WO2010072220A1 - Paenibacillus macerans for the treatment of biomass - Google Patents

Paenibacillus macerans for the treatment of biomass Download PDF

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WO2010072220A1
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biomass
culture
paenibacillus macerans
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Monika Reuter
Daniel Vater
Vera Duchow
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Schmack Biogas Ag
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    • Y02E50/30Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the invention relates to a method for the treatment of biomass using a microorganism of the species Paenibacillus macerans.
  • Biofuels are mainly obtained by fermentation of plant substrates with the help of yeasts, bacteria or fungi.
  • the produced liquid energy carriers in particular bioethanol, can then be used as fuel in suitable combustion plants or as fuel or additive in motor vehicle engines or motors for power and heat generation.
  • the biomass is thus converted into a liquid and easily transportable energy source with a relatively high energy density, which can then be used universally.
  • the plant material used as raw material and in particular the organic dry substance contained therein must be opened for a subsequent utilization. This is done by hydrolysis of the organic dry matter, which also corresponds to a liquefaction of the organic dry matter. Ethanol or another biofuel is then produced from the liquid biomass substrate by fermentation.
  • oTS organic dry substance contained therein
  • the ethanolic fermentation takes place primarily by added yeasts, which convert glucose into ethanol.
  • yeasts which convert glucose into ethanol.
  • firstly high molecular weight substrates such as starch, cellulose or hemicellulose (for example in cereals, straw, whole plants) must be enzymatically or chemically cleaved to allow alcoholic fermentation.
  • hydrolytic substrate digestion which also corresponds to liquefaction, are primarily responsible microorganisms, especially bacteria.
  • biogas plants methane is produced by a microbial decomposition process of organic substances.
  • the biogas is produced in a multi-stage process of fermentation or digestion by the activity of anaerobic or microaerophilic microorganisms, i. in the absence of air.
  • the organic material used as a fermentation substrate has, from a chemical point of view, a high molecular structure, which in the individual process steps of a Biogas plant is degraded by metabolic activity of microorganisms to low molecular weight building blocks.
  • the populations of microorganisms which are active in the fermentation of the organic fermentation substrate have hitherto been insufficiently characterized.
  • exoenzymes e.g., cellulases, amylases, proteases, lipases
  • exoenzymes e.g., cellulases, amylases, proteases, lipases
  • the gaseous products formed besides consist predominantly of carbon dioxide.
  • hydrolysis products eg mono-, disaccharides, di-, oligopeptides, amino acids, glycerol, long chain fatty acids
  • short chain fatty or carboxylic acids such as butter -, propionic and acetic acid
  • short-chain alcohols such as ethanol
  • the short-chain fatty acids and carboxylic acids formed in acidogenesis and the short-chain alcohols are taken up by acetogenic bacteria and excreted again as acetic acid after ⁇ -oxidation.
  • By-products of acetogenesis are CO 2 and molecular hydrogen (H 2 ).
  • the products of acetogenesis such as acetic acid but also other substrates such as methanol and formate are converted by methane-forming organisms in the obligate anaerobic methanogenesis to methane and CO 2 .
  • the resulting here CO 2 and also during the other process steps such as hydrolysis, CO 2 formed in turn can also be converted by microorganisms with the incurred H 2 to methane.
  • the volume loading of a fermenter is the amount of substrate fed to the fermenter, expressed in kilograms of dry organic matter per cubic meter of fermenter volume and per day.
  • the amount of biogas produced depends strongly on the volume load of the fermenter, with increasing space load an increasingly larger amount of biogas is generated.
  • a high space load makes the process of biogas production increasingly economically viable, but on the other hand leads to an increasing destabilization of the biological processes of fermentation.
  • Increasing the volume of space is one way to operate a biogas plant more efficiently.
  • the biogas production is increased by a slow increase in the amount of feed in oTS per day.
  • high space loads of more than 6 kgoTS / m 3 d are not yet available.
  • the goal in plant operation is to operate a plant economically.
  • the stability of the biological process is at the forefront, as plant failure causes extremely high costs.
  • Substrates for biogas production have dry matter contents in the range of 5% to 90%.
  • substrates with a dry matter content of up to about 35 to at most 40% can be used. Since substrates with a higher dry matter content, in particular a higher proportion of organic dry matter, usually provide a higher energy content, they would preferably be used. In this case, however, there are higher costs due to increased expenditure of energy during pumping and stirring as well as higher ancillary costs due to wear or repair of pumps, agitators or the like with high viscosity or a high dry matter content. If substrate dilution is necessary because of a high dry matter content, additional water and wastewater costs as well as technical equipment for water supply, recovery or wastewater treatment are incurred.
  • biofuel is understood as meaning a liquid or gaseous fuel or energy carrier which is produced from biomass.
  • Biofuels come for the operation of Internal combustion engines for both mobile (eg motor vehicles) and stationary (eg generation of electrical and thermal energy in a combined heat and power plant) applications are used.
  • Examples of biofuels are biodiesel, bioethanol, biomethanol, biokerosene, biohydrogen or biogas.
  • bioethanol refers to ethanol which has been produced by alcoholic fermentation from biomass as renewable carbon carrier or biodegradable fractions of waste and serves in various concentrations as an additive to mineral oil fuels such as biodiesel or biofuel.
  • biogas is understood to mean the gaseous product of the anaerobic biodegradation of organic substrates, which generally contains about 45-70% of methane, 30-55% of carbon dioxide, and small amounts of nitrogen, hydrogen sulphide and other gases.
  • fermentation or “fermentation” in the context of the present invention include both anaerobic and aerobic metabolic processes which, under the action of microorganisms in a technical process from the supplied substrate to produce a product, e.g. Lead biogas.
  • a differentiation from the term “fermentation” is given in that it is exclusively anaerobic processes.
  • a “fermenter” is understood to mean the container in which the microbiological degradation of the substrate takes place with simultaneous formation of biogas.
  • the terms “reactor”, “fermenter” and “digester” are used interchangeably.
  • fertilization substrate or "substrate” in the context of the present invention means organic and biodegradable material which is added to the fermenter for fermentation.
  • Substrates can be renewable raw materials, organic fertilizers, substrates from the processing agricultural industry, municipal organic residues, slaughter residues or green waste.
  • substrates are corn silage, rye silage, Beet pulp, molasses, grass silage, cattle or pig slurry, beef, pork, chicken or horse manure, beer grains, apple, fruit or vine pomace, cereal, potato or fruit vinasse.
  • the terms “fermentation substrate” and “substrate” are used synonymously.
  • fertilization residue or "digestate” is understood to be the residue of biogas production which leaves the fermenter and is frequently stored in its own container.
  • volume load is understood to mean the amount of dry organic matter (oTS) in kg supplied to the fermenter per day and cubic meter (m 3 ) working volume.
  • organic dry substance (oTS) is understood to mean the anhydrous organic fraction of a substance mixture after removal of the inorganic constituents and drying at 105 ° C. As a rule, the dry matter content is stated in% of the substrate.
  • the term “residence time” is understood to mean the average residence time of the substrate in the fermenter.
  • specific biogas yield or “specific methane yield” is used to denote the amount of biogas or methane produced (stated in standard cubic meters of Nm 3 gas) divided by the amount (as a rule per tonne) of organic dry substance used or substrate understood.
  • nucleotide sequence encompasses both the DNA sequence and the corresponding RNA sequence,
  • RNA sequences given in the invention using bases A, U, C, G also refer to the corresponding DNA sequences using bases A, T, C, G and vice versa.
  • nucleotide sequence of a microorganism by means of a standardized process by which the individual nucleotides of the DNA or RNA of the microorganism can be detected with high accuracy.
  • individual positions can repeatedly be present in a sequence for which the determination of the nucleotide present at the respective position was not possible with sufficient accuracy.
  • the letter "N" is indicated in the nucleotide sequence in the context of the present invention. If the letter "N" is subsequently used in a nucleotide sequence, this stands as an abbreviation for every conceivable nucleotide, that is to say for A, U, G or C. in the case of a ribonucleic acid or for A, T, G or C in the case of a deoxyribonucleic acid.
  • nucleotide mutation means a change in the starting nucleotide sequence, whereby individual nucleotides or several, directly following one another or interrupted by unmodified nucleotides
  • insertion or “addition” as used herein means the addition of 1, 2 or more nucleotides to the respective starting sequence.
  • substitution means the replacement of a nucleotide present at a particular position by another.
  • microorganism is understood to mean microscopically small organisms, which as a rule are single-celled organisms but may also be multicellular organisms Examples of microorganisms are bacteria, microscopic algae, fungi or protozoa.
  • the term "genus” of microorganisms, "type” of microorganisms and “strain” of microorganisms is understood to mean the corresponding basic category of biological taxonomy, in particular the phylogenetic classification Among a particular genus, species or strain, not only are microorganisms having a particular RNA sequence but also, to a certain extent, their genetic variants, with genetic variance in the strain, species, genus increases.
  • culture refers to an accumulation of microorganisms under established conditions which ensure the growth or at least the survival of the microorganisms, for example enrichment cultures or pure cultures, liquid cultures as well as cultures on solid media such as nutrient media also permanent crops such as frozen glycerin cultures, immobilized cultures such as gel cultures or highly concentrated cultures such as cell pellets.
  • pure culture of a microorganism is understood to mean the progeny of a single cell, which is isolated by a multi-step process from a mixture of different microorganisms.
  • the multi-step process involves the separation of a single cell from a cell population and requires that also from the cell
  • pure cultures of microorganisms can be selectively recovered
  • serial dilution of the suspension in the nutrient solution it can finally be achieved that in the last dilution stage there is only one cell left then the basis for a pure culture.
  • mixed culture is understood to mean a mixture of different microorganisms, but natural populations of microorganisms are usually mixed cultures, but mixed cultures can also be produced artificially, for example by combining several pure cultures.
  • the object of the invention is to provide a method for the treatment of biomass, which allows a higher yield of usable biofuels than the prior art.
  • the present invention provides a method of treating biomass.
  • the biomass is added to a microorganism of the species Paenibacillus macerans.
  • the method for treating biomass is preferably a method for liquefying biomass.
  • Paenibacillus macerans is known as an optionally anaerobically living organism.
  • the use or occurrence of microorganisms of the species Paenibacillus macerans in the treatment of biomass or the production of biogas was previously unknown.
  • the addition of microorganisms of the species Paenibacillus macerans to a biomass substrate the viscosity of the substrate can be greatly reduced.
  • the use of microorganisms of the species Paenibacillus macerans leads to a significant increase in the liquefaction of the biomass and, as a result, to a significant improvement in the efficiency and efficiency of biofuel production plants.
  • the method for the treatment of biomass is a method for producing biogas from biomass.
  • the addition of microorganisms of the species Paenibacillus macerans to the fermentation substrate can both increase the volume load of the fermenter and significantly increase the amount of biogas formed.
  • the addition of a microorganism of the species Paenibacillus macerans causes an increase in the volume load of a fermenter up to more than 50%, without any instability of the fermentation process would occur. Parallel to the increased space load, the amount of biogas produced is significantly increased.
  • the specific yield of biogas increases, since significantly more of the organic dry matter is degraded than in the absence of addition of microorganisms of the species Paenibacillus macerans. Due to the increased degree of degradation, a significantly increased specific gas yield can be achieved with improved substrate utilization. In addition, by the Addition of microorganisms of the species Paenibacillus macerans the residence time of the fermentation substrate in the fermenter at constant gas yield can be significantly shortened, whereby the increase in the space load is possible. The use of microorganisms of the species Paenibacillus macerans therefore leads to a dramatic improvement in the efficiency and efficiency of biogas plants.
  • the inventive addition of microorganisms of the species Paenibacillus macerans thus provides a method which ensures increased stability of the fermentation process and in which liquefaction of the fermentation substrate occurs.
  • the liquefaction of substrate by the decomposition of insoluble constituents can also be used for the production of biofuel from biomass.
  • a microorganism of the species Paenibacillus macerans is added in the form of a culture of microorganisms consisting predominantly of a microorganism of the species Paenibacillus macerans persists.
  • microorganisms of the species Paenibacillus macerans could only be detected in minute traces of less than 10% 4 % of the total number of microorganisms present, since the amount of microorganisms isolated from their natural occurrence is generally sufficient for the addition of the microorganisms
  • the addition of the microorganisms to the fermentation substrate of a fermenter is most easily carried out directly in the form of a culture of microorganisms.
  • the addition of the culture of Paenibacillus macerans can be carried out in the form of a culture suspension, in the form of dry, freeze-dried or moist cell pellets or also in the form of spore suspensions, spore preparations or dry, freeze-dried or moist spore pellets.
  • Microorganisms of the species Clostridium sartagoformum and Clostridium sporosphaeroides have similar properties with respect to the treatment of biomass as the microorganisms of the species Paenibacillus macerans, which is why they are predestined for use in the treatment of biomass. Microorganisms of the species Clostridium sartagoformum and Clostridium Sporosphaeroides can therefore also be used in the methods and applications described herein for the treatment of biomass.
  • Microorganisms of the species Paenibacillus macerans are preferably added to the fermentation substrate in the form of cultures of microorganisms, the cultures of microorganisms consisting predominantly of microorganisms of the species Paenibacillus macerans. If, in addition to the determination of the number of microorganisms of the species Paenibacillus macerans, the total number of microorganisms is also determined, the proportion of microorganisms of the species Paenibacillus macerans in the culture may be expressed as a percentage. In a mixed culture, microorganisms of the species Paenibacillus macerans are the predominant species of microorganisms when they have the highest percentage of the various types of microorganisms present in the mixed culture.
  • composition of the microbial populations in the various fermentation substrates as well as the development of the organism composition during the fermentation process is largely unknown, but very variable and subject to a complicated dynamic process, which is also influenced by the respective process conditions.
  • various methods are known to those skilled in the art, for example, in the review article by Amann et al. (Microbiol. Review., 59, 143-169, 1995).
  • a preferred method for determining the microorganism composition independently of a previous cultivation of the microorganisms is, for example, the preparation of a rDNA clone library (eg based on 16S rRNA) after nucleic acid extraction and PCR, which can then be sequenced.
  • a rDNA clone library eg based on 16S rRNA
  • the composition of the microbial population in the fermentation substrate can be determined, for example, by in situ hybridization with specific fluorescence-labeled oligonucleotide probes.
  • Suitable rRNA-based oligonucleotide probes are known from the review mentioned above or may be prepared, for example, by probe base (Loy et al., 2003, Nucleic Acids Res. 31, 514-516.
  • a quantitative determination of the proportion of individual microorganisms in the total population can be carried out in a suitable manner with the methods of quantitative dot blot, in situ hybridization or whole cell hybridization.
  • the microorganism Paenibacillus macerans accounts for at least 10 "4 % of the total number of microorganisms present in the culture added to the fermentation substrate.” More preferably, the microorganism Paenibacillus macerans accounts for at least 10 "2 % of the total number of microorganisms present in the culture and particularly preferably, the microorganism Paenibacillus macerans accounts for at least 1% of the total number of microorganisms present in the culture.
  • the microorganism Paenibacillus macerans accounts for at least 10% of the total number of microorganisms present in the culture, more preferably the microorganism Paenibacillus macerans accounts for at least 50% of the total number of microorganisms present in the culture, and more preferably the microorganism makes Paenibacillus macerans at least 90% of the total number of microorganisms present in the culture.
  • a pure culture of a microorganism of the species Paenibacillus macerans is added.
  • the pure culture is biochemically characterized by specific metabolic processes and activities, as well as by special growth conditions. Due to the specific metabolic processes and activities, the addition of a pure culture of a fermentative microorganism can especially contribute to an improved control of the complex biogas production process.
  • a microorganism of the species Paenibacillus macerans as a component at least added to an immobilized culture of microorganisms. Since the amount of microorganisms isolated from their natural occurrence is insufficient for the addition of the microorganisms, it is usually propagated in the form of a culture. In practice, it has been found that the addition of the microorganisms to the fermentation substrate of a fermenter is most easily carried out in the form of an immobilized culture of microorganisms.
  • microorganisms of the species Paenibacillus macerans should be present in the added immobilized culture in an amount enriched in comparison to the natural occurrence.
  • immobilized mixed cultures of any composition can be used for the addition. The only requirement is that microorganisms of the species Paenibacillus macerans are present in an amount that exceeds their natural occurrence.
  • the microorganism of the species Paenibacillus macerans accounts for at least 10.sup.- 4 % of the total number of microorganisms present in the immobilized culture added to the fermentation substrate.
  • the microorganism of the species Paenibacillus macerans accounts for at least 10.sup.- 2 % of the total number In microorganisms present in the immobilized culture, and particularly preferably, the microorganism of the species Paenibacillus macerans accounts for at least 1% of the total number of microorganisms present in the immobilized culture.
  • the microorganism of the species Paenibacillus macerans makes up at least 10% of the total number of microorganisms present in the immobilized culture, more preferably the microorganism of the species Paenibacillus macerans makes up at least 50% of the total number of microorganisms present in the immobilized culture, and is particularly preferred the microorganism of the species Paenibacillus macerans makes up at least 90% of the total number of microorganisms present in the immobilized culture.
  • at least one immobilized pure culture of a microorganism of the species Paenibacillus macerans is added.
  • Gel-forming polymers are preferably used. These have the advantage that bacteria can be taken up or stored within the gel structure. Preferably, those materials are used which dissolve slowly in water or are degraded, so that the release of the microorganism Paenibacillus macerans takes place over a longer period of time.
  • suitable polymers are polyaniline, polypyrrole, polyvinyl pyrolidone, polystyrene, polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, polyethylene, polypropylene,
  • Epoxy resins polyethyleneimines, polysaccharides such as agarose, alginate or cellulose,
  • Ethylcellulose methylcellulose, carboxymethylethylcellulose, cellulose acetates,
  • Polydialkyldimethylammonium chloride mixtures of polyacrylic acids and Polydiallyldimethylammoniumchlorid and mixtures thereof.
  • the polymeric material may also be prepared by conventional crosslinkers such as glutaraldehyde,
  • Urea / formaldehyde resins or tannin compounds are crosslinked.
  • Alginates as Immobilisate prove to be particularly advantageous because they do not have a negative impact on the activity of the microorganism Paenibacillus macerans and on the other hand they are slowly degraded by microorganisms. Due to the slow degradation of the alginate immobilizates, the trapped microorganisms of the species Paenibacillus macerans are gradually released.
  • the microorganisms are mixed with a polymer gel and then cured in a suitable hardener solution. For this they are first mixed with a gel solution and then dropped into a hardener solution of suitable height. The detailed procedures for immobilization are known to the person skilled in the art.
  • additional biomass is added to the fermentation reactor in a timely manner to the addition of the microorganisms described below.
  • Timely addition of additional biomass may occur within a period of 1 second to 3 days after addition of microorganisms, or it may occur simultaneously with the addition of microorganisms.
  • the space load in the fermentation reactor can be continuously increased or kept approximately constant by the continuous addition of new substrate, wherein the fermentation at all room loads, preferably at a space load of ⁇ 0.5 kg of organic dry matter per m 3 and day [kgoTS / m 3 d] , more preferably at a space load of ⁇ 4.0 kgoTS / m 3 d and particularly preferably at a room load of ⁇ 6.0 kgoTS / m 3 d can be performed, which corresponds to an increase in the space load to about double compared to the current state of the art.
  • the fermentation substrate used can in particular also have a high proportion of solid constituents.
  • a hydrolytically active, fermentative microorganism of the species Paenibacillus macerans By adding a hydrolytically active, fermentative microorganism of the species Paenibacillus macerans, these solid constituents are at least partially liquefied. Due to the liquefaction of the fermentation substrate due to the addition of the microorganism Paenibacillus macerans, a thickening of the fermenter material can be prevented and targeted counteracted. Another liquid entry into the fermentation substrate in the form of water or manure during fermentation can be avoided. Thus, there is another advantage in conserving the resource freshwater. Another advantage is the thus obtained obtaining the stirring and pumpability of the substrate. As a result, agitators and pumps are spared and significantly less energy is required for the stirring process.
  • microorganisms of the species Paenibacillus macerans can also be used for the liquefaction of biomass in alcoholic fermentation with the aim of producing biofuel.
  • the treatment of biomass takes place with constant mixing of the fermentation substrate. Due to the constant mixing of the fermentation substrate, the cultures of Paenibacillus macerans can be better distributed in the fermentation substrate. In the case of biogas production, moreover, the biogas produced can be better removed from the fermentation process.
  • the constant mixing of the fermentation substrate also leads to a uniform heat distribution in the fermentation reactor.
  • Measurements of the temperature in the fermentation reactor which were carried out at periodic intervals, but also continuously, showed that the fermentation substrate in a temperature range of 20 0 C to 80 0 C, preferably at about 35 0 C to 60 0 C, particularly preferably at 40 0 C is fermented efficiently to 50 0 C. These temperature ranges are therefore preferred in the context of the present invention.
  • the last stage of the fermentation process namely the formation of methane by methanogenic microorganisms, particularly efficient at elevated temperatures.
  • All embodiments of the present invention are not limited to one-step processes for the production of biogas.
  • the use of microorganisms of the species Paenibacillus macerans can also be carried out in two or more stages.
  • microorganisms of the species Paenibacillus macerans can be used in processes for the production of liquid biofuels.
  • fermentation substrate and a microorganism of the species Paenibacillus macerans are added continuously.
  • the continuous operation of a fermentation reactor should result in a stable microbial biocenosis to a continuous production of biogas, the exposure of the substrate addition to the fermentation should be reduced as a result of a process disturbance.
  • the microorganism of the species Paenibacillus macerans may be added at regular intervals to the fermentation substrate Addition of the microorganism of the species Paenibacillus macerans at regular intervals leads to an increase in the autismdzelliere and thus to an improved sequence of fermentative processes, such as hydrolysis with a simultaneous improved utilization of the fermentation substrate for fermentation.
  • the microorganism of the species Paenibacillus macerans is added in an amount to the
  • Fermentation substrate added so that after addition of the proportion of the microorganism of
  • Fermentation substrate present microorganisms.
  • Fermentation substrate present microorganisms.
  • a microorganism of the species Paenibacillus macerans is particularly preferably added in an amount to the fermentation substrate that makes up after addition of the content of the microorganism of the species Paenibacillus macerans between 10 "6% and 25% of the total number of present in the fermentation substrate microorganisms.
  • the microorganism of the species Paenibacillus macerans is added in an amount to the fermentation substrate that makes up after addition of the content of the microorganism of the species Paenibacillus macerans between 10 "4% and 10% of the total number present in the fermentation substrate microorganisms.
  • the microorganism of the species Paenibacillus macerans is added to the fermentation substrate in an amount such that, after addition, the proportion of the microorganism of the species Paenibacillus macerans is between 10 -3 % and 1% of the total number of microorganisms present in the fermentation substrate.
  • microorganisms of the species Paenibacillus macerans can be carried out at any point in the fermentation process; in particular, microorganisms of the species Paenibacillus macerans can also be used to inoculate fermentation substrate upon first use or restart of a fermenter.
  • Microorganisms of the species Paenibacillus macerans may be added in the form of a culture once or several times at regular or irregular intervals, but preferably weekly or monthly, more preferably daily or twice to five times per week in an appropriate concentration and amount. Suitable concentrations of microorganisms and added amounts have already been mentioned or are described in the working examples.
  • microorganisms of the species Paenibacillus macerans in case of disturbances in the fermentation process to stabilize the fermentation. Such disorders can be detected early by monitoring certain characteristic parameters of the fermentation. Characteristic parameters provide information about the quality of an ongoing fermentation process for the production of biogas.
  • Such characteristic parameters are not only the amount of biogas produced and the methane content of the biogas produced but also, for example, the hydrogen content of the biogas produced, the pH of the fermentation substrate, the redox potential of the Fermentation substrate, the carboxylic acid content of the fermentation substrate, the proportions of various carboxylic acids in the fermentation substrate, the hydrogen content of the fermentation substrate, the proportion of dry matter in the fermentation substrate, the proportion of organic dry matter in the fermentation substrate, the viscosity of the fermentation substrate and the volume loading of the fermentation.
  • the present invention also encompasses the use of a microorganism of the species Paenibacillus macerans for the treatment of biomass.
  • the present invention also includes the use of a microorganism of the species Paenibacillus macerans for the liquefaction of biomass.
  • the present invention also encompasses the use of a microorganism of the species Paenibacillus macerans for the fermentative production of biogas from biomass.
  • the present invention also encompasses the use of the liquefied biomass for biofuel production obtained by one of the described processes.
  • the liquefied biomass obtained by one of the processes described is preferably used for the production of bioethanol.
  • the present invention comprises the strain of the microorganism Paenibacillus macerans SBG2, as deposited under No. DSM 22569.
  • the microorganism Paenibacillus macerans SBG2 was deposited in a pure culture at the German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH in Braunschweig under the Budapest Treaty.
  • the name is Paenibacillus macerans SBG2 with the accession number DSM 22569.
  • the present invention comprises the strain of the microorganism Clostridium sartagoformum SBGIa, as deposited under No. DSM 22578.
  • the microorganism Clostridium sartagoformum SBGIa was deposited in a pure culture at the German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH in Braunschweig under the Budapest Treaty.
  • the name is Clostridium sartagoformum SBGIa with the accession number DSM 22578.
  • Bacteria of the species Paenibacillus macerans can be isolated from the fermentation substrate or fermentation residue of a fermenter with the aid of methods known to those skilled in the art.
  • a suitable substrate is introduced from a fermenter into a selection medium, cultured for a long time and finally isolated individual colonies of microorganisms from the selection medium.
  • microorganisms of the species Paenibacillus macerans can be selected on the basis of the DNA.
  • Bacteria Paenibacillus macerans SBG2 were isolated from the fermentation substrate of a post-fermenter. For this purpose, nitrogen and carbon dioxide were passed through a liquid selection medium, then Na 2 S was added to the selection medium and autoclaved (20 min. At 121 0 C). Then, the biomass obtained from the secondary digester was introduced into the selection medium and cultured for at least one week at a temperature status of at least 30 0 C. A sample obtained from the liquid selection medium was applied to a solid selection medium and subsequently the colonies of microorganisms grown on the solid selection medium were selected. After amplification of the obtained microbial DNA by PCR, a comparison with known DNA sequences could be performed.
  • the present invention also includes microorganisms having a nucleic acid having a nucleotide sequence containing a sequence region having more than 97.63% sequence identity with the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1. More preferably, the nucleotide sequence contains a sequence range greater than 97.64% or greater than 97.66% or greater than 97.68% or greater than 97.70% or greater than 97.75% or greater than 97.80%. or more than 97.90% sequence identity with the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1.
  • the nucleotide sequence contains a sequence region which has more than 98.0% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID No. 1. More preferably, the nucleotide sequence contains a sequence range greater than 98.1% or greater than 98.2% or greater than 98.3% or greater than 98.4% or greater than 98.5% or greater than 98.6%. or more than 98.7% or greater than 98.8% or greater than 98.9% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID NO: 1, and more preferably the nucleotide sequence contains a sequence region having greater than 99% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID No. 1.
  • the microorganism has a nucleotide sequence containing a sequence region having more than 99.5% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID NO: 1, and more preferably the nucleotide sequence contains a sequence region having greater than 99.8% sequence identity having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1.
  • the nucleotide sequence contains a sequence region which corresponds to the nucleotide sequence SEQ ID No. 1.
