Thesis

Hochschule Offenburg
offenburg.university
Bachelor-Thesis
WS 2015/2016
Untersuchung zur biologischen
Wasserstofferzeugung aus Prozessabwasser
der hydrothermalen Karbonisierung (HTC)
Studiengang Verfahrenstechnik
Schwerpunkt Energietechnik
Name: Nicolas Drigalsky
Abgabetermin: 9. April 2016
Betreuer: Dr.-Ing. Andreas Wilke
Ahmed Hussein M.Sc.
Hinneburg GmbH

Danksagung
Meinen Dank möchte ich allen Personen aussprechen, die diese Arbeit möglich
gemacht haben. Vor allem möchte ich mich bei Dr.-Ing. Andreas Wilke bedanken. Er
hat es immer geschafft, mir neue Wege und Möglichkeiten zu zeigen, wenn mir Ideen
gefehlt haben. Mit seiner direkten und herzlichen Art, hat er mir viel beibringen
können und mich auch in schwierigen Zeiten auf den rechten Pfad zurück gebracht.
Ebenfalls will ich Herrn Ahmed Hussein M.Sc. meinen Dank aussprechen. Er stand
bei Fragen immer zur Verfügung und konnte selbst bei schwierigen Fragestellungen
helfen und meine Gedanken in eine andere Richtung lenken.
Außerdem möchte ich Herrn Uwe Hinneburg danken, der mich zu dieser Arbeit
geführt hat und stets großes Interesse und Enthusiasmus für das Thema gezeigt hat,
wodurch ich neue Motivation erhalten konnte.
Diese Arbeit wäre nicht möglich gewesen ohne die Unterstützung von Katja Stahl
M.Sc. und Dipl.-Ing. Almut Henninger. Beide waren immer Bereit Fragen zu
beantworten und gaben wertvolle Tipps für die Arbeit im Labor.
Zuletzt möchte ich meinen Freunden und meiner Familie danken. Sie haben mich
über die Zeit der Arbeit stets Unterstützt und immer an mich geglaubt.
Vielen Dank!

“SUCCESS IS THE ABILITY
TO GO FROM FAILURE TO FAILURE
WITHOUT LOSING YOUR
ENTHUSIASM”
(Anonymous)

Zusammenfassung
Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Gasproduktion aus Prozesswasser der
hydrothermalen Karbonisierung von Bioabfällen. Im Gegensatz zu anderen Arbeiten
wurde das Ziel verfolgt Wasserstoff zu gewinnen und die Methanproduktion zu
unterdrücken. Versuche mit einem wärmebahandeltem Inokulum blieben
Ergebnislos. Für weitere Versuche wurde auf die Wärmebehandlung verzichtet und
nur eine Prozesstemperatur von 60 °C eingestellt.
Das Prozesswasser wurde unverdünnte und 5-fach verdünnt eingesetzt. Aus diesen
Versuchen konnten Gaserträge festgestellt werden. Dabei wird die Methanproduktion
aber nicht unterdrückt. Insgesamt wurden aus dem unverdünnten Prozesswasser
125 NL CH4 kg-1
oTS hergestellt. Die Verdünnung hat einen Mehrertrag erbracht,
dieser beläuft sich auf 177 NL CH4 kg-1
oTS.
Die Temperatur als einziger Einstellparameter hat sich als nicht ausreichend
herausgestellt. Wasserstoff konnte erst produziert werden, wenn
Zuckerrübenmelasse als Co-Substrat verwendet wurde. Durch diesen Einsatz sank
der pH-Wert und die Methanproduktion konnte komplett unterdrückt werden.
Abstract
The following study examines the potential of process liquor from hydrothermal
carbonization of bio wastes to produce hydrogen gas in an anaerobic fermentation
process. In comparison to other studies, the aim was not to produce methane, but
hydrogen instead. For suppression of methanogenic Bacteria, heat treatment of
digested sludge was considered a possibility.
Experiments carried out with heat treated sludge yield no results. No gas production
was observable.
Heat-treatment wasn’t used in further experiments. A temperature of 60 °C was set
as the sole condition to suppress methanogenic activity. The process liquor was used
diluted and in pure form. Additionally, molasses was used in some experiments as a
co-substrate.
The results show, that no hydrogen was produced from process liquor without the
use of molasses. Methanogenic activity was not suppressed, by only using a
temperature of 60 °C. Methane was produced with yields ranging from
125 NL CH4 kg-1
VS to 177 NL CH4 kg-1
VS.

Eidesstattliche Erklärung
Hiermit versichere ich eidesstattlich, dass ich die vorliegende Bachelor-Thesis mit
dem Thema
Untersuchung zur biologischen Wasserstofferzeugung aus Prozessabwasser
der hydrothermalen Karbonisierung (HTC)
von mir selbstständig und ohne unerlaubte fremde Hilfe angefertigt worden ist,
insbesondere, dass ich alle Stellen, die wörtlich oder annähernd wörtlich oder dem
Gedanken nach aus Veröffentlichungen, unveröffentlichten Unterlagen und
Gesprächen entnommen worden sind, als solche an den entsprechenden Stellen
innerhalb der Arbeit durch Zitate kenntlich gemacht habe, wobei in den Zitaten
jeweils der Umfang der entnommenen Originalzitate kenntlich gemacht wurde. Die
Arbeit lag in gleicher oder ähnlicher Fassung noch keiner Prüfungsbehörde vor und
wurde bisher nicht veröffentlicht. Ich bin mir bewusst, dass eine falsche Versicherung
rechtliche Folgen haben wird.
Ort, Datum Drigalsky, Nicolas

Inhaltsverzeichnis
i
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis............................................................................................... iii
1 Einleitung............................................................................................................. 1
2 Stand des Wissens.............................................................................................. 2
2.1 Reduzierung von Treibhausgasemissionen................................................... 2
2.2 Hydrothermale Karbonisierung...................................................................... 3
2.2.1 HTC-Biokohle als Bodenverbesserer...................................................... 6
2.2.2 Prozesswasser aus der hydrothermalen Karbonisierung........................ 7
2.3 Energiegewinn aus Prozesswasser............................................................... 8
2.3.1 Biogasproduktion .................................................................................... 8
2.3.2 Photobiologische Wasserstoffproduktion .............................................. 10
2.3.3 Dark Fermentation ................................................................................ 11
3 Motivation.......................................................................................................... 15
4 Material und Methoden...................................................................................... 16
4.1 Analytische Verfahren und Messmethoden ................................................. 16
4.1.1 Bestimmung von CSB........................................................................... 16
4.1.2 Bestimmung von BSB5.......................................................................... 16
4.1.3 Bestimmung von Ammonium-Stickstoff (NH4
+
-N) ................................. 17
4.1.4 Bestimmung von Gesamt-Phosphat ..................................................... 18
4.1.5 Bestimmung von Glucose ..................................................................... 18
4.1.6 Bestimmung von Gesamtkohlenstoff und Gesamtstickstoff .................. 19
4.1.7 Bestimmung der organischen Trockensubstanz ................................... 20
4.2 Analyse der Rohmaterialien ........................................................................ 21
4.2.1 HTC-Prozesswassers ........................................................................... 21
4.2.2 Zuckerrübenmelasse ............................................................................ 21
4.3 Erhöhung der Wasserstoffausbeute durch „Heat Shock Treatment“ von
Inokulum und Substrat .......................................................................................... 22

Inhaltsverzeichnis
ii
4.3.1 Aufbau und Zusammensetzung ............................................................ 22
4.4 Einfluss von Melasse als Co-Substrat der Wasserstoffproduktion aus HTC-
Prozesswasser bei thermophiler Prozesstemperatur............................................ 25
4.4.1 Aufbau und Zusammensetzung der Versuchsreihe .............................. 25
4.4.2 Gasmessung und -analyse ................................................................... 26
4.4.3 Auswertung und Verdünnung der Messproben..................................... 28
5 Ergebnisse ........................................................................................................ 30
5.1 Analytik der verwendeten Stoffe.................................................................. 30
5.2 Erhöhung der Wasserstofferträge mittels „Heat-Shock-Treatment“............. 32
5.3 Möglichkeiten der Nutzung von Prozesswasser zur Wasserstofferzeugung 33
5.3.1 Gaserträge aus der Nutzung von reinem Prozesswasser..................... 33
5.3.2 Co-Fermentierung von Prozesswasser mit Zuckerrübenmelasse......... 38
5.3.3 Einfluss von Melasse auf den biologischen Abbau ............................... 40
6 Diskussion......................................................................................................... 43
6.1 Methanbildungspotential von Prozesswasser.............................................. 43
7 Ausblick............................................................................................................. 45
8 Literaturverzeichnis ........................................................................................... 46

Inhaltsverzeichnis
iii
Abkürzungsverzeichnis
BSB5 Biologischer Sauerstoffbedarf nach 5 Tagen
CSB Chemischer Sauerstoffbedarf
TOC Gesamter organischer Kohlenstoff
TC Gesamtkohlenstoff
DOC Gelöster organischer Kohlenstoff
IC Anorganischer Kohlenstoff
PO4-P Gesamt-Phosphat
NH4-N Ammonium-Stickstoff
TS Trockensubstanz
oTS Organische Trockensubstanz
H2Odest Deionisiertes Wasser
H2O Wasser
H2 Wasserstoff
CH4 Methan
CO2 Kohlendioxid
O2 Sauerstoff
DNS Dinitrosalicylsäure
HTC Hydrothermale Karbonisierung
PW Prozesswasser
EEG Erneuerbare-Energien-Gesetz

Einleitung
1
1 Einleitung
Die Auswirkungen des Klimawandels sind überall bemerkbar und CO2 wird als
Hauptursache genannt. Pflanzen nutzen CO2 zum Wachstum und Aufbau von
Biomasse. Mit der hydrothermalen Karbonisierung besteht eine Technologie die es
ermöglicht aus diesen biologischen Stoffen Biokohle zu machen. Kohlenstoff aus der
Atmosphäre wird in der Kohle gebunden und kann langfristig gespeichert werden.
Der Prozess folgt der natürlichen Inkohlung wie sie bei der Entstehung von Braun-
und Steinkohle stattfindet. Unter hohen Temperaturen und Drücken wird Biomasse
zersetzt und zur Kohle umgebaut. Dieser Vorgang findet in Wasser als
Reaktionsmedium statt. Am Ende der Karbonisierung findet sich die Biomasse in
einem Kohleschlamm wieder. Dieser wird durch verschiedene Technologien
entwässert und die entstandene Biokohle kann unterschiedlich verwendet werden.
Die Biokohle kann energetisch genutzt oder als Bodenverbesserer eingesetzt
werden. Forschungen beschäftigen sich auch damit, auf diesem Weg Aktivkohle
herzustellen. Im Vergleich ist die Energie in der Kohle höher als im
Ausgangssubstrat. Kohle als Bodenverbesserer erhöht das Pflanzenwachstum, die
Fähigkeit Wasser zu speichern und senkt gleichzeitig Lachgasemissionen.
Als Nebenprodukt beim Abpressen der Kohle ein Prozesswasser. Dieses Abwasser
kann nicht ohne weiteres in die Kanalisation eingeleitet werden und muss aufwendig
gereinigt werden. Es hat sich herausgestellt, dass im Prozesswasser Stoffe
enthalten sind, die biologisch abgebaut werden können. Eine Möglichkeit ist der
Biogasprozess, mit der Erzeugung von Methan. Eine Alternative dazu ist die
biologische Erzeugung von Wasserstoff. Wasserstoff ist vielseitig Nutzbar und kann
in weiteren Schritten zu wertvollen Stoffen umgewandelt werden.

