydrolytic class 3) by changing the glass batch / mixture. The strongest influence on the chemical resistance is achieved by an increase of the alkali parts (Na 2 0, K 2 0). But also by the increase of the alkaline earth metal parts (CaO, MgO), however only in the glass technological given limits, a clear effect can be achieved.
Dieser Ansatz würde allerdings voraussetzen, dass für die Aufwuchsträger ein eigenes Glas erschmolzen werden müsste. Für den vorgesehenen Anwendungsfall verbietet sich dies aus wirtschaftlichen Gründen. Sollte allerdings im Zuge der Weiterentwicklung eine Anwendung im Bereich der Lebensmitteltechnologie ins Auge gefasst werden, so wird man aus Gründen der Produktsicherheit und Rück- verfolgbarkeit nicht vermeiden können, ein eigens hergestelltes Glas zu verwenden. However, this approach would presuppose that a separate glass would have to be melted for the start-ups. For the intended application, this prohibits for economic reasons. However, if an application in the area of food technology is envisaged in the course of further development, it will not be possible, for reasons of product safety and traceability, to use a specially produced glass.
2.2.2 Wasserglas zum Steuern der Löslichkeit 2.2.2 Water glass to control the solubility
Der zur Herstellung des Blähglasgranulats eingesetzte Grünkörper ist im Wesentlichen aus Glasmehl, Eisenoxid und Wasserglas zusammengesetzt. Durch die Zugabe unterschiedlicher Mengen an Wasserglas eröffnet sich eine sehr gute Möglichkeit, die chemische Beständigkeit des Gesamtsystems in wässrigen Medien gezielt einzustellen und im Vergleich zum Grundglas stark herabzusetzen. Wird dem gemahlenen Grundglas {Kalk-Natron-Glas) ein Alkali Silikat Glas (Wasserglas) zugesetzt, führt dies in Abhängigkeit von der zugesetzten Menge neben einer Senkung der Sintertemperatur auch zu einer Herabsetzung der chemischen Beständigkeit. Wasserglas ist auf Grund seiner Zusammensetzung aus nur zwei Komponenten - dem Netzwerkbildner Si02 und einem Netzwerkwandler (Flussmittel), hier Na20 - vor allem bei hohen Alkalianteilen, chemisch wenig stabil. Bei entsprechender Temperaturführung und Verweildauer während des Sinterprozesses unterbindet man die Homogenisierung (Oxidausgleich) zwischen dem Grundglas (Glasmehl) und dem Wasserglas. Somit ist es möglich ein gewünschtes Verhältnis zwischen notwendiger Beständigkeit (mechanisch und chemisch) und angestrebter Löslichkeit zu erreichen. The green body used to produce the expanded glass granules is composed essentially of glass powder, iron oxide and water glass. The addition of different amounts of water glass provides a very good opportunity to set the chemical resistance of the entire system in aqueous media targeted and greatly reduced compared to the base glass. If an alkali silicate glass (water glass) is added to the ground basic glass (soda-lime glass), this, in addition to lowering the sintering temperature, depending on the amount added, also leads to a reduction in the chemical resistance. Due to its composition of only two components - the network former Si0 2 and a network converter (flux), in this case Na 2 O, water glass is chemically unstable, especially at high alkali parts. With appropriate temperature control and residence time during the sintering process prevents the homogenization (oxide balance) between the base glass (glass flour) and the water glass. Thus, it is possible to achieve a desired relationship between necessary resistance (mechanical and chemical) and aimed solubility.
2.2.3 Trennmittel als zusätzliche Mineralstofflieferanten 2.2.3 Release agents as additional minerals suppliers
Der Einsatz eines Trennmittels ist notwendig, um unter der Hitzeeinwirkung beim Blähvorgang ein Aneinanderkleben der Granulate zu verhindern. Es handelt sich dabei um einen Inertstoff, der so zu wählen ist, dass bei den jeweiligen Prozessbedingungen keine oder nur sehr geringe Wechselwirkungen mit dem Glasgranulat eintreten. Meist handelt es sich um Stoffe mineralischen Ursprungs wie z.B. Sand, Aluminiumoxid, unterschiedliche Karbonate aber auch hochbrennende Tone und zwar in Form von Pulvern und Mehlen.  The use of a release agent is necessary in order to prevent the sticking together of the granules under the effect of heat during the swelling process. It is an inert material, which should be selected so that no or only very little interaction with the glass granules occur at the respective process conditions. Most are substances of mineral origin such. Sand, alumina, different carbonates but also high firing clays in the form of powders and flours.
Um den Aufwuchsträger mit den Mineralstoffen Kalzium, Magnesium und Eisen zu dotieren, treten besonders Kalkstein, Dolomit und Bentonit in den Fokus. In order to dope the growth carrier with the minerals calcium, magnesium and iron, limestone, dolomite and bentonite are in particular focus.
Dolomit ist ein carbonatisches Calcium-Magnesiummineral, CaMg(CO3)2, es ist gesteinsbildend im gleichnamigen Gestein, in dolomitischem Kalkstein und in verschiedenen Sedimentgesteinen. Dolomit kommt neben Ankerit, CaFe(CO3)2, häufig als hydrothermale Gangart vor. Seine Farbe kann von weiß, grau, gelblich bis rotbraun reichen. Unter Hitzeeinwirkung beginnt sich Dolomit ab ca. 830 °C nach folgender Reaktion zu zersetzen. Dolomite is a carbonic calcium-magnesium mineral, CaMg (CO 3 ) 2, it is rock forming in the rock of the same name, in dolomitic limestone and in various sedimentary rocks. Dolomite occurs alongside anchorite, CaFe (CO 3 ) 2 , often as a hydrothermal gangue. Its color can range from white, gray, yellowish to reddish brown. Under the action of heat, dolomite begins to decompose at about 830 ° C after the following reaction.
CaMg(C03)2 + Temp. CaO + MgO + 2 C02 CaMg (C0 3 ) 2 + Temp. CaO + MgO + 2 C0 2
Die Reaktionsprodukte CaO, MgO, aber auch nicht umgesetztes CaMg(CO3)2 lagern sich durch Adhäsion oder Van-der-Waals-Kräfte an der Oberfläche der verschäumten Granulate an. Werden diese in eine wässrige Lösung eingebracht, so wirken CaO / MgO als Säurepuffer und stehen als Hydroxide den Mikroorganismen sehr schnell zum Stoffwechsel zur Verfügung. The reaction products CaO, MgO, but also unreacted CaMg (CO 3 ) 2 accumulate on the surface of the foamed granules by adhesion or Van der Waals forces. If these are introduced into an aqueous solution, then CaO / MgO act as an acid buffer and as hydroxides are very quickly available to the microorganisms for metabolism.
CaO + MgO + 2 H20 Ca(OH)2 + Mg(OH)2 CaO + MgO + 2H 2 O Ca (OH) 2 + Mg (OH) 2
Im Falle einer gesättigten Lösung (1 ,7 g/L bzw. 0,009 g/L) beträgt der pH-Wert um 12. In the case of a saturated solution (1, 7 g / L or 0.009 g / L), the pH is around 12.
Bentonit ist eine Mischung aus verschiedenen Tonmineralien, welche als wichtigsten Bestandteil Montmorillonit (60-80 %) enthält, dies erklärt auch seine starke Wasseraufnahme- und Quellfähigkeit. Weitere Begleitmineralien sind Quarz, Glimmer, Feldspat, Pyrit oder auch Calcit. Es bildete sich hauptsächlich durch Verwitterung aus vulkanischer Asche. Bentonite is a mixture of different clay minerals, which contains montmorillonite (60-80%) as its main constituent, which explains its strong water absorption and swelling capacity. Further accompanying minerals are quartz, mica, feldspar, pyrite or calcite. It was formed mainly by weathering from volcanic ash.
