​Umwelt & Energie

Die Arbeitsgruppe Umwelt & Energie befasst sich mit den aktuellen wissenschaftlichen Fragestellungen im Bereich Biogas, biologische Energiesysteme, der Abbau von Schadstoffen in der Umwelt sowie die Eintragsvektoren von Mikroplastik in die Umwelt. 

Biogas

Biogas, eine Mischung aus CH₄ und CO₂, könnte eine wichtige Rolle bei der Versorgung unserer Gesellschaft mit regenerativer Energie spielen. Biogas wird von Konsortien aus streng anaeroben Bakterien, Biomasse und biologischen Abfallartefakten erzeugt. Trotz ihrer offensichtlichen Bedeutung ist die Mikrobiologie in solchen Biogasanlagen bisher nur unzureichend verstanden worden. Fast alle Daten wurden im Rahmen von Kurzzeitlaborexperimenten unter standardisierten Bedingungen erhoben, die nur annähernd den technischen Bedingungen entsprachen. Dies macht es sehr schwierig vorherzusagen, wie die Biogaserzeugung auf sich ändernde Prozessparameter reagieren wird.

Mikrobielle Brennstoffzelle

Der Stoffwechsel von Bakterien wird durch Elektronentransfer auf chemische Akzeptoren gesteuert. Einige Bakterien sind jedoch in der Lage, die freigesetzten Elektronen während des Metabolismus auf einen externen Akzeptor, beispielsweise eine Elektrode, zu übertragen. Diese Fähigkeit wird in der mikrobiellen Brennstoffzelle (MBZ) verwendet. Mit einer MBZ kann elektrischer Strom erzeugt werden, wenn anodenseitig eine mikrobiell katalysierte Abgabe von Elektronen und eine anschließende Elektronenaufnahme an der Kathode erfolgt. Daher bestehen die mikrobiellen Brennstoffzellen im Wesentlichen aus drei Teilen: einer biologischen Zelle, einer chemischen Zelle und einer kationenselektiven Membran.

Wasseraufbereitung

Kläranlagen leisten einen unersetzlichen Beitrag zur Reinigung von kommunalem und häuslichem Abwasser. Die Hauptverunreinigungen in diesen Abwässern sind organisch. Moderne mehrstufige Kläranlagen enthalten daher immer eine biologische Reinigungsstufe, in der Mikroorganismen solche Verunreinigungen metabolisieren. Die biologische Ebene imitiert die natürliche Selbstreinigung von Gewässern. Die große Herausforderung in der biologischen Aufbereitungsphase ist die Intensivierung des natürlichen Reinigungsprozesses. Dazu müssen zum einen viele aktive Mikroorganismen im System vorhanden sein, zum anderen müssen sie optimal mit Sauerstoff versorgt werden.

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ZET - Zentrum für Energietechnik

Als einer von neun Lehrstühlen, der Fakultät für Ingenieurswissenschaften, ist der Lehrstuhl Bioprozesstechnik im ZET engagiert. Dieser Zusammenschluss ermöglicht breite Forschungsspektren abzudecken und somit zukunftsweisende Themen wie Sektorenkopplung, energieautarke Gebäude oder die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung besonders intensiv und interdisziplinär zu erforschen. Im Fokus des Lehrstuhls Bioprozesstechnik stehen vor allem Biogas- und Kompostieranlagen, die mikrobielle Brennstoffzelle, sowie der Themenschwerpunkt Wasseraufbereitung. Durch die langjährige Erfahrung des LS Bioprozesstechnik in den Bereichen biologische Umwelt- und Verfahrenstechnik, sowie der  damit agierenden mikrobiellen Gemeinschaften kann ein breites und zukunfträchtiges Forschungsfeld in den ZET miteingebracht werden. Weiterführende Informationen finden Sie hier.