  • SEQ ID NO: 1 may be compared to the starting nucleotide sequence at one or two positions or at three positions or at four positions or at five positions or at six positions or at seven positions or at eight positions or at nine positions or ten positions or eleven positions or twelve Positions or 13 positions or 14 positions or 15 positions or 16 positions or 17 positions or 18 positions or 19 positions or 20 positions or 21 positions or 22 positions or 23 positions or 24 positions or at 25 positions or at 26 positions or at 27 positions or at 28 positions or at 29 positions or at 30 positions or at 31 positions or at 32 positions or at 33 positions or at 34 positions or at 35 positions nucleotide mutations.
  • the meaning of the term "nucleotide mutation" is explained in the "Definitions" section of the present text.
  • the present invention also encompasses a culture of microorganisms suitable for use in a process for treating biomass, in particular a process for liquefying biomass and / or a process for the fermentative production of biogas from biomass, wherein a microorganism is present in the culture of microorganisms which has a nucleotide sequence containing a sequence region having at least 97.63% sequence identity with the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, wherein the microorganism constitutes at least 10 "4 % of the total number of microorganisms present in the culture.
  • the nucleotide sequence contains a sequence region which has more than 99% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID No. 1.
  • a microorganism in the culture of microorganisms suitable for use in a process for the treatment of biomass, in particular a process for the liquefaction of biomass and / or a process for the fermentative production of biogas from biomass, a microorganism is present which has a nucleotide sequence with a sequence region which has more than 99.5% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID NO: 1.
  • the nucleotide sequence contains a sequence region which has more than 99.8% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID No. 1.
  • a microorganism which has a nucleotide sequence is present in the culture of microorganisms suitable for use in a process for the treatment of biomass, in particular a process for liquefying biomass and / or a process for the fermentative production of biogas from biomass containing a sequence region corresponding to the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1.
  • the microorganism Paenibacillus macerans accounts for at least 10.sup.- 2 %, preferably at least 1% of the total number of microorganisms present in the culture.
  • the microorganism Paenibacillus macerans makes at least 10%, more preferably at least 25% of the total number in the Culture of existing microorganisms.
  • the microorganism Paenibacillus macerans accounts for at least 50%, in particular at least 90%, of the total number of microorganisms present in the culture.
  • it is a pure culture of microorganisms suitable for use in a method for the treatment of biomass, in particular a method for liquefying biomass and / or a method for fermentative production of biogas from biomass, which is a pure culture of the microorganism Paenibacillus macerans SBG2 as characterized above with respect to its nucleotide sequence.
  • it is an immobilized culture of microorganisms.
  • the present invention also encompasses an immobilized culture of microorganisms suitable for use in a method for the treatment of
  • Biomass in particular a process for the liquefaction of biomass and / or a process for the fermentative production of biogas from biomass, wherein in the immobilized culture of microorganisms a microorganism is present which has a nucleotide sequence containing a sequence region containing at least 97.63% Sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID NO: 1
  • No. 1 has.
  • a method for the treatment of biomass in particular a method for liquefying biomass and / or a method for the fermentative production of biogas from biomass suitable immobilized culture of microorganisms present a microorganism having a nucleotide sequence with a sequence region, more than 97.64% or more than 97.66% or more than 97.68% or more than 97.70% or more than 97.75% or more than 97.80% or more than 97.90% or more than 98.0% or more than 98.1% or more than 98.2% or more than 98.3% or more than 98.4% or more than 98.5% or more than 98.6% or greater than 98.7% or greater than 98.8% or greater than 98.9% sequence identity to the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1.
  • the nucleotide sequence contains a sequence region which has more than 99.0% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID No. 1.
  • a microorganism which contains a nucleotide sequence is present in the immobilized culture of microorganisms suitable for use in a process for the treatment of biomass, in particular a process for the liquefaction of biomass and / or a process for the fermentative production of biogas from biomass
  • a process for the treatment of biomass in particular a process for the liquefaction of biomass and / or a process for the fermentative production of biogas from biomass
  • Very particularly preferably contains the Nucleotide sequence has a sequence region which has more than 99.8% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID No. 1.
  • the invention is for use in a method for the treatment of biomass, in particular a method for liquefying biomass and / or a method for fermentative
  • Microorganisms include a microorganism having a nucleotide sequence containing a sequence region corresponding to the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1.
  • the present invention also encompasses the use of microorganisms as characterized above with respect to their nucleotide sequence in a method of treating biomass. These microorganisms are preferably used in one of the methods for the treatment of biomass explained in greater detail above.
  • the present invention also encompasses the use of microorganisms as characterized above with respect to their nucleotide sequence in a process for liquefying biomass. These microorganisms are preferably used in one of the above-explained methods for liquefying biomass.
  • the present invention also encompasses the use of microorganisms as characterized above with respect to their nucleotide sequence in a process for the fermentative production of biogas from biomass. These microorganisms are preferably used in one of the methods explained in more detail above for the fermentative production of biogas from biomass.
  • the present invention also encompasses the use of a culture of microorganisms as characterized above with respect to their nucleotide sequence in a method of treating biomass. These cultures of microorganisms are preferably used in one of the methods for the treatment of biomass explained in more detail above.
  • the present invention also encompasses the use of a culture of microorganisms as characterized above with respect to their nucleotide sequence in a process for liquefying biomass. These cultures of microorganisms are preferably used in one of the above-explained methods for liquefying biomass.
  • the present invention also encompasses the use of a culture of microorganisms as characterized above with respect to their nucleotide sequence in a process for the fermentative production of biogas from biomass. These cultures of microorganisms are preferably used in one of the methods explained in more detail above for the fermentative production of biogas from biomass.
  • Fig. 1 shows a substrate flow test for investigating the degree of liquefaction of fermentation substrate
  • Fig. 2 Results of a fermentation: Plotted is the gas yield as space-time yield (N l / l) and the space load of the fermenter against time;
  • Fig. 3 results of a further fermentation: Plotted is the gas yield as space-time yield (Nl / I) and the specific gas yield (Nm 3 A) of the fermenter against time; Ways to carry out the invention
  • Bacteria Paenibacillus macerans SBG2 were successfully isolated from the fermentation substrate of a post-fermenter. The deposit of the organism was carried out in a pure culture at the German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH (DSMZ) according to the Budapest Treaty (Paenibacillus macerans SBG2 with the accession number DSM 22569).
  • Bacteria Clostridium sartagoformum SBGIa were also successfully isolated from the fermentation substrate of a post-fermenter. The deposit of the organism was carried out in a pure culture at the German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH (DSMZ) according to the Budapest Treaty (Clostridium sartagoformum SBGIa with the accession number DSM 22578).
  • bacteria of the strain Clostridium sartagoformum SBGIa both in mixed culture and in pure culture properties according to the invention similar to those to bacteria of the strain Paenibacillus macerans SBG2, such. an increase in the volume of space, an increase in gas yield and a stabilization of the biogas process as well as the ability to liquefy biomass.
  • Bacteria of the strain Paenibacillus macerans SBG2 were successfully isolated from the fermentation substrate of a post-fermenter.
  • the microorganisms were isolated using a selection medium containing carboxymethylcellulose (CMC) as the sole carbon source.
  • CMC carboxymethylcellulose
  • Carboxymethylcellulose is very similar to the cellulose contained in fermentation substrates of biogas plants and, moreover, has an improved solubility in an aqueous medium due to the linking of the hydroxyl groups with carboxymethyl groups (-CH 2 -COOH-). That for selection Medium used by Paenibacillus macerans SBG2 (DSMZ medium 520 plus 1% CMC and 0.2% yeast extract) was gassed with N 2 for selection to be made under anaerobic conditions. Contained residual oxygen was reduced by means of 0.5 g / l Na 2 S.
  • the selection medium was then inoculated with the supernatant of material from a post fermenter (diluted 1: 2000). After one week of cultivation at 40 ° C., single rods were observed under microscopic analysis. Further selection of liquid cultures and isolation to pure cultures was achieved by smearing on anaerobic carboxymethylcellulose plates.
  • the cultivation was carried out under the specified conditions in a 1 m 3 fermenter, which was inoculated with 100 ml preculture. Since growth is quite fast with a doubling time of about 2 h, Paenibacillus macerans SBG2 is particularly suitable for biotechnological application.
  • Smaller amounts of bacteria eg for addition to fermenter types 1, 2 and 4) were cultured in 500 ml to 1 l scale. Cultivation for the addition to a fermentation process took place over a period of 1 to 2 days. Cell densities in the range of 10 8 to 10 10 cells per ml of culture medium were achieved. The bacterial cells were harvested by centrifugation and taken in the smallest possible volume of fresh medium before they were used in the fermentation process. For interim storage, the cells were frozen.
  • Microorganisms of the species Clostridium sartagoformum and Clostridium sporosphaeroides e.g. for the use of mixed cultures with approximately equal proportions of the 3 mentioned microorganisms could be cultured under the same conditions.
  • the cell material of the grown sporadic colonies was used for amplification of the microbial DNA by the Colony PCR method according to a standard program.
  • the gene for the 16S rRNA was amplified from the cell DNA by PCR.
  • the primers with the sequences GRGTTTGATCCTGGCTCAG and ACGGHTACCTTGTTACGACTT were used (indicated in 5 " ⁇ 3 " direction, H is C, T or A).
  • the pieces of DNA obtained as PCR products were then cloned into a cloning vector (ligation with the QIAGEN PCR cloning kit from QIAGEN / Hilden using the vector p-drive), transformed into E.
  • coli (according to QIAGEN PCR cloning - Handbook) and examined by colony PCR.
  • the obtained colony PCR products were subjected to restriction fragment length polymorphism analysis (RFLP) to select suitable clones. From the respective clones, the corresponding plasmid DNA was isolated and sequenced by the chain termination method (Sanger et al., 1977).
  • RFLP restriction fragment length polymorphism analysis
  • the 16S rDNA or its transformation into the corresponding 16S rRNA could be phylogenetically analyzed with the program package ARB (Ludwig et al., Nucleic Acids Research., 2004, 32, 1363-1371) and classified as an organism of the species Paenibacillus macerans become.
  • An analysis of the cloned 16S rDNA or the corresponding 16S rRNA sequence by means of BLAST program (basic local alignment search tool) of the database www.ncbi.nlm.nih.gov the clone Paenibacillus sp. H 10-05 determined as the next relative.
  • Maintaining a liquid-pulpy consistency in a wet fermentation process is essential to ensure a smooth and cost-effective process of the technical process.
  • continuous fermentation also leads to an increase in the fermenter content, which also has a negative effect on the biogas production process.
  • the effect that the addition of microorganisms has on the consistency of the fermentation substrate was determined by a test in which the flow behavior of substrate samples was measured on an inclined plane (substrate flow test).
  • Starting material for the flow test was material from a biogas plant with a dry matter content of about 8-12%.
  • Each 500 ml of material from a fermenter was filled into 1 I Schott bottles and incubated for 1 day at 40 0 C.
  • each of the bacterial cell mass from a 500 ml preculture (equivalent to approximately 4 x 10 11 cells) of Paenibacillus macerans SBG2, Clostridium sartagoformum SBGIa, Clostridium sporosphaeroides SBG3 or a mixture of the three bacteria was resuspended in equal proportions in 1 ml of medium, and added for further Incubated for 5 days at 40 ° C. with shaking.
  • FIG. 1 shows the following traces in FIG. 1: Lane 1: control without addition of microorganisms (comparative example); Lane 2: Clostridium sartagoformum SBGIa (comparative example); Lane 3: Clostridium sporosphaeroides SBG3 (comparative example); Lane 4: Paenibacillus macerans SBG2; Lane 5: Mixture of Clostridium sartagoformum SBGI a, Clostridium sporosphaeroides SBG3 and Paenibacillus macerans SBG2 in equal parts.
  • FIG. 1A shows the traces directly after the application of the samples, FIG. 1B after 2 min. and Figure 1 C after 18 min.
  • Clostridium sporosphaeroides SBG3 or Paenibacillus macerans SBG2 or Clostridium sarta ⁇ oformum SBGI a The proportion of bacteria of the species Clostridium sporosphaeroides SBG3 or Paenibacillus macerans SBG2 or Clostridium sartagoformum SBGI a was determined by whole cell hybridization according to the method described in Amann et al., (1995, Microbiol Rev 59, 143-169) Probe for fishing was used for Clostridium sporosphaeroides SBG3 a labeled oligonucleotide with the sequence Cy3-CCACAGCTCTCACGCCCG (indicated in 5 " ⁇ 3 " direction), for Paenibacillus macerans SBG2 a labeled oligonucleotide having the sequence Cy3- GCAACCCGAACTGAGACC (indicated in
  • Fermenter type 1 Lying plug fermenter rectangular, volume 150 1, subdivision of the fermenter compartment by retracted wall with small-area passage for the substrate flow, division of the fermenter space in VA directly after substrate addition nozzle and 3 A to pinhole, 2-stage system.
  • Fermenter Type 2 Lying plug fermenter rectangular, volume 150 I as 1st stage plus totally mixed round fermenter, volume 200 I as 2nd stage; Total volume 350 I. 2-stage plant with recirculation between round fermentor and plug-flow fermenter.
  • Fermenter type 3 horizontal cylindrical plug-flow fermenter, volume 30 m 3 , single-stage plant. Distribution of microorganisms within the fermenter - "Tracer test" Since the mixing of the viscous substrate and thus also other additives in a fermenter takes some time and also depends on the stirring technique used, a test was established with which the period to a uniform In this "tracer test", instead of microorganisms, powdered LiCI was added at a concentration of 10 mg lithium / kg starting substrate (double the amount for fermenter type 2) at the site of substrate addition.
  • Stable operation was achieved at a volume loading of 6 to 7 kgoTS / m 3 d by adding about 1 x 10 13 cells per m 3 and week. In doing so, nothing was changed in the usual process parameters, such as temperature (40 ° C.) and pH value (6-9), or buffer capacity.
  • gas yield and volume load In addition to gas yield and volume load, a number of other characteristic parameters of the fermentation process such as dry matter content of the fermenter content, pH, acid concentration (eg acetic acid, propionic acid, butyric acid, valeric acid, acetic acid equivalent), temperature, specific gas yield, composition of the biogas, viscosity, conductivity, redox potential and concentration measured on nutrients and trace elements.
  • acid concentration eg acetic acid, propionic acid, butyric acid, valeric acid, acetic acid equivalent
  • This pilot plant is a large test facility on a pilot plant scale with a volume of 30 m 3 , which is constructed as a horizontal cylindrically shaped plug-flow fermenter. It is operated as a 1-stage system.
  • FIG. 2 shows measurement results of various characteristic parameters during a fermentation process in a type 3 experimental fermenter with and without the addition of microorganisms of the strain Paenibacillus macerans SBG2.
  • the curve provided with the reference numeral 10 shows the time course the volume load of the fermenter in kilograms of organic dry matter per cubic meter per day (kgoTS / m 3 d), the curve indicated by the reference numeral 20 the time course of the measured space-time yield (Nl / I), the curve indicated by the reference numeral 30, the time course of measured space-time yield, averaged over 6 days.
  • the reference numeral 40 the time course of the theoretical gas production (Nl / I) is marked.
  • the reference numeral 50 marks the symbols each representing the one-time addition of microorganisms of the strain Paenibacillus macerans SBG2.
  • the biogas plant was operated from day 70 to day 102 without external addition of microorganisms at an average volume load of about 4 kgoTS / m 3 d and provided in a stable fermentation process space-time yields averaging 2.8 Nl / I, slightly above the expected theoretical Gas yield lay.
  • 20 l of water were added each day instead of a bacterial culture.
  • 20 l of a pure culture of Paenibacillus macerans SBG2 (bacterial concentration about 2 ⁇ 10 9 cells / ml) were added daily.
  • FIG. 3 shows measurement results of various characteristic parameters during a fermentation process in a type 3 experimental fermenter with and without the addition of microorganisms of the species Paenibacillus macerans SBG2.
  • the curve provided with the reference numeral 10 shows the time course of measured specific gas yield (Nm 3 / t), the curve indicated by the reference numeral 20, the time course of the measured specific gas yield (Nm 3 A), averaged over 6 days.
  • the curve provided with the reference numeral 30 shows the time course of the measured space-time yield (Nl / I), the curve indicated by the reference numeral 40, the time course of the measured space-time yield (Nl / I), averaged over 6 days.
  • the arrow marks the beginning of the addition of microorganisms of the strain Paenibacillus macerans SBG2 from day 102.
  • the space-time yield (NI / I) in the Type 3 fermenter rose very sharply after the addition of microorganisms of the strain Paenibacillus macerans SBG2 because the volume load could be greatly increased. With increased substrate supply thus increased in a still stable fermentation process, the gas yield achieved per fermenter volume. It can be seen from the experimental results shown in FIG. 3 that the specific gas yield (Nm 3 A) also increased significantly after the addition of microorganisms of the strain Paenibacillus macerans SBG 2 (see curves with the reference numbers 10 and 20).
  • the average specific gas yield was about 720 Nm 3 / t substrate, after addition of microorganisms of the strain Paenibacillus macerans SBG2 about 780 Nm 3 / t substrate.
  • the measured variable "specific gas yield" is not normalized to the fermentation volume, but to the amount of substrate used, ie an increase in the specific gas yield means a higher energy efficiency in the substrate conversion, but an economic advantage for the user is an increase in the space-time yield as well an increase in the specific gas yield.
  • the volume load in fermentations could be increased to a maximum value of about 8 kgoTS / m 3 d.
  • the space load of the plant could be further increased as a result of the addition of Paenibacillus macerans SBG2.
  • the percentage content of dry substance or organic dry matter remained almost constant. This observation suggests that no accumulation of non-fermented organic dry substance occurs during the fermentation of the fermentation substrate.
  • the addition of pure cultures of Paenibacillus macerans SBG2 thus contributes to a continuous conversion of the dry matter contained in the fermentation substrate, which in turn leads to a continuous fermentation by the accumulation of dry matter is reduced.
  • pure cultures of Paenibacillus macerans but also mixed cultures with a proportion of Paenibacillus macerans were used.
  • mixed cultures of two or three kinds of microorganisms selected from the group consisting of Paenibacillus macerans, Clostridium sartagoformum and Clostridium sporosphaeroides can be added.
  • the addition of the hydrolytically active, fermentative microorganism Paenibacillus macerans SBG2 has a positive effect on the hydrolysis of organic dry matter.
  • the volume load of a fermenter can be increased from about 4 to 5 kgoTS / m 3 d to about 6 to 8 kgoTS / m 3 d under otherwise identical conditions, without even instability of the fermentation process would suggest.
  • Parallel to the increased space load the amount of biogas produced is significantly increased.
  • the specific yield of biogas increases, since significantly more of the organic dry matter is degraded than in the absence of addition of microorganisms of the species Paenibacillus macerans.
  • the use of microorganisms of the species Paenibacillus macerans leads to a dramatic improvement in the efficiency and efficiency of biogas plants.

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Abstract

Disclosed is a method for the treatment of biomass, wherein a microorganism of the type Paenibacillus macerans is added to the biomass.

Description

Paenibacillus macerans zur Behandlung von Biomasse Paenibacillus macerans for the treatment of biomass
Technisches GebietTechnical area
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Biomasse unter Verwendung eines Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans.The invention relates to a method for the treatment of biomass using a microorganism of the species Paenibacillus macerans.
Stand der TechnikState of the art
Biokraftstoffe werden hauptsächlich durch Vergärung von Pflanzensubstraten mit Hilfe von Hefen, Bakterien oder Pilzen gewonnen. Die produzierten flüssigen Energieträger, insbesondere Bioethanol, können anschließend als Brennstoff in geeigneten Feuerungsanlagen oder als Treibstoff oder -zusatz in Kraftfahrzeugmotoren oder Motoren zur Strom- und Wärmeerzeugung eingesetzt werden. Die Biomasse wird somit in einen flüssigen und gut transportierbaren Energieträger mit relativ hoher Energiedichte umgewandelt, der dann weitgehend universell eingesetzt werden kann.Biofuels are mainly obtained by fermentation of plant substrates with the help of yeasts, bacteria or fungi. The produced liquid energy carriers, in particular bioethanol, can then be used as fuel in suitable combustion plants or as fuel or additive in motor vehicle engines or motors for power and heat generation. The biomass is thus converted into a liquid and easily transportable energy source with a relatively high energy density, which can then be used universally.
Als Rohstoffe für die Erzeugung von flüssigen Biokraftstoffen kommen meist lokal verfügbare Pflanzen mit einem hohen Gehalt an Zucker oder Stärke zum Einsatz. In Europa sind dies vor allem Mais- und Getreidekörner sowie Zuckerrüben, in Nordamerika Mais und in Lateinamerika Zuckerrohr oder -melasse. In Frage kommen aber auch weitere Energiepflanzen wie Zuckerhirse (Sorghum), Triticale oder Cassava (Maniok). Derzeit werden als Ausgangsmaterial bei der Verflüssigung von Biomasse insbesondere Maiskorn und Getreidekorn eingesetzt. Aufgrund der zunehmenden Rohstoffknappheit, der gestiegenen Rohstoffpreise, einer enstandenen Konkurrenzsituation um Pflanzen, die sowohl der menschlichen und tierischen Nahrung dienen als auch der Energiegewinnung, einer verbesserten CO2- Bilanz sowie der Schonung der Ressourcen wird nun zunehmend versucht, nicht nur die Körner von Mais und Getreide zu verwenden, sondern vielmehr die gesamte Pflanze der Energiegewinnung zuzuführen oder Pflanzen zu verwenden, die keiner intensiven landwirtschaftlichen Bewirtschaftung bedürfen wie Rutenhirse oder Chinaschilf. Bei den aus diesen Rohstoffen hergestellten Biokraftstoffen handelt es sich um sogenannte „second generation"-Kraftstoffe. Daneben wird auch eine vermehrte Nutzung von günstigen pflanzlichen Reststoffen wie Stroh, pflanzlichen Abfällen aus der Holzwirtschaft oder Garten- und Landschaftspflege angestrebt.As raw materials for the production of liquid biofuels mostly locally available plants with a high content of sugar or starch are used. In Europe, these are mainly maize and cereal grains and sugar beet, maize in North America and sugar cane or molasses in Latin America. Other energy crops such as sugar millet (Sorghum), triticale or cassava (manioc) are also possible. Corn silage and cereal grain are currently used as starting material in the liquefaction of biomass. Due to the growing scarcity of raw materials, the rise in raw material prices, the emergence of competition for crops that serve both human and animal nutrition, as well as energy production, an improved CO 2 balance and the conservation of resources, more and more people are trying, not just corn and to use crops, but rather to feed the entire plant to energy or to use plants that none intensive agricultural management require such as millet or miscanthus. The biofuels produced from these raw materials are so-called "second-generation" fuels, and the aim is also to increase the use of cheap plant residues such as straw, vegetable waste from the timber industry or gardening and landscape maintenance.
Um eine effiziente Vergärung der Biomasse sicher zu stellen, muss das als Rohstoff eingesetzte pflanzliche Material und insbesondere die darin enthaltene organische Trockensubstanz (oTS) für eine anschließende Verwertung aufgeschlossen werden. Dies geschieht durch Hydrolyse der organischen Trockensubstanz, was gleichermaßen einer Verflüssigung der organischen Trockensubstanz entspricht. Aus dem flüssigen Biomasse-Substrat wird dann durch Vergärung Ethanol oder ein anderer Biokraftstoff hergestellt. Mit den vorhandenen Techniken wird aber keine hohe Energieeffizienz erreicht, was insbesondere an der nicht ausreichenden Verflüssigung und damit Verwertung des Rohmaterials liegt.In order to ensure an efficient fermentation of the biomass, the plant material used as raw material and in particular the organic dry substance contained therein (oTS) must be opened for a subsequent utilization. This is done by hydrolysis of the organic dry matter, which also corresponds to a liquefaction of the organic dry matter. Ethanol or another biofuel is then produced from the liquid biomass substrate by fermentation. However, with the existing techniques, high energy efficiency is not achieved, which is due in particular to insufficient liquefaction and thus utilization of the raw material.
Bei der Herstellung von Bioethanol erfolgt die ethanolische Gärung in erster Linie durch zugesetzte Hefen, die Glucose in Ethanol umwandeln. Je nach Substrat ist schon ein relativ hoher Zuckeranteil vorhanden (z.B. bei Melasse) oder es müssen zuerst höhermolekulare Substrate wie Stärke, Cellulose oder Hemicellulose (z.B. bei Getreide, Stroh, Ganzpflanzeneinsatz) enzymatisch oder chemisch gespalten werden, damit die alkoholische Gärung erfolgen kann. Für diesen hydrolytischen Substrataufschluss, der auch einer Verflüssigung entspricht, sind in erster Linie Mikroorganismen, insbesondere Bakterien verantwortlich.In the production of bioethanol, the ethanolic fermentation takes place primarily by added yeasts, which convert glucose into ethanol. Depending on the substrate, there may already be a relatively high level of sugar (for example molasses) or firstly high molecular weight substrates such as starch, cellulose or hemicellulose (for example in cereals, straw, whole plants) must be enzymatically or chemically cleaved to allow alcoholic fermentation. For this hydrolytic substrate digestion, which also corresponds to liquefaction, are primarily responsible microorganisms, especially bacteria.
Soll die Umwandlung organischer Rohstoffe nicht zu einem flüssigen Biokraftstoff, sondern zu einem gasförmigen Energieträger führen, so kommen Biogasanlagen zum Einsatz. In Biogasanlagen wird Methan durch einen mikrobiellen Abbauprozess organischer Substanzen erzeugt. Das Biogas entsteht dabei in einem mehrstufigen Prozess der Vergärung oder Faulung durch die Aktivität von anaeroben oder mikroaerophilen Mikroorganismen, d.h. unter Ausschluss von Luft.If the conversion of organic raw materials does not lead to a liquid biofuel, but to a gaseous energy source, then biogas plants are used. In biogas plants, methane is produced by a microbial decomposition process of organic substances. The biogas is produced in a multi-stage process of fermentation or digestion by the activity of anaerobic or microaerophilic microorganisms, i. in the absence of air.
Das als Gärsubstrat verwendete organische Material besitzt aus chemischer Sicht einen hochmolekularen Aufbau, der in den einzelnen Verfahrensschritten einer Biogasanlage durch Stoffwechseltätigkeit der Mikroorganismen zu niedermolekularen Bausteinen abgebaut wird. Die bei der Fermentierung des organischen Gärsubstrats aktiven Populationen von Mikroorganismen sind bislang aber nur unzureichend charakterisiert.The organic material used as a fermentation substrate has, from a chemical point of view, a high molecular structure, which in the individual process steps of a Biogas plant is degraded by metabolic activity of microorganisms to low molecular weight building blocks. However, the populations of microorganisms which are active in the fermentation of the organic fermentation substrate have hitherto been insufficiently characterized.
Nach heutigem Kenntnisstand können vier nacheinander, aber auch parallel ablaufende und ineinander greifende biochemische Stoffwechselprozesse unterschieden werden, die den Abbau von organischen Gärsubstraten zu den Endprodukten Methan und Kohlendioxid ermöglichen: Hydrolyse, Acidogenese, Acetogenese und Methanogenese.According to the current state of knowledge, four sequential, but also parallel and interlocking biochemical metabolic processes can be distinguished, which enable the degradation of organic fermentation substrates to the end products methane and carbon dioxide: hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis.