2.2.4 Aufwuchsträger mit Spurenelementen und Mineralstoffen 2.2.4 Growth carrier with trace elements and minerals
Zugesetzte Spurenelemente Added trace elements
Aufbauend auf den Ergebnissen der bisher durchgeführten Versuche, aktuellen Resultaten aus der Biogasforschung zur Nährstoffversorgung von Mikroorganismen wurde ein neuer Aufwuchsträger entwickelt.  Based on the results of previous experiments, current results from biogas research on the nutrient supply of microorganisms, a new growth carrier has been developed.
Die Basiszusammensetzung entspricht den beiden Materialtypen 7 bzw. 8 der Vorversuche. Art und Menge der zugesetzten Spurenelemente wurden in Anlehnung an eine Dissertation zur Substratumsetzung von Methanosarcina mazei /Krätzer 201 11 und Arbeiten zum selben Thema am LfL in Freising /Bauer, Lebuhn, Gronauer; 20091 zusammengestellt. The basic composition corresponds to the two types of material 7 or 8 of the preliminary tests. Type and amount of the added trace elements were based on a dissertation on substrate conversion of Methanosarcina mazei / Krätzer 201 11 and work on the same topic at the LfL in Freising / Bauer, Lebuhn, Gronauer; 20091 compiled.
In einer ersten Variante zur Herstellung von Blähglasgranulat mit Spurenelementen wurde eine Ausgangsmischung aus Vormischung eins und Vormischung zwei gemäß der nachfolgenden Zusammensetzung gemischt. In a first variant for producing expanded glass granules with trace elements, a starting mixture of premix one and premix two was mixed according to the following composition.
Vormischunq eins Premix one
• Eisenoxid 316 14,3764 % • Glasmehl Serie 64,3987 % • iron oxide 316 14.3764% • Glass flour series 64.3987%
Vormischunq zwei Premix two
Dextrose C-DEX 02001 2,1663 %  Dextrose C-DEX 02001 2,1663%
Wasserglas 19,0242 %  Water glass 19.0242%
Wasser heiß  Hot water
Natriumselenit Pentahydrat 0,03151 % CAS-N mmer: 26970-82-1 Nickel(ll)-chlorid-hexahydrat 0,00020 % 7791 -20-0 Dinatriummolybdat 0,00020 % 7631 -95-0 Borax 0,00020 % 1330-43-4 Sodium selenite pentahydrate 0.03151% CAS number: 26970-82-1 nickel (II) chloride hexahydrate 0.00020% 7791 -20-0 disodium molybdate 0.00020% 7631 -95-0 borax 0.00020% 1330- 43-4
Zinksulfat Heptahydrat 0,00012 % 13986-24-8 Cobalt(ll)-chlorid Hexahydrat 0,00158 % 7791 -13-1 Kupfer(l)-chlorid 0,00016 % 7758-89-6 Kaliumpermanganat 0,00028 % 7722-64-7 Zinc sulfate heptahydrate 0.00012% 13986-24-8 cobalt (II) chloride hexahydrate 0.00158% 7791 -13-1 copper (I) chloride 0.00016% 7758-89-6 potassium permanganate 0.00028% 7722-64 -7
In einer zweiten Herstellungsvariante wurde als Blähmittel Dolomit eingesetzt, das sich beim Erhitzen abgespaltene C02 sollte das Redoxpotential des Magnetit auch nicht verändern aber Kalzium und Magnesium in leicht löslicher Form in den Aufwuchsträger einbringen. In a second production variant dolomite was used as the blowing agent upon heating cleaved C0 2 should not change the redox potential of magnetite but contribute calcium and magnesium in the form of easily soluble in the growth substrate.
Vormischunq eins Premix one
• Eisenoxid 316 14,4544 %  • Iron Oxide 316 14.4544%
• Glasmehl Serie 64,7481 %  • Glass flour Series 64,7481%
Vormischunq zwei Premix two
• Dolomit 1 ,6355 %  • Dolomite 1, 6355%
• Wasserglas 19,1274 %  • water glass 19,1274%
• Wasser heiß  • Hot water
• Natriumselenit Pentahydrat 0,03168 % CAS-Nummer:26970-82-1 • Sodium selenite pentahydrate 0.03168% CAS number: 26970-82-1
• Nickel(ll)-chlorid-hexahydrat 0,00020 % 7791 -20-0• Nickel (II) chloride hexahydrate 0.00020% 7791-20-0
• Dinatriummolybdat 0,00020 % 7631 -95-0• disodium molybdate 0.00020% 7631 -95-0
• Borax 0,00020 % 1330-43-4Borax 0.00020% 1330-43-4
• Zinksulfat Heptahydrat 0,00012 % 13986-24-8• Zinc sulfate heptahydrate 0.00012% 13986-24-8
• Cobalt(ll)-chlorid Hexahydrat 0,00158 % 7791 -13-1 • Kupfer(l)-chlorid 0,00016 % 7758-89-6• Cobalt (II) chloride hexahydrate 0.00158% 7791 -13-1 • Copper (I) chloride 0.00016% 7758-89-6
• Kaliumpermanganat 0,00028 % 7722-64-7 • Potassium permanganate 0.00028% 7722-64-7
In beiden Ausführungsbeispielen wurde das aus der Ausgangsmischung in einem Granulierprozess hergestellte Grünkorn bei einer Temperatur von 120° C im Drehrohrofen getrocknet und danach erfolgte die Klassierung mit einer Siebgrenze von 0,25 mm. In both embodiments, the green grain produced from the starting mixture in a granulation process was dried at a temperature of 120 ° C in a rotary kiln and then the classification was carried out with a sieve limit of 0.25 mm.
Die erhaltenen Grünkörper wurden mit 10 bis 15 Masse % Trennmittel vermischt und im direkt beheizten Drehrohrofen bei Temperaturen zwischen 780 °C und 815 °C mit einer Durchlaufzeit 10 bis 15 Minuten verschäumt. The green bodies obtained were mixed with 10 to 15% by weight of release agent and foamed in the directly heated rotary kiln at temperatures between 780 ° C and 815 ° C with a flow time of 10 to 15 minutes.
Als Trennmittel wurde neben Kaolin auch Bentonit eingesetzt. Nach dem Apart from kaolin, bentonite was used as the release agent. After this
Verschäumen und Kühlen wurde das Granulat gebrochen und auf eine Korngröße 0,25 - 1 ,5 mm abgesiebt. Foaming and cooling, the granules were broken and sieved to a particle size of 0.25-1.5 mm.
3. Experimentelle Untersuchungen zur Bewertung des Blähglasgranulats als Aufwuchsträger bei der Biogasproduktion 3. Experimental investigations on the evaluation of expanded glass granules as a growth carrier in biogas production
3.1. Löslichkeit der Mineralstoffe und Spurenelemente 3.1. Solubility of minerals and trace elements
Damit die im Aufwuchsträger eingeschmolzenen Spurenelemente und Mineralstoffe für die Mikroorganismen im Fermenter bioverfügbar werden, ist es notwendig, dass sie unter den Bedingungen dieses Verfahrens in Wasser oder wässrigen Medien gezielt in Lösung gehen.  In order for the trace elements and minerals melted down in the growth medium to become bioavailable for the microorganisms in the fermenter, it is necessary for them to be specifically dissolved in water or aqueous media under the conditions of this process.
Um das Lösungsverhalten über die Zeit zu erhalten, wurde das Versuchsmaterial einer Elution unterzogen. In order to obtain the solution behavior over time, the test material was subjected to elution.