Stand des Wissens
2
2 Stand des Wissens
2.1 Reduzierung von Treibhausgasemissionen
Durch die hohen Kosten für Produktion und Fachkräfte in Europa und Nordamerika
verlagern Unternehmen ihr Produktionswerke in Schwellenländer. Dort werden am
Band Waren für Märkte und Firmen auf der ganzen Welt produziert. Die damit
verbesserte finanzielle Situation, führt zur weiteren Expansion von Firmen und der
Bildung ganzer Dörfer und Städte. Dieser Aufschwung ist immer an einen erhöhten
Energieverbrauch gekoppelt, der einfach und vor allem billig gelöst werden soll [1].
Der Ausbau von Kohlekraftwerken führt überall zu einer Erhöhung der
Treibhausgasemissionen. Durch die Nutzung von regenerativen Energiequellen
wurde in den letzten Jahren dieser Problematik entgegengewirkt. Vor allem die
Photovoltaik hat sich durch die einfache und robuste Bauweise als bewährte
regenerative Technologie herausgestellt. Auch der Betrieb von Wind- und
Wasserkraftwerken bewegt eine weitere Abkopplung von den klassischen
Energieträgern wie z.B. Erdöl und Braun- bzw. Steinkohle. Außer bei der
Wasserkraft ist man bei Wind und Sonne aber darauf angewiesen, dass diese zur
Zeit des Energiebedarfs auch verfügbar sind. Speicher für regenerative Energien
sind noch sehr teuer und können die Grundlast nicht ausreichend decken.
Um das Speicherproblem in den Griff zu bekommen, hat sich die Forschung in den
letzten Jahrzehnten um die Entwicklung neuer Technologien gekümmert, die als
Produkt einen gut speicherbaren Energieträger wie Methan erzeugen.
Biogasanlagen sind heute überall auf dem Land zu sehen und produzieren Energie
in Form von Biogas. Sie verwenden überwiegend Energiepflanzen als Substrate,
aber zum Teil auch Reststoffe wie Grünschnitt und Lebensmittelabfälle. Parallel
dazu wurde eine Technologie vom Anfang des 20. Jahrhunderts wieder aufgegriffen,
die hydrothermale Karbonisierung, kurz HTC (vom englischen hydrothermal
Carbonisation). Unter hohen Temperaturen und Drücken wird Biomasse zu Kohle
umgebaut. Der Prozess ist dem natürlich auftretenden Inkohlungsprozess
nachempfunden. Durch die Verwendung von biologischen Reststoffen in der HTC
werden so Biokohlen hergestellt, die energetisch verwendet werden können.
Dadurch schließt sich ein Kreislauf, denn nur das CO2, welches für den Aufbau von

Stand des Wissens
3
Pflanzen verwendet wird, wird später wieder in die Atmosphäre abgegeben. Da die
HTC eine thermo-mechanische Umwandlung von Biomasse ist, kann sie eine große
Substratvielfalt verwenden. Damit können auch Stoffe genutzt werden, die biologisch
nur schlecht oder nicht weiter abbaubar sind [2].
2.2 Hydrothermale Karbonisierung
Durch die hydrothermale Karbonisierung wird Biomasse in Biokohle umgewandelt.
Das Prinzip dieser Umwandlung folgt dem natürlichen Inkohlungsprozess wie er
unter der Erde stattfindet. Abgestorbene Biomasse wird von Mikroorganismen und
einfachen Pilzen zersetzt. Dabei werden zuerst die einfach zersetzbaren
Kohlenhydrate und Proteine verwendet, später dann auch Zellulose und Lignin.
Durch das Absterben weiterer Biomasse bilden sich Überlagerungen und der
Abbauprozess geht vom aeroben ins anaerobe über. Aus der Zellulose und dem
Lignin werden Huminstoffe gebildet. Dieser Vorgang wird auch Vertorfung genannt.
Die Torfschichten werden durch neue Schichten abgesenkt, wodurch sich Druck und
Temperatur erhöhen. Diese geochemischen Faktoren sorgen zuerst für eine
Entwässerung des Torfs und ein Umwandlung zu Weichbraunkohle. Während dieses
Vorgangs spalten sich Kohlendioxid, Methan und sauerstoffhaltige funktionelle
Gruppen ab. Der relative Kohlenstoffanteil in der Kohle steigt. Der
Inkohlungsprozess folgt der Hiltsche’n Regel, nach der die Tiefe den Grad der
Inkohlung bestimmt [3]. Durch den Wasser- und realtiven Kohlenstoffanteil in der
Kohle unterscheidet man Braun- und Steinkohle. Sind die Umgebungsbedingungen
gegeben, läuft der Prozess weiter und es bildet sich Anthrazit und letztlich Graphit.
Anfang des 20. Jahrhunderts wurden große Anstrengungen in die Erforschung des
natürlichen Inkohlungsprozesses gesteckt. Friedrich Bergius erhielt 1931 für seine
Arbeit „Die Entwicklung von chemischen Hochdruckverfahren“ den
Chemienobelpreis. Er hatte die Absicht verfolgt, die Umwandlung von Biomasse zu
Kohle genauer zu verstehen. Nach dem Ende dieser Arbeit hat er sich um die
Erforschung von Hochdruckverfahren zur Gewinnung von Substitutionen fossiler
Energieträger gekümmert. Bergius hat durch seine Arbeit den Grundstein für die
heutige Technologie zur hydrothermalen Karbonisierung (HTC) gelegt. Bei der HTC
wird Biomasse im wässrigen Milieu unter Ausschluss von Sauerstoff in einem
Druckbehälter zur sogenannten Biokohle umgebaut. Damit der Prozess abläuft,
muss die Temperatur und der Druck erhöht werden.

Stand des Wissens
4
Der Begriff der Karbonisierung beschreibt die relative Erhöhung des
Kohlenstoffgehalts in organischen Verbindungen. Diese Umwandlung findet
hauptsächlich durch eine Abspaltung von Wasser statt. Bedingt durch die Nutzung
von Wasser als Reaktionsmedium kann die HTC insbesondere feuchte Biomassen
als Substrate verwenden. Heutige Untersuchungen beschäftigen sich mit der
Nutzung von Reststoffen wie Gärreste oder Klärschlamm [4]. Diese Stoffe haben
einen hohen Wassergehalt und können in der HTC ohne technische Trocknung
umgesetzt werden.
Die Umwandlung von Biomasse zu Kohle geschieht wie bereits beschrieben bei
erhöhten Temperaturen. Diese bewegen sich in einem Bereich von 180°C bis
220 °C. In einem geschlossenen System steigt der Reaktorinnendruck auf ca. 10 bar
bis 25 bar. Das Ausgangsubstrat wird in diesem Bereich für mehrere Stunden
karbonisiert. In dieser Zeit laufen eine Vielzahl von Reaktionen parallel ab. Es
werden organische Säuren abgespalten und Intermediate gebildet. Der genaue
Reaktionsablauf ist durch die Anzahl an Reaktionen noch nicht geklärt. Aktuelle
Forschungen beschäftigen sich mit den grundlegenden Abläufen während der
Karbonisierung und dem Ziel den Prozess besser steuern zu können.
Der Prozess kann in fünf vereinfachte Reaktionsmechanismen eingeteilt werden. Die
Hydrolyse ist eine chemische Reaktion bei der das komplexe Biopolymer mit Wasser
in kleinere Bestandteile zersetzt wird. Kohlenhydrate werden zum Beispiel in
einzelne Zucker und Proteine in Aminosäuren umgewandelt.
Anschließend kommt es zu einer Dehydratisierung. Dabei wird das in der Biomasse
enthaltene Wasser abgespalten. Mit der Decarboxylierung ist beim HTC-Verfahren
die Abspaltung von CO2 aus der Biomasse zu verstehen.
Weiter treten Aromatisierungsreaktionen auf. Durch die ringförmigen chemischen
Verbindungen der Aromaten erhält die Kohle eine gute chemische Stabilität und
charakteristische Struktur. Aufgrund der Bildung reaktionsfähiger Intermediate
kommt es ebenfalls zur Polymerisation.
Karayildirim et al. [5] haben in ihrer Arbeit die Reaktionspfade in einem vereinfachten
Model dargestellt. Kruse et al. [6] haben in einer späteren Arbeit Beeinflussungen
zwischen den Reaktionspfaden feststellen können (Abbildung 2.1). Während Lignin
über eine Feststoff-Feststoff Umwandlung zur HTC-Kohle wird, werden Cellulose
und Hemicellulose über die Polymerisation von gelösten Zwischenprodukten zu
Kohle. Die Struktur des Lignins bleibt bei diesem Vorgang weitestgehend vorhanden

Stand des Wissens
5
und kann später in der Kohle wieder gefunden werden. Bei der Polymerisation bilden
sich kleine Kügelchen. Sie haben im Vergleich zur HTC-Kohle aus Lignin einen
höheren C-Anteil und werden deshalb als „Koks“ bezeichnet. Furfural und HMF
(Hydroxymethylfurfural) sind die Hauptausgangstoffe bei der Polymerisation.
Abbildung 2.1:Vereinfachte Darstellung der Reaktionspfade während der hydrothermalen
Karbonisierung [6].
Die Beeinflussung der Reaktionspfade ist noch nicht genau geklärt. Ein Anhaltspunkt
ist, dass Lignin in der Pflanze als Stukturstoff wirkt in den sich Cellulose und
Hemicellulose einlagern. Wird der Prozess schnell aufgeheizt, kann es zur
Polymerisation der Intermediate auf der Cellulose selber kommen. Dadurch wird der
Reaktionspfad A (Abbildung 2.1) inhibiert [6].

Stand des Wissens
6
Abbildung 2.2: REM-Aufnahmen von karbonisierter Cellulose bei a) 180 °C und 17h und b) 250 °C
und 17 h [6].
Die Produkte der hydrothermalen Karbonisierung können sehr unterschiedlich sein.
Abhängig vom Ausgangssubstrat und den eingestellten Prozessparameter, vor allem
der Reaktionsdauer, entstehen Produkte die Ähnlichkeit mit Humus, Torf und
Braunkohle haben. Das dabei als Nebenprodukt entstehende Prozesswasser enthält
eine Vielzahl an organischen Säuren. Essigsäure ist mit Abstand am meisten
vorhanden. Sie entsteht bei der Hydrolyse von Acetatgruppen aus den
Hemicellulosen. Andere organische Bestandteile des Prozesswassers sind
Pentosen, Furane sowie Ameisensäure [7].
2.2.1 HTC-Biokohle als Bodenverbesserer
1942 zerstörte ein großer Brand in der Nähe von Brandenburg ein rund fünf
Quadratkilometer großes Areal. Dieses Gebiet wird heute als Lieberorser Wüste
bezeichnet und ist die größte Wüste Deutschlands. Bis 1992 wurde sie
hauptsächlich für militärische Zwecke verwendet. Die Bodenverhältnisse dort sind
wüsten- und steppenähnlich. Die Oberfläche ist hauptsächlich von Sand bedeckt. An
diesem Beispiel soll gezeigt werden, dass überall Gebiete entstehen können, die für
Ackerbau und Landwirtschaft nicht genutzt werden können.

