Forschung & Projekte

  • Arbeitsgruppe Bioprozesstechnik

Arbeitsgruppe Bioprozesstechnik

Die Ansprüche an die Lebensqualität steigen, zugleich werden Ressourcen knapper. Biotechnische Prozesse spielen daher eine zentrale und immer wichtigere Rolle. Vor allem, wenn es um das nachhaltige Produzieren und Herstellen, aber auch das Verwerten von Rückständen oder Nebenprodukten geht.

Zentrale Arbeits- und Forschungsschwerpunkte der Arbeitsgruppe Bioverfahrenstechnik und Bioprozesstechnik sind daher:
•    Bioprozessoptimierung
•    Biotechnologische Nutzung von organischen Reststoffen
•    Biogasprozesse

Beratung und Service

Für Kunden wie Biogasanlagenbetreiber, Landwirte, Energieversorger, Unternehmen mit biogenen Reststoffen, kommunale Betriebe, Abfallwirtschaftsbetriebe oder Kläranlagenbetreiber bietet die Arbeitsgruppe Biomasse Laboruntersuchungen sowie anwendungsorientierte und praxisnahe Beratungsleistungen an.

Ein stabiler und effizienter Gärprozess ist die Voraussetzung für den wirtschaftlichen Betrieb einer Anlage. Im modern ausgestatteten Labor bieten die Experten der Arbeitsgruppe Biomasse Analysen und Serviceleistungen an, die bei der Prozessüberwachung und Optimierung der Biogasproduktion unterstützen.

Laborservice

  • Analyse der leicht flüchtigen Säuren im Verhältnis zur Pufferkapazität (FOS / TAC)
  • pH-Wert
  • Trockensubstanz (TS)
  • Organische Trockensubstanz (oTS)
  • Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt (TC, TOC, TN)
  • Brennwertbestimmung
  • Gärversuche (Gärtest nach VDI Richtlinie 4630 als Doppel- oder Dreifachbestimmung)
  • Gasanalysen (CH4, CO2, H2S, O2)

Wissenschaftliche Versuchsbegleitung

  • Betreuung von Versuchen zur Prozessoptimierung
  • Beratungen bei problematischen Biogassubstraten

 

Gärtest nach VDI Richtlinie 4630 als Doppel- oder Dreifachbestimmung

In Anlehnung an die VDI Richtlinie 4630 wurde an der Hochschule Offenburg ein automatisierter Gärteststand entwickelt, mit dem sehr genaue Analysen des Gasertrags einzelner Substrate möglich sind. Es können im Batchbetrieb die Gaserträge und die Gaszusammensetzungen aus Reaktoren gemessen werden.

Mit dem einzigartigen Gärteststand und dank ihrer langjährigen Forschungserfahrung in diesem Bereich können die Mitarbeiter der Arbeitsgruppe Biomasse qualitativ hochwertige Berichte erstellen

Grundlagen der hohen Qualität unserer Analysen sind:

  • Genaue Messung des Gasvolumens und der Gaszusammensetzung durch ein direktes Messverfahren
     
  • Realitätsnahe Analyse des Gasbildungspotentials durch das Vergären unzerkleinerter Substrate in großen 2-Liter-Reaktoren
     
  • Erkennen von gehemmtem Gasentwicklungsverhalten durch eine hohe Auflösung in Bereichen mit hohen Gasbildungsraten
     
  • Absicherung der Messergebnisse durch parallellaufende Referenzmessungen
     
  • Vergleiche mit den Ergebnissen von zahlreichen Analysen erlauben eine sichere Beurteilung der Ergebnisse

Bei der Vergärung von organischen Stoffen in Biogasanlagen entsteht Biogas. Um den Biogasertrag für Substrate (organische Flüssigkeiten und Feststoffe) zu ermitteln wird meist ein Batch-Gärtest nach VDI 4630 und DIN 38414-8 durchgeführt. Bei dieser häufig manuell durchgeführten Untersuchung ist ein hoher Arbeitsaufwand erforderlich. Um den Personalaufwand zu minimieren hat die Arbeitsgruppe Biomasse der Hochschule Offenburg in Kooperation mit der badenova AG & Co. KG einen automatisierten Gärteststand realisiert.