Beim Elutionstest nach DEV S4 werden die Proben, feste, pastöse und schlammige Materialien, 24 Stunden in destilliertem Wasser langsam über Kopf gedreht oder geschüttelt. Das Flüssigkeits-/Feststoffverhältnis ist auf ein Verhältnis von 10/1 einzustellen. Die Probe soll dabei dauernd in Bewegung bleiben, eine weitere Zerkleinerung z.B. durch Abrieb jedoch vermieden werden. In the DEV S4 elution test, the samples, solid, pasty and muddy materials, are slowly turned overhead or shaken in distilled water for 24 hours. The liquid / solid ratio should be adjusted to a ratio of 10/1. The sample should remain constantly in motion, further comminution e.g. However, be avoided by abrasion.
Prinzipiell wird bei dieser Vorgehensweise davon ausgegangen, dass die zu be- stimmenden Stoffe in Wasser löslich sind. Zur Beantwortung besonderer Fragen kann es zweckmäßig sein, andere Elutionsflüssigkeiten als destilliertes Wasser zu verwenden, sodass auch Lösungen mit definiertem pH-Wert als Elutionsmittel eingesetzt werden können. In principle, this procedure assumes that the voting substances are soluble in water. To answer specific questions, it may be appropriate to use other elution liquids as distilled water, so that solutions with a defined pH can be used as eluent.
In einem ersten Testlauf wurde versucht, den pH-Wert täglich auf 8 einzustellen. Der Hintergrund für diesen Versuchsaufbau war, dass die pH-Werte in einem optimal laufenden Fermenter in einem Bereich von 7 - 8 liegen. In a first test run, the pH was adjusted to 8 daily. The background for this experimental setup was that the pH levels in a optimally running fermenter are in the range of 7-8.
Tabelle 3: Gelöste Anteile nach 1 und 4 Tagen im Elutionstest mit pH-Wert Einstellung um 8. Table 3: Dissolved fractions after 1 and 4 days in the elution test with pH adjustment by 8.
Es zeigte sich, dass in einem leicht basischen Milieu ein Herauslösen der Spuren- elemente sehr viel schneller einsetzt, die Alkalien und Erdalkalien in ihrer Löslichkeit aber leicht verzögert waren. Dieses Ergebnis bestätigt weitgehend die theoretischen Grundlagen der Glaskorrosion. Bei dem zweiten Eluat Ansatz wurde der Versuchsansatz einmalig mit Essigsäure auf einen pH-Wert von 5 eingestellt und über einen Zeitraum von 45 Tagen neben den gelösten Stoffen auch der sich einstellende pH-Wert bestimmt. Mit diesem Versuchsaufbau sollte neben der Löslichkeit zusätzlich die Pufferkapazität der Aufwuchsträger im Fermenter ermittelt werden. It was found that in a slightly alkaline environment, the leaching of the trace elements started much faster, but the alkalis and alkaline earths were slightly delayed in their solubility. This result largely confirms the theoretical foundations of glass corrosion. In the second eluate approach, the test batch was adjusted once with acetic acid to a pH of 5 and determined over a period of 45 days in addition to the solutes and the adjusting pH. In addition to the solubility, the buffer capacity of the growth media in the fermenter should be determined with this experimental setup.
Beginnt ein Fermenter durch Prozessstörungen (siehe unter 1 .1 Grundlagen Biogas und 1 .3. Wachstumsgeschwindigkeiten der Mikroorganismen) zu versauern, wirken die aus dem erfindungsmäßigen Aufwuchsträger in Lösung gehenden Alkalien und Erdalkalien der Versäuerung entgegen. If a fermenter begins to acidify due to process disturbances (see 1 .1 Fundamentals of biogas and 1 .3. Growth rates of the microorganisms), the alkalis and alkaline earths in solution from the inventive growth medium counteract the acidification.
Tabelle 4: Gelöste Anteile nach 1 und 3 Tagen im Elutionstest mit einmaliger pH- Wert Einstellung auf 5. An Versuchsfermentern konnte nachgewiesen werden, dass die methanogenen Archäen in Biofilmen, welche sich auf den Aufwuchsträgern gebildet hatten, selbst in einer Fermenterbrühe mit einem pH Wert zwischen 5 und 6 noch überlebten. Nach entsprechenden Maßnahmen zur Anhebung des pH Werts auf 8 setzte sehr schnell wieder eine von den Aufwuchsträgern ausgehend Biogasbildung ein. Table 4: Dissolved fractions after 1 and 3 days in the elution test with a single pH adjustment to 5. In experimental fermenters it could be demonstrated that the methanogenic archae in biofilms which had formed on the growth media survived even in a fermenter broth with a pH between 5 and 6. After taking appropriate measures to raise the pH to 8, biogas production started very quickly again, starting from the growth sources.
3.2 Besiedlungsversuche unterschiedlicher Aufwuchsträger 3.2 Settlement attempts of different growth carriers
Hohenheimer Biogas Test Hohenheim biogas test
Von der Universität Hohenheim wurde der sog. HBT Test entwickelt, er dient der Evaluation von unterschiedlichen Substraten und Einsatzstoffen sowie der Darstellung unterschiedlicher verfahrenstechnischer Rahmenbedingungen in Fermentern von Biogasanlagen bzw. Abwasserreinigungsanlagen. Da bis zu 200 Proben in den Probenträger eingesetzt werden, können ist über diesen Test eine ausreichende statistische Absicherung möglich.  The University of Hohenheim has developed the so-called HBT Test, which is used to evaluate different substrates and starting materials as well as to present different process engineering conditions in fermenters of biogas plants and sewage treatment plants. Since up to 200 samples are used in the sample carrier, sufficient statistical protection can be achieved via this test.
Die Kernstücke des Versuchsaufbaus sind Reaktionsgefäße in Form von Spritzen 20 aus Glas (Fig. 7) und eine Vorrichtung zur Aufbewahrung dieser Spritzen 20, dem Drehgestell 25 (Fig. 8). Die Spritzen 20 besitzen ein Füllvolumen von 100 ml und sind mit einem Drei-Wege-Hahn 26 ausgestattet. Im Drehgestell 25 können die Spritzen waagerecht gelagert werden. Es ist mit einem regelbaren Antrieb ausgestattet, der eine Rotation des Drehgestells 25 um die Längsachse der darin gelagerten Spritzen ermöglicht. Die Rotation kann mit Drehzahlen im Bereich von 5 bis 50 min"1 erfolgen. Das Drehgestell 25 und ein Fermenter mit einer The core pieces of the experimental set-up are reaction vessels in the form of syringes 20 made of glass (FIG. 7) and a device for storing these syringes 20, the bogie 25 (FIG. 8). The syringes 20 have a filling volume of 100 ml and are equipped with a three-way stopcock 26. In the bogie 25, the syringes can be stored horizontally. It is equipped with a controllable drive which allows rotation of the bogie 25 about the longitudinal axis of the syringes stored therein. The rotation can take place at speeds in the range of 5 to 50 min -1 . The bogie 25 and a fermenter with a
Animpfkultur sind in einer beheizbaren Klimakammer untergebracht. Inoculate culture are housed in a heated climate chamber.
In die Spritzen 20 wurden Versuchsansätze eingefüllt, die aus dem Inokulum (Mo- nosubstrat aus Zuckerrübensilage aus den Vorversuchen) und jeweils einer Sorte der unterschiedlichen Aufwuchsträger bestehen. Daneben wurden auch Kontrollansätze ohne Aufwuchsträger getestet. Das Volumen der Ansätze in den Spritzen und die Massenkonzentration der Aufwuchsträger im Ansatz wurden innerhalb einer Versuchsreihe konstant gehalten. Das Volumen der Ansätze muss deutlich unterhalb des maximalen Füllvolumens der Spritze 20 liegen, da noch Restvolumen für das vom Ansatz gebildete Biogas benötigt wird. Um die bei der Erstbefül- lung eingetragene Umgebungsluft entweichen zu lassen, wird der Drei-Wege- Hahn 26 geöffnet und der Kolben 27 der Spritze 20 bis zum Volumen, das vom Ansatz eingenommen wird, hereingedrückt. Die mit den Ansätzen gefüllten Spritzen 20 wurden über die Gesamtdauer einer Versuchsreihe im Drehgestell 25 gelagert. Zur Einhaltung der Prozesstemperatur war die Klimakammer auf 37° C temperiert. In the syringes 20 experimental approaches were filled, which consist of the inoculum (monosubstrate from sugar beet silage from the preliminary experiments) and each one variety of different growth medium. In addition, control approaches without growth carriers were also tested. The volume of the batches in the syringes and the mass concentration of the growth carriers in the batch were kept constant within a series of experiments. The volume of the lugs must be well below the maximum filling volume of the syringe 20, since residual volume is still required for the biogas formed by the batch. In order to In order to allow ambient air to escape, the three-way cock 26 is opened and the piston 27 of the syringe 20 is pushed in to the volume occupied by the projection. The syringes 20 filled with the batches were stored in the bogie 25 over the entire duration of a test series. To maintain the process temperature, the climate chamber was heated to 37 ° C.