Stand des Wissens
7
Biokohle wird schon einige Zeit zur Verbesserung der Bodeneigenschaften
eingesetzt. Das Vorbild ist der Terra Preta. Dieser anthropogene Boden wird im
Amazonasbecken gefunden. Er ist durch langjährigen Eintrag von Tonscherben,
Fäkalien, Kohle, Asche, Küchenabfällen und Knochen entstanden.
Haupteigenschaften sind die verbesserte Bodenfruchtbarkeit und Speicherfähigkeit
von Kohlenstoff [8].
Die Hauptaufgaben des Bodens befinden sich in der Regelung natürlicher
Kreisläufe. Durch die Fähigkeit Wasser und Nährstoffe zu speichern finden im Boden
unterschiedlichste Reaktionen statt. Durch die makroskopische Struktur und
Mikroorganismen ist ein Boden in der Lage Stoffe zu speichern, filtern und zu
puffern. Ebenfalls kommt es zur Stoffumwandlung. Tote Biomasse wird von
Mikroorganismen zersetzt, die dabei Nährstoffe wieder frei geben.
Mit der HTC-Biokohle wird versucht, diese Eigenschaften zu verbessern.
Untersuchungen dazu ergaben eine Reihe von Vorteilen:
 Geringere Auswaschung von Stickstoff im Boden [9]
 Durch die makroskopische Struktur erhöht sich die Stabilität des Bodens
 Die Kohle wirkt als Wasserspeicher und Filter [10]
 Bei der Verwendung in sauren Böden hat die Kohle eine neutralisierende
Wirkung [10]
 Geringere Lachgasemissionen durch die Steuerung der Mikroorganismen [9]
2.2.2 Prozesswasser aus der hydrothermalen Karbonisierung
Durch den hohen Einsatz von Wasser entsteht bei der hydrothermalen
Karbonisierung eine große Menge Prozesswasser. Dieses Abwasser ist durch
organische Stoffe hoch belastet und kann toxische Stoffe enthalten. Die
Zusammensetzung variiert abhängig vom eingesetzten Material. Durch die hohen
organischen Belastungen kann Prozesswasser nicht unbehandelt in Kläranlagen
gegeben werden. Im Prozesswasser finden sich phenolische Verbindungen, Zucker,
polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK‘s) und andere gelöste
organische Verbindungen [11]. Auch flüchtige organische Säuren können enthalten
sein. Während die organischen Komponenten mit aeroben Verfahren abgebaut
werden können, bieten flüchtige organische Säuren ein Potential zur energetischen
Nutzung in anaeroben Fermentationen.

Stand des Wissens
8
Der Kohlenstoffgehalt im Prozesswasser verringert sich, wenn das Prozesswasser
mehrmals für Karbonisierungsvorgänge verwendet wird. Der Kohlenstoffanteil der
Biokohle kann durch diese Verwendung um 5 % bis 10 % erhöht werden [12].
2.3 Energiegewinn aus Prozesswasser
Die Einsatzmöglichkeiten der HTC-Anlagen sind vielseitig und bieten großes
Potential, beispielsweise in der Reststoffverwertung. Um die Wirtschaftlichkeit der
Anlagen zu verbessern, gilt es, sich mit der Abwasserproblematik zu beschäftigen.
Der Aufwand zur Reinigung des Prozesswassers mit chemischen Methoden ist
kostenintensiv. Es wird nach anderen Verfahren gesucht, das Prozesswasser zu
reinigen. Durch den hohen Gehalt an Organik im Prozesswasser, ist ein Potential zur
biologischen Verwertung vorhanden. Aktuelle Forschungen beschäftigen sich mit der
energetischen Nutzung des Prozesswassers in biologischen Verfahren.
Das bekannteste Verfahren ist der Biogasprozess. Die im Prozesswasser enthaltene
Organik kann in diesem Prozess zu Methan abgebaut werden. B. Wirth et al.
berichten von einem maximalen Methananteil von 70 % im entstandenen Gas, bei
einem Abbau von 60 % CSB [7].
Eine andere Möglichkeit, die sich in den letzten Jahren zur Reinigung hoch
belasteter Abwässer herausgestellt hat, ist die anaerobe Produktion von
Wasserstoff. Wasserstoff ist energiereich (122 kJ/g) und wird als umweltfreundlicher
Energieträger angesehen, da bei der Verbrennung nur Wasser entsteht.
Die bekanntesten herkömmLichen Verfahren zur Wasserstoffgewinnung sind die
Dampfreformierung und die Elektrolyse von Wasser. Biologische Verfahren sind
weniger energieintensiv, da sie schon bei Umgebungstemperatur ablaufen. Es gibt
zwei Wege, Wasserstoff biologisch herzustellen. Photobiologisch oder mittels
anaerobe Fermentation.
Prozesswasser aus der hydrothermalen Karbonisierung wurde noch nicht als
mögliches Substrat für die Wasserstofferzeugung untersucht.
2.3.1 Biogasproduktion
Die Produktion von Biogas ist eine Möglichkeit zur Verwertung des Prozesswassers.
Die Produkte des Biogasprozesses sind hauptsächlich Methan und Kohlendioxid.
Biogasanlagen sind technisch sehr weit entwickelt und durch das EEG
subventioniert. Das entstandene Methan wird zum Großteil in BHKWs verstromt

Stand des Wissens
9
oder nach einer Aufreinigung ins Erdgasnetz eingespeist. Als Substrat werden vor
allem leicht zersetzbare Silage oder Gülle verwendet. Der Trend geht von den
Energiepflanzen immer mehr in Richtung Reststoffe.
Die Grundlagen für die Erzeugung von Methan stellt der Biogasprozess. Er kann in
vier Schritte unterteilt werden. Zu Beginn steht die Hydrolyse. Komplexe
Makromoleküle wie Fette, Eiweiße, Kohlenhydrate und Proteine werden zersetzt.
Dieser Vorgang findet von Bakterien mit Hilfe von Enzymen statt. Als Produkte
entstehen Oligomere und Monomere wie Zucker, Aminosäuren und Fettsäuren.
Die zweite Phase des Biogasprozesses beschreibt die Acidogenese. Sie kann als
Versäuerungsphase betrachtet werden. Die Produkte der Hydrolyse werden von
acidogenen Mikroorganismen weiter zersetzt. Dabei entstehen vor allem niedere
Fett- und Carbonsäuren sowie Alkohole beispielsweise Ethanol. Aus dem Abbau von
Proteinen werden Schwefelwasserstoff (H2S) und Ammoniak (NH3) gebildet. Einige
Produkte der Acidogenese können direkt für die Methanproduktion genutzt werden.
Dabei sind Essigsäure (Acetat), Kohlendioxid und Wasserstoff zu nennen.
Die dritte Phase ist die Acetogenese. Die niederen Alkohole sowie Fett- und
Carbonsäuren der Acidogenese werden von Mikroorgansimen genutzt, und zu
Essigsäure umgesetzt.
Als letzter Schritt ist die Methanogenese zu nennen. Sie beschreibt die Bildung von
Methan aus den vorliegenden Stoffen und Verbindungen. Sie kann auf zwei Weisen
stattfinden. Acetoklastische methanogene Mikroorganismen nutzen Essigsäure zur
Bildung von Methan. Hydrogenotrophe Mikroorganismen verwenden dafür im
Prozess entstandenes Kohlendioxid und Wasserstoff.
Als Reststoff der Biogasproduktion bleibt der Gärrest vorhanden. Er besteht aus
Stoffen, die im Prozess nicht zersetzt werden können wie beispielsweise das Lignin.
Der Biogasprozess wird in vielen landwirtschaftlichen Anlagen in einem Fermenter
durchgeführt. Dies bedeutet, dass alle vier Phasen gleichzeitig, bei den gleichen
Umgebungsbedingungen stattfinden. Dabei sind die optimalen Vorrausetzungen für
die einzelnen Mikroorgansimen aber sehr unterschiedlich. Der pH-Wert für
hydrolytische und acidogene Mikroorganismen hat sein Optimum im leicht sauren
Bereich zwischen 5 und 6. Die für die Methanproduktion erforderlichen Archaeen
benötigen für ihren Stoffwechsel aber einen neutralen pH-Bereich von etwa pH 7,0
bis pH 7,5.

Stand des Wissens
10
2.3.2 Photobiologische Wasserstoffproduktion
Einige Mikroorganismen sind in der Lage aus Sonnenlicht Wasserstoff zu erzeugen.
Dabei können zwei Typen unterschieden werden, photoautotrophe und
photoheterotrophe Mikroorganismen.
Photoautotrophe Mikroorganismen sind vor allem Algen und Cyanobakterien. Sie
verwenden Sonnenlicht und Kohlendioxid als einzige C-Quelle. Unter anaeroben
Verhältnissen erzeugen sie mittels Photolyse aus Wasser Wasserstoff. Die
Enzymgruppe der Hydrogenasen katalysiert dabei die Reaktion.
4H2O→2O2+4H2 (1)
Der zweite Typ, die photoheterotrophen Mikroorgansimen, nutzt als C-Quelle
Kohlenstoff in organischer Form, wie beispielswiese Kohlenhydrate, Fettsäuren oder
Alkohole.
Energiegewinn durch Photosynthese
Photoautotrophe und photoheterotrophe Mikroorganismen nutzen Sonnenlicht zum
Energiegewinn. Die Umwandlung erfolgt dabei in chemische Energie. Die von der
Sonne ausgestrahlte Energie erzeugt freie Elektronen durch die Reaktionen
stattfinden, die zum Aufbau von ATP und NAD(P)H führen. Diese Stoffe sind wichtig
für den Energiekreislauf. Ausschlaggebend für die Funktion der Photosynthese ist
der lichtabsorbierende Farbstoff Chlorophyll.
Die Photosynthese läuft in einem Photosystem ab. Das System setzt sich aus einem
Antennenkomplex und einem reaktionsfähigen Zentrum zusammen. Der
Antennenkomplex ist aus einer Vielzahl von Proteinen aufgebaut, die mit
Pigmentmolekülen verbunden sind. Trifft Sonnenlicht auf den Antennenkomplex wird
dieser energetisch angeregt und in einen Zustand höherer Energie gehoben. Diese
Energie wird an das Reaktionszentrum weitergeleitet, wo Elektronen abgegeben
werden. Durch die Elektronentransportkette werden Reaktionen in Gang gesetzt die
zur Bildung von ATP führen [13].
Biophotolyse
Unter Biophotolyse wird die photosyntetische Produktion von Wasserstoff aus
Wasser verstanden. Dabei werden zwei Produktionswege unterschieden. Bei der
direkten Biophotolyse wird das Sonnenlicht direkt genutzt um Wasser in Sauerstoff,
Elektronen und Protonen zu spalten. Die angeregten Elektronen werden in einer
Transportkette bis zu den Hydrogenasen weitergeleitet. Dort entsteht der
Wasserstoff aus der Reduzierung der gewonnen Protonen.