In der Hydrolyse werden hochmolekulare, oft partikulär vorliegende, organische Verbindungen durch Exoenzyme (z.B. Cellulasen, Amylasen, Proteasen, Lipasen) fermentativer Bakterien in lösliche Spaltprodukte überführt. Dabei werden beispielsweise Fette in Fettsäuren, Kohlenhydrate, wie z.B. Polysaccharide, in Oligo- und Monosaccharide sowie Proteine in Oligopeptide beziehungsweise Aminosäuren zerlegt. Die daneben gebildeten gasförmigen Produkte bestehen überwiegend aus Kohlendioxid.In hydrolysis, high molecular weight, often particulate, organic compounds are converted to soluble fission products by exoenzymes (e.g., cellulases, amylases, proteases, lipases) of fermentative bacteria. For example, fats in fatty acids, carbohydrates, e.g. Polysaccharides, decomposed into oligo- and monosaccharides and proteins in oligopeptides or amino acids. The gaseous products formed besides consist predominantly of carbon dioxide.
Fakultativ und obligat anaerob lebende Bakterien, oftmals identisch mit den hydrolysierenden Bakterien, verstoffwechseln in der Acidogenese die Hydrolyseprodukte (z.B. Mono-, Disaccharide, Di-, Oligopeptide, Aminosäuren, Glycerin, langkettige Fettsäuren) intrazellulär zu kurzkettigen Fett- oder Carbonsäuren, wie beispielsweise Butter-, Propion- und Essigsäure, zu kurzkettigen Alkoholen wie zum Beispiel Ethanol und zu den gasförmigen Produkten Wasserstoff und Kohlendioxid.Optional and obligate anaerobic bacteria, often identical to the hydrolyzing bacteria, metabolize in acidification the hydrolysis products (eg mono-, disaccharides, di-, oligopeptides, amino acids, glycerol, long chain fatty acids) intracellularly to short chain fatty or carboxylic acids such as butter -, propionic and acetic acid, to short-chain alcohols such as ethanol and the gaseous products hydrogen and carbon dioxide.
In der sich anschließenden Acetogenese werden die in der Acidogenese gebildeten kurzkettigen Fett- und Carbonsäuren sowie die kurzkettigen Alkohole von acetogenen Bakterien aufgenommen und nach ß-Oxidation als Essigsäure wieder ausgeschieden. Nebenprodukte der Acetogenese sind CO2 und molekularer Wasserstoff (H2). Die Produkte der Acetogenese wie Essigsäure aber auch andere Substrate wie Methanol und Formiat werden durch Methan-bildende Organismen in der obligat anaerob verlaufenden Methanogenese zu Methan und CO2 umgesetzt. Das hier entstehende CO2 und auch das während der übrigen Prozessschritte, wie z.B. der Hydrolyse, gebildete CO2 kann wiederum durch Mikroorganismen mit dem angefallenen H2 ebenfalls zu Methan umgesetzt werden.In the subsequent acetogenesis, the short-chain fatty acids and carboxylic acids formed in acidogenesis and the short-chain alcohols are taken up by acetogenic bacteria and excreted again as acetic acid after β-oxidation. By-products of acetogenesis are CO 2 and molecular hydrogen (H 2 ). The products of acetogenesis such as acetic acid but also other substrates such as methanol and formate are converted by methane-forming organisms in the obligate anaerobic methanogenesis to methane and CO 2 . The resulting here CO 2 and also during the other process steps such as hydrolysis, CO 2 formed in turn can also be converted by microorganisms with the incurred H 2 to methane.
Die Erhöhung der Ausbeute an Endprodukten aus einer gegebenen Menge an Edukten stellt wie bei jeder chemischen Umsetzung auch sowohl im Fall der Verflüssigung von Biomasse wie auch bei der Herstellung von Biogas ein vordringliches Ziel der Prozessführung dar. Aus einer gegebenen Menge an Biomasse soll eine möglichst große Menge an flüssigen organischen Verbindungen bzw. eine möglichst große Menge an Methan gebildet werden.The increase in the yield of end products from a given amount of starting materials, as in any chemical reaction, also in the case of liquefaction of biomass as well as in the production of biogas, a priority objective of the process management. From a given amount of biomass, the largest possible Amount of liquid organic compounds or the largest possible amount of methane are formed.
Die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe hat im Jahr 2005 Ergebnisse eines Biogas-Messprogramms veröffentlicht („Ergebnisse des Biogas-Messprogramms", 2005, Hrsgb. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., Gülzow), worin verschiedene Biogasanlagen verglichen wurden. Dieses Messprogramm stellt einen repräsentativen Querschnitt der bestehenden Anlagenvielfalt dar, da Biogasanlagen verschiedener Bauarten, verschiedener Hersteller und mit verschiedenen Einsatzstoffen betriebene Anlagen erfasst wurden. Die gemessenen Gesamtraumbelastungen der untersuchten Biogasanlagen lagen in einem Bereich zwischen 0,45 kgoTS/m3d (mehrstufige Anlagen) und 5,7 kgoTS/m3d (einstufige Anlagen). Sowohl für die meisten ein- als auch mehrstufigen Anlagen lag die Raumbelastung zwischen 1 und 3 kgoTS/m3d.The Agency for Renewable Resources published the results of a biogas measurement program in 2005 ("Results of the Biogas Measurement Program", 2005, Publishing Agency for Renewable Resources, Gülzow), in which various biogas plants were compared.This measurement program represents a representative cross section of the existing plant diversity Since biogas plants of various types, different manufacturers and plants operated with different input materials were recorded, the measured total occupancy of the biogas plants was between 0.45 kgoTS / m 3 d (multi-stage plants) and 5.7 kgoTS / m 3 d For both single-stage and multi-stage systems, the space load was between 1 and 3 kgoTS / m 3 d.
Unter der Raumbelastung eines Fermenters versteht man die Menge an dem Fermenter zugeführten Substrat, die in Kilogramm organischer Trockensubstanz pro Kubikmeter Fermentervolumen und pro Tag angegeben wird. Die Menge an erzeugtem Biogas hängt stark von der Raumbelastung des Fermenters ab, wobei mit steigender Raumbelastung eine zunehmend größere Menge an Biogas erzeugt wird. Eine hohe Raumbelastung macht den Prozess der Biogaserzeugung also zunehmend ökonomisch rentabler, führt andererseits aber zu einer zunehmenden Destabilisierung der biologischen Prozesse der Fermentierung. Die Steigerung der Raumbelastung ist eine Möglichkeit, um eine Biogasanlage effizienter zu betreiben. Dabei wird durch eine langsame Steigerung der Füttermenge in oTS pro Tag die Biogasproduktion erhöht. In der Praxis kommen hohe Raumbelastungen von über 6 kgoTS/m3d bislang nicht vor. Ziel im Anlagenbetrieb ist es, eine Anlage wirtschaftlich zu betreiben. Dabei steht die Stabilität des biologischen Prozesses an vorderster Stelle, da ein Anlagenausfall extrem hohe Kosten verursacht.The volume loading of a fermenter is the amount of substrate fed to the fermenter, expressed in kilograms of dry organic matter per cubic meter of fermenter volume and per day. The amount of biogas produced depends strongly on the volume load of the fermenter, with increasing space load an increasingly larger amount of biogas is generated. A high space load makes the process of biogas production increasingly economically viable, but on the other hand leads to an increasing destabilization of the biological processes of fermentation. Increasing the volume of space is one way to operate a biogas plant more efficiently. The biogas production is increased by a slow increase in the amount of feed in oTS per day. In practice, high space loads of more than 6 kgoTS / m 3 d are not yet available. The goal in plant operation is to operate a plant economically. The stability of the biological process is at the forefront, as plant failure causes extremely high costs.
Um diese Prozessstabilität zu erreichen, werden die bestehenden Anlagen bei niedrigen Raumbelastungen betrieben, was aber ein entsprechend großes Gärvolumen für einen effizienten Betrieb notwendig macht. Dadurch werden die Anfangsinvestitionen durch zusätzliche Baukosten erhöht. Bei hohen Raumbelastungen kommt es aufgrund einer stärkeren Belastung der im Fermenter existierenden Biozönose mit organischem Material vor allem in Form von Feststoffen zu einer kontinuierlichen Eindickung des Fermenterinhalts. Bedingt wird dies durch steigende Trockensubstanzgehalte und einer unvollständigen Umwandlung der Biomasse in Biogas.In order to achieve this process stability, the existing systems are operated at low space loads, but this requires a correspondingly large fermentation volume for efficient operation. This increases the initial investment through additional construction costs. At high room loads, there is a continuous thickening of the fermenter contents due to a stronger load of existing in the fermenter biocenosis with organic material, especially in the form of solids. This is due to increasing dry matter contents and incomplete conversion of the biomass into biogas.
Substrate für die Biogasherstellung weisen Trockensubstanzanteile im Bereich von 5 % bis 90 % auf. Für Nassgärverfahren, bei denen pumpfähige Substrate benötigt werden, können hierbei Substrate mit einem Trockensubstanzanteil bis etwa 35 bis höchstens 40 % eingesetzt werden. Da Substrate mit einem höhreren Trockensubstanzanteil, insbesondere einem höheren Anteil an organischer Trockensubstanz, meist einen höheren Energiegehalt liefern, würden diese bevorzugt eingesetzt. Entgegen stehen in diesem Fall jedoch höhere Kosten durch vermehrten Energieaufwand beim Pumpen und Rühren sowie höhere Nebenkosten durch Abnutzung oder Reparatur von Pumpen, Rührwerken o.a. bei hoher Viskosität oder einem hohen Trockensubstanzgehalt. Falls eine Substratverdünnung wegen eines hohen Trockensubstanzgehalts notwendig ist, entstehen zusätzliche Wasser- und Abwasserkosten sowie technische Ausrüstung zur Wasserzufuhr, - rückgewinnung oder Abwasserbehandlung. Ein im kontinuierlichen Betrieb steigender Trockensubstanzanteil führt zunehmend zu Problemen bei der Rühr- und Pumpfähigkeit des Fermenterinhalts. Bei einer weiteren Steigerung der Trockensubstanzgehalte kann diese Eindickung zur Instabilität der Biozönose und damit zum weitgehenden bis vollständigen Erliegen der biologischen Prozesse und damit auch der Gasproduktion führen, was als „Fermenterabsturz" bezeichnet wird. Um eine Eindickung zu verhindern, kann durch Zugabe flüssiger Substanzen, wie zum Beispiel Wasser oder Gülle eine Verflüssigung des Fermenterinhaltes erreicht werden. Die Problematik dabei liegt bei den gesetzlichen Rahmenbedingungen (EEG), die bei Erhalt des Trockenfermentations-Bonus eine Zugabe von Substanzen, die einen geringeren Trockensubstanzanteil als durchschnittlich 30 % aufweisen, nicht gestatten. Eine Verflüssigung des Fermentermaterials durch zusätzliche Flüssigkeitszufuhr kann daher selten angewendet werden.Substrates for biogas production have dry matter contents in the range of 5% to 90%. For wet fermentation processes in which pumpable substrates are required, substrates with a dry matter content of up to about 35 to at most 40% can be used. Since substrates with a higher dry matter content, in particular a higher proportion of organic dry matter, usually provide a higher energy content, they would preferably be used. In this case, however, there are higher costs due to increased expenditure of energy during pumping and stirring as well as higher ancillary costs due to wear or repair of pumps, agitators or the like with high viscosity or a high dry matter content. If substrate dilution is necessary because of a high dry matter content, additional water and wastewater costs as well as technical equipment for water supply, recovery or wastewater treatment are incurred. An increase in the dry matter content in continuous operation increasingly leads to problems in the stirring and pumpability of the fermenter content. With a further increase in the dry matter contents, this thickening can lead to the instability of the biocenosis and thus to extensive or complete cessation of the biological processes and thus also the gas production, which is referred to as "fermenter crash." To prevent thickening, by adding liquid substances, The problem with this is the legal framework (EEG), which does not allow the addition of substances that have a lower dry matter content than on average 30% when receiving the dry fermentation bonus. A liquefaction of the fermenter material by additional hydration can therefore rarely be used.
Bedenkt man zusätzlich zu den oben genannten Erwägungen die Knappheit der Ressource Süßwasser, so scheidet eine Verflüssigung des Fermenterinhalts durch Zugabe von Wasser aus. Gülle als Verflüssigungsstoff ist zum einen wegen des technischen Aufwandes mit hohen Kosten verbunden, zum anderen nicht überall verfügbar und außerdem von wechselnder Qualität und Güte. Außerdem ist beim Einsatz von Gülle länderspezifisch nach dem Fermentationsprozess eine Hygienisierungsstufe aus rechtlichen Gründen erforderlich, bevor der Gärrest wieder auf das Feld ausgebracht werden kann.Considering in addition to the above considerations, the scarcity of the resource fresh water, so separates a liquefaction of the fermenter content by the addition of water. Manure as a liquefier is on the one hand because of the technical complexity associated with high costs, on the other not everywhere available and also of varying quality and quality. In addition, when using liquid manure, a hygienisation stage is required for legal reasons after the fermentation process, before the digestate can be returned to the field.
Es besteht daher weiterhin ein Bedarf an Verfahren zur Behandlung von Biomasse, insbesondere an effizienteren Verfahren zur Verflüssigung von Biomasse für die Produktion von Biokraftstoffen sowie an Verfahren zur Erzeugung von Biogas, die eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Ausbeute an Biogas ermöglichen.There is therefore still a need for methods for the treatment of biomass, in particular for more efficient methods for liquefying biomass for the production of biofuels, as well as methods for producing biogas, which enable an increased yield of biogas compared to the prior art.
Definitionendefinitions
Unter dem Begriff „Biokraftstoff' wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein flüssiger oder gasförmiger Kraftstoff bzw. Energieträger verstanden, der aus Biomasse hergestellt wird. Biokraftstoffe kommen für den Betrieb von Verbrennungsmotoren sowohl für mobile (z.B. Kraftfahrzeuge) als auch stationäre (z.B. Erzeugung von Elektro- und Wärmeengergie in einem Blockheizkraftwerk) Anwendungen zum Einsatz. Beispiele für Biokraftstoffe sind Biodiesel, Bioethanol, Biomethanol, Biokerosin, Biowasserstoff oder Biogas.In the context of the present invention, the term "biofuel" is understood as meaning a liquid or gaseous fuel or energy carrier which is produced from biomass. Biofuels come for the operation of Internal combustion engines for both mobile (eg motor vehicles) and stationary (eg generation of electrical and thermal energy in a combined heat and power plant) applications are used. Examples of biofuels are biodiesel, bioethanol, biomethanol, biokerosene, biohydrogen or biogas.
Unter dem Begriff „Bioethanol" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung Ethanol verstanden, der durch alkoholische Gärung aus Biomasse als nachwachsendem Kohlenstoffträger oder biologisch abbaubaren Anteilen von Abfällen hergestellt wurde. Er dient in verschiedenen Konzentrationen als Zusatz zu Mineralölkraftstoffen wie Biodiesel oder Biokraftstoff.In the context of the present invention, the term "bioethanol" refers to ethanol which has been produced by alcoholic fermentation from biomass as renewable carbon carrier or biodegradable fractions of waste and serves in various concentrations as an additive to mineral oil fuels such as biodiesel or biofuel.
Unter dem Begriff „Biogas" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung das gasförmige Produkt des anaeroben biologischen Abbaus organischer Substrate verstanden. Es enthält in der Regel ca. 45-70 % Methan, 30-55 % Kohlendioxid, sowie geringe Mengen an Stickstoff, Schwefelwasserstoff und anderen Gasen.In the context of the present invention, the term "biogas" is understood to mean the gaseous product of the anaerobic biodegradation of organic substrates, which generally contains about 45-70% of methane, 30-55% of carbon dioxide, and small amounts of nitrogen, hydrogen sulphide and other gases.
Die Begriffe „Fermentation" oder „Fermentierung" umfassen im Sinne der vorliegenden Erfindung sowohl anaerobe wie auch aerobe Stoffwechselprozesse, die unter Einwirkung von Mikroorganismen in einem technischen Prozess aus dem zugeführten Substrat zur Erzeugung eines Produktes, z.B. Biogas führen. Eine Abgrenzung zu dem Begriff „Gärung" ist insofern gegeben, dass es sich bei diesem ausschließlich um anaerobe Prozesse handelt.The terms "fermentation" or "fermentation" in the context of the present invention include both anaerobic and aerobic metabolic processes which, under the action of microorganisms in a technical process from the supplied substrate to produce a product, e.g. Lead biogas. A differentiation from the term "fermentation" is given in that it is exclusively anaerobic processes.
Unter einem „Fermenter" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Behälter verstanden, in dem der mikrobiologische Abbau des Substrates bei gleichzeitiger Biogasbildung stattfindet. Die Begriffe „Reaktor", „Gärbehälter" und „Faulbehälter" werden synonym verwendet.In the context of the present invention, a "fermenter" is understood to mean the container in which the microbiological degradation of the substrate takes place with simultaneous formation of biogas.The terms "reactor", "fermenter" and "digester" are used interchangeably.
Unter den Begriffen „Gärsubstrat" oder „Substrat" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung organisches und biologisch abbaubares Material verstanden, das dem Fermenter zur Fermentation zugesetzt wird. Substrate können nachwachsende Rohstoffe, Wirtschaftsdünger, Substrate aus der weiterverarbeitenden Agrarindustrie, kommunale organische Reststoffe, Schlachtrückstände oder Grünschnitt sein. Beispiele für solche Substrate sind Maissilage, Roggensilage, Zuckerrübenschnitzel, Melasse, Grassilage, Rinder- oder Schweinegülle, Rinder-, Schweine-, Hühner- oder Pferdemist, Biertreber, Apfel-, Obst- oder Rebentrester, Getreide-, Kartoffel- oder Obstschlempe. Organischer Abfall aus Biotonne, Speisereste, Marktabfälle, Fett aus Fettabscheidern, Panseninhalt, Schweinemageninhalt. Die Begriffe „Gärsubstrat" und „Substrat" werden synonym verwendet.The term "fermentation substrate" or "substrate" in the context of the present invention means organic and biodegradable material which is added to the fermenter for fermentation. Substrates can be renewable raw materials, organic fertilizers, substrates from the processing agricultural industry, municipal organic residues, slaughter residues or green waste. Examples of such substrates are corn silage, rye silage, Beet pulp, molasses, grass silage, cattle or pig slurry, beef, pork, chicken or horse manure, beer grains, apple, fruit or vine pomace, cereal, potato or fruit vinasse. Organic waste from bio-waste, leftovers, market wastes, grease from fat separators, rumen contents, pig stomach content. The terms "fermentation substrate" and "substrate" are used synonymously.
Unter dem Begriff „Gärrückstand" oder „Gärgut" wird der Rückstand der Biogasgewinnung verstanden, der den Fermenter verlässt und häufig in einem eigenen Behälter gelagert wird.The term "fermentation residue" or "digestate" is understood to be the residue of biogas production which leaves the fermenter and is frequently stored in its own container.
Unter „Raumbelastung" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die pro Tag und Kubikmeter (m3) Arbeitsvolumen dem Fermenter zugeführte Menge an organischer Trockensubstanz (oTS) in kg verstanden.In the context of the present invention, "volume load" is understood to mean the amount of dry organic matter (oTS) in kg supplied to the fermenter per day and cubic meter (m 3 ) working volume.
Unter „organischer Trockensubstanz" (oTS) wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der wasserfreie organische Anteil eines Stoffgemisches nach Entfernung der anorganischen Anteile und Trocknung bei 105 0C verstanden. In der Regel wird der Trockensubstanzanteil in % des Substrats angegeben.In the context of the present invention, "organic dry substance" (oTS) is understood to mean the anhydrous organic fraction of a substance mixture after removal of the inorganic constituents and drying at 105 ° C. As a rule, the dry matter content is stated in% of the substrate.
Unter dem Begriff „Verweilzeit" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die durchschnittliche Aufenthaltszeit des Substrates im Fermenter verstanden.In the context of the present invention, the term "residence time" is understood to mean the average residence time of the substrate in the fermenter.
Unter dem Begriff „spezifische Biogasausbeute" oder „spezifische Methanausbeute" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Menge an erzeugtem Biogas oder Methan (angegeben in Normkubikmeter Nm3 erzeugtem Gas) dividiert durch die Menge (in der Regel pro Tonne t) an eingesetzter organischer Trockensubstanz oder Substrat verstanden.In the context of the present invention, the term "specific biogas yield" or "specific methane yield" is used to denote the amount of biogas or methane produced (stated in standard cubic meters of Nm 3 gas) divided by the amount (as a rule per tonne) of organic dry substance used or substrate understood.
Unter dem Begriff „Raumzeitausbeute" wird die erzeugte Menge an Biogas in Normliter (Nl) normiert auf einen Liter Gärvolumen angegeben. Diese Meßgröße dient zur besseren Vergleichbarkeit des Gasertrags verschiedener Anlagen. Von dem Begriff „Nukleotidsequenz" wird sowohl die DNA-Sequenz als auch die korrespondierende RNA-Sequenz umfasst. In der Erfindung angegebene RNA- Sequenzen unter der Verwendung der Basen A, U, C, G beziehen sich beispielsweise ebenso auf die korrespondierenden DNA-Sequenzen unter Verwendung der Basen A, T, C, G und umgekehrt.The term "space-time yield" is used to denote the amount of biogas produced in standard liters (Nl) normalized to one liter of fermentation volume, which serves to improve the comparability of the gas yield of various plants. The term "nucleotide sequence" encompasses both the DNA sequence and the corresponding RNA sequence, For example, RNA sequences given in the invention using bases A, U, C, G also refer to the corresponding DNA sequences using bases A, T, C, G and vice versa.
Die Bestimmung der Nukleotid-Sequenz eines Mikroorganismus erfolgt mit Hilfe eines standardisierten Prozesses, durch den die einzelnen Nukleotide der DNA oder RNA des Mikroorganismus mit hoher Genauigkeit nachgewiesen werden können. Trotz der hohen Genauigkeit der Sequenzierungsverfahren können in einer Sequenz immer wieder einzelne Positionen vorliegen, für die die Bestimmung des an der jeweiligen Position vorliegenden Nukleotids nicht mit hinreichender Genauigkeit möglich war. In solchen Fällen ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung in der Nukleotidsequenz der Buchstabe „N" angegeben. Wird nachfolgend in einer Nukelotidsequenz der Buchstabe „N" verwendet, so steht dies als Kürzel für jedes denkbare Nukleotid, also für A, U, G oder C im Falle einer Ribonukleinsäure oder für A, T, G oder C im Falle einer Desoxyribonukleinsäure.The determination of the nucleotide sequence of a microorganism by means of a standardized process by which the individual nucleotides of the DNA or RNA of the microorganism can be detected with high accuracy. In spite of the high accuracy of the sequencing methods, individual positions can repeatedly be present in a sequence for which the determination of the nucleotide present at the respective position was not possible with sufficient accuracy. In such cases, the letter "N" is indicated in the nucleotide sequence in the context of the present invention. If the letter "N" is subsequently used in a nucleotide sequence, this stands as an abbreviation for every conceivable nucleotide, that is to say for A, U, G or C. in the case of a ribonucleic acid or for A, T, G or C in the case of a deoxyribonucleic acid.
Der Begriff „Nukleotidmutation" wie hier verwendet, bedeutet eine Veränderung der Ausgangsnukleotidsequenz. Dabei können einzelne Nukleotide oder mehrere, direkt aufeinander folgende oder durch nicht veränderte Nukleotide unterbrocheneThe term "nucleotide mutation" as used herein means a change in the starting nucleotide sequence, whereby individual nucleotides or several, directly following one another or interrupted by unmodified nucleotides
Nukleotidsequenzen entfernt (Deletion), hinzugefügt (Insertion oder Addition) oder durch andere ersetzt (Substitution) werden. Der Begriff schließt auch jede möglicheNucleotide sequences are removed (deletion), added (insertion or addition) or replaced by others (substitution). The term also includes every possible one
Kombination der einzelnen genannten Veränderungen ein.Combination of the individual named changes.
Der Begriff „Deletion" wie hier verwendet bedeutet das Entfernen von 1 , 2 oder mehrThe term "deletion" as used herein means removal of 1, 2 or more
Nukleotiden aus der jeweiligen Ausgangssequenz.Nucleotides from the respective starting sequence.
Der Begriff „Insertion" oder „Addition" wie hier verwendet bedeutet das Hinzufügen von 1 , 2 oder mehr Nukleotiden zu der jeweiligen Ausgangssequenz.The term "insertion" or "addition" as used herein means the addition of 1, 2 or more nucleotides to the respective starting sequence.
Der Begriff „Substitution" wie hier verwendet bedeutet den Austausch eines an einer bestimmten Position vorhandenen Nukleotids durch einen anderes. Unter dem Begriff „Mikroorganismus" werden mikroskopisch kleine Lebewesen verstanden, die in der Regel Einzeller sind, aber auch Mehrzeller sein können. Beispiele für Mikroorganismen sind Bakterien, mikroskopische Algen, Pilze oder Protozoen.The term "substitution" as used herein means the replacement of a nucleotide present at a particular position by another. The term "microorganism" is understood to mean microscopically small organisms, which as a rule are single-celled organisms but may also be multicellular organisms Examples of microorganisms are bacteria, microscopic algae, fungi or protozoa.
Unter den Bezeichnungen „Gattung" von Mikroorganismen, „Art" von Mikroorganismen und „Stamm" von Mikroorganismen wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung die entsprechende grundlegende Kategorie der biologischen Taxonomie, insbesondere der phylogenetischen Klassifikation verstanden. Gattungen, Arten und Stämme von Mikroorganismen werden u.a. anhand ihrer RNA-Sequenzen identifiziert und unterschieden. Unter eine bestimmte Gattung, eine bestimmte Art bzw. einen bestimmten Stamm fallen dabei nicht nur Mikroorganismen mit einer ganz bestimmten RNA-Sequenz, sondern auch bis zu einem gewissen Umfang deren genetische Varianten, wobei die genetische Varianz in der Reihe Stamm, Art, Gattung zunimmt.The term "genus" of microorganisms, "type" of microorganisms and "strain" of microorganisms is understood to mean the corresponding basic category of biological taxonomy, in particular the phylogenetic classification Among a particular genus, species or strain, not only are microorganisms having a particular RNA sequence but also, to a certain extent, their genetic variants, with genetic variance in the strain, species, genus increases.
Die Definition einer „Art" eines Bakteriens befindet sich im wissenschaftlichen Wandel und ist weder abgeschlossen noch sind die verschiedenen Konzepte unumstritten. In der vorliegenden Erfindung wird unter „Art" das Artkonzept verstanden, das sich auf genomische und phylogenetische Analysen bezieht und in dem Review von Staley (Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sei., 2006, 361 , 1899- 1909) beschrieben ist. Weitestgehend anerkannt ist, dass zwei bakterielle Spezies, die mehr als 70 % DNA-DNA-Hydridisierung oder mehr als 94 % durchschnittliche Nukleotididentität (ANI, average nucleotide identity) aufweisen, derselben Art angehören bzw. zwei Spezies, die weniger als 97 % Identität der 16S rRNA aufweisen, zwei unterschiedlichen Arten zuzuordnen sind.The definition of a "species" of a bacterium is undergoing scientific change and is neither complete nor is the various concepts uncontroversial In the present invention, "species" is understood to be the species concept that relates to genomic and phylogenetic analyzes, and in the review of Staley (Philos. Trans. R. Soc., Lond., B. Biol., Sci., 2006, 361, 1899-1909). It is widely recognized that two bacterial species having more than 70% DNA-DNA hydride or more than 94% average nucleotide identity (ANI) belong to the same species, respectively two species having less than 97% identity 16S rRNA, are assigned to two different types.