Im Folgenden werden die Untersuchungsergebnisse der Besiedlungsversuche für Aufwuchsträger mit eingeschmolzenen Spurenelementen im Vergleich zu ausgewählten Aufwuchsträgern der Vorversuche dargestellt. Dabei werden durchgehend folgende Probenbezeichnungen verwendet: In the following, the test results of the colonization experiments for growth carriers with fused trace elements are presented in comparison to selected growth carriers of the preliminary experiments. The following sample names are used throughout:
• B1 : Granulat mit Magnetit, ohne Calcium, entspricht Typ 7 der Vorversuche• B1: granules with magnetite, without calcium, corresponds to type 7 of the preliminary tests
• B2: wie B1 jedoch mit Dolomit als Blähmittel, entspricht Typ 8 der Vorversuche • B2: like B1 with dolomite as the blowing agent, type 8 corresponds to the preliminary tests
• B3: wie B1 mit Spurenelementzusatz (gemäß erster Herstellungsvariante) • B3: as B1 with trace element addition (according to first production variant)
• B4: wie B1 mit Spurenelementzusatz mit Dolomit als Blähmittel (gemäß zweiter Herstellungsvariante). • B4: like B1 with trace element addition with dolomite as blowing agent (according to the second production variant).
Mikrobiologische Untersuchungen - molekulargenetische Analyse Microbiological investigations - molecular genetic analysis
In den Fig. 9 bis Fig. 1 1 ist die zeitliche Entwicklung des Biofilms auf den  In FIGS. 9 to 11, the temporal evolution of the biofilm is shown in FIGS
Aufwuchsträgern innerhalb einer Versuchsdauer von 54 Wochen dargestellt, wobei die Spritzen 20 nach 5,7 Wochen („5,7 Wo"), 12,7 Wochen („12,7Wo"), 20,7 Wochen („20,7 Wo") und 5 Wochen („54 Wo") beprobt wurden. Within a trial period of 54 weeks, with syringes 20 after 5.7 weeks ("5.7 weeks"), 12.7 weeks ("12.7 weeks"), 20.7 weeks ("20.7 weeks"). ) and 5 weeks ("54 weeks").
Aufgetragen sind in Fig. 9 die Werte von Konzentration des trockenen Biofilms auf den Aufwuchsträgern in (mg0Ts / g Aufwuchsträger), in Fig. 10 die mikrobielle Gesamt¬ population (BAC und ARC) in (109 16S rRNA Genkopien (gFM)"1) sowie in Fig. 1 1 das Vorkommen von Archäen (ARC) in (109 16S rRNA Genkopien (gFM)"1) (linke Skala) und deren Anteil an der Gesamtpopulation in % (rechte Skala). Die Werte des Inokulums (IN) werden in den Fig. 10 und Fig. 1 1 ebenfalls dargestellt. Bei Betrachtung der Diagramme fällt auf, dass die Biofilmmasse fast ausschließlich von den beiden Faktoren„Materialtyp des Aufwuchsträgers" und„Zeit" bestimmt wurde. Are plotted in Fig. 9, the values of concentration of the dry biofilm on the nursery carriers in (mg 0 Ts / g growth substrate) in Fig. 10, the microbial total ¬ population (BAC and ARC) in (10 9 16S rRNA gene copies (GFM) 1 ) and in FIG. 11 the occurrence of archae (ARC) in (10 9 16S rRNA gene copies (gFM) "1 ) (left scale) and their proportion of the total population in% (right scale). The values of the inoculum (IN) are also shown in Figs. 10 and 11. When looking at the diagrams, it is noticeable that the biofilm mass was determined almost exclusively by the two factors "material type of the growth medium" and "time".
Auffällig war, dass die Gesamtpopulation bei den Mustern B1 und B2 bis etwa zur 20.ten Woche hin anstieg und danach ein Rückgang eintrat. Bei den Mustern B3 und B4 war über den gesamten Beobachtungszeitraum ein konstanter Anstieg auf deutlich höhere Werte zu beobachten. Der 12 Wochen Wert für B4 musste aufgrund eines Fehlers bei den Probenahmen verworfen werden. Der Anteil methanogener Organismen folgt im Wesentlichen dem gleichen Muster. Allerdings sank ab der 20.ten Woche der prozentuale Anteil von Archäen an der Gesamtpopulation bei allen untersuchten Mustern deutlich ab. It was noticeable that the overall population in samples B1 and B2 increased until around the 20th week and then declined. Patterns B3 and B4 showed a constant increase to significantly higher values over the entire observation period. The 12 week value for B4 had to be discarded due to a sampling error. The proportion of methanogenic organisms follows essentially the same pattern. However, as of the 20th week, the percentage of archae in the total population decreased significantly in all the samples studied.
Diese Entdeckung lässt sich zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht abschließend erklären. Sie legt jedoch zum einen die Vermutung nahe, dass die Verwendung von Aufwuchsträgern mit Spurenelementen die Besiedelung und Vermehrung von Mikroorganismen begünstigt, andererseits scheint auch hier die geringe Reproduktionsfähigkeit der Methanogenen (siehe 1 .3. Wachstumsgeschwindigkeiten der Mikroorganismen) eine Rolle zu spielen. Die Diversität der verschiedenen Aufwuchsträgerarten hinsichtlich methanogener Organismen stellte sich homogen dar. This discovery can not be conclusively explained at the present time. On the one hand, it suggests that the use of growth carriers with trace elements favors the colonization and propagation of microorganisms, on the other hand, the low reproducibility of the methanogens (see 1, 3 growth rates of microorganisms) also seems to play a role. The diversity of the various growth carrier species with respect to methanogenic organisms was homogeneous.
3.3 Biogasproduktion 3.3 Biogas production
Um auch eine Aussage zur Biogasbildung der einzelnen Materialtypen treffen zu können wurde nach einer Aufwuchszeit von 33 Tagen die Konzentration des trockenen Biofilms auf den Aufwuchsträgern ermittelt (mg0Ts / gAutwuchsträger) - Fig. 12, linke Skala, weiße Balken - und der jeweils erzielten Biogasausbeute (Ißiogas / kg0s) - Fig. 12, rechte Skala, graue Balken - gegenübergestellt. In order to be able to make a statement on the biogas formation of the individual types of material, the concentration of the dry biofilm on the growth media was determined after a growth time of 33 days (mg 0 Ts / gAutwuchsträger) - Fig. 12, left scale, white bars - and each achieved Biogas yield (Ißiogas / kg 0 s) - Fig. 12, right scale, gray bars - opposite.