Stand des Wissens
11
Beim indirekten Weg läuft die Wasserstoffproduktion in zwei Schritten ab. Während
der Photosynthese bilden die Zellen Kohlenhydrate und speichern diese in Form von
beispielsweise Stärke. Steht kein Licht zur Photosynthese mehr zur Verfügung,
nutzen die Zellen die gespeicherten Energiereserven. Durch eine Fermentation der
endogenen Kohlenhydrate wird die gespeicherte Energie freigesetzt. Überschüssige
freie Elektronen werden von den Hydrogenasen an Protonen weitergegeben, die
molekularen Wasserstoff bilden.
2.3.3 Dark Fermentation
Die Dark Fermentation ist ein in der Natur weit verbreiteter Prozess zur anaeroben
Wasserstofferzeugung. Er wird hauptsächlich von strikten und fakultativ anaeroben
Mikroorgansimen durchgeführt. Sie sind in der Lage eine Vielzahl von Substraten
wie Kohlenhydrate, Zucker, Proteine und Fette zu nutzen. Als Produkte entstehen
Wasserstoff, Kohlendioxid und Intermediate des Stoffwechsels wie beispielsweise
Essigsäure, Buttersäure und Ethanol. Die maximale theoretische
Wasserstoffausbeute wird stöchiometrisch aus dem Abbau von Glucose mit 4 mol H2
pro mol Glucose bestimmt (2).
𝐶6 𝐻12 𝑂6 + 4𝐻2 𝑂 → 2𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂−
+ 2𝐻𝐶𝑂3
−
+ 4𝐻+
+ 4𝐻2 (2)
Die Reaktion wird durch das aus dem Abbau der Glucose entstehende
Zwischenprodukt Pyruvat angetrieben. Pyruvat wird in einem von zwei
Enzymsystemen zu Acetyl-Coenzym A (kurz Acetyl-CoA) umgebaut. Acetyl-CoA
kann weiter abgebaut werden zu entweder Acetat oder Buttersäure bei gleichzeitiger
Produktion von Wasserstoff.
Eine Vielzahl von Mikroorgansimen ist zur anaeroben Wasserstoffproduktion fähig.
Darunter zählen vor allem Vertreter der Gastungen Clostridien, Enterobacter und
Citrobacter. Die optimale Wasserstoffproduktion ist dabei von den
Umgebungsbedingungen abhängig. Mikroorganismen besitzen unterschiedliche
Vorlieben bezüglich Temperatur und pH und verwerten verschiedene Substrate.
Temperatur
Die Temperatur ist ein Einflussparameter im „Dark Fermentation“-Prozess. Sie kann
sich im mesophilen Bereich zwischen 25 °C und 40 °C oder im thermophilen
Bereich zwischen 40 °C und 65 °C bewegen. Auch höhere Temperaturen bis über
80 °C sind möglich. Aus der Literatur ist bekannt, dass die Wasserstoffproduktion im
thermophilen Bereich höher ist als im mesophilen [14]. Valdez-Vazquez et al.

Stand des Wissens
12
suggerierten in ihrer Untersuchung, dass die erhöhte Wasserstoffproduktion auf das
Temperaturoptimum der Hydrogenasen (zwischen 50 °C und 70 °C) zurückzuführen
ist [14].
pH
Der pH-Wert für die Wasserstoffproduktion wird in der meisten Literatur im Bereich
zwischen pH 5,0 und pH 6,0 angegeben, mit einem Optimum um pH 5,5 [15]. Einige
Untersuchungen zeigten aber auch, dass Wasserstoff im neutralen und alkalischen
pH-Bereich zwischen pH 6,8 und pH 8,0 produziert werden kann. Die meisten
Studien zeigten, dass die Wasserstoffproduktion aufhört, sobald der pH sinkt. Der
letzte gemessene pH-Wert bewegt sich für diese Studien im Bereich von pH 4,0 bis
pH 4,8 [15] [16]. Als Grund werden dafür die, aus der Fermentation von
Kohlenhydraten, entstehenden organischen Säuren wie Essigsäure, Buttersäure
oder Propionsäure genannt.
Für die Wasserstoffproduktion werden hauptsächlich Mischkulturen verwendet. Der
Vorteil besteht darin, dass eine größere Substratpalette eingesetzt werden kann und
der Prozess nicht sterilisiert werden muss, wodurch die Kosten sinken. Bei der
Verwendung von Mischkulturen besteht aber auch das Problem der
wasserstoffzehrenden Mikroorganismen. Diese nutzen den vorhandenen
Wasserstoff zum Energiegewinn und senken den Gesamtertrag. Als Beispiel sind
vor allem methanogene Archaeen zu nennen, die Wasserstoff und Kohlendioxid zu
Methan umsetzten können.
Erhöhung der Wasserstoffausbeute durch Vorbehandlungsmethoden
In der Literatur wurden unterschiedliche Vorbehandlungsmethoden untersucht, die
alle das Ziel verfolgen, die Wasserstoffausbeute zu erhöhen. Dabei sollen
wasserstoffverbrauchende Mikroorganismen unterdrückt werden.
Die Methoden können in mehrere Kategorien eingeteilt werden. Es gibt
physikalische, chemische, physiochemische, und biologische Methoden. Diese
können auch untereinander kombiniert werden [17].
Die physikalischen Methoden umfassen die Vorbehandlung mit physikalischen
Effekten. Untersucht wurden thermische Verfahren wie Aufheizen und Einfrieren
sowie die Bestrahlung mit Mikro- oder Ultraschallwellen.
 Die Wärmebehandlung ist die meist verbreitetste Technologie zur
Anreicherung von Mischkulturen mit Sporen-formenden Mikroorganismen der

Stand des Wissens
13
Gattung Bacillus spp. und Clostridium spp. [18] [19]. Das Prinzip basiert auf
dem Effekt, dass einige Mikroorganismen Sporen bilden, sobald sie eine
veränderte Umgebung vorfinden. Dadurch können sie in harten
Umgebungsbedingungen weiter überleben [20]. Wasserstoffverbrauchende
Mikroorgansimen halten den erhöhten Temperaturen nicht stand und sterben
ab. Die Wärmebehandlung wird sehr verschieden angewendet. Die zwei
wichtigsten Parameter sind dabei die Temperatur sowie die Dauer der
Temperaturerhöhung. Temperaturen bewegen sich im Bereich von 40 °C bis
120 °C bei Verweilzeiten von 10 Minuten bis zu 3 Stunden.
 Die zweite rein thermische Methode ist das Einfrieren und Auftauen von
Inokulum. Der Mechanismus ist vergleichbar mit der Wärmebehandlung.
Inokulum wird bei -10 °C bis -25 °C für 24 Stunden eingefroren und bei
Raumtemperatur aufgetaut. Die Ergebnisse auf die Wasserstoffproduktion
gehen dabei auseinander. Einige Ergebnisse berichteten von einer Erhöhung,
andere hingegen erhielten geringe Ausbeuten [21] [22] [23].
 Die Ultraschallbehandlung beruht auf dem Effekt der Kavitation.
Ultraschallwellen mit Frequenzen zwischen 20 kHz und 10 MHz bewegen sich
durch das Medium. Dabei entstehen Gas und Dampfblasen, die ab einer
kritischen Größe zusammenbrechen und extreme lokale Bedingungen
schaffen. Dabei entstehen für sehr kurze Zeit Drücke bis zu 50 MPa und
Temperaturen um 5000 K [24]. Neben den thermischen Effekten treten
außerdem hohe Scherkräfte auf, die Zellwände zerstören können [25]. Einige
Studien berichten auch von der Entstehung von Radikalen [26] [27].
Die chemischen Vorbehandlungsmethoden nutzen Chemikalien wie Säuren,
Laugen, Ozon und ionische Flüssigkeiten. Oft werden auch direkt Inhibitoren wie
beispielsweise Chloroform, KNO3 und CO2 verwendet.
 Die Verwendung von Säuren und Laugen ist als Vorbehandlungsmethode
weit verbreitet. Dabei wird der pH in einen Bereich versetzt, der für die
Wasserstoffkonsumenten nicht geeignet ist. In Mischkulturen überleben dabei
die Mikroorganismen, die in der Lage sind schützende Sporen zu bilden.
Darunter vor allem die Wasserstoffproduzenten wie z.B. Clostridium spp. und
Bacillus spp.. Wasserstoffverbrauchende Mikroorganismen wie beispielsweise
hydrogenotrophe Methanogene bilden keine Sporen und sterben ab [28]. Mit
dieser Methode kann ein Großteil der wasserstoffnutzenden Mikroorganismen

Stand des Wissens
14
effektiv unterdrückt werden, es bleiben aber einige erhalten [29]. Als Säuren
werden vor allem HCl, H2SO4, HNO3 und HClO4 verwendet. Der pH wird
damit zwischen einen Wert von pH 2,0 bis pH 4,0 eingestellt. Alkalische
Vorbehandlungen nutzen hauptsächlich NaOH um den pH auf pH 10,0 bis
pH 12,0 einzustellen. Behandeltes Inokulum verweilt im eingestellten pH
zwischen 2 und 24 Stunden [28] [30].
 Ozon wird als Vorbehandlungsmethode für Substrate eingesetzt. Es fördert
den Abbau von Lignin und hilft bei der Lösung von Hemicellulosen. Die
gelösten Stoffe sind für die Hydrolysephase besser verfügbar [31].
 Ionische Flüssigkeiten sind organische Salze die aus organischen Kationen
und anorganischen Anionen bestehen. Bei Temperaturen < 100 °C verhalten
sie sich wie Flüssigkeiten [32] [33]. Ionische Flüssigkeiten besitzen die
Eigenschaft lignocellulosehaltige Stoffe zu delignifizieren. Dabei werden
polymere Ligninketten aufgebrochen und können von Mikroorgansimen
abgebaut werden. Durch den Aufbruch werden auch die im Lignin
eingelagerten Stoffe besser verfügbar. Cellulose beispielweise kann durch
Ionische Flüssigkeiten vom Lignin getrennt werden und verbleibt in Lösung
[32]. Die Nutzung von ionischen Flüssigkeiten bietet zwar gute Ergebnisse, ist
aber aufgrund der hohen Kosten für großtechnische Anwendungen noch nicht
geeignet [34].

Motivation
15
3 Motivation
Die hydrothermale Karbonisierung ist eine vielversprechende Technologie zur
Bekämpfung des Klimawandels. Jedoch stellt das Prozesswasser der
hydrothermalen Karbonisierung noch ein Problem da. Es ist durch organische
Bestandteile hoch belastet und muss unter hohem Aufwand gereinigt werden. Um
die Belastung zu verringern und gleichzeitig Energie zu gewinnen bieten sich
biologische Verfahren an. Erste Ergebnisse konnte man mit der Produktion von
Methan im Biogasprozess bereits erreichen. Gegenüber der Methanproduktion wird
die biologische Wasserstoffproduktion als robuster angesehen und könnte zur
Verwertung des Prozesswassers besser geeignet sein. Nach jetzigem Stand sind
noch keine Informationen darüber vorhanden, ob Prozesswasser zur
Wasserstoffproduktion verwendet werden kann.
Ziel dieser Arbeit ist es, einen Einblick darin zu erhalten, ob aus Prozesswasser der
hydrothermalen Karbonisierung Wasserstoff gewonnen werden kann. Dafür wird der
biologische Abbau sowie die Gasproduktion untersucht. Um eine mögliche
inhibierende Wirkung des Prozesswassers festzustellen wird es einmal verdünnt und
unverdünnt verwendet. In einem zusätzlichen Versuch wird Melasse als Co-Substrat
verwendet. Damit soll untersucht werden, wie sich das Prozesswasser auf ein gut
zersetzbares Substrat auswirkt. Gleichzeitig wird dadurch versucht einen möglichen
Nährstoff- und Spurenelementmangel des Prozesswassers auszugleichen. Der
biologische Abbau wird über die Summenparameter CSB, BSB5 und TC
ausgewertet.