Skalierung des Prozesses der anaeroben Vergärung: Aspekte der Skalierung, Prozessstabilität und Wirksamkeit

Der Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Bestimmung der Einflüsse der Fermentergröße auf die Prozessstabilität und -wirksamkeit. Es gibt eine große Menge von Daten, die in verschiedenen Maßstäben gewonnen wurden, und die Frage in diesem Promotionsprojekt ist, wie eine erfolgreiche Verkleinerung des Prozesses sichergestellt werden kann, mit der mögliche Änderungen während industrieller Prozesse beschrieben und vorhergesagt werden können. Weitere Fragen sind, wie sich die mikrobielle Population in unterschiedlich großen Fermentern mit der Zeit verändert und ob die Population in größeren Reaktoren stabiler ist.
Ziel des Themas ist es, skalierungsrelevante Parameter (physikalisch, chemisch sowie biologisch) zu identifizieren. Der Prozess des anaeroben Aufschlusses wird in Laborreaktoren unterschiedlicher Größe im diskontinuierlichen und kontinuierlichen Modus durchgeführt. Skalierungsrelevante Gleichungen werden abgeleitet und mit externen Daten aus Industrieanlagen und im Labormaßstab erhaltenen Ergebnissen gekoppelt.

ZET-Reallabor Energiezukunft Wunsiedel

Ziel des Projektes ist es eine der größten deutschen Power-to-Gas (PtG) Anlagen zu verwirklichen. Dabei soll H₂ mittels Wasserelektrolyse gewonnen werden – aus Stromüberschüssen von erneuerbaren Energien. Bei der Elektrolyse fällt neben H₂ auch O₂ an – beide Stoffe lassen sich, im Gegensatz zu Strom relativ verlustfrei speichern. Um die Elektrolyse wirtschaftlich attraktiv zu gestalten, muss, neben dem H₂, auch O₂ sinnvoll genutzt werden. Der Lehrstuhl Bioprozesstechnik untersucht im Rahmen dieses Projektes die Optimierung der biologischen Stufe einer Kläranlage (Belebtschlammbecken) durch den gezielten Eintrag des Sauerstoffes aus der Elektrolyse. Da derzeit Druckluft genutzt wird und O₂ ein limitierender Faktor bei der Abwassereinigung darstellt, sollte durch die Erhöhung des Sauerstoffpartialdruckes auch die Abbaurate von Schmutzstoffen erhöht werden. Hierbei soll vor allem das mikrobielle Gleichgewicht, welches insbesondere für einen stabilen Prozess wesentlich ist, untersucht werden. Hierbei wird der Fokus auf die mikrobielle Zusammensetzung, die metabolischen Netzwerke und den Abbau bestimmter Schmutzstoffe gerichtet.

Forschungspartner:

• Lehrstuhl für Technische Thermodynamik und Transportprozesse, Prof. Brüggemann, Universität Bayreuth
• Lehrstuhl für Chemische Verfahrenstechnik, Prof. Jess, Universität Bayreuth
• Lehrstuhl Elektrische Energiesysteme, Prof. Danzer, Universität Bayreuth
• SWW Wunsiedel
  
• WUN H2 GmbH

Förderung:

Oberfrankenstiftung

Siemens

ENEGÜLL: Innovationsprojekt "Gülleaufbereitung zur landwirtschaftlichen Erzeugung nährstoffoptimierter Düngemittel und zur Verringerung des Einsatzes Nachwachsender Rohstoffen in Biogasanlagen"

Die Intensivierung der Landwirtschaft hat in vielen Regionen zu Nährstoffüberschüssen im Boden und zur Nährstoffanreicherung im Grundwasser geführt. Als Konsequenz schränkt die neue Düngeverordnung die Nutzung von organischen Düngemitteln stark ein. Die Nutzung von organischen Düngemitteln wird aber auch durch die stark schwankende Zusammensetzung der Nährstoffe erschwert, die zudem vom Bedarf der Pflanzen abweicht. Ziel des von der EU im Rahmen einer Innovationspartnerschaft (EIP Agrar) geförderten Projektes ist es durch Aufbereitung Substrate wie Gülle und Mist vermehrt für die Biogaserzeugung einzusetzen und so die Nutzung - und damit den Anbau - von Energiepflanzen wie Mais zu reduzieren und gleichzeitig  konzentrierte Düngemittel mit definierter Nährstoffzusammensetzung zu erzeugen. Der Lehrstuhl für Bioprozesstechnik bearbeitet in diesem Projket das zentrale Arbeitspaket "Bewertung des Gasertrages und des biologischen Verhaltens der aufbereiteten Substrate im Biogasprozess". Hierzu werden die beteiligten Biogasanlagen mikrobiologisch charakterisiert und die Ergebnisse in Korrelation zu den dokumntierten Gaserträgen/Prozessparameter(Anlagetagebüchern) und zur bislang erreichten Effizienz der Vergärung gebracht. Zusätzlich werden systematische Gärversuche (Satellitenexperimente) am Lehrstuhl durchgeführt. Ziel ist es die Auswirkungen der geänderten Substratzusammensetzung auf Biogasertrag und -qualität, aber auch auf die Zusammensetzung der Gärreste zu dokumentieren und so eine optimale Substratzusammensetzug zu definieren.