Aus Fig. 12 kann ein Zusammenhang zwischen der Biogasausbeute und der Konzentration des trockenen Biofilms auf den unterschiedlichen Aufwuchsträgern abgeleitet werden. Die Aufwuchsträger B3 und B4, bei denen Spurenelemente eingeschmolzen sind, scheinen, wie bereits oben festgestellt, die Biofilmbildung zu fördern und dadurch eine höhere Biogasausbeute zu erreichen. Die geringere Biofilmmasse bei der Probe B4 bei gleichzeitig hoher Biogasausbeute deutet nach dieser ersten Auswertung darauf hin, dass die vorhandenen Mikroorganismen in der Probe zum Zeitpunkt der Messung eine höhere Stoffwechselaktivität aufwiesen. Dieses Verhalten bei Biofilmen ist bekannt. Wenn einer Population, welche sich zu einer Kolonie in einem Biofilm vereinigt hat, genügend Nahrung und optimale Lebensbedingungen zur Verfügung stehen, so reagieren die Mikroorganismen mit einer verstärkten Stoffwechselaktivität oder lösen die Biofilme teilweise wieder auf und wandern in die Fermentationsflüssigkeit ab. From Fig. 12, a relationship between the biogas yield and the concentration of the dry biofilm can be derived on the different growth carriers. As has already been stated above, the growth carriers B3 and B4, in which trace elements are melted down, appear to promote biofilm formation and thereby achieve a higher biogas yield. The lower biofilm mass in sample B4 with simultaneously high biogas yield indicates after this first evaluation that the microorganisms present in the sample had a higher metabolic activity at the time of the measurement. This behavior in biofilms is known. If enough food and optimal living conditions are available to a population that has united into a colony in a biofilm, the microorganisms react with an increased metabolic activity or partially re-dissolve the biofilms and migrate into the fermentation fluid.
3.4 Bestätigungsversuche 3.4 confirmation attempts
Um den Einfluss und die Wechselwirkungen zwischen Aufwuchsträger und der suspendierten mikrobielle Biomasse bewerten zu können wurde ein weiterer Versuch angesetzt bei dem nach zwei und zwölf Wochen neben den unterschiedlichen Aufwuchsträgern auch die deren Fermentationsflüssigkeit ausgewertet wurde. (Ergebnisse nicht dargestellt)  In order to be able to evaluate the influence and the interactions between growth carrier and the suspended microbial biomass, another attempt was made in which, in addition to the different growth carriers, the fermentation fluid was evaluated after two and twelve weeks. (Results not shown)
Die Anzahl der Genkopien lag bei fast allen Aufwuchsträgern in der gleichen Größenordnung des vorherigen Versuches. Aus molekulargenetischer Sicht können sie demnach als annähernd gleich betrachtet werden. Der Anteil der Archaeen an der Gesamtpopulation erhöhte sich bei allen Aufwuchsträgern deutlich. Beim Aufwuchsträgermuster B3 trat die stärkste Zunahme mit der Inkubationszeit auf - vor allem bei der Population der Archäen. The number of gene copies was in almost all growth carriers in the same magnitude of the previous experiment. From a molecular genetic point of view, they can therefore be regarded as approximately the same. The proportion of archaea in the total population increased significantly among all young adults. In the growth carrier pattern B3, the greatest increase occurred with the incubation period - especially in the population of the archae.
Bei B1 wurde eine starke Abnahme der Mikroorganismenpopulation festgestellt. Dies könnte auf eine Ablösung des Biofilms von der Oberfläche der In B1, a large decrease in the microorganism population was noted. This could be due to a detachment of the biofilm from the surface of the
Aufwuchsträger hindeuten, so dass bereits eine Sättigung eingetreten war und das maximale Verhältnis aus Aufwuchsträger und Biofilm zwischen 40 und 50 mg oTS je g Aufwuchsträger liegt. In der Fermentationsflüssigkeit konnten ähnlich hohe Gesamtpopulationen an Mikroorganismen nachgewiesen werden wie auf den Aufwuchsträgern. Bei den Ansätzen B2 bis B4 stiegen die Population der Archäen und deren Anteil an der Gesamtpopulation mit der Inkubationszeit - die Werte der Aufwuchsträger wurden dabei nicht erreicht. Eine starke Förderung methanogener Organismen in der Fermentationsflüssigkeit durch den Einsatz der Aufwuchsträger konnte nicht erkannt werden. Growth carriers indicate that saturation had already occurred and that the maximum ratio of growth carrier and biofilm is between 40 and 50 mg oTS per g of growth carrier. In the fermentation liquid, similar total populations of microorganisms could be detected as on the growth media. In approaches B2 to B4, the population of the archaea and their proportion of the total population increased with the incubation period - the values of the growth carriers were not reached. A strong promotion of methanogenic organisms in the fermentation liquid by the use of the growth carrier could not be detected.
3.5. Mikroskopische Untersuchungen 3.5. Microscopic examinations
Die mikroskopischen Untersuchungen (nicht dargestellt) lieferten wichtige Rückschlüsse, die zur Beurteilung der Eignung der unterschiedlichen Aufwuchsträger herangezogen werden können. Der Grad und die Form der Besiedlung der Aufwuchsträger konnte gut anhand der DNA-Färbung (Fluoreszenz- Mikroskopie) der vorhandenen Mikroorganismen beurteilt werden. Das Vorkommen methanogener Organismen ließ sich anhand ihrer Autofluoreszenz beurteilen. Bei jedem der untersuchten Aufwuchsträger trat in allen anhand der DNA- Färbung nachgewiesenen Mikroorganismenkolonien auch Autofluoreszenz auf. Demnach waren methanogene Organismen in allen Mikroorganismen Kolonien der Biofilme vertreten.  The microscopic examinations (not shown) provided important conclusions which can be used to assess the suitability of the different growth carriers. The degree and shape of the colonization of the growth media could be well assessed by the DNA staining (fluorescence microscopy) of the microorganisms present. The presence of methanogenic organisms was assessed by their autofluorescence. Autofluorescence also occurred in all microbial colonies detected by DNA staining in each of the investigated growth media. Accordingly, methanogenic organisms were represented in all microorganisms colonies of biofilms.
Es wurden Versuche mit Aufwuchsträger Typ 1 (der Vorversuche) und B3 (mit eingeschmolzenen Spurenelementen) nach mehrmonatigem Einsatz in Experiments were carried out with growth carriers type 1 (the preliminary tests) and B3 (with melted trace elements) after several months of use in
Versuchsfermentern, welche mit Rübensilage gefüttert wurden verglichen. Während bei Typ 1 sehr viele Aufwuchsträger nur sehr schlecht bis gar nicht besiedelt sind, zeigt das Muster B3 eine nahezu flächige Besiedelung. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich auch methanogene Mikroorganismen bevorzugt auf den Aufwuchsträgern mit Spurenelementen ansiedeln. Die starke Leuchtkraft bei der UV Autofluoreszenz ist ein Indiz für eine hohe Stoffwechselaktivität dieser Population. Versuchsfermentern, which were fed with beet silage compared. While in type 1, a large number of growth carriers are only very poorly populated or not populated at all, pattern B3 shows a nearly flat colonization. It can be clearly seen that methanogenic microorganisms also preferentially settle on the growth carriers with trace elements. The strong luminosity in UV autofluorescence is an indication of a high metabolic activity of this population.
4. Fazit 4. Conclusion
Zusammenfassend kann für die erfindungsgemäßen Aufwuchsträger festgestellt werden: Aufwuchsträger sind grundsätzlich als Träger von biogas- und methanbildenden Biofilmen geeignet. In summary, it can be stated for the growth carriers according to the invention: Growth carriers are basically suitable as carriers of biogas and methane-forming biofilms.
Die partikelfreien Kontrollfermenter waren im gesamten Versuchsverlauf die instabilste Variante. Somit ist die positive Auswirkung von  The particle-free control fermenters were the most unstable variant in the entire course of the experiment. Thus, the positive effect of
Aufwuchsträgern auf die Stabilität des Biogasprozesses als gesichert anzusehen. To regard the growth of the biogas process as secure.