Material und Methoden
16
4 Material und Methoden
4.1 Analytische Verfahren und Messmethoden
4.1.1 Bestimmung von CSB
Der chemische Sauerstoffbedarf ist ein gängiger Analyseparameter in der
Abwasserbehandlung. Er beschreibt den Bedarf an Sauerstoff, der für eine
vollständige Oxidation der organischen Verbindungen notwendig ist. Für die
Versuche wurde auf die Küvetten-Test der Firma Hach-Lange zurückgegriffen. Mit
ihnen kann schnell und einfach ein Messwert erhalten werden. Es kamen folgende
Test-Kits zum Einsatz:
Tabelle 4.1: Verwendete CSB-Küvetten Tests und entsprechender Messbereich
Name Messbereich
(mg / L O2)
LCK514 100 bis 2000
LCK014 1000 bis 10000
Für die Messung des chemischen Sauerstoffbedarfs wurde 0,5 mL der zu
messenden Substanz in eine Küvette gegeben und entsprechend der
Arbeitsvorschrift weiter behandelt [35] [36]. Oxidierbare Stoffe reagieren mit
schwefelsaurer Kalliumdichromatlösung. Als Katalysator wird Silbersulfat verwendet.
Die Auswertung erfolgt über die Grünfärbung des Cr3+
automatisch im DR2800
Photometer (Hach-Lange GmbH).
4.1.2 Bestimmung von BSB5
Zur Bestimmung des biologischen Sauerstoffbedarfs wurde das Verfahren nach
DIN 1899-1 (BSBn Bestimmung nach n Tagen) angewendet. Zur Messung wurde ein
Verdünnungswasser entsprechend der Norm angesetzt. Die verwendeten
Mikroorganismen wurden aus dem Ablauf der Kläranlage Grießheim gewonnen. Die
notwendigen Lösungen waren bereits im Labor vorhanden und wurden nicht neu
angesetzt. Allylthioharnstoff-Lösung (ATH) wurde vor jeder Messung neu angesetzt,
da es nur kurzzeitig stabil ist. Vor der Verdünnung wurde zu jeder Probe 2 mL ATH-

17
Lösung pipettiert. Danach wurden die Proben mit Verdünnungswasser jeweils in
einem 1 L Messkolben zu einem Gesamtvolumen von 700 mL verdünnt. Diese
Lösung wurde in zwei Karlsruher Flaschen (350 mL) verteilt. Der Sauerstoffgehalt
wurde mit einer optischen Sauerstoffsonde bestimmt, bevor die Flaschen
verschlossen und im Inkubator bei 20 °C gelagert wurden. Nach 5 Tagen wurde mit
der Sauerstoffsonde der Restgehalt an Sauerstoff gemessen. Aus der Differenz der
Sauerstoffkonzentrationen konnte nach Norm der biologische Sauerstoffbedarf nach
5 Tagen bestimmt werden [37].
4.1.3 Bestimmung von Ammonium-Stickstoff (NH4-N)
Zur Bestimmung des Ammonium-Stickstoffgehalts wurden Küvetten-Test der Firma
Hach-Lange verwendet. Aus früheren Arbeiten waren noch alte Küvetten-Tests
vorhanden, welche benutzt werden konnten. Diese hatten jedoch das empfohlene
Mindesthaltbarkeitsdatum schon weit überschritten. Um zu verifizieren ob die
Messgenauigkeit der Küvetten noch gegeben war, wurden sie mit einer Lösung
eines bekannten Ammoniumstandards getestet. Die Standardlösung wurde mit
getrocknetem Ammoniumsulfat ((NH4)2SO4) angesetzt. Dieses wurde vorher für 24
Stunden bei 105 °C getrocknet. 3,6601 g Analysengeeignetes Ammoniumsulfat (M =
132,14 g Mol-1
, Hersteller: Carl Roth GmbH + Co. KG) wurden eingewogen und in
einem 250 mL Messkolben mit H2Odest. gelöst. Die Endkonzentration ergab sich
somit auf 4000 mg NH4
+
L-1
. Da mit den Küvetten-Tests aber der Ammonium-
Stickstoff bestimmt wird, musste die Konzentration noch umgerechnet werden. Aus
dem Vergleich der Molmassen erhält man die Ammonium-Stickstoffkonzentration.
Diese belief sich auf 3111,11 mg NH4-N L-1
.
Mit diesem Standard wurden die Küvetten-Tests LCK302 getestet. Um die
Zielkonzentration von 100 mg NH4-N L-1
zu erreichen wurden 0,833 mL
Standardlösung in einen 25 mL Messkolben gegeben und mit H2Odest. aufgefüllt. Aus
der verdünnten Lösung wurden 0,2 mL in eine Küvette pipettiert und entsprechend
der Arbeitsanweisung im Photometer (DR2800) ausgewertet [38]. Die Ergebnisse
lagen im erwarteten Messbereich und zeigten, dass die alten Test-Kits noch
verwendet werden können.
Versuchsproben wurden vor der Analyse für 10 min in einer Mikrozentrifuge (Thermo
Scientific Espresso) zentrifugiert. Die Drehzahl der Zentrifuge wurde auf 10000 min-1

18
eingestellt. Nur der flüssige Überstand wurde für die Messung verwendet. Damit
sollte sichergestellt werden, dass keine Feststoffpartikel die Messung verfälschen.
4.1.4 Bestimmung von Gesamt-Phosphat
Phosphat ist ein wichtiger Bestandteil von Substraten. Mikroorgansimen nutzen
Phosphor im Stoffwechsel überall in Form von ATP und NADP. Dabei kann nur der
Phosphor genutzt werden, der in Form von ortho-Phosphat vorliegt.
Für die Bestimmung des Gesamt-Phosphatgehalts wurden Küvetten Tests
verwendet (Hach-Lange, LCK348 0,5-5,0 mg PO4-P L-1
). Auch hier waren noch alte
Kits vorhanden und wurden einer Verifizierung unterzogen. Dafür wurde eine bereits
bestehende Standardlösung mit 50 mg PO4-P L-1
verwendet. In einem 10 mL
Messkolben wurde 1 mL des Standards gegeben und mit H2Odest. bis zur Marke
aufgefüllt. Nach Arbeitsvorschrift wurden die Schritte 1 bis 3 ausgeführt und die
Küvette anschließend für 1 Stunde in einen auf 100 °C vorgeheizten Ofen gestellt
[39]. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur (18 °C bis 20 °C) wurden die Schritte
5 bis 8 der Arbeitsanweisung durchgeführt und die Küvette konnte mit dem DR2800
Photometer ausgewertet werden.
Die Proben der Versuche wurden wie bei der Ammonium-Stickstoffmessung vor der
Auswertung abzentrifugiert und der flüssige Überstand für Messungen verwendet.
4.1.5 Bestimmung von Glucose
Die Konzentration der Glucose wird mit der DNS-Methode bestimmt. Dafür wurde
vor jeder Messung eine neue Kalibrationsgerade erstellt. Dieser Schritt ist
notwendig, da die DNS-Lösung (3,5-Dinitrosalicylsäure) nicht stabil ist und alte
Kalibrationen zu ungenauen Ergebnissen führen. Das Prinzip der Reaktion kann der
Arbeitsanweisung entnommen werden [40].
Zur Erstellung der Kalibrationsgeraden wurde eine Lösung mit einer
Glucosekonzentration von 10 g L-1
angesetzt. In einem 100 mL Messkolben wurden
dafür m = 1,0006 g D(+)-Glucose (Fluka Chemie GmbH) mit H2Odest. gelöst. In
Reagenzgläsern wurden auf ein Gesamtvolumen von 1 mL, sieben Verdünnungen
hergestellt. Sie lagen im Bereich von 1 g Glucose L-1
bis 7 g Glucose L-1
. Zusätzlich
wurde ein Reagenzglas mit 1 mL H2Odest. befüllt um einen Null-Wert zu haben. Nach
Zugabe von jeweils 2 mL DNS-Reagenz wurden die Reagenzgläser in kochendes
Wasser gegeben, um die Reaktion zu starten. Nach genau 5 Minuten wurden diese
dann zum Anhalten der Reaktion in ein Eiswasserbad gegeben. Nach Mischung mit

19
einem Vortexer wurden je 0,25 mL Probe in eine Küvette pipettiert und 2 mL H2Odest.
hinzugegeben. Nach kurzem Rühren mit einem Rührspatel um eventuelle Blasen zu
entfernen, konnten die Proben ausgewertet werden. Zur Auswertung kam ein
Photometer (Genesys 10S UV-VIS) zum Einsatz. Zuerst wurde das Gerät mit der
Nullprobe justiert und dann nacheinander die anderen Proben mit steigender
Konzentration ausgewertet.
Abbildung 4.1: Ausgewertet Kalibrationsgerade am Beispiel der Endproben der zweiten
Versuchsreihe. Aufgetragen mit Regressionsgerade.
Zur Auswertung wurde mit Hilfe von MS Excel eine lineare Regression zwischen den
Messwerten durchgeführt. Die Funktion der Regressionsgeraden wurde für die
Auswertung der Messproben verwendet.
4.1.6 Bestimmung von Gesamtkohlenstoff und Gesamtstickstoff
Der Gesamtkohlenstoff (TOC) wurde mit einem automatischen TOC Analysator
(Shimadzu TOC-V CPN) durchgeführt. Dieser verfügte zusätzlich über ein TNM-1
Stickstoffmodul zur Bestimmung der Gesamtstickstoffkonzentration. Zur Messung
flüssiger Proben war ein Autosampler mit 68 Plätzen angeschlossen.
Der TOC wird über die Differenzmethode aus anorganischem Kohlenstoff (IC) und
Gesamtkohlenstoff (TC) bestimmt.
𝑇𝑂𝐶 = 𝑇𝐶 − 𝐼𝐶 (3)
E540= 0.175cGlucose
R² = 0.9992
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
0 1 2 3 4 5 6 7 8
ExtinktionE540
Glucosekonzentration cGlucose g / L