Unter dem Begriff „Kultur" versteht sich in diesem Zusammenhang eine Ansammlung von Mikroorganismen unter geschaffenen Bedingungen, die das Wachstum oder zumindest das Überleben der Mikroorganismen gewährleisten. Für Bakterien sind das z.B. Anreicherungskulturen oder Reinkulturen, Flüssigkulturen ebenso wie Kulturen auf festen Medien wie Nährböden, aber auch Dauerkulturen wie tiefgekühlte Glycerinkulturen, immobilisierte Kulturen wie z.B. Gelkulturen oder hochkonzentrierte Kulturen wie Zellpellets. Unter dem Begriff „Reinkultur" eines Mikroorganismus wird die Nachkommenschaft einer einzelnen Zelle verstanden. Diese wird durch einen mehrstufigen Prozess aus einem Gemisch verschiedener Mikroorganismen isoliert. Der mehrstufige Prozess umfasst die Abtrennung einer einzelnen Zelle aus einer Zellpopulation und erfordert, dass auch die aus der Zelle durch Wachstum und Zellteilung hervorgehende Kolonie von anderen Einzelzellen oder Kolonien getrennt bleibt. Durch eine sorgfältige Abtrennung einer Kolonie, erneutes Suspendieren in Flüssigkeit und wiederholtes Ausstreichen können gezielt Reinkulturen von Mikroorganismen gewonnen werden. Die Isolierung einer Reinkultur kann auch in flüssigen Nährmedien erfolgen, sofern der gewünschte Organismus im Ausgangsmaterial zahlenmäßig überwiegt. Durch serienmäßige Verdünnung der Suspension in der Nährlösung lässt es sich schließlich erreichen, dass sich in der letzten Verdünnungsstufe nur noch eine Zelle befindet. Diese Zelle stellt dann die Basis für eine Reinkultur dar. Die Erläuterung des Begriffs „Reinkultur" und Verfahren zur Erzeugung derselben sind in „Allgemeine Mikrobiologie" von Hans G. Schlegel, 7. überarbeitete Auflage, 1992, Georg Thieme Verlag, S. 205 aufgeführt, worauf hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird.In this context, the term "culture" refers to an accumulation of microorganisms under established conditions which ensure the growth or at least the survival of the microorganisms, for example enrichment cultures or pure cultures, liquid cultures as well as cultures on solid media such as nutrient media also permanent crops such as frozen glycerin cultures, immobilized cultures such as gel cultures or highly concentrated cultures such as cell pellets. The term "pure culture" of a microorganism is understood to mean the progeny of a single cell, which is isolated by a multi-step process from a mixture of different microorganisms.The multi-step process involves the separation of a single cell from a cell population and requires that also from the cell By careful separation of a colony, resuspension in liquid and repeated spreading, pure cultures of microorganisms can be selectively recovered By serial dilution of the suspension in the nutrient solution it can finally be achieved that in the last dilution stage there is only one cell left then the basis for a pure culture. The explanation of the term "pure culture" and methods for producing the same are in "General Microbiology" by Hans G. Schlegel, 7th revised edition, 1992, Georg Thieme Verlag, p is hereby incorporated by reference.
Unter dem Begriff „Mischkultur" wird ein Gemisch verschiedener Mikroorganismen verstanden. Natürliche Populationen von Mikroorganismen sind in der Regel Mischkulturen. Mischkulturen können jedoch auch künstlich hergestellt werden z.B. durch die Vereinigung von mehreren Reinkulturen.The term "mixed culture" is understood to mean a mixture of different microorganisms, but natural populations of microorganisms are usually mixed cultures, but mixed cultures can also be produced artificially, for example by combining several pure cultures.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Behandlung von Biomasse bereitzustellen, das eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Ausbeute an verwertbaren Biokraftstoffen ermöglicht.The object of the invention is to provide a method for the treatment of biomass, which allows a higher yield of usable biofuels than the prior art.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur Behandlung von Biomasse gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Details, Aspekte und Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Beispielen.This object is achieved by the method for the treatment of biomass according to claim 1. Further advantageous details, aspects and Embodiments of the present invention will become apparent from the dependent claims, the description and the examples.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Behandlung von Biomasse zur Verfügung. Der Biomasse wird ein Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zugesetzt.The present invention provides a method of treating biomass. The biomass is added to a microorganism of the species Paenibacillus macerans.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Verfahren zur Behandlung von Biomasse um ein Verfahren zur Verflüssigung von Biomasse. Aus dem Stand der Technik ist Paenibacillus macerans als ein fakultativ anaerob lebender Organismus bekannt. Die Verwendung bzw. das Vorkommen von Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans bei der Behandlung von Biomasse oder der Erzeugung von Biogas war bisher nicht bekannt. Überraschenderweise hat sich jedoch gezeigt, dass durch die Zugabe von Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans zu einem Biomasse- Substrat die Viskosität des Substrats stark vermindert werden kann. Der Einsatz von Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans führt zu einer deutlich verstärkten Verflüssigung der Biomasse und in der Folge zu einer deutlichen Verbesserung von Effizienz und Wirkungsgrad von Anlagen zur Herstellung von Biokraftstoffen.The method for treating biomass is preferably a method for liquefying biomass. From the prior art Paenibacillus macerans is known as an optionally anaerobically living organism. The use or occurrence of microorganisms of the species Paenibacillus macerans in the treatment of biomass or the production of biogas was previously unknown. Surprisingly, however, it has been shown that the addition of microorganisms of the species Paenibacillus macerans to a biomass substrate, the viscosity of the substrate can be greatly reduced. The use of microorganisms of the species Paenibacillus macerans leads to a significant increase in the liquefaction of the biomass and, as a result, to a significant improvement in the efficiency and efficiency of biofuel production plants.
Ebenfalls bevorzugt handelt es sich bei dem Verfahren zur Behandlung von Biomasse um ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch die Zugabe von Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans zum Gärsubstrat sowohl die Raumbelastung des Fermenters gesteigert werden kann als auch die Menge an gebildetem Biogas deutlich erhöht wird. Wie in experimentellen Untersuchungen gezeigt werden konnte, bewirkt die Zugabe eines Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans eine Steigerung der Raumbelastung eines Fermenters bis hin zu mehr als 50 %, ohne dass eine Instabilität des Fermentationsprozesses eintreten würde. Parallel zu der erhöhten Raumbelastung wird die Menge an gebildetem Biogas deutlich gesteigert. Zudem steigt die spezifische Ausbeute an Biogas an, da deutlich mehr der organischen Trockensubstanz abgebaut wird als bei fehlender Zugabe von Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans. Durch den erhöhten Abbaugrad kann eine deutlich erhöhte spezifische Gasausbeute bei einer verbesserten Substratausnutzung erzielt werden. Außerdem kann durch die Zugabe von Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans die Verweilzeit des Gärsubstrats im Fermenter bei konstanter Gasausbeute deutlich verkürzt werden, wodurch auch die Erhöhung der Raumbelastung möglich wird. Der Einsatz von Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans führt daher zu einer dramatischen Verbesserung von Effizienz und Wirkungsgrad von Biogasanlagen.Also preferably, the method for the treatment of biomass is a method for producing biogas from biomass. Surprisingly, it has been shown that the addition of microorganisms of the species Paenibacillus macerans to the fermentation substrate can both increase the volume load of the fermenter and significantly increase the amount of biogas formed. As shown in experimental studies, the addition of a microorganism of the species Paenibacillus macerans causes an increase in the volume load of a fermenter up to more than 50%, without any instability of the fermentation process would occur. Parallel to the increased space load, the amount of biogas produced is significantly increased. In addition, the specific yield of biogas increases, since significantly more of the organic dry matter is degraded than in the absence of addition of microorganisms of the species Paenibacillus macerans. Due to the increased degree of degradation, a significantly increased specific gas yield can be achieved with improved substrate utilization. In addition, by the Addition of microorganisms of the species Paenibacillus macerans the residence time of the fermentation substrate in the fermenter at constant gas yield can be significantly shortened, whereby the increase in the space load is possible. The use of microorganisms of the species Paenibacillus macerans therefore leads to a dramatic improvement in the efficiency and efficiency of biogas plants.
Eine mögliche Erklärung der positiven Eigenschaften der Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans liegt in einer durch deren Stoffwechselaktivität gesteigerten Hydrolyserate, so dass als Ergebnis der Stoffwechselaktivität ein Teil der vorliegenden schwer abbaubaren organischen Substanzen (z.B. Cellulose, Hemicellulose) in lösliche Säuren und CO2 übergeht. Cellulose ist in Wasser und wässrigen Lösungen unlöslich, daher führt ein Abbau der Cellulose im Fermentationsprozess zu einer Verflüssigung. Die Rühr- und Pumpfähigkeit des Materials bleibt erhalten, da der Trockensubstanzgehalt nicht weiter ansteigt. Dadurch wird eine konstante Durchmischung des Materials ermöglicht und das Gas kann aus dem Prozess besser abgeführt werden.One possible explanation for the positive characteristics of the microorganisms of the species Paenibacillus macerans lies in a hydrolysis rate which is increased by their metabolic activity, so that as a result of the metabolic activity a part of the present hardly degradable organic substances (eg cellulose, hemicellulose) is converted into soluble acids and CO 2 . Cellulose is insoluble in water and aqueous solutions, therefore degradation of the cellulose in the fermentation process leads to liquefaction. The stirring and pumpability of the material is maintained because the dry matter content does not increase further. This allows a constant mixing of the material and the gas can be better removed from the process.
Durch die erhöhte Abbau- bzw. Stoffwechselleistung von Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans in der Hydrolyse-Stufe wird eine Verflüssigung des Fermentermaterials herbeigeführt, ohne dass dabei eine Versäuerung, bzw. eine Verschlechterung des Methangehaltes des entstehenden Biogases zu beobachten ist. Die Raumbelastung wird deutlich erhöht und die Stabilität des Prozesses verbessert.Due to the increased degradation or metabolic performance of microorganisms of the species Paenibacillus macerans in the hydrolysis stage, a liquefaction of the fermenter material is brought about without an acidification, or a deterioration of the methane content of the resulting biogas is observed. The space load is significantly increased and the stability of the process improved.
Durch die erfindungsgemäße Zugabe von Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans wird also ein Verfahren bereitgestellt, das eine erhöhte Stabilität des Fermentationsprozesses gewährleistet und bei dem es zu einer Verflüssigung des Gärsubstrates kommt. Die Verflüssigung von Substrat durch den Abbau unlöslicher Bestandteile kann auch für die Produktion von Biokraftstoff aus Biomasse genutzt werden.The inventive addition of microorganisms of the species Paenibacillus macerans thus provides a method which ensures increased stability of the fermentation process and in which liquefaction of the fermentation substrate occurs. The liquefaction of substrate by the decomposition of insoluble constituents can also be used for the production of biofuel from biomass.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans in Form einer Kultur von Mikroorganismen zugesetzt, die überwiegend aus einem Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans besteht. In Gärsubstraten von Biogasanlagen konnten Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans nur in geringsten Spuren von weniger als 10"4 % Anteil an der gesamten Anzahl von anwesenden Mikroorganismen nachgewiesen werden. Da für die Zugabe der Mikroorganismen die Menge an aus ihrem natürlichen Vorkommen isolierten Mikroorganismen in der Regel nicht ausreicht, wird üblicherweise eine Vermehrung in Form einer Kultur vorgenommen. In der Praxis zeigt sich, dass die Zugabe der Mikroorganismen zu dem Gärsubstrat eines Fermenters am einfachsten direkt in Form einer Kultur von Mikroorganismen vorgenommen wird.According to a preferred embodiment of the present invention, a microorganism of the species Paenibacillus macerans is added in the form of a culture of microorganisms consisting predominantly of a microorganism of the species Paenibacillus macerans persists. In fermentation substrates of biogas plants, microorganisms of the species Paenibacillus macerans could only be detected in minute traces of less than 10% 4 % of the total number of microorganisms present, since the amount of microorganisms isolated from their natural occurrence is generally sufficient for the addition of the microorganisms In practice, it is found that the addition of the microorganisms to the fermentation substrate of a fermenter is most easily carried out directly in the form of a culture of microorganisms.
Die Zugabe der Kultur von Paenibacillus macerans kann in Form einer Kultursuspension, in Form trockener, gefriergetrockneter oder feuchter Zellpellets oder auch in Form von Sporensuspensionen, Sporenpräparaten oder trockener, gefriergetrockneter oder feuchter Sporenpellets vorgenommen werden.The addition of the culture of Paenibacillus macerans can be carried out in the form of a culture suspension, in the form of dry, freeze-dried or moist cell pellets or also in the form of spore suspensions, spore preparations or dry, freeze-dried or moist spore pellets.
Da die bereits angesprochenen verschiedenen positiven Effekte auf den Gärprozess mit der Mikroorganismenart Paenibacillus macerans verbunden sind, sollte diese Art von Mikroorganismen in der zugegebenen Kultur in einer das natürliche Vorkommen übersteigenden Menge anwesend sein. Selbstverständlich können Mischkulturen in beliebiger Zusammensetzung für die Zugabe verwendet werden. Voraussetzung ist lediglich, dass die Art Paenibacillus macerans in einer gegenüber dem natürlichen Vorkommen angereicherten Menge anwesend ist.Since the already mentioned various positive effects on the fermentation process are associated with the microorganism species Paenibacillus macerans, this type of microorganisms should be present in the added culture in a quantity exceeding the natural abundance. Of course, mixed cultures of any composition can be used for the addition. The only requirement is that the species Paenibacillus macerans is present in an amount that is enriched in relation to the natural occurrence.
Bevorzugt sind Mischkulturen von Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans mit Mikroorganismen der Arten Clostridium sartagoformum und/oder Clostridium sporosphaeroides. Besonders bevorzugt sind Mischkulturen von Mikroorganismen des Stammes Paenibacillus macerans SBG2 mit Mikroorganismen der Stämme Clostridium sartagoformum SBGI a und/oder Clostridium sporosphaeroides SBG3. Mikroorganismen der Arten Clostridium sartagoformum und Clostridium sporosphaeroides weisen in Bezug auf die Behandlung von Biomasse ähnliche Eigenschaften wie Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans auf, weshalb sie für den Einsatz bei der Behandlung von Biomasse prädestiniert sind. Mikroorganismen der Arten Clostridium sartagoformum und Clostridium sporosphaeroides können daher ebenfalls in den hier beschriebenen Verfahren und Anwendungen zur Behandlung von Biomasse eingesetzt werden .Preference is given to mixed cultures of microorganisms of the species Paenibacillus macerans with microorganisms of the species Clostridium sartagoformum and / or Clostridium sporosphaeroides. Particularly preferred are mixed cultures of microorganisms of the strain Paenibacillus macerans SBG2 with microorganisms of the strains Clostridium sartagoformum SBGI a and / or Clostridium sporosphaeroides SBG3. Microorganisms of the species Clostridium sartagoformum and Clostridium sporosphaeroides have similar properties with respect to the treatment of biomass as the microorganisms of the species Paenibacillus macerans, which is why they are predestined for use in the treatment of biomass. Microorganisms of the species Clostridium sartagoformum and Clostridium Sporosphaeroides can therefore also be used in the methods and applications described herein for the treatment of biomass.
Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans werden bevorzugt in Form von Kulturen von Mikroorganismen dem Gärsubstrat zugesetzt, wobei die Kulturen von Mikroorganismen überwiegend aus Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans bestehen. Wird neben der Bestimmung der Anzahl an Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans auch die Gesamtzahl an Mikroorganismen bestimmt, so kann der Anteil an Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans in der Kultur in Prozent angegeben werden. Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans sind in einer Mischkultur dann die überwiegend anwesende Art von Mikroorganismen, wenn sie den höchsten prozentualen Anteil der verschiedenen in der Mischkultur anwesenden Arten von Mikroorganismen aufweisen.Microorganisms of the species Paenibacillus macerans are preferably added to the fermentation substrate in the form of cultures of microorganisms, the cultures of microorganisms consisting predominantly of microorganisms of the species Paenibacillus macerans. If, in addition to the determination of the number of microorganisms of the species Paenibacillus macerans, the total number of microorganisms is also determined, the proportion of microorganisms of the species Paenibacillus macerans in the culture may be expressed as a percentage. In a mixed culture, microorganisms of the species Paenibacillus macerans are the predominant species of microorganisms when they have the highest percentage of the various types of microorganisms present in the mixed culture.
Die Zusammensetzung der mikrobiellen Populationen in den verschiedenen Gärsubstraten sowie die Entwicklung der Organismenzusammensetzung während des Fermentationsprozesses ist größtenteils unbekannt, jedoch sehr variabel und unterliegt einem komplizierten dynamischen Prozess, der auch durch die jeweiligen Prozessbedingungen beeinflusst wird. Zur Bestimmung der mikrobiellen Zusammensetzung sowie der Gesamtzahl von Mikroorganismen in einem Gärsubstrat wie auch der Bestimmung der Anteile verschiedener Arten von Mikroorganismen in dem Gärsubstrat sind dem Fachmann verschiedene Methoden bekannt, die beispielsweise in dem Übersichtsartikel von Amann et al. (Microbiol. Review. 59, 143-169, 1995) beschrieben sind.The composition of the microbial populations in the various fermentation substrates as well as the development of the organism composition during the fermentation process is largely unknown, but very variable and subject to a complicated dynamic process, which is also influenced by the respective process conditions. To determine the microbial composition and the total number of microorganisms in a fermentation substrate as well as the determination of the proportions of different types of microorganisms in the fermentation substrate, various methods are known to those skilled in the art, for example, in the review article by Amann et al. (Microbiol. Review., 59, 143-169, 1995).
Eine bevorzugte Methode zur Bestimmung der Mikroorganismenzusammensetzung unabhängig von einer vorherigen Kultivierung der Mikroorganismen ist zum Beispiel die Erstellung einer rDNA Klonbibliothek (z.B. auf der Basis von 16S rRNA) nach Nukleinsäureextraktion und PCR, die anschließend sequenziert werden kann. Mit Hilfe dieser Klonbibliothek kann beispielsweise durch in situ Hybridisierung mit spezifischen Fluoreszenz-markierten Oligonukleotidsonden die Zusammensetzung der mikrobiellen Population im Gärsubstrat ermittelt werden. Geeignete rRNA- basierende Oligonukleotidsonden sind aus dem oben erwähnten Review bekannt oder können beispielsweise mittels probeBase (Loy et al., 2003, Nucleic Acids Res. 31 , 514-516. Loy et al., 2007. Nucleic Acids Res. 35: D800-D804) oder dem ARB Programmpaket (Ludwig et al., Nucleic Acids Research. 2004, 32, 1363-1371 ) gefunden werden. Eine quantitative Bestimmung des Anteils einzelner Mikroorganismen an der Gesamtpopulation kann in geeigneter Weise mit den Methoden quantitativer Dot Blot, in situ Hybridisierung oder der Hybridisierung von ganzen Zellen (whole cell hybrisization) durchgeführt werden.A preferred method for determining the microorganism composition independently of a previous cultivation of the microorganisms is, for example, the preparation of a rDNA clone library (eg based on 16S rRNA) after nucleic acid extraction and PCR, which can then be sequenced. Using this clone library, the composition of the microbial population in the fermentation substrate can be determined, for example, by in situ hybridization with specific fluorescence-labeled oligonucleotide probes. Suitable rRNA-based oligonucleotide probes are known from the review mentioned above or may be prepared, for example, by probe base (Loy et al., 2003, Nucleic Acids Res. 31, 514-516. Loy et al., Nucleic Acids Res. 35: D800-D804) or the ARB program package (Ludwig et al., Nucleic Acids Research., 2004, 32, 1363-1371). A quantitative determination of the proportion of individual microorganisms in the total population can be carried out in a suitable manner with the methods of quantitative dot blot, in situ hybridization or whole cell hybridization.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung macht der Mikroorganismus Paenibacillus macerans zumindest 10"4 % der Gesamtzahl an in der zu dem Gärsubstrat zugegebenen Kultur vorhandenen Mikroorganismen aus. Besonders bevorzugt macht der Mikroorganismus Paenibacillus macerans zumindest 10 "2 % der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen aus und insbesondere bevorzugt macht der Mikroorganismus Paenibacillus macerans zumindest 1 % der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen aus.According to preferred embodiments of the present invention, the microorganism Paenibacillus macerans accounts for at least 10 "4 % of the total number of microorganisms present in the culture added to the fermentation substrate." More preferably, the microorganism Paenibacillus macerans accounts for at least 10 "2 % of the total number of microorganisms present in the culture and particularly preferably, the microorganism Paenibacillus macerans accounts for at least 1% of the total number of microorganisms present in the culture.
Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen macht der Mikroorganismus Paenibacillus macerans zumindest 10 % der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen aus, besonders bevorzugt macht der Mikroorganismus Paenibacillus macerans zumindest 50 % der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen aus und insbesondere bevorzugt macht der Mikroorganismus Paenibacillus macerans zumindest 90 % der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen aus.According to further preferred embodiments, the microorganism Paenibacillus macerans accounts for at least 10% of the total number of microorganisms present in the culture, more preferably the microorganism Paenibacillus macerans accounts for at least 50% of the total number of microorganisms present in the culture, and more preferably the microorganism makes Paenibacillus macerans at least 90% of the total number of microorganisms present in the culture.
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsformen wird eine Reinkultur eines Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zugesetzt. Die Reinkultur ist biochemisch durch spezifische Stoffwechselprozesse und -aktivitäten, sowie durch spezielle Wachstumsbedingungen gekennzeichnet. Aufgrund der spezifischen Stoffwechselprozesse und -aktivitäten kann die Zugabe einer Reinkultur eines fermentativen Mikroorganismus in besonderem Maße zu einer verbesserten Kontrolle des komplexen Biogaserzeugungsprozesses beitragen.According to a very particularly preferred embodiment, a pure culture of a microorganism of the species Paenibacillus macerans is added. The pure culture is biochemically characterized by specific metabolic processes and activities, as well as by special growth conditions. Due to the specific metabolic processes and activities, the addition of a pure culture of a fermentative microorganism can especially contribute to an improved control of the complex biogas production process.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans als Bestandteil zumindest einer immobilisierten Kultur von Mikroorganismen zugesetzt. Da für die Zugabe der Mikroorganismen die Menge an aus ihrem natürlichen Vorkommen isolierten Mikroorganismen nicht ausreicht, wird üblicherweise eine Vermehrung in Form einer Kultur vorgenommen. In der Praxis zeigt sich, dass die Zugabe der Mikroorganismen zu dem Gärsubstrat eines Fermenters am einfachsten in Form einer immobilisierten Kultur von Mikroorganismen vorgenommen wird.According to another preferred embodiment of the present invention, a microorganism of the species Paenibacillus macerans as a component at least added to an immobilized culture of microorganisms. Since the amount of microorganisms isolated from their natural occurrence is insufficient for the addition of the microorganisms, it is usually propagated in the form of a culture. In practice, it has been found that the addition of the microorganisms to the fermentation substrate of a fermenter is most easily carried out in the form of an immobilized culture of microorganisms.
Da die bereits angesprochenen verschiedenen positiven Effekte auf den Gärprozess mit der Mikroorganismenart Paenibacillus macerans verbunden sind, sollte diese Art von Mikroorganismen in der zugegebenen immobilisierten Kultur in einer im Vergleich zum natürlichen Vorkommen angereicherten Menge anwesend sein. Selbstverständlich können immobilisierte Mischkulturen in beliebiger Zusammensetzung für die Zugabe verwendet werden. Voraussetzung ist lediglich, dass Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans in einer Menge enthalten sind, die deren natürliches Vorkommen übersteigt.Since the already mentioned various positive effects on the fermentation process are associated with the microorganism species Paenibacillus macerans, this type of microorganisms should be present in the added immobilized culture in an amount enriched in comparison to the natural occurrence. Of course, immobilized mixed cultures of any composition can be used for the addition. The only requirement is that microorganisms of the species Paenibacillus macerans are present in an amount that exceeds their natural occurrence.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung macht der Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zumindest 10 "4 % der Gesamtzahl an in der zu dem Gärsubstrat zugegebenen immobilisierten Kultur vorhandenen Mikroorganismen aus. Besonders bevorzugt macht der Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zumindest 10 "2 % der Gesamtzahl an in der immobilisierten Kultur vorhandenen Mikroorganismen aus und insbesondere bevorzugt macht der Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zumindest 1 % der Gesamtzahl an in der immobilisierten Kultur vorhandenen Mikroorganismen aus.According to preferred embodiments of the present invention, the microorganism of the species Paenibacillus macerans accounts for at least 10.sup.- 4 % of the total number of microorganisms present in the immobilized culture added to the fermentation substrate.Particularly, the microorganism of the species Paenibacillus macerans accounts for at least 10.sup.- 2 % of the total number In microorganisms present in the immobilized culture, and particularly preferably, the microorganism of the species Paenibacillus macerans accounts for at least 1% of the total number of microorganisms present in the immobilized culture.
Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen macht der Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zumindest 10 % der Gesamtzahl an in der immobilisierten Kultur vorhandenen Mikroorganismen aus, besonders bevorzugt macht der Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zumindest 50 % der Gesamtzahl an in der immobilisierten Kultur vorhandenen Mikroorganismen aus und insbesondere bevorzugt macht der Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zumindest 90 % der Gesamtzahl an in der immobilisierten Kultur vorhandenen Mikroorganismen aus. Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsformen wird zumindest eine immobilisierte Reinkultur eines Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zugesetzt.According to further preferred embodiments, the microorganism of the species Paenibacillus macerans makes up at least 10% of the total number of microorganisms present in the immobilized culture, more preferably the microorganism of the species Paenibacillus macerans makes up at least 50% of the total number of microorganisms present in the immobilized culture, and is particularly preferred the microorganism of the species Paenibacillus macerans makes up at least 90% of the total number of microorganisms present in the immobilized culture. According to a very particularly preferred embodiment, at least one immobilized pure culture of a microorganism of the species Paenibacillus macerans is added.
Als Trägermaterialien, auf denen der Mikroorganismus Paenibacillus macerans immobilisiert wird, können natürliche oder synthetische Polymere eingesetzt werden. Bevorzugt werden gelbildende Polymere verwendet. Diese haben den Vorteil, dass Bakterien innerhalb der Gelstruktur aufgenommen bzw. eingelagert werden können. Bevorzugt werden solche Materialien eingesetzt, die sich in Wasser langsam auflösen bzw. abgebaut werden, so dass die Freisetzung des Mikroorganismus Paenibacillus macerans über einen längeren Zeitraum hinweg erfolgt.As support materials on which the microorganism Paenibacillus macerans is immobilized, natural or synthetic polymers can be used. Gel-forming polymers are preferably used. These have the advantage that bacteria can be taken up or stored within the gel structure. Preferably, those materials are used which dissolve slowly in water or are degraded, so that the release of the microorganism Paenibacillus macerans takes place over a longer period of time.