Die Aufwuchsträger sind vor dem Einsatz in einem Fermenter / Bioreaktor zu brechen und auf ein definiertes Kornband abzusieben. Die dabei entstehende unregelmäßige Oberflächenstruktur kommt der Biofilmbildung sehr entgegen.  The growth media must be crushed before use in a fermenter / bioreactor and sifted to a defined particle size. The resulting irregular surface structure is very conducive to biofilm formation.
Die Entwicklung der anhaftenden Biofilmmasse wird maßgeblich durch die Beschaffenheit des Aufwuchsträgers sowie die Verweildauer im Fermenter bestimmt.  The development of the adherent biofilm mass is largely determined by the nature of the growth medium and the residence time in the fermenter.
Die Masse des an einem Aufwuchsträger anhaftenden Biofilms lässt allein keine Aussagen über die Qualität des Biofilms zu. Die molekulargenetische Analyse ermöglicht einen tieferen Einblick.  The mass of the biofilm adhering to a growth carrier alone does not allow any statements about the quality of the biofilm. The molecular genetic analysis allows a deeper insight.
Die Ansiedlung von Mikroorganismen auf den Oberflächen der The colonization of microorganisms on the surfaces of
Aufwuchsträger ist sehr selektiv - der Anteil an methanogenen Organismen ist deutlich höher als in der umgebenden Fermentationsflüssigkeit oder dem Inokulum. Growth carrier is very selective - the proportion of methanogenic organisms is significantly higher than in the surrounding fermentation fluid or inoculum.
Das Einschmelzen von Spurenelementen und Mineralstoffen in die  The melting of trace elements and minerals in the
Aufwuchsträger wirkt sich, in Abhängigkeit vom Substrat, bei ausreichender Inkubationszeit positiv aus. Growth carrier, depending on the substrate, has a positive effect on sufficient incubation time.
Unter den Rahmenbedingungen in einem Biogas Fermenter / Bioreaktor gehen die Spurenelemente und Mineralstoffe über einen langen Zeitraum in Lösung. Bei der angedachten Menge von ca. 2 % Aufwuchsträger am Gesamtfüllgewicht eines Fermenters / Bioreaktors scheint eine Überfrachtung oder sogar Prozesshemmung durch„kritische" Spurenelemente ausgeschlossen.  Under the conditions in a biogas fermenter / bioreactor, the trace elements and minerals go into solution over a long period of time. When considering the amount of about 2% growth carrier on the total filling weight of a fermenter / bioreactor, an overload or even process inhibition by "critical" trace elements seems excluded.
Die Aufwuchsträger bringen eine erhebliche Pufferkapazität in das System ein und wirken somit etwaigen Prozessstörungen durch Übersäuern entgegen. An der Oberfläche der Aufwuchsträger bildet sich ein für die Biofilme offensichtlich optimales„Mikromilieu" aus, welches den Archäen erlaubt, selbst in einer versauerten Umgebung zu überleben. The growth carriers bring a significant buffer capacity into the system and thus counteract any process disturbances caused by overacidification. On the surface of the growth medium, an obviously optimal "micro-environment" is formed for the biofilms, which allows the archae to survive even in an acidified environment.
Die Erfindung wird an den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen be-isonders deutlich, ist auf diese gleichwohl aber nicht beschränkt. Vielmehr können weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung aus den Ansprüchen und der vorste-ihenden Beschreibung abgeleitet werden. Abkürzungsverzeichnis / Glossar The invention will be particularly evident in the embodiments described above, but is not limited to these. Rather, further embodiments of the invention can be derived from the claims and the vorste-ing description. List of abbreviations / glossary
Acetogenese: Bildung von Essigsäure  Acetogenesis: Formation of acetic acid
Acidogenese: Bildung von (organischen) Säuren  Acidogenesis: Formation of (organic) acids
Acidophil: säureliebend  Acidophil: acid-loving
Acetoklastisch: Essigsäure abbauend  Acetoclastic: decomposing acetic acid
Anion: negativ geladenes Atom bzw. Molekül  Anion: negatively charged atom or molecule
ATP: Adenosintriphosphat (universeller biochemischer  ATP: adenosine triphosphate (universal biochemical
Energieträger)  Fuels)
Biozönose: (altgr. βίος bios .Leben' und κοινός koinos .gemeinsam') ist eine Gemeinschaft von Organismen verschiedener Arten in einem abgrenzbaren  Biocenosis: (alt. Βίος bios. Life 'and κοινός koinos. Together') is a community of organisms of various species in a definable
Lebensraum, hier im Fermenter, Bioreaktor. Habitat, here in the fermenter, bioreactor.
BtL Biomass to Liquid BtL Biomass to Liquid
Cellulolytisch: Cellulosefasern lösend/abbauend  Cellulolytic: dissolving / degrading cellulose fibers
CSB: Chemischer Sauerstoffbedarf, Maß für die Summe aller (im Wasser) vorhandenen, unter bestimmten Bedingungen oxidierbaren Stoffe COD: Chemical oxygen demand, measure of the sum of all (in water), under certain conditions oxidizable substances
DGGE: denaturing gradient gel electrophoresis, Methode zum spezifischen Nachweis bestimmter DNA- Abschnitte unter Zuhilfenahme des Laufverhaltens in einem Gel mit einem Gradienten denaturierender Stoffe  DGGE: denaturing gradient gel electrophoresis, method for the specific detection of certain DNA sections with the help of the running behavior in a gel with a gradient of denaturing substances
Disproportionierung: ist besonders häufig bei Redox-Reaktionen zu beobachten. Dann ist sie eine Reaktion, bei der ein und dieselbe Verbindung zugleich oxidiert und reduziert wird und sich die Oxidationszahlen mehrerer Atome gleicher Sorte in verschiedene Richtungen ändern. Disproportionierung von Chlor (Oxidationszahl der Chlor-Atome in Cl2 = Null) in Disproportionation: is especially common in redox reactions. Then it is a reaction in which one and the same compound is oxidized and reduced at the same time and the oxidation numbers of several atoms of the same kind change in different directions. Disproportionation of chlorine (Oxidation number of chlorine atoms in Cl 2 = zero) in
Natronlauge zu Chlorid (-1 ) und Hypochlorit (+1 ) Sodium hydroxide to chloride (-1) and hypochlorite (+1)
Diversität: Anzahl verschiedener Taxa (meist Spezies) in einer Population Diversity: Number of different taxa (mostly species) in a population
DNA: Desoxyribonukleinsäure, Träger der Erbsubstanz e-: Elektron(en)  DNA: deoxyribonucleic acid, carrier of the genetic material e-: electron (s)
EDTA: Ethylendiamintetraessigsäure  EDTA: ethylenediaminetetraacetic acid
Elektronenakzeptor: Element, das durch Änderung seiner Wertigkeit  Electron acceptor: element by changing its valency
Elektronen aufnimmt  Absorbs electrons
Elektronendonator: Element, das durch Änderung seiner Wertigkeit  Electron donor: element that changes its value
Elektronen abgibt  Emit electrons
Elektronencarrier: Molekül, das Elektronen zur Reduktion eines anderen Moleküls überträgt  Electron carrier: molecule that transfers electrons to the reduction of another molecule
Ergodizität: bezieht sich auf das mittlere Verhalten eines Systems. Ein solches System wird durch eine Musterfunktion beschrieben, die die zeitliche Entwicklung des Systems abhängig von seinem aktuellen Zustand bestimmt  Ergodicity: refers to the mean behavior of a system. Such a system is described by a pattern function that determines the evolution of the system over its current state
FOS/TAC: Verhältnis der flüchtigen organischen Säuren zum anorganischen Carbonat, = Parameter zur Einschätzung der Stabilität der Biozönose; ab etwa 0,6 ist eine Versäuerung indiziert  FOS / TAC: ratio of volatile organic acids to inorganic carbonate, = parameter for assessing the stability of the biocenosis; from about 0.6 an acidification is indicated