20
Bei Messungen des TOC wird zusätzlich der Gesamtstickstoff (TN) gemessen.
Damit der gelöste organische Kohlenstoff bestimmt werden kann, mussten die
Proben vorher gefiltert werden. Dafür wurden 0,45 m Filter (Membranfilter LCW916,
Hach Lange) eingesetzt.
Für die Versuche wurde nur der TC bestimmt. Dafür ist eine neue Messmethode mit
neuer Kalibration angelegt worden. Die verwendeten Chemikalien wurden vor der
Einwaage für 24 Stunden bei 105 °C getrocknet.
0,5333g Kaliumhydrogenphtalat (Carl Roth GmbH + Co KG.) wurden ein einem 250
mL Messkolben mit Reinstwasser gelöst. Diese Lösung entsprach einer
Kohlenstoffkonzentration von 1000 mg L-1
. In 100 mL Messkolben wurden daraufhin
die folgenden Konzentrationen hergestellt:
300 mg C L-1
, 200 mg C L-1
, 100 mg C L-1
und 10 mg C L-1
.
Der Kalibrationsbereich des Gesamtstickstoffs wurde auf 1 mg N L-1
bis
100 mg N L-1
eingestellt. 1,8065 g Kaliumnitrat wurden dafür mit Reinstwasser in
einem 250 mL Messkolben gelöst. Die Konzentration des Standards betrug
1000 mg N L-1
. Daraus wurden vier Verdünnungen in 100 mL Messkolben
hergestellt: 100 mg N L-1
, 50 mg N L-1
, 10 mg N L-1
und 1 mg N L-1
.
Der Messung der Proben erfolgte automatisch nach Programmierung der
Probentabelle. Das für eine Messung benötigte Probenvolumen betrug etwa 35 mL.
Die Proben wurden dafür in kleinen Fläschchen gefüllt und im Autosampler platziert.
Weitere Angaben über das Messverfahren können der Gerätebeschreibung
entnommen werden.
4.1.7 Bestimmung der organischen Trockensubstanz
Zur Bestimmung der organischen Trockensubstanz (oTS) wurde die zu
untersuchende Probe in einen Porzellan-Tiegel gefüllt und gewogen. Aus der
Differenz der Massen des leeren Tontiegels und des Gefüllten wurde die
Probenmasse bestimmt.
mProbe = mTiegel, voll - mTiegel, leer (4)
Die Tiegel wurde nach dem wiegen bei 105 °C für 24 Stunden getrocknet und erneut
gewogen. Aus der Differenz der Tiegelmasse und des Restgewichts wurde die
Trockensubstanz (TS) bestimmt.
TS = mTiegel, getrocknet- mTiegel, leer (5)

21
Die getrockneten Proben wurde im gleichen Tiegel in einem Muffelofen bei 550 °C
ausgeglüht. Im Tiegel befand sich danach noch der anorganische Anteil der Probe
(Glührest). Welcher nach abkühlen ausgewogen wurde. Aus dem Glührest und der
zuvor bestimmten Trockensubstanz wurde die organische Trockensubstanz (oTS)
berechnet.
oTS = TS - Glührest (6)
4.2 Analyse der Rohmaterialien
Im Vorfeld der Versuche wurde für die zwei verwendeten Materialien
(Prozesswasser und Zuckerrübenmelasse) eine Reihe von Analysen durchgeführt.
Dieser Schritt war notwendig, um den zu erwartenden Messbereich der Versuche
einschätzen zu können. Dabei wurden die Messmethoden wie in Kap. 4.1
beschrieben durchgeführt.
4.2.1 HTC-Prozesswasser
Das für die Versuche verwendete Prozesswasser stammt aus einer Karbonisierung
von Bioabfällen. Durchgeführt in der HTC-Anlage der Firma SmartCarbon AG im
Vergärungswerk Leonberg. Das Prozesswasser wurde in 1000 L IBC-Container
gefüllt und auf das Firmengelände der Hinneburg GmbH transportiert. Die Lagerung
fand im Freien ohne Lichtschutz statt.
Die Zusammensetzung des verwendeten Prozesswassers war zu Beginn komplett
unbekannt. Um Anhaltspunkte zu haben wurde auf ein Prüfbericht vom Ergo
Umweltinstitut GmbH zurückgegriffen [41]. Das Dokument wurde von der Firma
SmartCarbon AG zur Verfügung gestellt. Dort wurden bereits zwei Prozesswässer
der gleichen HTC-Anlage untersucht. Angaben über den HTC-Prozess sowie
verwendetes Substrat waren nicht zu finden.
4.2.2 Zuckerrübenmelasse
Die in den Versuchen verwendete Melasse stammt von der Firma Hansa. Sie wurde
in einem 1000 L IBC-Container im Freien auf dem Firmengelände der Hinneburg
GmbH gelagert.

22
4.3 Erhöhung der Wasserstoffausbeute durch „Heat Shock
Treatment“ von Inokulum und Substrat
In einem ersten Versuch sollte herausgefunden werden, ob Prozesswasser zur
Wasserstoffproduktion genutzt werden kann. Die hohe organische Belastung sowie
möglich inhibierende Stoffe führten zu einem Versuchsaufbau mit mehreren
Verdünnungen. R. Krebs et. al [42] haben in ihrer Arbeit verschiedene
Verdünnungen mit einem Standardisierten Gärtest (GB21) untersucht. Eine 10 fache
Verdünnung erbrachte im Vergleich zur unverdünnten Probe eine schnellere
Methanproduktion. Die Pure HTC Probe zeigte bei diesem Versuch einen typischen
Inhibierungsverlauf. Die Mikroorganismen mussten sich erst über einen Zeitraum
von 30 bis 40 Tagen an das Substrat anpassen, bevor sie in die exponentielle Phase
gewechselt sind [42].
Die in dieser Arbeit durchgeführten Versuche wurden dementsprechend mit einer
Verdünnung von 1:10 durchgeführt. Zusätzlich wurde ein Versuch mit einer
Verdünnung von 1:1 angesetzt. Damit sollte herausgefunden werden, ob nicht auch
eine wirtschaftlichere Verdünnung zu akzeptablen Ergebnissen führt. Verglichen
wurden die Verdünnungsversuche dabei mit einem unverdünnten Versuch.
K. Moospohin hat in ihrer Arbeit verschiedene Verhältnisse von Inokulum zu Substrat
auf die Wasserstoffproduktion untersucht. Auf Grundlage ihrer Ergebnisse wurde der
Faulschlammgehalt mit 10% angesetzt [43]. Der Faulschlamm wurde mit dem
Heat-Shock-Treatment vorbehandelt.
Da unklar war, ob die Nährstoffe und Spurenelemente des Prozesswassers
ausreichend zur Bildung von Biomasse vorhanden waren, wurde Melasse als Co-
Substrat eingesetzt. Melasse kam in drei der insgesamt zehn Versuche zum Einsatz.
Das Gesamtvolumen der Versuche wurde durch die Zugabe von Melasse zusätzlich
erhöht.
4.3.1 Aufbau und Zusammensetzung
Die Versuche wurden in 1 L Reaktoren angesetzt die im Vorfeld überprüft wurden
(Abbildung 4.2). Als Reaktorkörper wurden 1 L Weithalsflaschen der Firma Schott
verwendet. Die Flaschen verfügten über einen Einsatz in Form einer Metallplatte. An
dieser waren ein Steigrohr verbunden mit einem Schlauch sowie ein zusätzlicher
Schlauch zum Anschluss von Gasbeuteln vorhanden. Verschlossen wurden die

23
Flschen nach Einsetzen einer Gummidichtung mit speziell angefertigten Deckeln.
Diese besaßen an den Seiten drei Aussparungen für einen Drehmomentschlüssel.
Abbildung 4.2: Skizze der Reaktoren. Reaktorkörper A, Metallplatte B mit Anschluss an Gasbeutel C,
Begasungsschlauch D und Steigrohr E. Außerdem Deckel mit Aussparungen zum Verschließen
mittels Drehmomentschlüssel F
Die Melasse wurde bevor sie in die Reaktoren gegeben wurde leicht erwärmt um die
Fließeigenschaften zu verbessern. Ein 50 mL Messkolben wurde bis zur Markierung
mit Melasse gefüllt und ausgewogen. 50 mL Melasse ergaben ein Gewicht von
m = 71,4427g bei Raumtemperatur. Dieser Wert wurde auf ein Melassevolumen von
80 mL umgerechnet und entsprach m = 114,30832 g.
Die Versuche 7,8 und 9 aus Tabelle 4.2 wurden zuerst mit Melasse befüllt. Dabei
wurden die folgenden Mengen Melasse eingewogen (Tabelle 4.1).

24
Tabelle 4.1 Einwaagen der Melasse
Versuchsnr. Einwaage Melasse
7 114,75 g
8 115,05 g
9 114,90 g
Das Prozesswasser wurde mit Leitungswasser verdünnt. Die Verdünnungen sind
dabei 1:2 für die Versuche 2,5 und 8 sowie 1:10 für 3,6 und 9 nach Tabelle 4.2.
Tabelle 4.2 Aufbau der Versuchsreihe mit wärmebehandeltem Inokulum. Angaben der Volumen der
eingesetzten Materialien und der Vorbehandlungsmethode. HST steht für „Heat Shock Treatment“
und bezeichnet das erwärmen für 2 Stunden bei 80 °C.
Versuchsnr. Inokulum Prozesswasser Melasse Vorbehandlung
1 80 mL 720 mL 0 HST Inokulum
4 80 mL 720 mL 0
HST Inokulum &
Substrat
5 80 mL 360 mL 0
HST Inokulum &
Substrat
6 80 mL 72 mL 0
HST Inokulum &
Substrat
7 80 mL 720 mL 80 mL HST Inokulum
10 80 mL 0 80 mL HST Inokulum
Die Wärmebehandlung wurde im Wasserbad bei 80 °C durchgeführt. Der
Faulschlamm wurde dafür in eine 1 L Schott-Flasche gegeben. Während der
Erwärmung wurden die weiteren Reaktoren mit Prozesswasser befüllt. Die Versuche
Nr. 4 bis Nr. 6 wurden zusätzlich mit Inokulum befüllt, das nicht wärmebehandelt
wurde. Diese drei Versuche wurden zusammen mit dem Prozesswasser im
Wasserbad aufgeheizt. Die Temperaturen wurden mit einem Pt-100 gemessen und
in einem Bereich von 75 °C bis 82 °C gehalten. Der Wasserstand im Bad musste
durch nachgießen immer wieder angepasst werden, wodurch die Temperaturen
nicht konstant waren.
Zum Schließen der Flaschen wurden neu angefertigte Deckel verwendet. Im
Technikum stand dafür eine spezielle Vorrichtung zum Einspannen zur Verfügung.
Mittels Drehmomentschüssel konnten die Deckel so angezogen werden, dass die

25
Gummidichtung gasdicht schließt. Die durch das Einspannen entstandenen Kräfte
führten dazu, dass die Flasche des Versuchs 9 zerbrach. Der Grund dafür lag
wahrscheinlich daran, dass die Flasche nicht exakt gerade in der Halterung montiert
wurde. Die Kräfte könnten sich dann nicht auf die Fläche, sondern punktuell
ausgewirkt haben. Nach dem verschließen wurden die Flaschen auf Dichtigkeit
überprüft. Dafür wurde der Gasschlauch geschlossen und am Steigrohr Stickstoff
angeschlossen. In einem Wasserbad wurde die Flasche auf Bläschenbildung
untersucht die am Deckel entstehen könnte. Waren keine Bläschen zu erkennen,
konnte der Gasschlauch wieder geöffnet werden und die Flaschen wurden für
ungefähr eine Minute weiter mit Stickstoff begast um eine anaerobe Atmosphäre zu
erhalten.
Nachdem alle Reaktoren verschlossen und inertisiert waren, wurden sie in ein mit
entkalktem Wasser befülltes Bad überführt. Dieses war mit einem Thermostat
(Julabo ED Einhängethermostat) versehen, das auf 60 °C eingestellt wurde. Das
Thermostat verfügt über eine Füllstandkontrolle die als Trockengehschutz
funktioniert. Wird der Füllstand unterschritten schaltet das Thermostat aus und gibt
ein akustisches Signal ab. Um die Kondensation des Wassers zu verringern wurden
Verdunstungsschutzkugeln auf die Wasseroberfläche gegeben. Es musste trotzdem
täglich frisches, entkalktes Wasser nachgegeben werden.
4.4 Einfluss von Melasse als Co-Substrat der
Wasserstoffproduktion aus HTC-Prozesswasser bei
thermophiler Prozesstemperatur
Da aus der ersten Versuchsreihe keine Ergebnisse entstanden sind, wurde eine
zweite Reihe von Versuchen angesetzt. Der verwendete Faulschlamm wurde für
diese Versuche nicht überhitzt und jeder Versuch wurde doppelt aufgebaut. Die
Prozesstemperatur betrug weiterhin 60 °C, es wurden keine Vorbehandlungen
durchgeführt. Es sollte untersucht werden, ob Prozesswasser allein für die
Wasserstoffproduktion verwendet werden kann und wie sich Melasse als Co-
Substrat auswirkt. Die Laufzeit der Batch-Versuche wurde auf 14 Tage angesetzt.
4.4.1 Aufbau und Zusammensetzung der Versuchsreihe
Als Inokulum wurde frischer Faulschlamm aus der Kläranlage Grießheim verwendet.
Dieser wurde am ersten Versuchstag dem Faulturm 2 entnommen. Der Unterschied