Forschungspartner:
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• ​LandBeratung Mitte GmbH (Lead)
• Institut für Landwritschaftliche Verfahrenstechnik, Prof. Hartung, Universität Kiel 
• Bioenergie Gettorf GmbH & Co. KG, Tüttendorf
• Lorenzen Biogas GmbH & Co. KG, Schafflund
• Terrawater GmbH, Kiel
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Förderung:

Ministerium für Energiewende, Landwirtschaft, Umwelt, Natur und Digitalisierung, Schleswig-Holstein: Zuwendung aus Mitteln der EU im Rahmen des Landesprogramms ländlicher Raum (LPLR) Schleswig-Holstein (Maßnahme 16.1 "EIP-landwirtschaftiche Produktion und Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft")

Optimierung von Boden- Mikrobiellen Brennstoffzellen für eine stabile Stromerzeugung und Bioremediation

Diese Studie zielt darauf ab, die Boden-MBZ für eine stabile Leistungsdichte und Bioremediation von mit Erdölkohlenwasserstoff (PAK) kontaminiertem Boden zu optimieren. Das Experiment soll die Auswirkungen von Variablen wie Elektrodenabstand, Behandlungs-intervall mit Substrat und Elektrodentypen auf die MBZ-Ausgangsleistung und die Verluste in den MBZ-Systemen untersuchen. Von besonderem Interesse ist die Rolle des Urins bei der Stabilisierung der Leistungsabgabe der MBZ. Außerdem werden die Wechselwirkungen dieser Variablen auf ihren verschiedenen Ebenen und ihre Behandlungseffekte auf die MBZ-Leistung in Bezug auf Stromerzeugung, Innenwiderstände und PAK-Sanierung untersucht. Die Ergebnisse dieser Forschung werden verwendet, um die Ausgabe der MBZs für die Vorhersage ihrer Antworten auf die ausgewählten Eingabevariablen zu modellieren.

Förderung:

Deutscher Akademischer Austauschdienst

Entwicklung eines Intensiv-Nitrifikationsmoduls 

Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung und Herstellung eines Intensiv-Nitrifikationsmoduls. Dieses Modul ermöglicht die Durchführung eines neuartigen biologischen Reinigungsverfahrens, insbesondere für solche Abwässer, die aufgrund einer ungünstigen Zusammensetzung der Abfallfrachten nicht oder nur unzureichend durch die natürliche Mikrobiologie aufbereitet werden können.
Die Methode basiert auf der Entkopplung der Stoffwechselleistung, sodass diese bei Bedarf und unabhängig vom weiteren Klärungsprozess integriert werden kann. Dies beruht auf der Einbettung spezifisch metabolisch aktiver Mikroorganismen in eine angepasste Polymermatrix in Form von Fasern. Dadurch werden die aktiven Mikroorganismen stabil fixiert. In der Matrix werden sie optimal mit Nährstoffen versorgt, sind aber vor rauen Umwelteinflüssen wie hohen Salzfrachten geschützt.

Forschungspartner:
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• PPU Umwelttechnik GmbH, Bayreuth
• MAILINGER innovative fiber solutions GmbH, Scheuerfeld
• FIBRE Faserinstitut Bremen e.V., Bremen

Förderung:

Projekt BioComps
ZIM- Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand 
gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

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BabbA - Biologisch abbaubare Beutel in der Bioabfallverwertung: Potential zur Verdrängung konventioneller Plastikbeutel, Abbau in der Anlage, Umweltrelevanz