Durch die von den Spezialisten der Arbeitsgruppe Biomasse entwickelte Prozessführung sind hoch präzise Analysen möglich. Der Gärteststand läuft seit 6 Jahren stabil und verfügt über 14 Messstände (Gärgefäße) und einen separaten Anschluss am Gasanalysegerät für zusätzliche manuelle Gasanalysen. Je nach Kundenwunsch kann die Anzahl der Messstände angepasst werden.

Für die Messung werden in die 2 Liter-Gärgefäße die zu untersuchende Biomasse (Substrat) und der Impfschlamm (Inokulum) eingewogen. Vor dem Start des automatisierten Analysebetriebs wird mit Stickstoff der Restsauerstoff aus dem Gäransatz verdrängt und eine anaerobe Umgebung geschaffen. Während der gesamten Messdauer können die Gärgefäße über ein Wasserbad gleichbleibend (mesophil wie auch thermophil) temperiert werden. Dabei sorgt ein Ankerrührer für eine schonende Durchmischung des Reaktorinhalts. Das aufsteigende Biogas verdrängt die Sperrflüssigkeit und sammelt sich im Eudiometerrohr. Sobald sich in einem der Eudiometerrohre eine definierte Menge an Biogas gesammelt hat, wird diese zur Bestimmung der Gasqualität automatisch zum Gasanalysegerät geleitet.

Im Gasanalysegerät wird der Gasanteil von Methan (CH4) und Kohlenstoffdioxid (CO2) gemessen. Über die speziell entwickelte Betriebssoftware werden die aktuellen Biogaskurvenverläufe aller Messstände auf einer graphischen Oberfläche angezeigt.

Der automatisierte Gärteststand wurde konzipiert, um eine hohe Analysequalität zu erreichen bei möglichst geringen Kosten. Mit Hilfe der speziell entwickelten Prozessführung können trotz hochwertiger Messtechnik die Anschaffungs-, Instandhaltungs- und Personalkosten gering gehalten werden.

Der neue Gärteststand ermöglicht exakte und aussagekräftige Analysen:

  • Große Gärgefäße (2 Liter) ermöglichen die Untersuchung unzerkleinerter und inhomogener Proben. Dadurch wird das Gärverhalten realitätsnah nachgebildet.
  • Durch eine hohe Auflösung im Bereich hoher Gasbildungsraten werden Hemmungsvorgänge sicher erkannt.
  • Eine hohe Analysenqualität wird zum einen durch die direkte Messung des gesamten Biogasvolumens und zum anderen durch die Analyse der Gaszusammensetzung des gesamten Biogases erreicht. Dabei erfolgt bei jeder Gasvolumenmessung simultan die Analyse der Gaszusammensetzung auf Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2).

Der an der Hochschule Offenburg entwickelte Gärteststand verfügt über eine USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) und einen Druckluftspeicher. Damit werden Störungen wie z.B. Spannungsschwankungen kompensiert und ein Messdatenverlust verhindert. Durch diese Komponenten wird eine Wiederholung von Messungen mit einer Analysezeit von bis zu vier Wochen vermieden.

Niedrige Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten:

  • Die Anlagentechnik ermöglicht automatisiertes Messen des Biogases ohne Personaleinsatz während des gesamten Gärprozesses (Volumen, Gaszusammensetzung).
  • Personaleinsatz ist nur für die Vor- und Nachbereitungstätigkeiten notwendig.
  • Vereinfachte Berichterstellung, da die Messdaten per Knopfdruck über ein Excel Programm ausgewertet werden.
  • Eine aufwendige Probenvorbereitung (z.B. Homogenisierung/Zerkleinern) entfällt aufgrund der großen Gärgefäße (2 Liter).
  • Geringe Wartungskosten durch eigens entwickelte Quetschventile.
  • Antrieb von 14 Ankerrührern über nur zwei Elektromotore.
  • Preisgünstige Gasvolumenmessung über Eudiometerrohre.
  • Ein Gasanalysegerät analysiert die Gaszusammensetzung aller installierten Gärgefäße (geringe Kalibrier-und Wartungskosten).