26
zwischen den Faultürmen ist die Verweilzeit. Ist der erste Faulturm gefüllt, wird der
Inhalt in Faulturm 2 überführt, um dort weiter gelagert zu werden. Dies hatte zur
Folge, dass der Faulschlamm hier besser ausgefault war. Prozesswasser und
Melasse wurden wie in der ersten Versuchsreihe verwendet.
Aufgebaut wurden insgesamt 5 Versuche in Doppelbestimmung. Ein zusätzlicher
Versuch ohne Substrat wurde zur Überprüfung der Eigenproduktion ebenfalls
aufgebaut. Als Reaktoren kamen die in Kap. 4.3.1 beschriebenen Flaschen zum
Einsatz.
Für alle Versuche wurde die Faulschlammmenge auf 400 mL erhöht. Für den ersten
Versuch wurden 400 mL des Prozesswassers hinzugegeben. Der zweite Versuch
wurde nur mit 80 mL Prozesswasser angesetzte, das mit Leitungswasser auf ein
Gesamtvolumen von 400 mL verdünnt wurde.
In die anderen Versuche wurde zuerst Melasse gegeben. Dafür wurden die
Reaktorflaschen auf einer Laborwage platziert. Die Einwaagen der Melasse können
Tabelle 4.3 entnommen werden.
Tabelle 4.3: Einwaagen der Melasse
Versuch: Prozesswasser & Melasse
Prozesswasser 1:5 &
Melasse
Melasse
Einwaage
Melasse:
114,27 g 114,29 g 114,33 g 114,34 g 114,29 g 114,30 g
Durch die Verwendung von Leitungswasser als Verdünnungsmedium sollte zum
einen nachgestellt werden, wie der Prozess in industriellen Fermentern durchgeführt
werden könnte. Zum andern enthält Leitungswasser zusätzliche Spurenelemente die
für Mikroorganismen essentiell sind.
4.4.2 Gasmessung und -analyse
Das entstandene Gas wurde im Technikum der Hochschule ausgewertet. Dort
konnte ein Analyseturm (Eigenbau) zur Auswertung der Gaszusammensetzung
verwendet werden. Die messbaren Gase waren Wasserstoff, Methan, Kohlendioxid
und Sauerstoff.
Zur Messung des produzierten Gasvolumens wurde ein Eudiometer verwendet. In
einem mit Flüssigkeit gefüllten Zylinder ist ein zweiter Zylinder angebracht. Dieser
Zylinder ist nach unten hin geöffnet, sodass sich die Schwefelsäure gleichmäßig
ausbreiten kann. An der Kopfseite ist eine Stange befestigt, durch die das Gas

27
geführt wird. Der innere Zylinder ist mit einer Stange beweglich und an der Kopfseite
des äußeren mit einer Stellschraube befestigt. Zieht man nun den inneren Zylinder
nach oben, erhöht sich der Ausgleichsdruck der Flüssigkeit (Abbildung 4.3, Stellung
2).
Abbildung 4.3: Schematischer Aufbau und Verwendung des Eudiometers. Durch nach oben Ziehen
des inneren Zylinders entsteh ein Unterdruck (Stellung 2) im System. Wird das Ventil geöffnet strömt
Gas in das Innere (Stellung 3). Damit das Volumen unter Umgebungsdruck
Die Gasbeutel wurden an einem Anschluss des Dreiwegeventils befestigt und
geöffnet. Das Messgas strömte ins Innere des Eudiometers. Bevor die Gassäule mit
einem Messband abgemessen werden konnte, mussten die Flüssigkeitspegel
manuell ausgeglichen werden. Dadurch wurde sichergestellt, dass das Gas auf
Umgebungsdruck eingestellt war. Der bestehende Atmosphärendruck wurde online
über die Wetterstation der Hochschule abgerufen (http://wetterstation.hs-
offenburg.de/). Aus der Höhe der Gas-Säule und dem Durchmesser konnte das
Gasvolumen berechnet werden.
Das Gasanalysegerät benötigt einen Gasvolumenstrom von etwa 1 L min-1,
um nach
45 bis 55 Sekunden konstante Ergebnisse anzuzeigen. Dementsprechend mussten
die Gasvolumen der Versuche mindestens 1 L betragen. Gasvolumina geringer als

28
1 L wurden zusätzlich mit einer definierten Menge Stickstoff verdünnt. Das
Gasanalysegerät verfügt über zwei Kabelanschlüsse für einen Teststand, die bei
einer manuellen Messung mit Blindanschlüssen belegt sein mussten. Wurden diese
installiert, konnte das Gerät eingeschaltet werden und war nach ca. 2 Minuten
einsatzbereit. Im eingeschalteten Zustand pump das Gerät kontinuierlich über den
Messgasanschluss Gas zur Analyse. Zwischen den Messungen der Gasbeutel
wurde das System mit Umgebungsluft gespült. Außerdem musste bei kleinen
Gasmengen um 1 L darauf geachtet werden, dass keine Schwefelsäure aus dem
Eudiometer angesaugt wurde.
Eine Gasmessung der Versuche wurde i.d.R. dann durchgeführt, wenn die in den
Gasbeuteln gesammelte Gasmenge augenscheinlich größer als 1 L war. Dadurch
konnte der Verdünnungsschritt übergangen werden. Für die Gasmengen beim
Beenden der Versuche musste dieser Schritt aufgrund der geringen Volumina
jedoch durchgeführt werden.
4.4.3 Auswertung und Verdünnung der Messproben
Zu Bilanzierung des Abbauverhaltens der Versuche wurde jeder Versuch mit allen in
Kap. 4.1 beschrieben Methoden ausgewertet. Ziel dieser Untersuchung war
herauszufinden, ob sich Unterschiede beim Abbauverhalten zeigen. Die Proben
stammten vom ersten und letzten Versuchstag. Das Probenvolumen betrug 50 mL
für die Proben vom ersten Versuchstag. Am letzten Versuchstag wurden insgesamt
90 mL Probe genommen und in eine 50 mL und zwei 20 mL Probengefäße gefüllt.
Damit sollte gewährleistet werden, dass bei Fehlmessungen noch Ersatz vorhanden
war. Alle Proben wurden zuerst für zwei Wochen eingefroren und vor dem Messtag
bei Raumtemperatur langsam aufgetaut. Jeder Parameter, außer der
Trockensubstanz, wurde doppelt bestimmt, um die Vergleichbarkeit zu erhöhen. Die
zur Analyse notwendigen Verdünnungen wurden an die Versuche angepasst. Eine
Berechnung mit den Einzelwerten der verwendeten Stoffe (Tabelle 5.1) wurde zur
Einstellung der richtigen Verdünnung herangezogen. Für Messwerte die außerhalb
des Kalibrationsbereichs lagen, wurden die Verdünnungen angepasst und die
Messung wiederholt. Es wurde so verdünnt, dass der erwartete Wert etwa in der
Mitte des messbaren Bereichs lag. Alle Versuche mit Melasse mussten höher
verdünnt werden, da die Melasse den Großteil der organischen Bestandteile enthielt.

29
Für die Messung der Trockensubstanz wurden die Proben unverdünnt verwendet.
Die genauen Verdünnungen können Tabelle 4.4 und
Tabelle 4.5 entnommen werden.
Tabelle 4.4: Verdünnungen zur Messung der analytischen Parameter der Proben vom ersten
Versuchstag
PW PW verdünnt PW & Melasse
PW verdünnt &
Melasse Melasse
CSB 1:10 1 1:20 1:20 1:20
BSB5 1:50 1:50 1:200 1:200 1:200
TC 1:50 1:50 1:200 1:200 1:200
TN 1:50 1:50 1:200 1:200 1:200
NH4-N 1:10 1:10 1:20 1:20 1:20
PO4-P 1:10 1:10 1:40 1:20 1:20
Glucose 1 1 1:5 1:5 1:5
Durch den Abbau der organischen Fracht waren die Verdünnungen für die
Endproben i.d.R. kleiner gewählt.
Tabelle 4.5: Verdünnungen zur Messung der analytischen Parameter der Proben vom letzten
Versuchstag
PW PW verdünnt PW & Melasse
PW verdünnt
& Melasse Melasse
CSB 1:10 1:10 1:100 1:100 1:100
BSB5 1:10 1:10 1:100 1:100 1:100
TC 1:50 1:20 1:100 1:100 1:100
TN 1:50 1:20 1:100 1:100 1:100
NH4-N 1:10 1:10 1:6,25 1:6,25 1:6,25
PO4-P 1:50 1:10 1:100 1:100 1:100
Glucose 1 1 1 1 1

Ergebnisse
30
5 Ergebnisse
Das Prozesswasser wurde in mehreren anaeroben Versuchen untersucht. Die
gewonnen Informationen geben Aufschluss über das Gaspotential sowie die
Wirkung auf den Abbauprozess. Weiter können Aussagen darüber getroffen werden,
welchen Einfluss Prozesswasser hat, wenn es mit Melasse in einer Co-
Fermentierung eingesetzt wird.
5.1 Analytik der verwendeten Stoffe
Ziel: Das Ziel für die Untersuchung der Rohstoffe ist in Kapitel 4.4 definiert.
Erwartung: Es wird erwartet, dass die Zusammensetzung des Prozesswassers
vergleichbar ist, mit den vom Ergo Umweltinstitut GmbH untersuchten
Prozesswässern. Die analysierten Prozesswässer stammen aus der gleichen HTC-
Anlage. Die Ausgangsstoff sind jedoch nicht dieselben, wie für das verwendete
Prozesswasser (Bio Abfälle). Aus Ergebnissen der Literatur, wird eine mittlere bis
schlechte biologische Abbaubarkeit für das Prozesswasser erwartet (Anteil des
BSB5 am CSB < 50 %). Der Kohlenstoffgehalt des Prozesswassers sollte zum
größten Teil in gelöster Form als DOC vorliegen.
Für die verwendete Melasse werden Messergebnisse erwartet, die um ein
Vielfaches größer sind wie beim Prozesswasser. Melasse wird aus der
Zuckerherstellung gewonnen und ist sehr zähflüssig. Der Wassergehalt der Melasse
wird entsprechend gering erwartet. Es ist davon auszugehen, dass der Großteil der
Trockenmasse organisch ist und ein hoher Gehalt an reduzierenden Zuckern
gefunden wird.
Ergebnisse:
Die Ergebnisse der Messungen sind in Tabelle 5.1 zusammengefasst. Das
Verhältnis von BSB5 zu CSB beträgt für das Prozesswasser rund 39 %. Dieses
Ergebnis beschreibt ein mäßiges Abbaupotential des verwendeten Prozesswassers.
Ein Vergleich des Gesamtkohlenstoffs (TC) und des gelösten Kohlenstoffs (DOC)
zeigt, dass die Kohlenstoffverbindungen zum überwiegenden Teil in gelöster Form
vorliegen. Die Differenz der Ergebnisse spricht dafür, dass nur sehr wenig filtrierbare
(0,45 m) Partikel im Prozesswasser vorliegen. Gleichzeitig zeigt sich, dass der
schwer abbaubare Teil des CSB entsprechend nicht filtrierbar ist. Dabei kann es sich