Beispiele für geeignete Polymere sind Polyanillin, Polypyrrol, Polyvinylpyrolidon, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polyvinylalkohol, Polyethylen, Polypropylen,Examples of suitable polymers are polyaniline, polypyrrole, polyvinyl pyrolidone, polystyrene, polyvinyl chloride, polyvinyl alcohol, polyethylene, polypropylene,
Epoxidharze, Polyethylenimine, Polysaccharide wie Agarose, Alginat oder Cellulose,Epoxy resins, polyethyleneimines, polysaccharides such as agarose, alginate or cellulose,
Ethylcellulose, Methylcellulose, Carboxymethylethylcellulose, Celluloseacetate,Ethylcellulose, methylcellulose, carboxymethylethylcellulose, cellulose acetates,
Alkali-Cellulosesulfat, Copolymere aus Polystyrol und Maleinsäureanhydrid,Alkali cellulose sulfate, copolymers of polystyrene and maleic anhydride,
Copolymere aus Styrol und Methylmethacrylat, Polystyrolsulfonat, Polyacrylate und Polymethacrylate, Polycarbonate, Polyester, Silikone, Cellulosephthalat, Proteine wie Gelatine, Gummi arabicum, Albumin oder Fibrinogen, Gemische aus Gelatine und Wasserglas, Gelatine und Polyphosphat, Gelatine und Copolymere ausCopolymers of styrene and methyl methacrylate, polystyrene sulfonate, polyacrylates and polymethacrylates, polycarbonates, polyesters, silicones, cellulose phthalate, proteins such as gelatin, gum arabic, albumin or fibrinogen, mixtures of gelatin and water glass, gelatin and polyphosphate, gelatin and copolymers
Maleinsäureanhydrid und Methylvinylether, Celluloseacetatbutyrat, Chitosan,Maleic anhydride and methyl vinyl ether, cellulose acetate butyrate, chitosan,
Polydialkyldimethylammonium-chlorid, Mischungen aus Polyacrylsäuren und Polydiallyldimethylammoniumchlorid sowie deren Gemische. Das Polymermaterial kann auch mit Hilfe üblicher Vernetzer wie Glutaraldehyd,Polydialkyldimethylammonium chloride, mixtures of polyacrylic acids and Polydiallyldimethylammoniumchlorid and mixtures thereof. The polymeric material may also be prepared by conventional crosslinkers such as glutaraldehyde,
Harnstoff/Formaldehydharzen oder Tanninverbindungen vernetzt werden.Urea / formaldehyde resins or tannin compounds are crosslinked.
Alginate als Immobilisate erweisen sich als besonders vorteilhaft, da sie zum einen keinen negativen Einfluss auf die Aktivität des Mikroorganismus Paenibacillus macerans nehmen und da sie zum anderen durch Mikroorganismen langsam abgebaut werden. Durch den langsamen Abbau der Alginat-Immobilisate werden nach und nach die eingeschlossenen Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans freigesetzt. Für die Immobilisierung werden die Mikroorganismen mit einem Polymergel vermengt und dann in einer geeigneten Härterlösung gehärtet. Dazu werden sie zunächst mit einer Gellösung vermischt und anschließend in eine Härterlösung aus geeigneter Höhe getropft. Die genauen Vorgehensweisen zur Immobilisierung sind dem Fachmann bekannt.Alginates as Immobilisate prove to be particularly advantageous because they do not have a negative impact on the activity of the microorganism Paenibacillus macerans and on the other hand they are slowly degraded by microorganisms. Due to the slow degradation of the alginate immobilizates, the trapped microorganisms of the species Paenibacillus macerans are gradually released. For immobilization, the microorganisms are mixed with a polymer gel and then cured in a suitable hardener solution. For this they are first mixed with a gel solution and then dropped into a hardener solution of suitable height. The detailed procedures for immobilization are known to the person skilled in the art.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird zeitnah zur Zugabe der nachfolgend beschriebenen Mikroorganismen zusätzliche Biomasse in den Fermentierungsreaktor gegeben. Eine zeitnahe Zugabe von zusätzlicher Biomasse kann innerhalb einer Zeitspanne von 1 Sekunde bis hin zu 3 Tagen nach Zugabe von Mikroorganismen erfolgen oder sie kann gleichzeitig mit der Zugabe von Mikroorganismen erfolgen. Dabei kann die Raumbelastung im Fermentationsreaktor durch kontinuierliche Zugabe von neuem Substrat kontinuierlich gesteigert oder in etwa konstant gehalten werden, wobei die Fermentierung bei allen Raumbelastungen, bevorzugt bei einer Raumbelastung von ≥ 0.5 kg organischer Trockensubstanz pro m3 und Tag [kgoTS/m3d], weiter bevorzugt bei einer Raumbelastung von ≥ 4.0 kgoTS/m3d und besonders bevorzugt bei einer Raumbelastung von ≥ 6.0 kgoTS/m3d durchgeführt werden kann, was im Vergleich zum gegenwärtigen Stand der Technik einer Erhöhung der Raumbelastung auf etwa das Doppelte entspricht.According to a further preferred embodiment, additional biomass is added to the fermentation reactor in a timely manner to the addition of the microorganisms described below. Timely addition of additional biomass may occur within a period of 1 second to 3 days after addition of microorganisms, or it may occur simultaneously with the addition of microorganisms. The space load in the fermentation reactor can be continuously increased or kept approximately constant by the continuous addition of new substrate, wherein the fermentation at all room loads, preferably at a space load of ≥ 0.5 kg of organic dry matter per m 3 and day [kgoTS / m 3 d] , more preferably at a space load of ≥ 4.0 kgoTS / m 3 d and particularly preferably at a room load of ≥ 6.0 kgoTS / m 3 d can be performed, which corresponds to an increase in the space load to about double compared to the current state of the art.
Das verwendete Gärsubstrat kann insbesondere auch einen hohen Anteil an festen Bestandteilen aufweisen. Durch die Zugabe eines hydrolytisch aktiven, fermentativen Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans werden diese festen Bestandteile zumindest teilweise verflüssigt. Durch die erzielte Verflüssigung des Gärsubstrats aufgrund der Zugabe des Mikroorganismus Paenibacillus macerans kann einem Eindicken des Fermentermaterials vorgebeugt und gezielt entgegengewirkt werden. Ein weiterer Flüssigkeitseintrag in das Gärsubstrat in Form von Wasser oder Gülle während der Fermentierung kann vermieden werden. Somit besteht ein weiterer Vorteil in der Schonung der Ressource Süßwasser. Ebenfalls von Vorteil ist der so erzielte Erhalt der Rühr- und Pumpfähigkeit des Substrats. Dadurch werden Rührwerke und Pumpen geschont und für den Rührvorgang ist deutlich weniger Energie erforderlich. Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans können also auch zur Verflüssigung von Biomasse in der alkoholischen Gärung mit dem Ziel der Produktion von Biokraftstoff verwendet werden.The fermentation substrate used can in particular also have a high proportion of solid constituents. By adding a hydrolytically active, fermentative microorganism of the species Paenibacillus macerans, these solid constituents are at least partially liquefied. Due to the liquefaction of the fermentation substrate due to the addition of the microorganism Paenibacillus macerans, a thickening of the fermenter material can be prevented and targeted counteracted. Another liquid entry into the fermentation substrate in the form of water or manure during fermentation can be avoided. Thus, there is another advantage in conserving the resource freshwater. Another advantage is the thus obtained obtaining the stirring and pumpability of the substrate. As a result, agitators and pumps are spared and significantly less energy is required for the stirring process. Thus, microorganisms of the species Paenibacillus macerans can also be used for the liquefaction of biomass in alcoholic fermentation with the aim of producing biofuel.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Behandlung von Biomasse unter konstanter Durchmischung des Gärsubstrats. Durch die konstante Durchmischung des Gärsubstrats können die Kulturen von Paenibacillus macerans besser im Gärsubstrat verteilt werden. Im Falle der Biogasherstellung kann außerdem das gebildete Biogas besser aus dem Fermentationsprozess abgeführt werden.According to a further embodiment, the treatment of biomass takes place with constant mixing of the fermentation substrate. Due to the constant mixing of the fermentation substrate, the cultures of Paenibacillus macerans can be better distributed in the fermentation substrate. In the case of biogas production, moreover, the biogas produced can be better removed from the fermentation process.
Die konstante Durchmischung des Gärsubstrats führt zudem zu einer gleichmäßigen Wärmeverteilung im Fermentationsreaktor. Messungen der Temperatur im Fermentationsreaktor, die in periodischen Abständen, aber auch kontinuierlich durchgeführt wurden, ergaben, dass das Gärsubstrat in einem Temperaturbereich von 20 0C bis 80 0C, bevorzugt bei etwa 35 0C bis 60 0C, besonders bevorzugt bei 40 0C bis 50 0C effizient fermentiert wird. Diese Temperaturbereiche werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung daher bevorzugt. Neben der Hydrolyse erfolgt insbesondere die letzte Stufe des Fermentationsprozesses, nämlich die Bildung von Methan durch methanogene Mikroorganismen, besonders effizient bei erhöhten Temperaturen. Für mehrstufige Biogasanlagen ist es auch sinnvoll, die unterschiedlichen Reaktoren bei unterschiedlichen Temperaturen zu betreiben, z.B. die erste Stufe unter mesophilen Bedingungen und die nachgeordneten Stufen, insbesondere die Methanogenese, bei thermophilen Bedingungen. Geeignete Bedingungen hierfür sind aus dem Stand der Technik bekannt (z.B. DE 10 2005 012367 A1 ).The constant mixing of the fermentation substrate also leads to a uniform heat distribution in the fermentation reactor. Measurements of the temperature in the fermentation reactor, which were carried out at periodic intervals, but also continuously, showed that the fermentation substrate in a temperature range of 20 0 C to 80 0 C, preferably at about 35 0 C to 60 0 C, particularly preferably at 40 0 C is fermented efficiently to 50 0 C. These temperature ranges are therefore preferred in the context of the present invention. In addition to the hydrolysis, in particular the last stage of the fermentation process, namely the formation of methane by methanogenic microorganisms, particularly efficient at elevated temperatures. For multi-stage biogas plants, it is also useful to operate the different reactors at different temperatures, eg the first stage under mesophilic conditions and the downstream stages, especially methanogenesis, under thermophilic conditions. Suitable conditions for this are known from the prior art (eg DE 10 2005 012367 A1).
Sämtliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf einstufige Verfahren zur Herstellung von Biogas beschränkt. Der Einsatz von Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans kann auch in zwei- oder mehrstufigen Verfahren erfolgen. Ebenso können Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans in Verfahren zur Erzeugung von flüssigen Biokraftstoffen eingesetzt werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden Gärsubstrat und ein Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans kontinuierlich zugegeben. Der kontinuierliche Betrieb eines Fermentationsreaktors soll bei einer stabilen mikrobiellen Biozönose zu einer kontinuierlichen Produktion von Biogas führen, wobei das Aussetzen der Substratzugabe zur Fermentation infolge einer Prozessstörung vermindert werden soll.All embodiments of the present invention are not limited to one-step processes for the production of biogas. The use of microorganisms of the species Paenibacillus macerans can also be carried out in two or more stages. Likewise, microorganisms of the species Paenibacillus macerans can be used in processes for the production of liquid biofuels. According to another embodiment, fermentation substrate and a microorganism of the species Paenibacillus macerans are added continuously. The continuous operation of a fermentation reactor should result in a stable microbial biocenosis to a continuous production of biogas, the exposure of the substrate addition to the fermentation should be reduced as a result of a process disturbance.
Ebenfalls ist die Ausführung dieses Fermentationsverfahrens und der damit zusammenhängenden Prozesse auch in einem diskontinuierlichen Betrieb, beispielsweise „Batch"-Fermentierung denkbar. So kann dem Gärsubstrat gemäß einer weiteren Ausführungsform während der Fermentierung der Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans beispielsweise in regelmäßigen Abständen zugegeben werden. Die Zugabe des Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans in regelmäßigen Abständen führt zu einer Steigerung der Lebendzellzahl und somit zu einem verbesserten Ablauf der fermentativen Prozesse, beispielsweise der Hydrolyse bei einer gleichzeitig verbesserten Ausnutzung des Gärsubstrats für die Fermentierung.It is also conceivable to carry out this fermentation process and the processes associated therewith in a discontinuous operation, for example "batch" fermentation, For example, according to a further embodiment, during the fermentation, the microorganism of the species Paenibacillus macerans may be added at regular intervals to the fermentation substrate Addition of the microorganism of the species Paenibacillus macerans at regular intervals leads to an increase in the Lebendzellzahl and thus to an improved sequence of fermentative processes, such as hydrolysis with a simultaneous improved utilization of the fermentation substrate for fermentation.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans in einer Menge zu demAccording to a preferred embodiment of the present invention, the microorganism of the species Paenibacillus macerans is added in an amount to the
Gärsubstrat zugegeben, so dass nach Zugabe der Anteil des Mikroorganismus derFermentation substrate added so that after addition of the proportion of the microorganism of
Art Paenibacillus macerans zwischen 10"8 % und 50 % der Gesamtzahl an in demSpecies Paenibacillus macerans between 10 "8 % and 50% of the total in the
Gärsubstrat anwesenden Mikroorganismen ausmacht. Insbesondere inFermentation substrate present microorganisms. In particular in
Abhängigkeit von der Fermentergröße und damit in Abhängigkeit von der Menge an Gärsubstrat kann zur Erzielung der gewünschten Wirkung eine Zugabe von sehr stark unterschiedlichen Mengen an Mikroorganismen notwendig werden.Depending on the fermenter size and thus depending on the amount of fermentation substrate can be necessary to achieve the desired effect, an addition of very different amounts of microorganisms.
Sowohl die Bestimmung der Gesamtzahl von Mikroorganismen in dem Gärsubstrat wie auch die Bestimmung der Anteile verschiedener Arten von Mikroorganismen im Gärsubstrat stellt für den Fachmann kein Problem dar. So kann beispielsweise mit Hilfe von Fluoreszenz-markierten Oligosonden spezifisch der Anteil verschiedener Mikroorganismen in dem Gärsubstrat nach dem weiter oben beschriebenen Verfahren identifiziert werden Besonders bevorzugt wird ein Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans in einer Menge zu dem Gärsubstrat zugegeben, dass nach Zugabe der Anteil des Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zwischen 10"6 % und 25 % der Gesamtzahl an in dem Gärsubstrat anwesenden Mikroorganismen ausmacht. Insbesondere bevorzugt wird der Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans in einer Menge zu dem Gärsubstrat zugegeben, dass nach Zugabe der Anteil des Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zwischen 10"4 % und 10 % der Gesamtzahl an in dem Gärsubstrat anwesenden Mikroorganismen ausmacht. Ganz besonders bevorzugt wird der Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans in einer Menge zu dem Gärsubstrat zugegeben, dass nach Zugabe der Anteil des Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zwischen 10"3 % und 1 % der Gesamtzahl an in dem Gärsubstrat anwesenden Mikroorganismen ausmacht.Both the determination of the total number of microorganisms in the fermentation substrate as well as the determination of the proportions of different types of microorganisms in the fermentation substrate is not a problem for the expert. For example, with the help of fluorescence-labeled oligosensors specifically the proportion of different microorganisms in the fermentation substrate after the identified above A microorganism of the species Paenibacillus macerans is particularly preferably added in an amount to the fermentation substrate that makes up after addition of the content of the microorganism of the species Paenibacillus macerans between 10 "6% and 25% of the total number of present in the fermentation substrate microorganisms. Especially preferred is the microorganism of the species Paenibacillus macerans is added in an amount to the fermentation substrate that makes up after addition of the content of the microorganism of the species Paenibacillus macerans between 10 "4% and 10% of the total number present in the fermentation substrate microorganisms. Most preferably, the microorganism of the species Paenibacillus macerans is added to the fermentation substrate in an amount such that, after addition, the proportion of the microorganism of the species Paenibacillus macerans is between 10 -3 % and 1% of the total number of microorganisms present in the fermentation substrate.
Grundsätzlich kann der Zusatz von Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans zu jedem beliebigen Zeitpunkt des Fermentationsprozesses erfolgen kann, insbesondere können Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans auch zum Animpfen von Gärsubstrat bei der erstmaligen Inbetriebnahme oder einer Wiederinbetriebnahme eines Fermenters verwendet werden. Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans können in Form einer Kultur einmalig oder mehrmalig in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen, bevorzugt jedoch wöchentlich oder monatlich, besonders bevorzugt täglich oder zweimal bis fünf mal pro Woche in einer geeigneten Konzentration und Menge zugegeben werden. Geeignete Konzentrationen an Mikroorganismen und zugegebenen Mengen wurden bereits genannt bzw. werden in den Ausführungsbeispielen beschrieben.In principle, the addition of microorganisms of the species Paenibacillus macerans can be carried out at any point in the fermentation process; in particular, microorganisms of the species Paenibacillus macerans can also be used to inoculate fermentation substrate upon first use or restart of a fermenter. Microorganisms of the species Paenibacillus macerans may be added in the form of a culture once or several times at regular or irregular intervals, but preferably weekly or monthly, more preferably daily or twice to five times per week in an appropriate concentration and amount. Suitable concentrations of microorganisms and added amounts have already been mentioned or are described in the working examples.
Ebenso ist es möglich Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans bei Störungen des Fermentationsprozesses zur Stabilisierung der Fermentation zuzugeben. Solche Störungen können durch Überwachung bestimmter charakteristischer Parameter der Fermentierung frühzeitig erkannt werden. Charakteristische Parameter geben Auskunft über die Qualität eines ablaufenden Fermentierungsprozesses zur Herstellung von Biogas. Solche charakteristischen Parameter sind nicht nur die Menge an erzeugtem Biogas und der Methangehalt des erzeugten Biogases sondern beispielsweise auch der Wasserstoffgehalt des erzeugten Biogases, der pH-Wert des Gärsubstrats, das Redoxpotential des Gärsubstrats, der Carbonsäuregehalt des Gärsubstrats, die Anteile verschiedener Carbonsäuren im Gärsubstrat, der Wasserstoffgehalt des Gärsubstrats, der Anteil der Trockensubstanz am Gärsubstrat, der Anteil der organischen Trockensubstanz am Gärsubstrat, die Viskosität des Gärsubstrats und die Raumbelastung des Fermentierungsreaktors.It is also possible to add microorganisms of the species Paenibacillus macerans in case of disturbances in the fermentation process to stabilize the fermentation. Such disorders can be detected early by monitoring certain characteristic parameters of the fermentation. Characteristic parameters provide information about the quality of an ongoing fermentation process for the production of biogas. Such characteristic parameters are not only the amount of biogas produced and the methane content of the biogas produced but also, for example, the hydrogen content of the biogas produced, the pH of the fermentation substrate, the redox potential of the Fermentation substrate, the carboxylic acid content of the fermentation substrate, the proportions of various carboxylic acids in the fermentation substrate, the hydrogen content of the fermentation substrate, the proportion of dry matter in the fermentation substrate, the proportion of organic dry matter in the fermentation substrate, the viscosity of the fermentation substrate and the volume loading of the fermentation.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch die Verwendung eines Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zur Behandlung von Biomasse.The present invention also encompasses the use of a microorganism of the species Paenibacillus macerans for the treatment of biomass.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch die Verwendung eines Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zur Verflüssigung von Biomasse.The present invention also includes the use of a microorganism of the species Paenibacillus macerans for the liquefaction of biomass.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch die Verwendung eines Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse.The present invention also encompasses the use of a microorganism of the species Paenibacillus macerans for the fermentative production of biogas from biomass.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch die Verwendung der durch eines der beschriebenen Verfahren erhaltenen verflüssigten Biomasse zur Herstellung von Biokraftstoff. Bevorzugt wird die durch eines der beschriebenen Verfahren erhaltene verflüssigte Biomasse zur Herstellung von Bioethanol eingesetzt.The present invention also encompasses the use of the liquefied biomass for biofuel production obtained by one of the described processes. The liquefied biomass obtained by one of the processes described is preferably used for the production of bioethanol.
Ebenso umfasst die vorliegende Erfindung den Stamm des Mikroorganismus Paenibacillus macerans SBG2 , wie er unter der Nr. DSM 22569 hinterlegt ist. Der Mikroorganismus Paenibacillus macerans SBG2 wurde in einer Reinkultur bei der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH in Braunschweig gemäß dem Budapester Vertrag hinterlegt. Die Bezeichnung lautet: Paenibacillus macerans SBG2 mit der Hinterlegungsnummer DSM 22569.Likewise, the present invention comprises the strain of the microorganism Paenibacillus macerans SBG2, as deposited under No. DSM 22569. The microorganism Paenibacillus macerans SBG2 was deposited in a pure culture at the German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH in Braunschweig under the Budapest Treaty. The name is Paenibacillus macerans SBG2 with the accession number DSM 22569.
Ebenso umfasst die vorliegende Erfindung den Stamm des Mikroorganismus Clostridium sartagoformum SBGIa, wie er unter der Nr. DSM 22578 hinterlegt ist. Der Mikroorganismus Clostridium sartagoformum SBGIa wurde in einer Reinkultur bei der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH in Braunschweig gemäß dem Budapester Vertrag hinterlegt. Die Bezeichnung lautet: Clostridium sartagoformum SBGIa mit der Hinterlegungsnummer DSM 22578. Bakterien der Art Paenibacillus macerans können mit Hilfe von dem Fachmann bekannten Methoden aus dem Gärsubstrat oder Gärrest eines Fermenters isoliert werden. Dabei wird ein geeignetes Substrat aus einem Fermenter in ein Selektionsmedium eingebracht, über längere Zeit kultiviert und schließlich einzelne Kolonien von Mikroorganismen aus dem Selektionsmedium isoliert. Nach Vervielfältigung der daraus erhaltenen mikrobiellen DNA mittels PCR können auf der Basis der DNA Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans ausgewählt werden.Likewise, the present invention comprises the strain of the microorganism Clostridium sartagoformum SBGIa, as deposited under No. DSM 22578. The microorganism Clostridium sartagoformum SBGIa was deposited in a pure culture at the German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH in Braunschweig under the Budapest Treaty. The name is Clostridium sartagoformum SBGIa with the accession number DSM 22578. Bacteria of the species Paenibacillus macerans can be isolated from the fermentation substrate or fermentation residue of a fermenter with the aid of methods known to those skilled in the art. In this case, a suitable substrate is introduced from a fermenter into a selection medium, cultured for a long time and finally isolated individual colonies of microorganisms from the selection medium. After amplification of the microbial DNA obtained therefrom by PCR, microorganisms of the species Paenibacillus macerans can be selected on the basis of the DNA.
Bakterien Paenibacillus macerans SBG2 wurden aus dem Gärsubstrat eines Nachgärers isoliert. Dazu wurde durch ein flüssiges Selektionsmedium Stickstoff und Kohlendioxid durchgeleitet, anschließend Na2S zu dem Selektionsmedium zugegeben und autoklaviert (20 Min. bei 1210C). Dann wurde die aus dem Nachgärer gewonnene Biomasse in das Selektionsmedium eingebracht und für zumindest eine Woche bei einer Temperatur von mindestes 30 0C kultiviert. Eine aus dem flüssigen Selektionsmedium gewonnene Probe wurde auf ein festes Selektionsmedium aufgebracht und nachfolgend die auf dem festen Selektionsmedium gewachsenen Kolonien von Mikororganismen ausgewählt. Nach Vervielfältigung der erhaltenen mikrobiellen DNA mittels PCR konnte ein Vergleich mit bekannten DNA-Sequenzen durchgeführt werden.Bacteria Paenibacillus macerans SBG2 were isolated from the fermentation substrate of a post-fermenter. For this purpose, nitrogen and carbon dioxide were passed through a liquid selection medium, then Na 2 S was added to the selection medium and autoclaved (20 min. At 121 0 C). Then, the biomass obtained from the secondary digester was introduced into the selection medium and cultured for at least one week at a temperature status of at least 30 0 C. A sample obtained from the liquid selection medium was applied to a solid selection medium and subsequently the colonies of microorganisms grown on the solid selection medium were selected. After amplification of the obtained microbial DNA by PCR, a comparison with known DNA sequences could be performed.
Nachdem die Bakterien Paenibacillus macerans SBG2 erfolgreich aus dem Gärsubstrat des Nachgärers isoliert worden waren, wurden diese Mikroorganismen einer Sequenzanalyse unterzogen. Es wurde eine Teilsequenz der 16S rRNA bestimmt, die dann in die entsprechende DNA-Sequenz transformiert wurde. Die DNA- Sequenz SEQ ID Nr. 1 umfasst 1476 Nukleotide. Als nächster Verwandter wurde der Mikroorganismus Paenibacillus sp. H10-05 identifiziert (1503 Nukleotide), der aus verschiedenen Habitaten in Korea isoliert wurde (Genbank Identifikationsnummer AM162315). Ein Vergleich der Sequenzen ergibt, dass im Vergleich zur SEQ ID Nr. 1 bei dem Mikroorganismus Paenibacillus sp. H10-05 insgesamt 35 Austausche von Nukleotiden oder Lücken vorliegen. Bei einer Länge der Sequenz von Paenibacillus macerans SBG2 von 1476 Nukleotiden errechnet sich eine Identität von 97,63 %. Die vorliegende Erfindung umfasst auch Mikroorganismen mit einer Nukleinsäure, die eine Nukleotidsequenz aufweist, die einen Sequenzbereich enthält, der mehr als 97,63 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist. Besonders bevorzugt enthält die Nukleotidsequenz einen Sequenzbereich, der mehr als 97,64 % oder mehr als 97,66 % oder mehr als 97,68 % oder mehr als 97,70 % oder mehr als 97,75 % oder mehr als 97,80 % oder mehr als 97,90 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist.After the bacteria Paenibacillus macerans SBG2 had been successfully isolated from the fermentation substrate of the postgrader, these microorganisms were subjected to sequence analysis. A partial sequence of the 16S rRNA was determined, which was then transformed into the corresponding DNA sequence. The DNA sequence SEQ ID NO: 1 comprises 1476 nucleotides. The next relative was the microorganism Paenibacillus sp. H10-05 identified (1503 nucleotides) isolated from various habitats in Korea (Genbank Identification Number AM162315). A comparison of the sequences shows that in comparison to SEQ ID No. 1 in the microorganism Paenibacillus sp. H10-05 contains a total of 35 nucleotide or gap replacements. With a length of the sequence of Paenibacillus macerans SBG2 of 1476 nucleotides, an identity of 97.63% is calculated. The present invention also includes microorganisms having a nucleic acid having a nucleotide sequence containing a sequence region having more than 97.63% sequence identity with the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1. More preferably, the nucleotide sequence contains a sequence range greater than 97.64% or greater than 97.66% or greater than 97.68% or greater than 97.70% or greater than 97.75% or greater than 97.80%. or more than 97.90% sequence identity with the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1.
Besonders bevorzugt enthält die Nukleotidsequenz einen Sequenzbereich, der mehr als 98,0 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist. Insbesondere bevorzugt enthält die Nukleotidsequenz einen Sequenzbereich, der mehr als 98,1 % oder mehr als 98,2 % oder mehr als 98,3 % oder mehr als 98,4 % oder mehr als 98,5 % oder mehr als 98,6 % oder mehr als 98,7 % oder mehr als 98,8 % oder mehr als 98,9 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist und insbesondere bevorzugt enthält die Nukleotidsequenz einen Sequenzbereich, der mehr als 99 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist.Particularly preferably, the nucleotide sequence contains a sequence region which has more than 98.0% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID No. 1. More preferably, the nucleotide sequence contains a sequence range greater than 98.1% or greater than 98.2% or greater than 98.3% or greater than 98.4% or greater than 98.5% or greater than 98.6%. or more than 98.7% or greater than 98.8% or greater than 98.9% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID NO: 1, and more preferably the nucleotide sequence contains a sequence region having greater than 99% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID No. 1.
Gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen weist der Mikroorganismus eine Nukleotidsequenz auf, die einen Sequenzbereich enthält, der mehr als 99,5 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist und besonders bevorzugt enthält die Nukleotidsequenz einen Sequenzbereich, der mehr als 99,8 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist.According to further preferred embodiments, the microorganism has a nucleotide sequence containing a sequence region having more than 99.5% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID NO: 1, and more preferably the nucleotide sequence contains a sequence region having greater than 99.8% sequence identity having the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1.