Glucose: Traubenzucker  Glucose: glucose
Grünkörper Bezeichnung in der Keramik für einen ungebrannten/ungesinterten Rohling, Green body designation in the ceramic for an unfired / unsintered blank,
Halophil: salzhaltige Bedingungen liebend  Halophil: loving saline conditions
HBT Hohenheimer Biogas Test HBT Hohenheim biogas test
Hydrogenotroph: Wasserstoff zum Wachstum verwertend  Hydrogenotrophic: Utilizing hydrogen for growth
Hydrolyse: Spaltung von Molekülen unter Reaktion mit Wasser Hydrolysis: Cleavage of molecules under reaction with water
Hydrolytische Beständigkeit Widerstand der Glasoberfläche gegen wässrigen  Hydrolytic resistance Resistance of the glass surface to aqueous
Angriff Immobilisierung: die räumliche Fixierung von Bakterien, Zellen oder attack Immobilization: the spatial fixation of bacteria, cells or
Enzymen in Gelpartikeln, Kapseln oder auch in umgrenzten Reaktionsräumen. Die Immobilisierung führt zu einer Verlagerung der katalytischen Aktivität von submikroskopisch und mikroskopisch kleinen Einheiten in makroskopisch fassbarer Partikel, um eine Rückhaltung zu erreichen  Enzymes in gel particles, capsules or in confined reaction spaces. The immobilization leads to a shift in the catalytic activity of submicroscopic and microscopic units in macroscopic particles to achieve retention
Inokulum: In der Biotechnologie versteht man unter diesem  Inoculum: In biotechnology one understands under this
Begriff die Menge an Zellen, mit denen ein Fermenter angeimpft wird  Term the amount of cells with which a fermenter is inoculated
Kosubstrat: Abfall und Futterreste, aber auch spezielle Energiepflanzen zur Biogasbereitung  Kosubstrat: waste and food leftovers, but also special energy crops for biogas production
Kation: positiv geladenes Atom bzw. Molekül Cation: positively charged atom or molecule
Lignocellulose: Verbindung aus Cellulose mit Lignin(- Einlagerungen)  Lignocellulose: compound of cellulose with lignin (- inclusions)
LFL: Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft mcrA/mrtA Gen der Untereinheit A des Schlüsselenzyms der LGR: Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft mcrA / mrtA gene of subunit A of the key enzyme of the
Methanbildung  methanogenic
Mesophil: ein mittleres Temperaturniveau (ca. 30 - 40 °C) liebend  Mesophile: loving a medium temperature level (about 30 - 40 ° C)
Methanogenese: Bildung von Methan  Methanogenesis: Formation of methane
methanogene Archäen: methangasbildende Mikroorganismen methanogenic archae: methane gas producing microorganisms
Modul: das Verhältnis von Siliziumoxid und Alkalioxid bei Module: the ratio of silica and alkali oxide at
Wasserglas  water glass
NawaRo: Nachwachsende Rohstoffe  NawaRo: Renewable resources
Netzwerkbildner: auch Glasbildner genannt, formen die molekulare Network creators: also called glass formers, form the molecular
Grundstruktur von Glas. Für die Glasbildung sind keine weiteren Stoffe notwendig. So hat z.B.  Basic structure of glass. For the glass formation no further substances are necessary. For example,
Quarzglas als einzigen Bestandteil Si02 Quartz glass as the only constituent Si0 2
Netzwerkwandler: Verbindungen, die zusammen mit einem oder mehreren Netzwerkbildnern ein Glas bilden.  Network Converters: Connections that form a glass together with one or more network creators.
Netzwerkwandler verändern Gefüge und Eigenschaften des Glases OLR: organic loading rate, organische Raumbelastung oTS: organische Trockensubstanz Network converters change the structure and properties of the glass OLR: organic loading rate, organic room load oTS: organic dry matter
Oxidation: Zustandsveranderung eines Moleküls unter Elektronenabgabe  Oxidation: state change of a molecule under electron donation
PCR: Polymerase chain reaction, Polymerase- Kettenreaktion, molekularbiologisches Verfahren zur Vervielfältigung bestimmter Abschnitte der DNA, um diese spezifisch nachzuweisen PCR: Polymerase chain reaction, polymerase chain reaction, molecular biology method for the amplification of specific sections of DNA in order to specifically detect them
Polares Molekül: Molekül mit positiv und negativ geladenem Ende Proteasen: eiweißspaltende Enzyme  Polar molecule: Molecule with positively and negatively charged end Proteases: Protein-splitting enzymes
Raumbelastung: ist die Menge an organischer Trockenmasse  Room load: is the amount of organic dry matter
(oTS) in Kilogramm pro m3 Fermentervolumen und Tag (oTS) in kilograms per m 3 of fermenter volume and day
Reduktion: Zustandsveranderung eines Moleküls unter Elektronenaufnahme  Reduction: state change of a molecule under electron uptake
Sequenz: Abfolge der Basen (Adenin, Cytosin, Guanin,  Sequence: sequence of bases (adenine, cytosine, guanine,
Thymin) in der DNA  Thymine) in the DNA
Sequenzierung: Bestimmung der Basenabfolge der untersuchten  Sequencing: determination of the base sequence of the investigated
DANN (mittels unterschiedlicher Methoden) THEN (using different methods)
Species: Art, taxonomischer Begriff, enge Verwandschaft: > Species: Species, taxonomic term, close relatives:>
97,5 %  97.5%
SpE: Spurenelementcocktail mit definierter Zusammensetzung  SpE: trace element cocktail with defined composition
SSCP: Single Strand conformation polymorphism, Methode zum spezifischen Nachweis bestimmter DNA- Abschnitte unter Zuhilfenahme der Faltung einzelsträngiger DNA  SSCP: Single Strand conformation polymorphism, method for the specific detection of certain DNA segments with the help of the folding of single-stranded DNA
Stabilisatoren : können sowohl Netzwerkwandler als auch Netzwerkbildner im Glas sein. Allerdings sind sie nicht in der Lage als Einzelkomponente ein Glas zu bilden  Stabilizers: can be both network converters and network formers in the glass. However, they are not able to form a single component as a glass
Substrat: Material, welches in einer Biogasanlage vergärt wird Supplementierung: Ergänzen, Hinzufügen Substrate: material that is fermented in a biogas plant Supplementation: Add, Add
Syntroph: gemeinsam wachsend, in der Nährstoffverwertung aufeinender angewiesen Syntrophic: Growing together, relying on one another in nutrient utilization
Taxon: {das, Plural: Taxa; zu griechisch τάξις täxis .(Anordnung, Rang) bezeichnet in der Biologie eine als systematische Einheit erkannte Gruppe von Taxon: {that, plural: taxa; to Greek τάξις täxis. (arrangement, rank) designates in biology a group recognized as a systematic unit of
Lebewesen Creature
Thermophil: ein hohes Temperaturniveau liebend (ca. 45 - 65 °C)  Thermophilic: a high temperature level loving (about 45 - 65 ° C)
Literaturverzeichnis bibliography
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Dr. rer. nat. Merrettig-Bruns Ute, Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik: Test zur Messung der Stoffwechselaktivität der Bakterien im Gärbehälter Dr. rer. nat. Merrettig-Bruns Ute, Fraunhofer Institute for Environmental, Safety and Energy Technology: Test for measuring the metabolic activity of bacteria in the fermentation tank
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Biomasse 1 biomass
2 primäre Gärung 3 Hydrolyse  2 primary fermentation 3 hydrolysis
4 Monomer  4 monomer
5 Baustein  5 module
6 Acidogenese 6 Acidogenesis
7 Acetogenese 8 sekundäre Gärung7 acetogenesis 8 secondary fermentation
9 Acetat 9 acetate
10 Methanogenese 10 Methanogenesis
1 1 anaerobe Atmung1 1 anaerobic respiration
12 Biogas 12 biogas
20 Spritze 20 syringe