Die Umsetzung von organischen Substraten zu Biogas kann durch verschiedene Maßnahmen beeinflusst werden:

  • Mischung biogener Einsatzstoffe/Substrate zur Optimierung

  • Unterschiedliche Temperaturen im Fermenter (mesophil, thermophil)

  • Mechanische oder thermische Vorbehandlung der Substrate

  • Rückführung von mechanisch oder thermisch behandelten Gärresten

Abfallreststoffen und Abwässer aus zum Beispiel der Lebensmittelindustrie können vergleichsweise hohe Konzentrationen an leicht vergärbaren Inhaltsstoffen enthalten. Versäuerung und Ertragsminderung bis zum biologischen „Umkippen“ der Biogasanlage können die Folge einer ausschließlichen Fütterung dieser industriellen Reststoffe sein.

Ebenso können manche Biogassubstrate Substanzen enthalten, die die biologische Aktivität negativ beeinflussen. Diese als Inhibitoren bezeichneten Stoffe führen gleichermaßen zur Ertragsminderung oder Verzögerungen der Biogasbildung.

In beiden Fällen kann die Zugabe von anorganischen Zuschlagstoffen in geringen Konzentrationen Abhilfe schaffen.

In unseren Laboren bieten wir Ihnen deshalb an:

  • Orientierende Untersuchung Ihres Biogassubstrats im Batchversuch
    (ohne Zusatz von anorganischen Zuschlagstoffen)
     
  • Wirkung verschiedener anorganischer Zuschlagstoffe auf den Gärverlauf
    (Gärgeschwindigkeit und Gärausbeute) im Batchversuch
     
  • Auswertung und Beratung auf Basis der Versuchsergebnisse

Forschungsprojekte

Industry on Campus – Entwicklung und Optimierung von Energieprozessketten nachwachsenden Rohstoffen – insbesondere bei Biogasanlagen; Land BW, Aktenzeichen 32-04HV.1223-907.1(16)/1/2 Projektkoordination und Teilprojektleitung: A. Wilke; Laufzeit: 1.10.2011- 31.03.2017

Anorganische Zuschlagstoffe in Biogasanlagen; Innovationsfonds Klima und Wasserschutz; Projekt-Nr.: 2015-11; Projektleitung: A. Wilke; Laufzeit: 2015-2018

EBIPREP – Effiziente Nutzung von Biomasse zur schadstoffarmen Erzeugung Erneuerbarer Energie und biotechnologischer Wertstoffe; INTERREG Projekt Nr. 2386/3.6; Projektkoordination und Teilprojektleitung: A. Wilke; Laufzeit: 2017- 2021

Pflanzenkohle zur Steigerung des Methanertrags in Biogasanlagen, DBU-Projekt Projekt-Nr.: 34932/01; Projektkoordination Carbuna AG Memmingen, Teilprojektleitung: A. Wilke; Laufzeit; 2019-2021

Biowaste to Product (BW2Pro); EFRE Bioökonomie des Ministeriums für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg über die Förderung von Bioraffinerien zur Gewinnung von Rohstoffen aus Abfall und Abwasser - Bio-Ab-Cycling; Teilprojektleitung: A. Wilke und T. Eisele; Laufzeit 1.3.22-31.3.2024

Growth performance, chemical composition and valorisation of residues of yellow  mealworm fed with pretreated lignocellulosic biomasses (2Gen Bug); DFG OPUS 20 call; Projektleitung auf deutscher Seite: T. Eisele; Teilprojektleitung: T. Eisele und A. Wilke; Laufzeit 05.2022 - 04.2024