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform enthält die Nukleotidsequenz einen Sequenzbereich, der der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 entspricht.According to a very particularly preferred embodiment, the nucleotide sequence contains a sequence region which corresponds to the nucleotide sequence SEQ ID No. 1.
In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können gegenüber der Ausgangsnukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 an einer Position oder an zwei Positionen oder an drei Positionen oder an vier Positionen oder an fünf Positionen oder an sechs Positionen oder an sieben Positionen oder an acht Positionen oder an neun Positionen oder an zehn Positionen oder an elf Positionen oder an zwölf Positionen oder an 13 Positionen oder an 14 Positionen oder an 15 Positionen oder an 16 Positionen oder an 17 Positionen oder an 18 Positionen oder an 19 Positionen oder an 20 Positionen oder an 21 Positionen oder an 22 Positionen oder an 23 Positionen oder an 24 Positionen oder an 25 Positionen oder an 26 Positionen oder an 27 Positionen oder an 28 Positionen oder an 29 Positionen oder an 30 Positionen oder an 31 Positionen oder an 32 Positionen oder an 33 Positionen oder an 34 Positionen oder an 35 Positionen Nukleotidmutationen vorliegen. Die Bedeutung des Begriffs „Nukleotidmutation" ist im Abschnitt „Definitionen" des vorliegenden Textes erläutert.In preferred embodiments of the present invention, SEQ ID NO: 1 may be compared to the starting nucleotide sequence at one or two positions or at three positions or at four positions or at five positions or at six positions or at seven positions or at eight positions or at nine positions or ten positions or eleven positions or twelve Positions or 13 positions or 14 positions or 15 positions or 16 positions or 17 positions or 18 positions or 19 positions or 20 positions or 21 positions or 22 positions or 23 positions or 24 positions or at 25 positions or at 26 positions or at 27 positions or at 28 positions or at 29 positions or at 30 positions or at 31 positions or at 32 positions or at 33 positions or at 34 positions or at 35 positions nucleotide mutations. The meaning of the term "nucleotide mutation" is explained in the "Definitions" section of the present text.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Kultur von Mikroorganismen geeignet zum Einsatz in einem Verfahren zur Behandlung von Biomasse, insbesondere einem Verfahren zur Verflüssigung von Biomasse und/oder einem Verfahren zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse, wobei in der Kultur von Mikroorganismen ein Mikroorganismus anwesend ist, der eine Nukleotidsequenz aufweist, die einen Sequenzbereich enthält, der zumindest 97,63 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist, wobei der Mikroorganismus zumindest 10"4 % der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht.The present invention also encompasses a culture of microorganisms suitable for use in a process for treating biomass, in particular a process for liquefying biomass and / or a process for the fermentative production of biogas from biomass, wherein a microorganism is present in the culture of microorganisms which has a nucleotide sequence containing a sequence region having at least 97.63% sequence identity with the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1, wherein the microorganism constitutes at least 10 "4 % of the total number of microorganisms present in the culture.
Bevorzugt ist in der zum Einsatz in einem Verfahren zur Behandlung von Biomasse, insbesondere einem Verfahren zur Verflüssigung von Biomasse und/oder einem Verfahren zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse geeigneten Kultur von Mikroorganismen ein Mikroorganismus anwesend, der eine Nukleotidsequenz mit einem Sequenzbereich besitzt, der mehr als 97,64 % oder mehr als 97,66 % oder mehr als 97,68 % oder mehr als 97,70 % oder mehr als 97,75 % oder mehr als 97,80 % oder mehr als 97,90 % oder mehr als 98,0 % oder mehr als 98,1 % oder mehr als 98,2 % oder mehr als 98,3 % oder mehr als 98,4 % oder mehr als 98,5 % oder mehr als 98,6 % oder mehr als 98,7 % oder mehr als 98,8 % oder mehr als 98,9 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist. Insbesondere bevorzugt enthält die Nukleotidsequenz einen Sequenzbereich, der mehr als 99 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist. Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist in der zum Einsatz in einem Verfahren zur Behandlung von Biomasse, insbesondere einem Verfahren zur Verflüssigung von Biomasse und/oder einem Verfahren zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse geeigneten Kultur von Mikroorganismen ein Mikroorganismus anwesend, der eine Nukleotidsequenz mit einem Sequenzbereich besitzt, der mehr als 99,5 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist. Ganz besonders bevorzugt enthält die Nukleotidsequenz einen Sequenzbereich, der mehr als 99,8 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist.Preference is given in the suitable for use in a method for the treatment of biomass, in particular a method for liquefying biomass and / or a method for fermentative production of biogas from biomass culture of microorganisms present a microorganism having a nucleotide sequence with a sequence region, the more than 97.64% or more than 97.66% or more than 97.68% or more than 97.70% or more than 97.75% or more than 97.80% or more than 97.90% or more as 98.0% or more than 98.1% or more than 98.2% or more than 98.3% or more than 98.4% or more than 98.5% or more than 98.6% or more 98.7% or greater than 98.8% or greater than 98.9% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID NO: 1. Particularly preferably, the nucleotide sequence contains a sequence region which has more than 99% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID No. 1. According to further preferred embodiments, in the culture of microorganisms suitable for use in a process for the treatment of biomass, in particular a process for the liquefaction of biomass and / or a process for the fermentative production of biogas from biomass, a microorganism is present which has a nucleotide sequence with a sequence region which has more than 99.5% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID NO: 1. Most preferably, the nucleotide sequence contains a sequence region which has more than 99.8% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID No. 1.
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist in der zum Einsatz in einem Verfahren zur Behandlung von Biomasse, insbesondere einem Verfahren zur Verflüssigung von Biomasse und/oder einem Verfahren zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse geeigneten Kultur von Mikroorganismen ein Mikroorganismus anwesend, der eine Nukleotidsequenz aufweist, die einen Sequenzbereich enthält, der der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 entspricht.According to a very particularly preferred embodiment, a microorganism which has a nucleotide sequence is present in the culture of microorganisms suitable for use in a process for the treatment of biomass, in particular a process for liquefying biomass and / or a process for the fermentative production of biogas from biomass containing a sequence region corresponding to the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1.
Gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsformen macht der Mikroorganismus Paenibacillus macerans zumindest 10"2 %, bevorzugt zumindest 1 % der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen aus. Besonders bevorzugt macht der Mikroorganismus Paenibacillus macerans zumindest 10 %, insbesondere bevorzugt zumindest 25 % der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht.According to further preferred embodiments, the microorganism Paenibacillus macerans accounts for at least 10.sup.- 2 %, preferably at least 1% of the total number of microorganisms present in the culture.Preferably, the microorganism Paenibacillus macerans makes at least 10%, more preferably at least 25% of the total number in the Culture of existing microorganisms.
Ganz besonders bevorzugt macht der Mikroorganismus Paenibacillus macerans zumindest 50 %, insbesondere zumindest 90 % der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen aus. Besonders bevorzugt handelt es sich um eine Reinkultur von Mikroorganismen geeignet zum Einsatz in einem Verfahren zur Behandlung von Biomasse, insbesondere einem Verfahren zur Verflüssigung von Biomasse und/oder einem Verfahren zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse, wobei es sich um eine Reinkultur des Mikroorganismus Paenibacillus macerans SBG2 wie er oben in Bezug auf seine Nukleotidsequenz charakterisiert wurde, handelt. Besonders bevorzugt handelt es sich in den oben beschriebenen Fällen um eine immobilisierte Kultur von Mikroorganismen.Most preferably, the microorganism Paenibacillus macerans accounts for at least 50%, in particular at least 90%, of the total number of microorganisms present in the culture. Particularly preferably it is a pure culture of microorganisms suitable for use in a method for the treatment of biomass, in particular a method for liquefying biomass and / or a method for fermentative production of biogas from biomass, which is a pure culture of the microorganism Paenibacillus macerans SBG2 as characterized above with respect to its nucleotide sequence. Most preferably, in the cases described above, it is an immobilized culture of microorganisms.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine immobilisierte Kultur von Mikroorganismen geeignet zum Einsatz in einem Verfahren zur Behandlung vonThe present invention also encompasses an immobilized culture of microorganisms suitable for use in a method for the treatment of
Biomasse, insbesondere einem Verfahren zur Verflüssigung von Biomasse und/oder einem Verfahren zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse, wobei in der immobilisierten Kultur von Mikroorganismen ein Mikroorganismus anwesend ist, der eine Nukleotidsequenz aufweist, die einen Sequenzbereich enthält, der zumindest 97,63 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ IDBiomass, in particular a process for the liquefaction of biomass and / or a process for the fermentative production of biogas from biomass, wherein in the immobilized culture of microorganisms a microorganism is present which has a nucleotide sequence containing a sequence region containing at least 97.63% Sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID
Nr. 1 aufweist.No. 1 has.
Bevorzugt ist in der zum Einsatz in einem Verfahren zur Behandlung von Biomasse, insbesondere einem Verfahren zur Verflüssigung von Biomasse und/oder einem Verfahren zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse geeigneten immobilisierten Kultur von Mikroorganismen ein Mikroorganismus anwesend, der eine Nukleotidsequenz mit einem Sequenzbereich besitzt, der mehr als als 97,64 % oder mehr als 97,66 % oder mehr als 97,68 % oder mehr als 97,70 % oder mehr als 97,75 % oder mehr als 97,80 % oder mehr als 97,90 % oder mehr als 98,0 % oder mehr als 98,1 % oder mehr als 98,2 % oder mehr als 98,3 % oder mehr als 98,4 % oder mehr als 98,5 % oder mehr als 98,6 % oder mehr als 98,7 % oder mehr als 98,8 % oder mehr als 98,9 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist. Insbesondere bevorzugt enthält die Nukleotidsequenz einen Sequenzbereich, der mehr als 99,0 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist.Preferably, in the method for the treatment of biomass, in particular a method for liquefying biomass and / or a method for the fermentative production of biogas from biomass suitable immobilized culture of microorganisms present a microorganism having a nucleotide sequence with a sequence region, more than 97.64% or more than 97.66% or more than 97.68% or more than 97.70% or more than 97.75% or more than 97.80% or more than 97.90% or more than 98.0% or more than 98.1% or more than 98.2% or more than 98.3% or more than 98.4% or more than 98.5% or more than 98.6% or greater than 98.7% or greater than 98.8% or greater than 98.9% sequence identity to the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1. Particularly preferably, the nucleotide sequence contains a sequence region which has more than 99.0% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID No. 1.
Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist in der zum Einsatz in einem Verfahren zur Behandlung von Biomasse, insbesondere einem Verfahren zur Verflüssigung von Biomasse und/oder einem Verfahren zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse geeigneten immobilisierten Kultur von Mikroorganismen ein Mikroorganismus anwesend, der eine Nukleotidsequenz die einen Sequenzbereich besitzt, der mehr als 99,5 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist. Ganz besonders bevorzugt enthält die Nukleotidsequenz einen Sequenzbereich, der mehr als 99,8 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist.According to further preferred embodiments, a microorganism which contains a nucleotide sequence is present in the immobilized culture of microorganisms suitable for use in a process for the treatment of biomass, in particular a process for the liquefaction of biomass and / or a process for the fermentative production of biogas from biomass Has sequence region having more than 99.5% sequence identity with the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1. Very particularly preferably contains the Nucleotide sequence has a sequence region which has more than 99.8% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID No. 1.
Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist in der zum Einsatz in einem Verfahren zur Behandlung von Biomasse, insbesondere einem Verfahren zur Verflüssigung von Biomasse und/oder einem Verfahren zur fermentativenAccording to a very particularly preferred embodiment, the invention is for use in a method for the treatment of biomass, in particular a method for liquefying biomass and / or a method for fermentative
Erzeugung von Biogas aus Biomasse geeigneten immobilisierten Kultur vonProduction of biogas from biomass suitable immobilized culture of
Mikroorganismen ein Mikroorganismus anwesend, der eine Nukleotidsequenz aufweist, die einen Sequenzbereich enthält, der der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 entspricht.Microorganisms include a microorganism having a nucleotide sequence containing a sequence region corresponding to the nucleotide sequence of SEQ ID NO: 1.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem die Verwendung von Mikroorganismen wie sie oben mit Bezug auf ihre Nukleotidsequenz charakterisiert wurden in einem Verfahren zur Behandlung von Biomasse. Bevorzugt werden diese Mikroorganismen in einem der oben näher erläuterten Verfahren zur Behandlung von Biomasse verwendet.The present invention also encompasses the use of microorganisms as characterized above with respect to their nucleotide sequence in a method of treating biomass. These microorganisms are preferably used in one of the methods for the treatment of biomass explained in greater detail above.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem die Verwendung von Mikroorganismen wie sie oben mit Bezug auf ihre Nukleotidsequenz charakterisiert wurden in einem Verfahren zur Verflüssigung von Biomasse. Bevorzugt werden diese Mikroorganismen in einem der oben näher erläuterten Verfahren zur Verflüssigung von Biomasse verwendet.The present invention also encompasses the use of microorganisms as characterized above with respect to their nucleotide sequence in a process for liquefying biomass. These microorganisms are preferably used in one of the above-explained methods for liquefying biomass.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem die Verwendung von Mikroorganismen wie sie oben mit Bezug auf ihre Nukleotidsequenz charakterisiert wurden in einem Verfahren zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse. Bevorzugt werden diese Mikroorganismen in einem der oben näher erläuterten Verfahren zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse verwendet.The present invention also encompasses the use of microorganisms as characterized above with respect to their nucleotide sequence in a process for the fermentative production of biogas from biomass. These microorganisms are preferably used in one of the methods explained in more detail above for the fermentative production of biogas from biomass.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem die Verwendung einer Kultur von Mikroorganismen wie sie oben mit Bezug auf ihre Nukleotidsequenz charakterisiert wurden in einem Verfahren zur Behandlung von Biomasse. Bevorzugt werden diese Kulturen von Mikroorganismen in einem der oben näher erläuterten Verfahren zur Behandlung von Biomasse verwendet. Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem die Verwendung einer Kultur von Mikroorganismen wie sie oben mit Bezug auf ihre Nukleotidsequenz charakterisiert wurden in einem Verfahren zur Verflüssigung von Biomasse. Bevorzugt werden diese Kulturen von Mikroorganismen in einem der oben näher erläuterten Verfahren zur Verflüssigung von Biomasse verwendet.The present invention also encompasses the use of a culture of microorganisms as characterized above with respect to their nucleotide sequence in a method of treating biomass. These cultures of microorganisms are preferably used in one of the methods for the treatment of biomass explained in more detail above. The present invention also encompasses the use of a culture of microorganisms as characterized above with respect to their nucleotide sequence in a process for liquefying biomass. These cultures of microorganisms are preferably used in one of the above-explained methods for liquefying biomass.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem die Verwendung einer Kultur von Mikroorganismen wie sie oben mit Bezug auf ihre Nukleotidsequenz charakterisiert wurden in einem Verfahren zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse. Bevorzugt werden diese Kulturen von Mikroorganismen in einem der oben näher erläuterten Verfahren zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse verwendet.The present invention also encompasses the use of a culture of microorganisms as characterized above with respect to their nucleotide sequence in a process for the fermentative production of biogas from biomass. These cultures of microorganisms are preferably used in one of the methods explained in more detail above for the fermentative production of biogas from biomass.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Zur Illustration der Erfindung und zur Verdeutlichung ihrer Vorzüge werden nachfolgend Ausführungsbeispiele angegeben. Die Ausführungsbeispiele sollen im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 3 näher erläutert werden. Es versteht sich von selbst, dass die im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen gemachten Angaben die Erfindung nicht beschränken sollen. Es zeigen:To illustrate the invention and to illustrate its advantages, embodiments are given below. The exemplary embodiments will be explained in more detail in connection with FIGS. 1 to 3. It goes without saying that the statements made in connection with the exemplary embodiments are not intended to limit the invention. Show it:
Fig. 1 Einen Substratfließtest zur Untersuchung des Ausmaßes der Verflüssigung von Gärsubstrat;Fig. 1 shows a substrate flow test for investigating the degree of liquefaction of fermentation substrate;
Fig. 2 Messergebnisse einer Fermentierung: Aufgetragen ist der Gasertrag als Raumzeitausbeute (N l/l) und die Raumbelastung des Fermenters gegen die Zeit;Fig. 2 Results of a fermentation: Plotted is the gas yield as space-time yield (N l / l) and the space load of the fermenter against time;
Fig. 3 Messergebnisse einer weiteren Fermentierung: Aufgetragen ist der Gasertrag als Raumzeitausbeute (Nl/I) und die spezifische Gasausbeute (Nm3A) des Fermenters gegen die Zeit; Wege zur Ausführung der ErfindungFig. 3 results of a further fermentation: Plotted is the gas yield as space-time yield (Nl / I) and the specific gas yield (Nm 3 A) of the fermenter against time; Ways to carry out the invention
Bakterien Paenibacillus macerans SBG2 wurden erfolgreich aus dem Gärsubstrat eines Nachgärers isoliert. Die Hinterlegung des Organismus erfolgte in einer Reinkultur bei der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH (DSMZ) gemäß dem Budapester Vertrag (Paenibacillus macerans SBG2 mit der Hinterlegungsnummer DSM 22569).Bacteria Paenibacillus macerans SBG2 were successfully isolated from the fermentation substrate of a post-fermenter. The deposit of the organism was carried out in a pure culture at the German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH (DSMZ) according to the Budapest Treaty (Paenibacillus macerans SBG2 with the accession number DSM 22569).
Bakterien Clostridium sartagoformum SBGIa wurden ebenfalls erfolgreich aus dem Gärsubstrat eines Nachgärers isoliert. Die Hinterlegung des Organismus erfolgte in einer Reinkultur bei der Deutschen Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen GmbH (DSMZ) gemäß dem Budapester Vertrag (Clostridium sartagoformum SBGIa mit der Hinterlegungsnummer DSM 22578).Bacteria Clostridium sartagoformum SBGIa were also successfully isolated from the fermentation substrate of a post-fermenter. The deposit of the organism was carried out in a pure culture at the German Collection of Microorganisms and Cell Cultures GmbH (DSMZ) according to the Budapest Treaty (Clostridium sartagoformum SBGIa with the accession number DSM 22578).
Wie den folgenden Ausführungsbeispielen zu entnehmen ist, weisen Bakterien des Stammes Clostridium sartagoformum SBGIa sowohl in Mischkultur als auch in Reinkultur erfindungsgemäße Eigenschaften ähnlich denen zu Bakterien des Stammes Paenibacillus macerans SBG2 auf, wie z.B. eine Erhöhung der Raumbelastung, eine Erhöhung der Gasausbeute und eine Stabilisierung des Biogasprozesses sowie die Fähigkeit zur Verflüssigung von Biomasse.As can be seen in the following examples, bacteria of the strain Clostridium sartagoformum SBGIa both in mixed culture and in pure culture properties according to the invention similar to those to bacteria of the strain Paenibacillus macerans SBG2, such. an increase in the volume of space, an increase in gas yield and a stabilization of the biogas process as well as the ability to liquefy biomass.
Sofern nachfolgend nicht anders angegeben, wurden molekularbiologische Standardmethoden verwendet, wie z.B. von Sambrook et al., 1989, Molecular cloning: A Laboratory Manual 2. Auflage, CoId Spring Harbor Laboratory Press, CoId Spring Harbor, New York, beschrieben.Unless otherwise stated below, standard molecular biology methods have been used, e.g. by Sambrook et al., 1989, Molecular cloning: A Laboratory Manual 2nd Edition, Col. Spring Harbor Laboratory Press, Col. Spring Harbor, New York.
Isolierung und Anreicherung der MikroorganismenIsolation and accumulation of microorganisms
Bakterien des Stammes Paenibacillus macerans SBG2 wurden erfolgreich aus dem Gärsubstrat eines Nachgärers isoliert. Die Isolierung der Mikroorganismen erfolgte mithilfe eines Selektionsmediums, das Carboxymethylcellulose (CMC) als einzige Kohlenstoffquelle enthielt. Carboxymethylcellulose besitzt sehr große Ähnlichkeit mit der in Gärsubstraten von Biogasanlagen enthaltenen Cellulose und weist zudem durch die Verknüpfung der Hydroxylgruppen mit Carboxymethylgruppen (-CH2- COOH-) eine verbesserte Löslichkeit in wässrigem Medium auf. Das zur Selektion von Paenibacillus macerans SBG2 eingesetzte Medium (DSMZ Medium 520 plus 1 % CMC und 0,2 % Hefeextrakt) wurde mit N2 begast, damit die Selektion unter anaeroben Bedingungen erfolgen konnte. Enthaltener Restsauerstoff wurde mit Hilfe von 0,5 g/l Na2S reduziert.Bacteria of the strain Paenibacillus macerans SBG2 were successfully isolated from the fermentation substrate of a post-fermenter. The microorganisms were isolated using a selection medium containing carboxymethylcellulose (CMC) as the sole carbon source. Carboxymethylcellulose is very similar to the cellulose contained in fermentation substrates of biogas plants and, moreover, has an improved solubility in an aqueous medium due to the linking of the hydroxyl groups with carboxymethyl groups (-CH 2 -COOH-). That for selection Medium used by Paenibacillus macerans SBG2 (DSMZ medium 520 plus 1% CMC and 0.2% yeast extract) was gassed with N 2 for selection to be made under anaerobic conditions. Contained residual oxygen was reduced by means of 0.5 g / l Na 2 S.
Das Selektionsmedium wurde anschließend mit dem Überstand von Material aus einem Nachgärer (1 :2000 verdünnt) beimpft. Nach einer einwöchigen Kultivierung bei 400C zeigten sich bei mikroskopischer Analyse einzelne Stäbchen. Eine weitere Selektion der Flüssigkulturen und eine Isolierung bis hin zu Reinkulturen erfolgte durch den Ausstrich auf anaeroben Carboxymethylcellulose-Platten.The selection medium was then inoculated with the supernatant of material from a post fermenter (diluted 1: 2000). After one week of cultivation at 40 ° C., single rods were observed under microscopic analysis. Further selection of liquid cultures and isolation to pure cultures was achieved by smearing on anaerobic carboxymethylcellulose plates.
Für größere Mengen an Bakterien des Stammes Paenibacillus macerans SBG2 (z.B. für die Zugabe in den Fermentertyp 3) erfolgte die Anzucht unter den angegebenen Bedingungen in einem 1 m3 Fermenter, der mit 100 ml Vorkultur beimpft wurde. Da das Wachstum mit einer Verdopplungszeit von etwa 2 h recht schnell erfolgt, erscheint Paenibacillus macerans SBG2 für eine biotechnologische Anwendung besonders geeignet. Kleinere Mengen an Bakterien (z.B. für die Zugabe in den Fermentertypen 1 , 2 und 4) wurden im 500 ml bis 1 I Maßstab kultiviert. Die Kultivierung für den Zusatz zu einem Fermentationsprozess erfolgte über einen Zeitraum von 1 bis 2 Tagen. Es wurden Zelldichten im Bereich von 108 bis 1010 Zellen pro ml Kulturmedium erreicht. Die Bakterienzellen wurden durch Zentrifugation geerntet und in einem möglichst geringen Volumen frischen Mediums aufgenommen bevor sie im Fermentationsprozess verwendet wurden. Zur Zwischenlagerung wurden die Zellen eingefroren.For larger amounts of bacteria of the strain Paenibacillus macerans SBG2 (eg for the addition in the fermenter type 3), the cultivation was carried out under the specified conditions in a 1 m 3 fermenter, which was inoculated with 100 ml preculture. Since growth is quite fast with a doubling time of about 2 h, Paenibacillus macerans SBG2 is particularly suitable for biotechnological application. Smaller amounts of bacteria (eg for addition to fermenter types 1, 2 and 4) were cultured in 500 ml to 1 l scale. Cultivation for the addition to a fermentation process took place over a period of 1 to 2 days. Cell densities in the range of 10 8 to 10 10 cells per ml of culture medium were achieved. The bacterial cells were harvested by centrifugation and taken in the smallest possible volume of fresh medium before they were used in the fermentation process. For interim storage, the cells were frozen.
Mikroorganismen der Arten Clostridium sartagoformum und Clostridium sporosphaeroides, z.B. für die Verwendung von Mischkulturen mit in etwa gleichen Anteilen an den 3 erwähnten Mikroorganismen konnten unter den gleichen Bedingungen kultiviert werden.Microorganisms of the species Clostridium sartagoformum and Clostridium sporosphaeroides, e.g. for the use of mixed cultures with approximately equal proportions of the 3 mentioned microorganisms could be cultured under the same conditions.
DNA-Isolierung und NukleotidsequenzbestimmunqDNA isolation and nucleotide sequence determination
Das Zellmaterial der gewachsenen vereinzelten Kolonien diente zur Vervielfältigung der mikrobiellen DNA mittels der Colony-PCR Methode nach einem Standard- Programm. Zur Bestimmung der 16S rRNA Sequenz wurde aus der Zeil-DNA über PCR das Gen für die 16S rRNA amplifiziert. Dafür wurden die Primer mit den Sequenzen GRGTTTGATCCTGGCTCAG und ACGGHTACCTTGTTACGACTT verwendet (angegeben in 5"→ 3"Richtung; H bedeutet C, T oder A). Die als PCR-Produkte erhaltenen DNA-Stücke wurden dann in einen Klonierungsvektor kloniert (Ligation mit dem QIAGEN PCR-Cloning-Kit der Firma QIAGEN/Hilden unter Verwendung des Vektors p-Drive), in E.coli transformiert (gemäß QIAGEN PCR-Cloning- Handbook) und mittels Colony-PCR untersucht. Die erhaltenen Colony-PCR- Produkte wurden einer Restriktionsfragment-Längenpolymorphismen-Analyse (RFLP) zur Auswahl geeigneter Klone unterzogen. Aus den jeweiligen Klonen wurde die entsprechende Plasmid-DNA isoliert und nach der Kettenabbruchmethode (Sanger et al., 1977) sequenziert.The cell material of the grown sporadic colonies was used for amplification of the microbial DNA by the Colony PCR method according to a standard program. To determine the 16S rRNA sequence, the gene for the 16S rRNA was amplified from the cell DNA by PCR. For this purpose, the primers with the sequences GRGTTTGATCCTGGCTCAG and ACGGHTACCTTGTTACGACTT were used (indicated in 5 " → 3 " direction, H is C, T or A). The pieces of DNA obtained as PCR products were then cloned into a cloning vector (ligation with the QIAGEN PCR cloning kit from QIAGEN / Hilden using the vector p-drive), transformed into E. coli (according to QIAGEN PCR cloning - Handbook) and examined by colony PCR. The obtained colony PCR products were subjected to restriction fragment length polymorphism analysis (RFLP) to select suitable clones. From the respective clones, the corresponding plasmid DNA was isolated and sequenced by the chain termination method (Sanger et al., 1977).
