Use of organic wastes of Agave processing for bioenergy production

Der organische Reststoff, welcher bei der Verarbeitung der Agave S. anfällt (Mezcal-Schlempe), ist aufgrund der hohen Anteile an organischer Substanz, anorganischen Salzen und anderer Inhaltstoffe ein umweltschädlicher Rückstand, der nicht ohne Vorbehandlung in Gewässer oder Böden gelangen darf, ggf. aber für die Bioenergieerzeugung genutzt werden könnte. Im Rahmen dieser Arbeit wurde daher unter Laborbedingungen die Eignung dafür durch drei Versuche zur anaeroben Vergärung und zwei zu mikrobiellen Brennstoffzellen (MBZ) untersucht. Batch- und semi-kontinuierliche Versuche wurden durchgeführt, um die Biogas- und Methanausbeute von Schlempe sowohl mit Klärschlamm als auch mit Rindergülle als Inokula zu testen. Dabei wurden unterschiedliche Substrat : Inokulum Verhältnisse (S:I) und die Verwendung eines kostengünstigen Biofilms im Bioreaktor getestet. In Bezug auf die mikrobielle Brennstoffzelle wurde ein Batchtest durchgeführt, um festzustellen, ob sich die Schlempe für die Spannungserzeugung eignet. Unterschiedliche organische Substanzkonzentrationen in Form von chemischem Sauerstoffbedarf (CSB) wurden analysiert. Zum Schluss wurde eine kleine Bioraffinerie entworfen, wobei Schlempe mit Rindergülle für die Biogasproduktion, der daraus resultierende Gärrest dann als Inputstoff für die MBZ dienen soll. Im Vergleich zu anaerobem Klärschlamm liefert die Verwendung von Rindergülle als Impfschlamm bei der anaeroben Vergärung in Biogasanlagen höhere Biogas- und Methanerträge. Aufgrund des hohen Stickstoffgehaltes, einer höheren Leitfähigkeit und dem optimalen Puffervermögen weist die Biogasproduktion aus Agaven-Schlempe unter Verwendung von Rindergülle auf ein Gleichgewicht zwischen den Kohlenstoffquellen und dem Ammonium/Ammoniak (NH4+/NH3) Verhältnis hin. Die Verwendung von Klärschlamm als Impfschlamm hingegen bewirkt nur einen unvollständigen bakteriellen Stoffwechsel. Der Bioreaktor mit Biofilm liefert 40 % mehr Biogas- und 70 % mehr Methanertrag als ohne. Die flüchtigen organischen Säuren (FOS) werden erfolgreich in Methan umgewandelt, wobei keine FOS-Ablagerung zu finden ist. Beim Reaktor ohne Biofilm stellt die FOS-Ablagerung ein Problem für die Bakterien dar und behindert deren Stoffwechselaktivitäten. Durch die Biofilmverwendung kann das unausgewogene Verhältnis zwischen Kohlenstoffquellen (in Form von CSB) und Stickstoffquellen (N) angepasst werden. Zusätzlich sinkt der Schwefelwasserstoffgehalt (H2S) im Biogas aus dem Bioreaktor mit Biofilm um bis zu 20 %. Sulfid-oxidierende Bakterien sammeln sich sehr wahrscheinlich im Biofilm an, so dass eine bessere Umwandlung von Biomasse in Methan möglich wird. Das optimale S:I-Verhältnis für Batchversuche wird anhand einer mathematischen Modellierung beschrieben. Sowohl bei anaerobem Klärschlamm als auch bei der Verwendung von Rindergülle als Impfschlamm wird ein S:I-Verhältnis von 0,3 angestrebt, welches der höchsten spezifischen Wachstumsrate entspricht. Bei zu hohem Anteil an organischer Substanz im Substrat (hohe S:I-Verhältnisse), wird der Abbau verzögert. Eine Erhöhung der Leistungsausbeute mit erhöhtem CSB-Gehalt von 6 g/l bei den Batchversuchen und 14 g/l bei den kontinuierlichen Versuchen ist bei Einsatz der MBZ zu erreichen. Höhere CSB-Gehalte verursachen jedoch eine Hemmung der Spannungserzeugung. Der Innenwiderstand in der MBZ steigt, wenn der Elektrolyt viele kolloidale Partikeln aufweist, wie im Fall der Mezcal-Schlempe. Gleichzeitigt sinken die Elektronen- und Protonentransferprozesse. Eine höhere Biogasausbeute wird durch einen höheren CSB-Gehalt erzielt, allerdings sinkt die Spannungserzeugung. Ein niedriger CSB-Gehalt ergibt höhere Spannungswerte, wobei die Biogasausbeute abnimmt. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass eine Erhöhung der Biogas- und Methanausbeute möglich ist, und eine Spannungserzeugung in einer MBZ erreicht werden kann. Durch die Verwendung der Mezcal-Schlempe für die Biogaserzeugung wird eine Alternative zu deren Entsorgung geschaffen und gleichzeitig ein Beitrag im Rahmen der erneuerbaren Energien geleistet.