25 Drehgestell 25 bogie
26 Drei-Wege-Hahn26 three-way stopcock
27 Kolben 27 pistons

Claims

Ansprüche claims
1 . Verfahren zur Herstellung von Blähglasgranulat insbesondere zur Verwendung in einer Biogasanlage oder einer anaeroben Kläranlage mit folgenden Verfahrensschritten : 1 . Process for producing expanded glass granules, in particular for use in a biogas plant or an anaerobic sewage treatment plant, comprising the following process steps:
- Vermischen von Glasmehl, Blähmittel und Bindemittel zu einer Ausgangsmischung,  Mixing glass flour, blowing agent and binder to a starting mixture,
- Granulieren der Ausgangsmischung zu Blähglasgranulat-Grünkörpern, und  Granulating the starting mixture into expanded glass granules green bodies, and
- Verschäumen der Blähglasgranulat-Grünkörper zu Blähglasgranulat- Partikeln bei Temperaturen von 600 °C bis 950 °C,  Foaming the expanded glass granulate green bodies into expanded glass granulate particles at temperatures of 600 ° C. to 950 ° C.,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
- bei der Herstellung insbesondere der Ausgangsmischung Mineralstoffe und/oder Spurenelemente insbesondere für die Nährstoffversorgung von in der Biogasanlage bzw. der anaeroben Kläranlage eingesetzten Mikroorganismen zugesetzt werden.  In the production of, in particular, the starting mixture, minerals and / or trace elements are added in particular for the nutrient supply of microorganisms used in the biogas plant or the anaerobic sewage treatment plant.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Mineralstoffe Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Natrium, Kalzium, Magnesium und/oder Eisen zugesetzt werden. 2. The method according to claim 1, characterized in that as minerals carbon, nitrogen, phosphorus, sulfur, sodium, calcium, magnesium and / or iron are added.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Spurenelemente auf Basis von Kobalt, Mangan, Molybdän, Nickel, Selen, Wolfram und/oder Zink zugesetzt werden. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that trace elements based on cobalt, manganese, molybdenum, nickel, selenium, tungsten and / or zinc are added.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Glasmehl ein gemahlenes Kalk-Natron-Silikat Glas, insbesondere mit einem Gewichtsanteil von 60 bis 70 %, verwendet wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a ground soda-lime silicate glass, in particular with a weight fraction of 60 to 70%, is used as glass flour.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Bindemittel ein Alkali-Silikat-Wasserglas, insbesondere mit einem Gewichtsanteil von 15 bis 25 %, zugegeben wird. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Blähglasgranulat-Grünkörpern zur zusätzlichen Mineralstoffversorgung insbesondere mit Kalzium, Magnesium und/oder Eisen vor dem Verschäumen ein Trennmittel in Form von Kalziumkarbonat, Dolomit und/oder Bentonit zugegeben wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that an alkali-silicate-water glass, in particular with a weight proportion of 15 to 25%, is added as the binder. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the Blähglasgranulat green bodies for additional mineral supply especially with calcium, magnesium and / or iron before foaming a release agent in the form of calcium carbonate, dolomite and / or bentonite is added.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere der folgenden Mineralstoffe und Spurenelemente mit entsprechenden Gewichtsanteilen eingesetzt werden: Method according to one of the preceding claims, characterized in that one or more of the following minerals and trace elements are used with corresponding proportions by weight:
Natriumselenit-Pentahydrat 0,02000 - 0,04000 %  Sodium selenite pentahydrate 0.02000-0.04000%
Nickel(ll)-chlorid-hexahydrat 0,00010 - 0,00030 %  Nickel (II) chloride hexahydrate 0.00010 - 0.00030%
Dinatriummolybdat 0,00010 - 0,00030 %  Disodium molybdate 0.00010 - 0.00030%
Borax 0,00010 - 0,00030 %  Borax 0.00010 - 0.00030%
Zinksulfat-Heptahydrat 0,00010 - 0,00020 %  Zinc Sulphate Heptahydrate 0,00010 - 0,00020%
Cobalt(ll)-chlorid-Hexahydrat 0,00100 - 0,00200 %  Cobalt (II) chloride hexahydrate 0.00100 - 0.00200%
Kupfer(l)-chlorid 0,00010 - 0,00030 %  Copper (I) chloride 0.00010 - 0.00030%
Kaliumpermanganat 0,00020 - 0,00040 %  Potassium permanganate 0,00020 - 0,00040%
8. Blähglasgranulat insbesondere zur Verwendung in einer Biogasanlage oder einer anaeroben Kläranlage, hergestellt aus Glasmehl, vorzugsweise Kalk- Natron-Silikat Glasmehl, einem Blähmittel und einem Bindemittel, vorzugsweise Alkali-Silikat-Wasserglas, gekennzeichnet durch einen Zusatz an Mineralstoffen und/oder Spurenelementen. 8. expanded glass granules, in particular for use in a biogas plant or an anaerobic sewage treatment plant, made of glass flour, preferably soda-lime silicate glass flour, a blowing agent and a binder, preferably alkali silicate water glass, characterized by an addition of minerals and / or trace elements.
9. Blähglasgranulat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Mineralstoffe Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel, Natrium, Kalzium, Magnesium und/oder Eisen enthalten sind. 9. expanded glass granules according to claim 8, characterized in that as minerals carbon, nitrogen, phosphorus, sulfur, sodium, calcium, magnesium and / or iron are included.
10. Blähglasgranulat nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass10. expanded glass granules according to claim 8 or 9, characterized in that
Spurenelemente auf Basis von Kobalt, Mangan, Molybdän, Nickel, Selen, Wolfram und/oder Zink enthalten sind. Trace elements based on cobalt, manganese, molybdenum, nickel, selenium, tungsten and / or zinc are included.
1 1 . Blähglasgranulat nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Trennmittel in Form von Kalziumkarbonat, Dolomit und/oder Bentonit zugegeben ist. 1 1. Expanded glass granules according to one of claims 8 to 10, characterized in that a release agent in the form of calcium carbonate, dolomite and / or bentonite is added.
Blähglasgranulat nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere der folgenden Mineralstoffe und Spuren- elemente mit entsprechenden Gewichtsanteilen enthalten sind: Expanded glass granules according to any one of claims 8 to 1 1, characterized in that one or more of the following minerals and trace elements are contained with corresponding proportions by weight:
Natriumselenit-Pentahydrat 0,02000 - 0,04000 % Sodium selenite pentahydrate 0.02000-0.04000%
Nickel(ll)-chlorid-Hexahydrat 0,00010 - 0,00030 %Nickel (II) chloride hexahydrate 0.00010 - 0.00030%
Dinatriummolybdat 0,00010 - 0,00030 %Disodium molybdate 0.00010 - 0.00030%
Borax 0,00010 - 0,00030 %Borax 0.00010 - 0.00030%
Zinksulfat-Heptahydrat 0,00010 - 0,00020 %Zinc Sulphate Heptahydrate 0,00010 - 0,00020%
Cobalt(ll)-chlorid-Hexahydrat 0,00100 - 0,00200 %Cobalt (II) chloride hexahydrate 0.00100 - 0.00200%
Kupfer(l)-chlorid 0,00010 - 0,00030 %Copper (I) chloride 0.00010 - 0.00030%
Kaliumpermanganat 0,00020 - 0,00040 % Potassium permanganate 0,00020 - 0,00040%
13. Verwendung des Blähglasgranulats gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12 als Aufwuchsträger für Mikroorganismen in einem Bioreaktor, insbesondere in einer Biogasanlage oder einer anaeroben Kläranlage. 13. Use of the expanded glass granules according to one of claims 8 to 12 as a growth carrier for microorganisms in a bioreactor, in particular in a biogas plant or an anaerobic sewage treatment plant.
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