SequenzanalvseSequenzanalvse
Nach der Sequenzanalyse der Kolonien konnte die 16S rDNA bzw. ihre Transformation in die korrespondierende 16S rRNA mit dem Programmpaket ARB (Ludwig et al., Nucleic Acids Research. 2004. 32, 1363-1371 ) phylogenetisch analysiert und als Organismus der Art Paenibacillus macerans klassifiziert werden. Anhand einer Analyse der Monierten 16S rDNA bzw. der korrespondierenden 16S rRNA Sequenz mittels BLAST-Programm (basic local alignment search tool) der Datenbank www.ncbi.nlm.nih.gov wurde der Klon Paenibacillus sp. H 10-05 als nächster Verwandter ermittelt.After sequence analysis of the colonies, the 16S rDNA or its transformation into the corresponding 16S rRNA could be phylogenetically analyzed with the program package ARB (Ludwig et al., Nucleic Acids Research., 2004, 32, 1363-1371) and classified as an organism of the species Paenibacillus macerans become. An analysis of the cloned 16S rDNA or the corresponding 16S rRNA sequence by means of BLAST program (basic local alignment search tool) of the database www.ncbi.nlm.nih.gov the clone Paenibacillus sp. H 10-05 determined as the next relative.
Verflüssigung von cellulosehaltiqem MediumLiquefaction of cellulose-containing medium
Versuche mit einer Reinkultur des hydrolytisch aktiven, fermentativen Mikroorganismus Paenibacillus macerans SBG2 zeigten, dass der Zusatz zum stark zähflüssigen, viskosen Carboxymethylcellulose-haltigen Selektionsmedium zu einer sukzessiven Verflüssigung des Mediums bis hin zu einer wasserähnlichen Konsistenz während des Bakterienwachstums führt, was durch Schütteln des Anzuchtkolbens und visuelle Inspektion deutlich beobachtet werden kann. Verflüssigung von Gärsubstrat - SubstratfließtestExperiments with a pure culture of the hydrolytically active, fermentative microorganism Paenibacillus macerans SBG2 showed that the addition of the highly viscous, viscous carboxymethylcellulose-containing selection medium leads to a successive liquefaction of the medium to a water-like consistency during bacterial growth, which by shaking the culture flask and visual inspection can be clearly observed. Liquefaction of fermentation substrate - Substrate flow test
Die Verflüssigung eines Gärsubstrates mit hohem Trockensubstanzgehalt bzw. dieThe liquefaction of a fermentation substrate with a high dry matter content or the
Aufrechterhaltung einer flüssig-breiigen Konsistenz in einem Nassgärverfahren ist essentiell, um einen reibungslosen und kostengünstigen Ablauf des technischen Prozesses zu gewährleisten. Teilweise kommt es im kontinuierlichen Betrieb auch zu einer zunehmenden „Verschleimung" des Fermenterinhalts, was sich ebenfalls negativ auf den Prozess der Biogaserzeugung auswirkt. Der Effekt, den die Zugabe von Mikroorganismen auf die Konsistenz des Gärsubstrates machte, wurde mit einem Test bestimmt, in dem das Fließverhalten von Substratproben auf einer schiefen Ebene gemessen wurde (Substratfließtest).Maintaining a liquid-pulpy consistency in a wet fermentation process is essential to ensure a smooth and cost-effective process of the technical process. In some cases continuous fermentation also leads to an increase in the fermenter content, which also has a negative effect on the biogas production process.The effect that the addition of microorganisms has on the consistency of the fermentation substrate was determined by a test in which the flow behavior of substrate samples was measured on an inclined plane (substrate flow test).
Ausgangsmaterial für den Fließtest war Material aus einer Biogasanlage mit einem Trockensubstanzanteil von ca. 8-12 %. Jeweils 500 ml Material aus einem Fermenter wurde in 1 I Schott-Flaschen abgefüllt und 1 Tag lang bei 40 0C inkubiert. Anschließend wurde jeweils die Bakterienzellmasse aus einer 500 ml Vorkultur (entspricht ungefähr 4 x 1011 Zellen) von Paenibacillus macerans SBG2, Clostridium sartagoformum SBGIa, Clostridium sporosphaeroides SBG3 oder einer Mischung der drei Bakterien zu gleichen Anteilen in 1 ml Medium resuspendiert, zugegeben und für weitere 5 Tage bei 40 0C unter Schütteln inkubiert. Für die Kontrollprobe wurde nur 1 ml Medium zugegeben. Jeweils 1 ,3 g der Proben wurden an den Startpunkt der schiefen Ebene aus Metall gesetzt und auf einer cm-Skala die Fließgeschwindigkeit (zurückgelegte Strecke pro 10 min) der jeweiligen Proben abgelesen, die ein Maß für die Verflüssigung bzw. die Viskosität des Gärsubstrates darstellt. Die Ergebnisse des Fließtests sind in der Figur 1 dargestellt.Starting material for the flow test was material from a biogas plant with a dry matter content of about 8-12%. Each 500 ml of material from a fermenter was filled into 1 I Schott bottles and incubated for 1 day at 40 0 C. Subsequently, each of the bacterial cell mass from a 500 ml preculture (equivalent to approximately 4 x 10 11 cells) of Paenibacillus macerans SBG2, Clostridium sartagoformum SBGIa, Clostridium sporosphaeroides SBG3 or a mixture of the three bacteria was resuspended in equal proportions in 1 ml of medium, and added for further Incubated for 5 days at 40 ° C. with shaking. For the control sample, only 1 ml of medium was added. Each 1, 3 g of the samples were placed at the starting point of the inclined plane of metal and read on a cm-scale, the flow rate (distance traveled per 10 min) of the respective samples, which is a measure of the liquefaction or the viscosity of the fermentation substrate , The results of the flow test are shown in FIG.
In der Figur 1 sind folgende Spuren gezeigt: Spur 1 : Kontrolle ohne Zugabe von Mikroorganismen (Vergleichsbeispiel); Spur 2: Clostridium sartagoformum SBGIa (Vergleichsbeispiel); Spur 3: Clostridium sporosphaeroides SBG3 (Vergleichsbeispiel); Spur 4: Paenibacillus macerans SBG2; Spur 5: Mischung aus Clostridium sartagoformum SBGI a, Clostridium sporosphaeroides SBG3 und Paenibacillus macerans SBG2 zu gleichen Teilen. Figur 1A zeigt die Spuren direkt nach dem Auftrag der Proben, Figur 1 B nach 2 min. und Figur 1 C nach 18 min. Es zeigte sich, dass die Viskosität des Fermenterinhalts durch die Zugabe von lebenden Bakterien des Stammes Paenibacillus macerans SBG2 stark abnahm. Bei Zugabe der Organismen Clostridium sartagoformum SBGI a nahm die Viskosität in geringerem Maße ab, während Organismen Clostridium sporosphaeroides SBG3 einen noch stärkeren Effekt ausübten. Durch den Zusatz einer Mischung der 3 Mikroorganismen konnte eine Verflüssigung des Substrates erzielt werden, die in etwa so stark wie bei Zugabe der Art Paenibacillus macerans SBG2 ausfiel, was darauf hinweist, dass die drei Mikroorganismen einen additiven Effekt ausüben. In einem weiteren Versuch konnte gezeigt werden, dass die Zugabe von toten Zellen (totautoklaviert) praktisch keinen Effekt hatte. Eine visuelle Inspektion der Proben ergab auch, dass bei Zusatz lebender Zellen des Stammes Paenibacillus macerans SBG2 der Anteil schleimiger Substanzen abnahm. Überraschend war, dass die zugesetzten Bakterien auch bei Substrat, das schon einen Fermenter und damit einen durch Mikroorganismen bewirkten Fermentierungsprozess durchlaufen hat, noch eine weitere Verflüssigung bewirkten. Dies bedeutet, dass in einem Fermentierungsprozess ohne externe Zugabe von Mikroorganismen das Substrat nicht vollständig abgebaut wird, sondern zusätzliches energetisches Potential birgt, welches durch den Zusatz der erfindungsgemäßen Mikroorganismen genutzt werden kann.The following traces are shown in FIG. 1: Lane 1: control without addition of microorganisms (comparative example); Lane 2: Clostridium sartagoformum SBGIa (comparative example); Lane 3: Clostridium sporosphaeroides SBG3 (comparative example); Lane 4: Paenibacillus macerans SBG2; Lane 5: Mixture of Clostridium sartagoformum SBGI a, Clostridium sporosphaeroides SBG3 and Paenibacillus macerans SBG2 in equal parts. FIG. 1A shows the traces directly after the application of the samples, FIG. 1B after 2 min. and Figure 1 C after 18 min. It was found that the viscosity of the fermenter content decreased sharply due to the addition of live bacteria of the strain Paenibacillus macerans SBG2. With the addition of the organisms Clostridium sartagoformum SBGI a, the viscosity decreased to a lesser extent, while organisms Clostridium sporosphaeroides SBG3 exerted an even stronger effect. By adding a mixture of the 3 microorganisms, it was possible to achieve a liquefaction of the substrate which was approximately as strong as when the species Paenibacillus macerans SBG2 was added, indicating that the three microorganisms exert an additive effect. In a further experiment it could be shown that the addition of dead cells (dead autoclaving) had practically no effect. A visual inspection of the samples also showed that when adding live cells of the strain Paenibacillus macerans SBG2, the proportion of slimy substances decreased. It was surprising that the added bacteria, even in the case of a substrate which has already undergone a fermenter and thus a fermentation process brought about by microorganisms, still brought about further liquefaction. This means that in a fermentation process without external addition of microorganisms, the substrate is not completely degraded, but harbors additional energy potential, which can be used by the addition of the microorganisms of the invention.
Bestimmung der ZelldichteDetermination of cell density
Um die Zelldichte in Bezug auf lebende Bakterien zu bestimmen, wurden jeweils 10 μl Bakterienprobe (z.B. Vorkultur, Bakterienzuchtansatz, Überstand von Fermenterprobe) mit 2 μl BacLight™-Farbstoff (Invitrogen) vermischt und bei 1000 facher Vergrößerung mikroskopiert (AXIO Imager A1 , Zeiss, Jena). Unter UV-Licht und Nutzung zweier verschiedener Filter kann mit dem Bacl_ight™-System der Anteil lebender Zellen in der Probe bestimmt werden. Die Gesamtzellzahl wurde in einer Thomazählkammer ausgezählt. Der Anteil lebender Zellen aus den Vorkulturen war in der Regel höher als 90 %.In order to determine the cell density with respect to living bacteria, in each case 10 μl of bacterial sample (eg preculture, bacterial culture batch, supernatant from fermenter sample) were mixed with 2 μl of BacLight ™ dye (Invitrogen) and microscoped at 1000 × magnification (AXIO Imager A1, Zeiss, Jena). Under UV light and using two different filters, the Bacl_ight ™ system can be used to determine the proportion of living cells in the sample. The total number of cells was counted in a Thomazählkammer. The proportion of live cells from the precultures was generally higher than 90%.
Bestimmung des Zellanteils von Clostridium sporosphaeroides SBG3 oder Paenibacillus macerans SBG2 oder Clostridium sartaαoformum SBGI a in einer Probe - „Fishing" Der Anteil von Bakterien der Art Clostridium sporosphaeroides SBG3 oder Paenibacillus macerans SBG2 oder Clostridium sartagoformum SBGI a wurde durch „whole cell hybridization" nach der in Amann et al. (1995, Microbiol. Rev. 59, 143- 169) beschriebenen Methode bestimmt. Als Sonde zum „Fishing" wurde für Clostridium sporosphaeroides SBG3 ein markiertes Oligonukleotid mit der Sequenz Cy3-CCACAGCTCTCACGCCCG (angegeben in 5"→ 3"Richtung) verwendet, für Paenibacillus macerans SBG2 ein markiertes Oligonukleotid mit der Sequenz Cy3- GCAACCCGAACTGAGACC (angegeben in 5"→ 3"Richtung) und für Clostridium sartagoformum SBGIa ein markiertes Oligonukleotid mit der Sequenz Cy3- CTTCATGCGAAAATGTAA (angegeben in 5"→ 3" Richtung). Die Oligonukleotide trugen als Markierung jeweils am 5"-Ende den Farbstoff Indocarbocyanin (Cy3).Determination of the cellular content of Clostridium sporosphaeroides SBG3 or Paenibacillus macerans SBG2 or Clostridium sartaαoformum SBGI a in a sample - "Fishing" The proportion of bacteria of the species Clostridium sporosphaeroides SBG3 or Paenibacillus macerans SBG2 or Clostridium sartagoformum SBGI a was determined by whole cell hybridization according to the method described in Amann et al., (1995, Microbiol Rev 59, 143-169) Probe for fishing was used for Clostridium sporosphaeroides SBG3 a labeled oligonucleotide with the sequence Cy3-CCACAGCTCTCACGCCCG (indicated in 5 " → 3 " direction), for Paenibacillus macerans SBG2 a labeled oligonucleotide having the sequence Cy3- GCAACCCGAACTGAGACC (indicated in 5 " → 3 " direction) and for Clostridium sartagoformum SBGIa a labeled oligonucleotide having the sequence Cy3 CTTCATGCGAAAATGTAA (indicated in 5 " → 3 " direction). The oligonucleotides carried as marker at the 5 " end of the dye indocarbocyanine (Cy3).
Fermentertypenfermenter types
Es wurden Versuche im Technikumsmaßstab in verschiedenen Fermentertypen durchgeführt. Die Fermenter wurden bei Betriebstemperaturen von ca. 40 0C betrieben. Als Substrat wurde hauptsächlich Maissilage mit einem Anteil organischer Trockensubstanz (oTS) von 30 -35 % verwendet. Um die Versorgung mit Spurenelementen für die an der Fermentation beteiligten stoffwechselaktiven Mikroorganismen sicherzustellen, wurden in der Regel kommerziell erhältliche Spurenelementemischungen zugesetzt (z.B. Novodyn®).Experiments were carried out on a pilot plant scale in different fermenter types. The fermenters were operated at operating temperatures of about 40 0 C. The substrate used was mainly corn silage with an organic dry matter (OTS) content of 30-35%. In order to ensure the supply of trace elements for the metabolically active microorganisms involved in the fermentation, commercially available trace element mixtures were generally added (eg Novodyn®).
Fermenter Typ 1 : Liegender Pfropfenstromfermenter rechteckig, Volumen 150 1, bautechnische Unterteilung des Fermenterraumes durch eingezogene Wand mit kleinflächigem Durchlass für den Substratstrom, Aufteilung des Fermenterraumes in VA direkt nach Substratzugabestutzen und 3A nach Lochblende, 2-stufige Anlage.Fermenter type 1: Lying plug fermenter rectangular, volume 150 1, subdivision of the fermenter compartment by retracted wall with small-area passage for the substrate flow, division of the fermenter space in VA directly after substrate addition nozzle and 3 A to pinhole, 2-stage system.
Fermenter Typ 2: Liegender Pfropfenstromfermenter rechteckig, Volumen 150 I als 1. Stufe plus total durchmischter Rundfermenter, Volumen 200 I als 2. Stufe; Gesamtvolumen 350 I. 2-stufige Anlage mit Rezirkulation zwischen Rundfermenter und Pfropfenstromfermenter.Fermenter Type 2: Lying plug fermenter rectangular, volume 150 I as 1st stage plus totally mixed round fermenter, volume 200 I as 2nd stage; Total volume 350 I. 2-stage plant with recirculation between round fermentor and plug-flow fermenter.
Fermenter Typ 3: Liegender Pfropfenstromfermenter zylindrisch, Volumen 30 m3, 1- stufige Anlage. Verteilung der Mikroorganismen innerhalb des Fermenters - „Tracer-Test" Da die Durchmischung des zähen Substrates und damit auch sonstiger Zusätze in einem Fermenter einige Zeit dauert und außerdem von der eingesetzten Rührtechnik abhängt, wurde ein Test etabliert, mit dem der Zeitraum bis zu einer gleichmäßigen Verteilung von zugesetzten Mikroorganismen im Fermenter bestimmt werden kann. In diesem „Tracer-Test" wurde anstelle von Mikroorganismen pulverförmiges LiCI in einer Konzentration von 10 mg Lithium/kg Ausgangssubstrat (bei Fermenter Typ 2 die doppelte Menge) am Ort der Substratzugabe zugesetzt. Daraufhin werden nach verschiedenen Zeiten (Zugabe erfolgt am Tag 1 ) an verschiedenen Stellen des Fermenters (am Anfang des Fermenters nach Substrateintritt sowie am Ende vor dem Restsubstrataustritt) Substratproben entnommen und diese mit Hilfe von induktiv gekoppelter Plasma-Atom- Emissionsspektroskopie nach den Methoden DIN EN ISO 13346 (S7a) und DIN EN ISO 11885 (E22) auf ihren Li-Gehalt hin analysiert. Nach einer vollständigen Durchmischung des Fermenterinhalts sollte der gemessene Li-Gehalt am vorderen Ende des Fermenters und am hinteren Ende des Fermenters gleich sein und einen Wert von ca. 10 mg/kg Ausgangssubstrat (ca. 20 mg/kg Ausgangssubstrat für Fermenter Typ 2) aufweisen. Die Ergebnisse von derartigen „Tracer-Tests" für 3 verschiedene Fermentertypen sind in Tabelle 1 dargestellt.Fermenter type 3: horizontal cylindrical plug-flow fermenter, volume 30 m 3 , single-stage plant. Distribution of microorganisms within the fermenter - "Tracer test" Since the mixing of the viscous substrate and thus also other additives in a fermenter takes some time and also depends on the stirring technique used, a test was established with which the period to a uniform In this "tracer test", instead of microorganisms, powdered LiCI was added at a concentration of 10 mg lithium / kg starting substrate (double the amount for fermenter type 2) at the site of substrate addition. Thereafter, at various times (added on day 1) at various points of the fermenter (at the beginning of the fermenter after substrate entry and at the end before the residual substrate exit) substrate samples taken and this by means of inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy according to the methods DIN EN ISO 13346 (S7a) and DIN EN ISO 11885 (E22) for their Li content. After complete mixing of the fermenter contents, the measured Li content at the front end of the fermenter and at the rear end of the fermenter should be the same and have a value of about 10 mg / kg starting substrate (about 20 mg / kg starting substrate for fermenter type 2) , The results of such "tracer tests" for 3 different fermenter types are shown in Table 1.
Tabelle 1 :Table 1 :
Figure imgf000039_0001
Es wurde beobachtet, dass eine vollständige Durchmischung des Fermenterinhalts und damit einhergehend eine gleichmäßige Verteilung des „Tracers" bei den Fermenter Typen 2 und 3 fünf Tage nach Zugabe des „Tracers" erreicht war, beim Fermenter Typ 1 erst nach 8 Tagen. Es ist davon auszugehen, dass der Zeitraum bis zu einer gleichmäßigen Verteilung von zugegebenen Mikroorganismen ebenfalls mehrere Tage beträgt.
Figure imgf000039_0001
It was observed that a complete mixing of the fermenter content and, consequently, a uniform distribution of the tracer in the fermenters types 2 and 3 was achieved five days after the addition of the tracer, in the fermenter type 1 only after 8 days. It can be assumed that the period of time until a uniform distribution of added microorganisms also amounts to several days.
Langzeit-Fermentation zur Biogasproduktion mit oder ohne Zugabe von erfindungsgemäßen MikroorganismenLong-term fermentation for biogas production with or without the addition of microorganisms according to the invention
Im Technikumsmaßstab konnte stabil mindestens eine Verdopplung der aus der Praxis bekannten durchschnittlichen Raumbelastung erreicht werden. Ein stabiler Betrieb wurde bei einer Raumbelastung von 6 bis 7 kgoTS/m3d durch Zugabe von ca. 1x1013 Zellen pro m3 und Woche erreicht. Dabei wurden an den in der Praxis üblichen Prozessparametern, wie Temperatur (400C) und pH-Wert (6-9), bzw. Pufferkapazität nichts verändert.On a technical scale, at least a doubling of the average room load known from practice could be stably achieved. Stable operation was achieved at a volume loading of 6 to 7 kgoTS / m 3 d by adding about 1 x 10 13 cells per m 3 and week. In doing so, nothing was changed in the usual process parameters, such as temperature (40 ° C.) and pH value (6-9), or buffer capacity.
Während des Fermentationsprozesses in verschiedenen Versuchsfermentern mit einem Volumen von 150 I bis 30000 I unter realistischen Anlagenbedingungen (T ~ 40 0C, pH 6 - 8, kontinuierliche Beschickung, ständige Durchmischung) wurde über einen Zeitraum von mehreren Monaten der zeitliche Verlauf der Raumbelastung des Fermenters in Kilogramm organischer Trockensubstanz je Kubikmeter je Tag (kgoTS/m3d) und der zeitliche Verlauf des produzierten Biogases bestimmt. Zur besseren Vergleichbarkeit der verschiedenen Versuchsanlagen, wurde für die Gasausbeute statt der spezifischen Biogasausbeute die Raumzeitausbeute (Normliter produziertes Biogas pro Liter Gärvolumen, [Nl/I]) angegeben, bei der die Menge an erzeugtem Biogas auf das jeweilige Gärvolumen normiert wurde. Daneben wurde der zeitliche Verlauf der theoretisch erwarteten Gasproduktion berechnet.During the fermentation process in different test fermenters with a volume of 150 l to 30,000 l under realistic plant conditions (T ~ 40 0 C, pH 6 - 8, continuous feed, continuous mixing) was over a period of several months, the time course of the space load of the fermenter in kilograms of organic dry matter per cubic meter per day (kgoTS / m 3 d) and the time course of the biogas produced. For better comparability of the various experimental plants, the space-time yield (standard liters of produced biogas per liter fermentation volume, [Nl / I]) was given for the gas yield instead of the specific biogas yield, in which the amount of biogas produced was normalized to the respective fermentation volume. In addition, the time course of the theoretically expected gas production was calculated.
Das Kuratorium für Technik und Bauwesen in der Landwirtschaft e. V. (KTBL) aber auch die Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft und die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe haben Richtwerte herausgegeben, die in etwa angeben, welche Mengen an Biogas in Abhängigkeit vom eingesetzten Substrat bei einer stabilen Fermentierung zu erwarten sind. Diese theoretischen Richtwerte können somit die Menge an theoretisch erzeugbarem Biogas widerspiegeln. Alternativ können auch von anderen Instituten in anderen Ländern herausgegebene Richtwerte verwendet werden. Für Maissilage, deren Anteile an oTS zwischen 22 % und 40 % lagen, wurden hierbei zu erwartende Gaserträge im Bereich von 533 NI/kgoTS und 650 NI/kgoTS genannt (in „Handreichung Biogasgewinnung und - nutzung", 2006, Hrsgb. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., Gülzow und KTBL Homepage, www.ktbl.de). Der zeitliche Verlauf der theoretischen Gasproduktion in [Nl/d] wurde nach solchen Richtwerten berechnet, wobei in sämtlichen Versuchen hier bereits der sehr hohe Wert für einen theoretischen Gasertrag von 663 NI/kgoTS angenommen wurde. Die tatsächlich gemessenen Werte für die Anteile an oTS bei der eingesetzten Maissilage bewegten sich je nach Charge zwischen 30 und 40 % oTS.The Board of Trustees for Engineering and Construction in Agriculture e. V. (KTBL) but also the Federal Research Center for Agriculture and the Agency for Renewable Resources have published guidelines that roughly indicate which amounts of biogas, depending on the substrate used in a stable fermentation are expected. These theoretical guidelines can thus reflect the amount of theoretically generated biogas. Alternatively, benchmarks issued by other institutes in other countries may be used. For maize silage, whose shares in OTS were between 22% and 40%, expected gas yields in the range of 533 NI / kgoTS and 650 NI / kgoTS were mentioned (in "Biogas Production and Utilization Guide", 2006, edited by the Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe eV, Gülzow and KTBL Homepage, www.ktbl.de) The time course of the theoretical gas production in [Nl / d] was calculated according to such guideline values, whereby in all experiments already here the very high value for a theoretical gas yield of 663 NI / The actually measured values for the proportions of oTS in the maize silage used varied between 30 and 40% oTS depending on the batch.
Neben Gasausbeute und Raumbelastung wurden eine Reihe weiterer charakteristischer Parameter des Fermentationsprozesses wie Trockensubstanzgehalt des Fermenterinhalts, pH, Säurekonzentration (z.B. Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure, Valeriansäure, Essigsäureäquivalent), Temperatur, spezifische Gasausbeute, Zusammensetzung des Biogases, Viskosität, Leitfähigkeit, Redoxpotential und die Konzentration an Nährstoffen und Spurenelementen gemessen.In addition to gas yield and volume load, a number of other characteristic parameters of the fermentation process such as dry matter content of the fermenter content, pH, acid concentration (eg acetic acid, propionic acid, butyric acid, valeric acid, acetic acid equivalent), temperature, specific gas yield, composition of the biogas, viscosity, conductivity, redox potential and concentration measured on nutrients and trace elements.
Lanqzeitfermentation in einem Fermenter vom Typ 3 unter Zusatz von Mikroorganismen Paenibacillus macerans SBG2Lanqzeitfermentation in a fermenter type 3 with the addition of microorganisms Paenibacillus macerans SBG2
Bei dieser Versuchsanlage handelt es sich um eine große Versuchsanlage im Technikumsmaßstab mit einem Volumen von 30 m3, die als liegender zylindrisch geformter Pfropfenstromfermenter aufgebaut ist. Sie wird als 1 -stufige Anlage betrieben.This pilot plant is a large test facility on a pilot plant scale with a volume of 30 m 3 , which is constructed as a horizontal cylindrically shaped plug-flow fermenter. It is operated as a 1-stage system.
Die Figur 2 zeigt Messergebnisse verschiedener charakteristischer Parameter während eines Fermentationsprozesses in einem Versuchsfermenter vom Typ 3 mit und ohne Zugabe von Mikroorganismen des Stammes Paenibacillus macerans SBG2. Die mit dem Bezugszeichen 10 versehene Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf der Raumbelastung des Fermenters in Kilogramm organischer Trockensubstanz je Kubikmeter je Tag (kgoTS/m3d), die mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnete Kurve den zeitlichen Verlauf der gemessenen Raumzeitausbeute (Nl/I), die mit dem Bezugszeichen 30 gekennzeichnete Kurve den zeitlichen Verlauf der gemessenen Raumzeitausbeute, gemittelt jeweils über 6 Tage. Mit dem Bezugszeichen 40 ist der zeitliche Verlauf der theoretischen Gasproduktion (Nl/I) markiert. Das Bezugszeichen 50 markiert die Symbole, die jeweils für die einmalige Zugabe von Mikroorganismen des Stammes Paenibacillus macerans SBG2 stehen.FIG. 2 shows measurement results of various characteristic parameters during a fermentation process in a type 3 experimental fermenter with and without the addition of microorganisms of the strain Paenibacillus macerans SBG2. The curve provided with the reference numeral 10 shows the time course the volume load of the fermenter in kilograms of organic dry matter per cubic meter per day (kgoTS / m 3 d), the curve indicated by the reference numeral 20 the time course of the measured space-time yield (Nl / I), the curve indicated by the reference numeral 30, the time course of measured space-time yield, averaged over 6 days. With the reference numeral 40, the time course of the theoretical gas production (Nl / I) is marked. The reference numeral 50 marks the symbols each representing the one-time addition of microorganisms of the strain Paenibacillus macerans SBG2.