In diesem Projekt soll der Einsatz von bioabbaubaren Kunststoffen untersucht werden. Die Abfall- und Entsorgungswirtschaft in Deutschland steht beim Thema Bioabfall vor einer großen Herausforderung: Einerseits soll ein möglichst reiner, also mit wenig Fremdstoffen (z.B. Plastik) verunreinigter Bioabfall gesammelt werden, andererseits soll sie die Menge des insgesamt gesammelten Bioabfalls steigern, da weiterhin zu viele Bioabfälle über den Restmüll entsorgt werden. Der Einsatz von kompostierbaren Kunststoffen könnte ein möglicher Lösungsansatz sein. In diesem Projekt wird der Lehrstuhl Bioprozesstechnik das Abbauverhalten der kompostierbaren Beutel in Praxis- und Laborversuchen untersuchen. Des Weiteren wird die Einstellung der Bevölkerung zu den Sammelmedien zu Beginn, sowie während und am Ende des Projektes erfragt, um das in den Praxisstudien tatsächlich beobachtete Sammelverhalten mit der subjektiven Wahrnehmung der involvierten Haushalte abzugleichen.

Link zur Homepage des BabbA-Projektes: www.projekt-babba.de

Forschungspartner:

• Lehrstuhl für Tierökologie I, Prof. Laforsch, Universität Bayreuth
• Fraunhofer Institut für Chemische Technologie (ICT), AG Dr. Forberger, Karlsruhe
• Institut für Bodenkunde und Standortslehre (IBS), Prof. Kandeler, Universität Hohenheim
• BEM Umweltservice GmbH, Ludwigsburg

Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg (BWPLUS Baden-Württemberg Programm Lebensgrundlage Umwelt und ihre Sicherung), Projektträger Karlsruhe PTKA-BWP

MiKoBo: Mikrokunststoffe in Komposten und Gärprodukten aus Bioabfallverwertungsanlagen und deren Eintrag in Böden - Erfassen, Bewerten, Vermeiden

MiKoBo betrachtet das vergleichsweise wenig erforschte Umweltsystem Boden. Ein bekannter Eintragsvektor für Mikrokunststoffe (MKS) in Böden war in er Vergangenheit Klärschlamm, der heutzutage in Deutschland aber kaum noch ausgebracht wird. Bislang kaum erfasst ist dagegen die mögliche Belastung der Böden durch MKS in organischen Düngern. In Deutschland werden Bioabfälle getrennt gesammelt und stofflich bzw. stofflich-energetisch verwertet. Die Komposte und Gärreste aus den Bioabfallverwertungsanlagen sind wertvolle organische Dünger. Gleichzeitig finden sich im Bioabfall immer auch Kunststoffverunreinigungen, vor allem Plastiktüten. In MiKoBo, soll abgeschätzt werden, inwieweit organische Dünger aus Bioabfallverwertungsanlagen zur MKS-Belastung von Böden beitragen. Hier ist eine sehr sorgfältige Abwägung notwendig, da der potentielle Nutzen des Düngers deutlich höher als ein möglicher Schaden durch die MKS-Belastung sein kann. Hierzu wird zunächst die gesamte Prozesskette vom Bioabfall über die technische Anlage bis zur Kompostnachbehandlung in Anhängigkeit von verfahrenstechnischen und mikrobiologischen Parametern erfasst. Besondere Aufmerksamkeit wird biologisch abbaubaren Kunststoffen gewidmet, die eventuell eine Teillösung für die Problematik darstellen. Die Ergebnisse der technischen Anlagen werden in Satellitenanlagen mit standardisierten MKS verifiziert und sollen in Handlungsempfehlungen für Politik und Gesetzgebung einfließen.

Forschungspartner:
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• ​Lehrstuhl für Tierökologie I, Prof. Laforsch, Universität Bayreuth
• Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft (ISWA), Prof. Kranert, Universität Stuttgart
• Institut für Kunststofftechnik (IKT), Prof. Bonten, Universität Stuttgart 
• Institut für Bodenmaterialien und biomolekulare Systeme (IBBS), Prof. Weiss, Universität Stuttgart 
• Institut für Bodenkunde und Standortslehre (IBS), Prof. Kandeler, Universität Hohenheim
• Fraunhofer Institut für Chemische Technologie (ICT), AG Dr. Forberger, Karlsruhe
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Förderung:

Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg (BWPLUS Baden-Württemberg Programm Lebensgrundlage Umwelt und ihre Sicherung), Projektträger Karlsruhe PTKA-BWP