Publikationen und Vorträge

Wilke, A.; Stahl, K.; Assawajaruwan, S.; Litterst, K. (2014); “Induzierte Cellulasproduktion zur Steigerung der Biogasproduktion”; Chemie Ingenieur Technik (CIT); 86 (9), pp 1389

Wilke, Andreas, 2017. Trinationale Forschung - Erfolgreiche Projekte am Oberrhein. Campus - Das Magazin der Hochschule Offenburg. Sommer 2017

Jochum, J.; Wilke, A., 2017. Grenzüberschreitendes Projekt EBIPREP - Nutzung von Biomasse zur Erzeugung erneuerbarer Energie und biotechnologischer Wertstoffe. Vortrag auf dem Campus Offenburg. 14.12.2017   

Wybraniec, P; Wilke, A., 2018. Holzpresssaft Abfall oder Wertstoff? Chem. Ing. Tech. 2018, 90, No.9, 1135-1186

Jochum, J.; Wilke, A., 2018. Efficient Use of Biomass for low Emission Production of Renewable Energy and biotechnological valuable Products – An Overview. Vortrag auf dem EBIPREP Workshop, UAS Offenburg. 25.10.2018

Wilke, A.; Wybraniec, P., 2018. Wood Juice – Valuable resource for the production biotechnological products. Vortrag auf dem EBIPREP Workshop, UAS Offenburg. 25.10.2018

Jochum, J.; Turad, S.; Wilke, A., 2018. Intelligent use of Wood Juice in the EBIPREP Concept. Vortrag auf dem EBIPREP Workshop, UAS Offenburg. 25.10.2018

Grafinger, K. E.; Stahl, K.; Wilke, A.; König, S.; Weinmann, W. (2018); “In vitro phase I metabolizm of three phenethylamines 25D-NBOMe, 25E-NBOMe and 25N-NBOMe using microsomal and microbial models”; DOI: 10.1002/dta.2446; Drug Test Anal. 2018; 10; page 1607-1626

Grafinger, K. E.; Wilke, A.; König, S.; Weinmann, W. (2019); “Investigating the ability of the microbial model Cunninghamella elegans for the metabolism of synthetic tryptamines”; Drug testing and analysis. 11(5):721-729; Great Britain: John Wiley & Sons Ltd, 2019.

Tenekam, S.P.; Wilke, A., 2019. Wood Juice as additional substrate in yeast fermentation. Vortrag auf der 32nd VH Yeast Conference in Potsdam. 16.04.2019

Wilke, A., 2019. EBIPREP - Efficient use of biomass for low emission production of renewable energy and biotechnological valuable products. Vortrag auf der EBP6 Conference, Olsztyn, Poland. 24.09.2019

Sandhaas, A., Wilke, A., 2019. Efficient use of Wood Juice for the production of biotechnological valuable products; Vortrag auf der EBP6 Conference, Olsztyn, Poland. 24.09.2019

Tobeyaa Adu, E.; Wilke, A.; Ciesielski, S.; 2019. Polyhydroxyalkanoates (PHAs) Synthesis by Bacillus thuringiensis using Wood Juice as Substrate. Poster at EBP6 Conference, Olsztyn, Poland. 24.09.2019

Ciesielski, S.; Adu, E. O., Mozejko-Ciesielska, J.; Pokoj, T.; Wilke, A.; Wood Juice Valorization through Production of Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) Using Bacillus sp. G8_19.; ACS Sustainable Chemistry & Engineering; 12/20/2021, Vol. 9 Issue 50, p16870-16873 (2021)

Ahmed, U., Pfannstiel, J., Stressler, T., Eisele, T. Purification and characterization of a fungal aspartic peptidase from Trichoderma reesei and its application for food and animal feed protein hydrolyses; Journal of the Science of Food and Agriculture 102(12), pp. 5190-5199 (2022)