Die Biogasanlage wurde vom Betriebstag 70 bis zum Betriebstag 102 ohne externe Zugabe von Mikroorganismen bei einer durchschnittlichen Raumbelastung von etwa 4 kgoTS/m3d betrieben und lieferte in einem stabilen Fermentationsprozess Raumzeitausbeuten von durchschnittlich 2,8 Nl/I, die leicht über der erwarteten theoretischen Gasausbeute lagen. In Vorwegnahme der geplanten Zugabe von Mikroorganismen Paenibacillus macerans SBG2 wurden an jedem Betriebstag anstatt einer Bakterienkultur 20 I Wasser zugesetzt. Ab dem Tag 102 bis zum Tag 138 wurden täglich 20 I einer Reinkultur Paenibacillus macerans SBG2 (Bakterienkonzentration ca. 2 x 109 Zellen/ml) zugesetzt. Die Zugabe der erfindungsgemäßen Mikroorganismen bewirkte, dass in dem Fermentationsprozess die Raumbelastung von 4 kgoTS/m3d auf ca. 7 kgoTS/m3d gesteigert werden konnte ohne dass der Fermentationsprozess instabil geworden wäre. Dies belegte die Beobachtung weiterer Prozessparameter wie pH-Wert (stabil zwischen pH 7,5 bis 7,7), Gasqualität (Methangehalt stabil bei 53 bis 54 %) oder die Messwerte für verschiedene freie Fettsäuren (keine Erhöhung auf kritische Werte trotz erhöhter Substratzufuhr). Die Raumzeitausbeute konnte von Werten von knapp 3 Nl/I auf Werte über 5 Nl/I gesteigert werden, so dass die Energieeffizienz des Fermentationsprozesses erheblich zunahm. Ab dem Beginn der Zugabe von Mikroorganismen Paenibacillus macerans SBG2 lag die Gasproduktion jeweils deutlich über den theoretisch erwarteten Werten.The biogas plant was operated from day 70 to day 102 without external addition of microorganisms at an average volume load of about 4 kgoTS / m 3 d and provided in a stable fermentation process space-time yields averaging 2.8 Nl / I, slightly above the expected theoretical Gas yield lay. In anticipation of the planned addition of Paenibacillus macerans SBG2 microorganisms, 20 l of water were added each day instead of a bacterial culture. From day 102 to day 138, 20 l of a pure culture of Paenibacillus macerans SBG2 (bacterial concentration about 2 × 10 9 cells / ml) were added daily. The addition of the microorganisms according to the invention caused that in the fermentation process, the volume load of 4 kgoTS / m 3 d could be increased to about 7 kgoTS / m 3 d without the fermentation process would become unstable. This proved the observation of further process parameters such as pH value (stable between pH 7.5 to 7.7), gas quality (methane content stable at 53 to 54%) or the measured values for various free fatty acids (no increase to critical values despite increased substrate supply) , The space-time yield could be increased from values of almost 3 Nl / l to values above 5 Nl / l, so that the energy efficiency of the fermentation process increased considerably. From the beginning of the addition of microorganisms Paenibacillus macerans SBG2, the gas production was significantly higher than the theoretically expected values.
Die Figur 3 zeigt Messergebnisse verschiedener charakteristischer Parameter während eines Fermentationsprozesses in einem Versuchsfermenter vom Typ 3 mit und ohne Zugabe von Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans SBG2. Die mit dem Bezugszeichen 10 versehene Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf der gemessenen spezifischen Gasausbeute (Nm3/t), die mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnete Kurve den zeitlichen Verlauf der gemessenen spezifischen Gasausbeute (Nm3A), gemittelt jeweils über 6 Tage. Die mit dem Bezugszeichen 30 versehene Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf der gemessenen Raumzeitausbeute (Nl/I), die mit dem Bezugszeichen 40 gekennzeichnete Kurve den zeitlichen Verlauf der gemessenen Raumzeitausbeute (Nl/I), gemittelt jeweils über 6 Tage. Der Pfeil markiert den Beginn der Zugabe von Mikroorganismen des Stammes Paenibacillus macerans SBG2 ab Tag 102.FIG. 3 shows measurement results of various characteristic parameters during a fermentation process in a type 3 experimental fermenter with and without the addition of microorganisms of the species Paenibacillus macerans SBG2. The curve provided with the reference numeral 10 shows the time course of measured specific gas yield (Nm 3 / t), the curve indicated by the reference numeral 20, the time course of the measured specific gas yield (Nm 3 A), averaged over 6 days. The curve provided with the reference numeral 30 shows the time course of the measured space-time yield (Nl / I), the curve indicated by the reference numeral 40, the time course of the measured space-time yield (Nl / I), averaged over 6 days. The arrow marks the beginning of the addition of microorganisms of the strain Paenibacillus macerans SBG2 from day 102.
Wie bereits in Figur 2 dargestellt ist, stieg die Raumzeitausbeute (Nl/I) in dem Fermenter vom Typ3 nach Zugabe von Mikroorganismen des Stammes Paenibacillus macerans SBG2 sehr stark an, weil die Raumbelastung stark erhöht werden konnte. Bei vermehrter Substratzufuhr stieg folglich bei einem weiterhin stabilen Fermentationsprozeß die erzielte Gasausbeute pro Fermentervolumen an. Aus den in Figur 3 dargestellten experimentellen Ergebnissen kann man ersehen, dass auch die spezifische Gasausbeute (Nm3A) nach Zugabe von Mikroorganismen des Stammes Paenibacillus macerans SBG2 signifikant zunahm (siehe Kurven mit den Bezugszeichen 10 und 20). Vor Zugabe der Mikroorganismen des Stammes Paenibacillus macerans SBG2 betrug die durchschnittliche spezifisch Gasausbeute etwa 720 Nm3/t Substrat, nach Zugabe von Mikroorganismen des Stammes Paenibacillus macerans SBG2 etwa 780 Nm3/t Substrat. Die Messgröße „spezifische Gasausbeute" ist nicht auf das Fermentationsvolumen normiert, sondern auf die Menge an eingesetztem Substrat. Eine Zunahme der spezifischen Gasausbeute bedeutet also eine höhere Energieeffizienz bei der Substratumsetzung. Einen ökonomischen Vorteil für den Anwender bringt jedoch sowohl eine Erhöhung der Raumzeitausbeute als auch eine Erhöhung der spezifischen Gasausbeute.As already shown in FIG. 2, the space-time yield (NI / I) in the Type 3 fermenter rose very sharply after the addition of microorganisms of the strain Paenibacillus macerans SBG2 because the volume load could be greatly increased. With increased substrate supply thus increased in a still stable fermentation process, the gas yield achieved per fermenter volume. It can be seen from the experimental results shown in FIG. 3 that the specific gas yield (Nm 3 A) also increased significantly after the addition of microorganisms of the strain Paenibacillus macerans SBG 2 (see curves with the reference numbers 10 and 20). Before the addition of the microorganisms of the strain Paenibacillus macerans SBG2, the average specific gas yield was about 720 Nm 3 / t substrate, after addition of microorganisms of the strain Paenibacillus macerans SBG2 about 780 Nm 3 / t substrate. The measured variable "specific gas yield" is not normalized to the fermentation volume, but to the amount of substrate used, ie an increase in the specific gas yield means a higher energy efficiency in the substrate conversion, but an economic advantage for the user is an increase in the space-time yield as well an increase in the specific gas yield.
Durch die Zugabe der Reinkulturen von Paenibacillus macerans SBG2 konnte bei Fermentationen die Raumbelastung bis auf einen Maximalwert von etwa 8 kgoTS/m3d gesteigert werden.By adding the pure cultures of Paenibacillus macerans SBG2, the volume load in fermentations could be increased to a maximum value of about 8 kgoTS / m 3 d.
Parallel zur steigenden Raumbelastung konnte eine Steigerung des Biogasertrages beobachtet werden. Dabei war eine Übereinstimmung der erzeugten Biogasmenge in Normliter/Tag [Nl/d] mit der theoretischen Gasproduktion in Normliter/Tag [Nl/d] oder eine gegenüber der theoretischen Gasproduktion erhöhte Gasproduktion zu beobachten.Parallel to the increasing volume load, an increase in biogas yield was observed. It was a coincidence of the amount of biogas produced in standard liters / day [Nl / d] with the theoretical gas production in standard liters / day [Nl / d] or a gas production increased compared to the theoretical gas production.
Die Raumbelastung der Anlage konnte infolge der Zugabe von Paenibacillus macerans SBG2 weiter gesteigert werden. Dabei blieb der prozentuale Gehalt an Trockensubstanz beziehungsweise organischer Trockensubstanz nahezu konstant. Diese Beobachtung legt nahe, dass während der Fermentierung des Gärsubstrats keine Anhäufung von nicht-fermentierter organischer Trockensubstanz erfolgt. Die Zugabe von Reinkulturen von Paenibacillus macerans SBG2 trägt also zu einer kontinuierlichen Umsetzung der enthaltenen Trockenmasse im Gärsubstrat bei, welche wiederum zu einer kontinuierlichen Fermentierung führt, indem die Anhäufung von Trockensubstanz vermindert wird.The space load of the plant could be further increased as a result of the addition of Paenibacillus macerans SBG2. The percentage content of dry substance or organic dry matter remained almost constant. This observation suggests that no accumulation of non-fermented organic dry substance occurs during the fermentation of the fermentation substrate. The addition of pure cultures of Paenibacillus macerans SBG2 thus contributes to a continuous conversion of the dry matter contained in the fermentation substrate, which in turn leads to a continuous fermentation by the accumulation of dry matter is reduced.
In Phasen, in denen die Biogasanlage bei konstanter Raumbelastung betrieben wird, ist sogar eine Abnahme der Trockensubstanz zu beobachten, was darauf schließen lässt, dass die Mikroorganismen Paenibacillus macerans SBG2 mit ihrer hydrolytischen Stoffwechselaktivität nicht nur die Anhäufung von Trockensubstanz im Fermenter vermindern, sondern auch die hydrolytische Umsetzung dieser Tro- ckensubstanz verbessern.In phases in which the biogas plant is operated at a constant volume load, even a decrease in the dry matter is observed, which suggests that the microorganisms Paenibacillus macerans SBG2 with their hydrolytic metabolic activity not only reduce the accumulation of dry matter in the fermenter, but also the improve the hydrolytic conversion of this dry substance.
In den beschriebenen Ausführungsbeispielen wurden Reinkulturen von Paenibacillus macerans aber auch Mischkulturen mit einem Anteil an Paenibacillus macerans verwendet. Insbesondere können Mischkulturen aus zwei oder drei Arten von Mikroorganismen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Paenibacillus macerans, Clostridium sartagoformum und Clostridium sporosphaeroides zugegeben werden.In the described embodiments, pure cultures of Paenibacillus macerans but also mixed cultures with a proportion of Paenibacillus macerans were used. In particular, mixed cultures of two or three kinds of microorganisms selected from the group consisting of Paenibacillus macerans, Clostridium sartagoformum and Clostridium sporosphaeroides can be added.
Die Zugabe des hydrolytisch aktiven, fermentativen Mikroorganismus Paenibacillus macerans SBG2 zeigt einen positiven Effekt auf die Hydrolyse organischer Trockensubstanz. Durch die Zugabe von Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans kann die Raumbelastung eines Fermenters unter ansonsten identischen Bedingungen von etwa 4 bis 5 kgoTS/m3d auf rund 6 bis 8 kgoTS/m3d gesteigert werden, ohne dass sich eine Instabilität des Fermentationsprozesses auch nur andeuten würde. Parallel zu der erhöhten Raumbelastung wird die Menge an gebildetem Biogas deutlich erhöht. Zudem steigt die spezifische Ausbeute an Biogas an, da deutlich mehr der organischen Trockensubstanz abgebaut wird als bei fehlender Zugabe von Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans. Der Einsatz von Mikroorganismen der Art Paenibacillus macerans führt zu einer dramatischen Verbesserung von Effizienz und Wirkungsgrad von Biogasanlagen. The addition of the hydrolytically active, fermentative microorganism Paenibacillus macerans SBG2 has a positive effect on the hydrolysis of organic dry matter. By adding microorganisms of the species Paenibacillus macerans, the volume load of a fermenter can be increased from about 4 to 5 kgoTS / m 3 d to about 6 to 8 kgoTS / m 3 d under otherwise identical conditions, without even instability of the fermentation process would suggest. Parallel to the increased space load, the amount of biogas produced is significantly increased. In addition, the specific yield of biogas increases, since significantly more of the organic dry matter is degraded than in the absence of addition of microorganisms of the species Paenibacillus macerans. The use of microorganisms of the species Paenibacillus macerans leads to a dramatic improvement in the efficiency and efficiency of biogas plants.
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0-1 Formular PCT/RO/134 (SAFE) Angaben zu einem hinterlegten Mikroorganismus und/oder anderem hinterlegten biologischen Material0-1 Form PCT / RO / 134 (SAFE) Information on a deposited microorganism and / or other stored biological material
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0-3 Aktenzeichen des Anmelders oder Anwalts SCM067WO0-3 file number of the applicant or lawyer SCM067WO
1 Die nachstehenden Angaben betreffen den1 The following information concerns the
Mikroorganismus und/oder anderes biologisches Material, der/das in derMicroorganism and / or other biological material used in the
Beschreibung genannt istDescription is called
1-1 absatz zahl Paenibacillus macerans Seite 1, Zeile 11-1 paragraph number Paenibacillus macerans page 1, line 1
1-3 Angaben betr. Hinterlegung1-3 Details concerning deposit
1-3-1 Name der Hinterlegungsstelle DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und1-3-1 Name of depository DSMZ-Deutsche Sammlung von Mikroorganismen and
Zellkulturen GmbHCell Culture GmbH
1-3-2 Anschrift der Hinterlegungsstelle Inhoffenstr. 7B1-3-2 Address of the depository Inhoffenstr. 7B
38124 Braunschweig, Deutschland38124 Braunschweig, Germany
1-3-3 Datum der Hinterlegung 15. Mai 2009 (15.05.2009)1-3-3 Date of filing 15. May 2009 (15.05.2009)
1-3-4 Eingangsnummer DSM 225691-3-4 input number DSM 22569
1-4 Weitere Angaben1-4 Further information
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Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Behandlung von Biomasse, dadurch gekennzeichnet, dass der Biomasse ein Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zugesetzt wird.1. A process for the treatment of biomass, characterized in that the biomass is added to a microorganism of the species Paenibacillus macerans.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Verfahren zur Verflüssigung von Biomasse handelt.2. The method according to claim 1, characterized in that it is a method for liquefying biomass.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Verfahren zur Erzeugung von Biogas aus Biomasse handelt.3. The method according to claim 1, characterized in that it is a method for producing biogas from biomass.
4. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans in Form einer Kultur von Mikroorganismen zugesetzt wird, wobei der Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zumindest 10"4 % der4. The method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the microorganism of the species Paenibacillus macerans is added in the form of a culture of microorganisms, wherein the microorganism of the species Paenibacillus macerans at least 10 "4 % of
Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht.Total number of microorganisms present in the culture.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kultur von Mikroorganismen der Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zumindest 10 % der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht.5. The method according to claim 4, characterized in that in the culture of microorganisms, the microorganism of the species Paenibacillus macerans accounts for at least 10% of the total number of microorganisms present in the culture.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kultur von Mikroorganismen der Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zumindest 50 % der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht.6. The method according to claim 5, characterized in that in the culture of microorganisms, the microorganism of the species Paenibacillus macerans makes up at least 50% of the total number of microorganisms present in the culture.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kultur von Mikroorganismen der Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zumindest 90 % der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht. 7. The method according to claim 6, characterized in that in the culture of microorganisms of the microorganism of the species Paenibacillus macerans accounts for at least 90% of the total number of microorganisms present in the culture.
8. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reinkultur des Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zugesetzt wird.8. The method according to at least one of claims 4 to 7, characterized in that a pure culture of the microorganism of the species Paenibacillus macerans is added.
9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans der Biomasse als Bestandteil zumindest einer immobilisierten Kultur von Mikroorganismen zugesetzt wird.9. The method according to at least one of claims 4 to 8, characterized in that the microorganism of the species Paenibacillus macerans biomass is added as part of at least one immobilized culture of microorganisms.
10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zeitnah zur Zugabe des Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zusätzliche Biomasse in den Fermentierungsreaktor gegeben wird.10. The method according to at least one of claims 1 to 9, characterized in that in time for the addition of the microorganism of the species Paenibacillus macerans additional biomass is added to the fermentation reactor.
1 1. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Raumbelastung im Fermentierungsreaktor durch kontinuierliche Zugabe von Biomasse kontinuierlich gesteigert wird.1 1. The method according to at least one of claims 1 to 10, characterized in that the space load in the fermentation reactor is continuously increased by the continuous addition of biomass.
12. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Erzeugung von Biogas aus Biomasse bei einer12. The method according to at least one of claims 3 to 11, characterized in that the production of biogas from biomass in a
Raumbelastung von ≥ 0,5 kgoTS/m3d, bevorzugt ≥ 4,0 kgoTS/m3d, besonders bevorzugt ≥ 6,0 kgoTS/m3d durchgeführt wird.Room load of ≥ 0.5 kgoTS / m 3 d, preferably ≥ 4.0 kgoTS / m 3 d, particularly preferably ≥ 6.0 kgoTS / m 3 d is performed.
13. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe von Substrat und die Zugabe des13. The method according to at least one of claims 1 to 12, characterized in that the addition of substrate and the addition of the
Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans kontinuierlich erfolgen.Microorganism of the species Paenibacillus macerans is carried out continuously.
14. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans in einer Menge zu dem Gärsubstrat zugegeben wird, dass nach Zugabe der Anteil des Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zwischen 10"8 % und 50 % der Gesamtzahl an in dem Gärsubstrat anwesenden Mikroorganismen ausmacht. 14. The method according to at least one of claims 1 to 13, characterized in that the microorganism of the species Paenibacillus macerans is added in an amount to the fermentation substrate, that after addition of the proportion of the microorganism of the species Paenibacillus macerans between 10 "8 % and 50% the total number of microorganisms present in the fermentation substrate.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans in einer Menge zu dem Gärsubstrat zugegeben wird, dass nach Zugabe der Anteil des Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zwischen 10"3 % und 1 % der Gesamtzahl an in dem Gärsubstrat anwesenden Mikroorganismen ausmacht.15. The method according to claim 14, characterized in that the microorganism of the species Paenibacillus macerans is added in an amount to the fermentation substrate, that after addition of the proportion of the microorganism of the species Paenibacillus macerans between 10 "3 % and 1% of the total in the Fermentation substrate present microorganisms.
16. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Mikroorganismen der Art Clostridium sartagoformum zugegeben werden.16. The method according to at least one of claims 1 to 15, characterized in that in addition microorganisms of the species Clostridium sartagoformum are added.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um Mikroorganismen des Stammes Clostridium sartagoformum SBGI a handelt.17. The method according to claim 16, characterized in that it is microorganisms of the strain Clostridium sartagoformum SBGI a.
18. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Mikroorganismen der Art Clostridium sporosphaeroides zugegeben werden.18. The method according to at least one of claims 1 to 17, characterized in that in addition microorganisms of the species Clostridium sporosphaeroides are added.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um Mikroorganismen des Stammes Clostridium sporosphaeroides SBG3 handelt.19. The method according to claim 18, characterized in that it is microorganisms of the strain Clostridium sporosphaeroides SBG3.
20. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans um einen Mikroorganismus des Stammes Paenibacillus sp. H10-05 handelt.20. The method according to at least one of claims 1 to 19, characterized in that it is in the microorganism of the species Paenibacillus macerans to a microorganism of the strain Paenibacillus sp. H10-05.
21. Verwendung eines Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zur Behandlung von Biomasse.21. Use of a microorganism of the species Paenibacillus macerans for the treatment of biomass.
22. Verwendung eines Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zur Verflüssigung von Biomasse.22. Use of a microorganism of the species Paenibacillus macerans for the liquefaction of biomass.
23. Verwendung eines Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse. 23. Use of a microorganism of the species Paenibacillus macerans for the fermentative production of biogas from biomass.
24. Verwendung nach zumindest einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Mikroorganismus der Art Paenibacillus macerans um einen Mikroorganismus des Stammes Paenibacillus sp. H10-05 .24. Use according to at least one of claims 21 to 23, characterized in that it is in the microorganism of the species Paenibacillus macerans to a microorganism of the strain Paenibacillus sp. H10-05.
25. Verwendung der durch ein Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 20 erhaltenen verflüssigten Biomasse zur Herstellung von Biokraftstoff.25. Use of the obtained by a method according to at least one of claims 1 to 20 liquefied biomass for the production of biofuel.
26. Verwendung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die verflüssigte Biomasse zur Herstellung von Bioethanol verwendet wird.26. Use according to claim 25, characterized in that the liquefied biomass is used for the production of bioethanol.
27. Stamm des Mikroorganismus Paenibacillus macerans SBG2, der bei der DSMZ unter der Nr. 22569 hinterlegt ist.27. Strain of the microorganism Paenibacillus macerans SBG2 deposited with the DSMZ under No. 22569.
28. Stamm des Mikroorganismus Clostridium sartagoformum SBGI a, der bei der DSMZ unter der Nr. 22578 hinterlegt ist.28. Strain of the microorganism Clostridium sartagoformum SBGI a deposited with the DSMZ under No. 22578.
29. Mikroorganismus mit einer Nukleinsäure, die eine Nukleotidsequenz aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nukleotidsequenz einen Sequenzbereich enthält, der mehr als 97,63 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist.29. A microorganism comprising a nucleic acid having a nucleotide sequence, characterized in that the nucleotide sequence contains a sequence region which has more than 97.63% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID No. 1.
30. Mikroorganismus nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Nukleotidsequenz einen Sequenzbereich enthält, der mehr als 98,0 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist.Microorganism according to claim 29, characterized in that the nucleotide sequence contains a sequence region which has more than 98.0% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID No. 1.
31. Mikroorganismus nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Nukleotidsequenz einen Sequenzbereich enthält, der mehr als 98,5 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist.31. Microorganism according to claim 30, characterized in that the nucleotide sequence contains a sequence region which has more than 98.5% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID No. 1.
32. Mikroorganismus nach Anspruch 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nukleotidsequenz einen Sequenzbereich enthält, der mehr als 99,0 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist. 32. The microorganism according to claim 31, characterized in that the nucleotide sequence contains a sequence region which has more than 99.0% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID No. 1.
33. Mikroorganismus nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Nukleotidsequenz einen Sequenzbereich enthält, der mehr als 99,5 % Sequenzidentität mit der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 aufweist.33. The microorganism according to claim 32, characterized in that the nucleotide sequence contains a sequence region which has more than 99.5% sequence identity with the nucleotide sequence SEQ ID No. 1.
34. Mikroorganismus nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Nukleotidsequenz einen Sequenzbereich enthält, der der Nukleotidsequenz SEQ ID Nr. 1 entspricht.34. Microorganism according to claim 33, characterized in that the nucleotide sequence contains a sequence region which corresponds to the nucleotide sequence SEQ ID No. 1.
35. Kultur von Mikroorganismen geeignet zum Einsatz in einem Verfahren zur Behandlung von Biomasse, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kultur von35. Culture of microorganisms suitable for use in a process for the treatment of biomass, characterized in that in the culture of
Mikroorganismen ein Mikroorganismus Paenibacillus macerans gemäß den Ansprüchen 29 bis 34 anwesend ist, wobei der Mikroorganismus Paenibacillus macerans zumindest 10"4 % der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht.Microorganisms a microorganism Paenibacillus macerans according to claims 29 to 34 is present, wherein the microorganism Paenibacillus macerans at least 10 " accounts for 4 % of the total number of microorganisms present in the culture.
36. Kultur von Mikroorganismen nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroorganismus Paenibacillus macerans zumindest 1 % der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht.36. Culture of microorganisms according to claim 35, characterized in that the microorganism Paenibacillus macerans constitutes at least 1% of the total number of microorganisms present in the culture.
37. Kultur von Mikroorganismen nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroorganismus Paenibacillus macerans zumindest 25 % der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht.37. Culture of microorganisms according to claim 36, characterized in that the microorganism Paenibacillus macerans constitutes at least 25% of the total number of microorganisms present in the culture.
38. Kultur von Mikroorganismen nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroorganismus Paenibacillus macerans zumindest 50 % der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht.38. Culture of microorganisms according to claim 37, characterized in that the microorganism Paenibacillus macerans makes up at least 50% of the total number of microorganisms present in the culture.
39. Kultur von Mikroorganismen nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroorganismus Paenibacillus macerans zumindest 90 % der Gesamtzahl an in der Kultur vorhandenen Mikroorganismen ausmacht.39. Culture of microorganisms according to claim 38, characterized in that the microorganism Paenibacillus macerans makes up at least 90% of the total number of microorganisms present in the culture.
40. Kultur von Mikroorganismen nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Reinkultur des Mikroorganismus Paenibacillus macerans handelt. 40. Culture of microorganisms according to claim 39, characterized in that it is a pure culture of the microorganism Paenibacillus macerans.
41. Kultur von Mikroorganismen nach zumindest einem der Ansprüche 35 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine immobilisierte Kultur von Mikroorganismen handelt.41. Culture of microorganisms according to at least one of claims 35 to 40, characterized in that it is an immobilized culture of microorganisms.
42. Verwendung eines Mikroorganismus nach zumindest einem der Ansprüche 27 bis 34 zur Behandlung von Biomasse.42. Use of a microorganism according to at least one of claims 27 to 34 for the treatment of biomass.
43. Verwendung nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Verfahren zur Behandlung von Biomasse nach zumindest einem der Ansprüche43. Use according to claim 42, characterized in that it is a method for the treatment of biomass according to at least one of the claims
1 bis 20 handelt.1 to 20 acts.
44. Verwendung eines Mikroorganismus nach zumindest einem der Ansprüche 27 bis 34 zur Verflüssigung von Biomasse.44. Use of a microorganism according to at least one of claims 27 to 34 for the liquefaction of biomass.
45. Verwendung nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Verfahren zur Verflüssigung von Biomasse nach zumindest einem der Ansprüche 2 bis 20 handelt.45. Use according to claim 44, characterized in that it is a method for liquefying biomass according to at least one of claims 2 to 20.
46. Verwendung eines Mikroorganismus nach zumindest einem der Ansprüche 27 bis 34 zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse.46. Use of a microorganism according to at least one of claims 27 to 34 for the fermentative production of biogas from biomass.
47. Verwendung nach Anspruch 46, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Verfahren zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 20 handelt.47. Use according to claim 46, characterized in that it is a process for the fermentative production of biogas from biomass according to at least one of claims 3 to 20.
48. Verwendung einer Kultur von Mikroorganismen nach zumindest einem der Ansprüche 35 bis 41 zur Behandlung von Biomasse.48. Use of a culture of microorganisms according to at least one of claims 35 to 41 for the treatment of biomass.
49. Verwendung nach Anspruch 48, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Verfahren zur Behandlung von Biomasse nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 20 handelt. 49. Use according to claim 48, characterized in that it is a method for the treatment of biomass according to at least one of claims 1 to 20.
50. Verwendung einer Kultur von Mikroorganismen nach zumindest einem der Ansprüche 35 bis 41 zur Verflüssigung von Biomasse.50. Use of a culture of microorganisms according to at least one of claims 35 to 41 for the liquefaction of biomass.
51. Verwendung nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Verfahren zur Verflüssigung von Biomasse nach zumindest einem der51. Use according to claim 50, characterized in that it is a method for liquefying biomass according to at least one of
Ansprüche 2 bis 20 handelt.Claims 2 to 20 is.
52. Verwendung einer Kultur von Mikroorganismen nach zumindest einem der Ansprüche 35 bis 41 zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse.52. Use of a culture of microorganisms according to at least one of claims 35 to 41 for the fermentative production of biogas from biomass.
53. Verwendung nach Anspruch 52, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um ein Verfahren zur fermentativen Erzeugung von Biogas aus Biomasse nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 20 handelt. 53. Use according to claim 52, characterized in that it is a process for the fermentative production of biogas from biomass according to at least one of claims 3 to 20.
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