Ergebnisse
31
um Stoffe handeln, die den biologischen Abbau negativ beeinflussen. Aus den
Ergebnissen der Trockensubstanzmessung wird deutlich, dass Prozesswasser zum
überwiegenden Teil aus Wasser besteht. Die Trockenmasse beträgt nur rund 2,5 %,
davon sind jedoch über 70 % organische Verbindungen.
Stickstoff liegt im untersuchten Prozesswasser hauptsächlich als Ammonium-
Stickstoff vor. Gelöster Phosphor, in Form von ortho-Phosphat-P, liegt mit einer
Konzentration von 94,9 mg L-1
vor. Es wird außerdem ein Restgehalt an
reduzierenden Zuckern mit 1 g L-1
festgestellt.
Tabelle 5.1: Zusammensetzung der in den Versuchen verwendeten Materialien.
Einheit Prozesswasser Melasse Faulschlamm
Chem. Sauerstoffbedarf (CSB) [g/L] 27,8 1166,5 6,1
Biol. Sauerstoffbedarf (BSB5) [g/L] 10,8 - 1,7
Gesamt Kohlenstoff (TC) [g/L] 11,7 447,7 7,7
Gelöster organischer
Kohlenstoff (DOC)
[g/L] 11,2 437,3 0,689
Stickstoff, gesamt (TN) [mg/L] 846 15039 2163
Ammonium (als N) [mg/L] 564 3,57 1072
Phosphor, gelöst
(als ortho-Phosphat-P)
[mg/L] 94,9 117,5 38,6
Reduzierende Zucker [g/L] 1,0 208,6 0,04
Trockensubstanz [g/kg] 24,8 718,5 30,3
Organische Trockensubstanz [g/kg] 17,9 629,4 17,4
Die Ergebnisse der Melasse-Untersuchung zeigen, dass der Überwiegende Teil der
Kohlenstoffverbindungen gelöst vorliegt. Melasse hat den geringsten Wasseranteil,
dieser Beträgt weniger als 29 %. Die Trockenmasse ist zu mehr als 87 % Organik.

Ergebnisse
32
Der Gesamtstickstoff von Melasse ist auf 15,0 g L-1
bestimmt. Dieses Ergebnis lässt
einen hohen Proteingehalt vermuten. Der als Ammonium-Stickstoff gebundene
Stickstoff ist für die Melasse sehr gering. Der Phosphorgehalt ist vergleichbar mit
dem Prozesswasser (117,55 mg L-1
).
Die Konzentration an reduzierenden Zuckern ist mit 208,6 g L-1
ermittelt.
5.2 Erhöhung der Wasserstofferträge mittels „Heat-Shock-
Treatment“
Mit der Anwendung des „Heat-Shock-Treatment“ wird das Ziel verfolgt, die
wasserstoffzehrenden Mikroorgansimen im Inokulum abzutöten. Gleichzeitig soll
festgestellt werden, ob ein höherer Gasertrag erreicht werden kann, wenn das
Prozesswasser ebenfalls vor dem Versuch mit dem „Heat-Shock-Treatment“
behandelt wird.
Durch die Behandlung des Faulschlamms mit dem „Heat-Shock-Treatment“ wird
erwartet, dass die methanbildenden Mikroorganismen abgestorben sind und kein
Methangehalt im Gas vorliegt. Das entstehende Gas sollte entsprechend nur aus
Wasserstoff und Kohlendioxid bestehen.
In drei Versuchen ist zusätzlich zum Inokulum das Prozesswasser mitbehandelt
worden. Entgegen der Literatur wird davon ausgegangen, dass sich durch diese
Maßnahme keine Erhöhung der Gaserträge einstellt. Die lässt sich darauf
zurückführen, dass das Prozesswasser bereits bei der Karbonisierung für mehrere
Stunden hohen Temperaturen ausgesetzt war.
Ein deutlich höherer Gasertrag wird vor allem beim zusätzlichen Einsatz von
Melasse erwartet.
Die Versuchsreihe mit wärmebehandeltem Inokulum ergibt für keinen der Versuche
einen Gasertrag. Nach sieben Tagen wurde zur Überprüfung ein zusätzlicher
Reaktor gestartet. Dieser besteht nur aus Melasse und Inokulum, das nicht
vorbehandelt ist. Der Versuch zeigt schon in den ersten Stunden eine
Gasproduktion, was zu der Vermutung führte, dass die Mikroorganismen in den
andern Versuchen wahrscheinlich durch die Vorbehandlung abgestorben sind.

Ergebnisse
33
Eine Betrachtung unter dem Mikroskop bekräftigte die Vermutung. Es waren keine
Bewegungen der Bakterien zu erkennen. Da kein Gas produziert werden konnte,
wurde entschlossen, für diese Versuche keine weitere Analytik durchzuführen.
5.3 Möglichkeiten der Nutzung von Prozesswasser zur
Wasserstofferzeugung
Prozesswasser wurde in zwei unterschiedlichen Konzentrationen in einem
anaeroben Prozess, mit dem Ziel Wasserstoff zu erzeugen, eingesetzt. Aus den
Ergebnissen können Informationen zum Gasbildungspotential und dem biologischen
Abbau gewonnen werden.
5.3.1 Gaserträge aus der Nutzung von reinem Prozesswasser
Aus den vorliegenden Ergebnissen soll geklärt werden, ob Prozesswasser generell
als Substrat bei der Erzeugung von Wasserstoff in Frage kommt. Mit den
Messwerten der Gasanalyse sollen Informationen über das Gasbildungspotential
sowie eine Hemmwirkung des Prozesswassers gewonnen werden.
Zwei Versuche wurden durchgeführt, die unterschiedliche Prozesswasser-
konzentrationen enthalten. Mit den Messergebnissen aus Tabelle 5.1 und der
Zusammensetzung (Kapitel 4.4.1), ist das Verhältnis der organischen
Trockenmassen von Prozesswasser und Inokulum berechnet worden. Dadurch
können Informationen über die Belastung des Faulschlamms erhalten werden. Um
eine Inhibierende Wirkung des Prozesswassers festzustellen, werden die
Gaserträge der einzelnen Messungen auf die organische Trockensubstanzmasse
des Prozesswassers bezogen.
Es wird erwartet, dass die Faulschlammbelastung einen Einfluss auf die Gaserträge
hat. Bei höherer Faulschlammbelastung ist die Konzentration an möglich
hemmenden Stoffen durch das Prozesswasser höher, was zu einem niedrigeren
Gasertrag führen sollte. Im Weiteren wird erwartet, dass die Gasproduktion innerhalb
der Versuchszeit komplett abläuft. Dies sollte sich vor allem durch einen konstanten
spezifischen Gasertrag deutlich machen.

Ergebnisse
34
Das Ergebnis der Auswertung ist in Abbildung 5.1 dargestellt. Der oTS des reinen
Prozesswassers führt zu einer Faulschlammbelastung von 1. Für beide Versuche
konnte nach sieben Tagen das erste Messergebnis erhalten werden. Gas ist über
die gesamte Versuchszeit von 17 Tagen entstanden. Wie erwartet, scheint die
Faulschlammbelastung einen Einfluss auf die Gasproduktion zu haben. Beide
Versuche zeigen bei der ersten Messung unterschiedliche Gaserträge. Dieser
Unterschied findet sich ebenfalls in den kumulierten Gaserträgen am Ende der
Versuche. Wurde das Prozesswasser verdünnt, stellt sich die Belastung auf 0,2 ein
(oTSProzesswasser / oTSFaulschlamm). Der spezifische kumulierte Gasertrag erreicht dabei
am Ende der Versuche einen Wert von (707,0±15,0) NL kg-1
oTS Prozesswasser. Bei
einer Faulschlammbelastung von 1,0 steigt der Gesamtertrag am Ende auf
(369,0±2,2) LN kg-1
oTS Prozesswasser.
Abbildung 5.1: Vergleich der spezifischen, kumulierten Gaserträge bei unterschiedlichen
Faulschlammbelastungen.
Der verdünnte Versuch zeigt gegen Ende der Versuchszeit einen leicht
abflachenden Verlauf. Dies könnte ein Hinweis auf Substrat oder Nährstoffmangel
sein. Ist das Substratangebot für die Mikroorganismen zu gering wird, endet die
Log.-Wachstumsphase und einige Mikroorganismen sterben ab. Die Ergebnisse der
Prozesswasserzusammensetzung (Tabelle 5.2) zeigen, dass der Gesamtkohlenstoff
weitestgehend verbraucht wurde. Etwa 84 % der Kohlenstoffkonzentration sind über
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
spez.kumulierterGasertrag
[NL/kgoTSProzesswasser]
Zeit t / d
Faulschlammbelastung: 1 Faulschlammbelastung: 0,2

Ergebnisse
35
die Versuchszeit abgebaut worden. Im Vergleich dazu, sind es im unverdünnten
Prozesswasser nur etwa 45 %.
Tabelle 5.2: Zusammensetzung des Prozesswassers nach 17 Tagen Versuchszeit. Durchschnittliche
Messergebnisse für oTS, CSB, BSB5, TC, TN und pH-Wert.
Einheit Prozesswasser Prozesswasser verdünnt (1:5)
Start Ende Start Ende
oTS [g / kg] 17,3 ± 0,5 11,56 ± 0,02 17,9
(1)
10,35 ± 0,29
CSB [g / L] 25,0 ± 4,0 23,0 ± 2,2 35,0 ± 6,0 24,0 ± 6,0
BSB5 [g / L] 13,4 ± 0,4 1,76 ± 0,14 13,7 ± 1,4 6,44 ± 0,19
TC [g / L] 11,493 ± 0,016 6,4 ± 2,3 10,3 ± 2,0 1,66
(2)
TN [g / L] 1,125 ± 0,014 1,0 ± 0,4 0,36 ± 0,17 0,7 ± 0,6
pH
(3)
[ - ] 6,85 ± 0,11 7,73 ± 0,17 7,50 ± 0,02 7,92 ± 0,06
(1): Messwert aus Ergebnissen des Vorversuchs (2): Messwert einer Einzelmessung (3): pH des gesamten
Reaktorinhalts
Damit eine Aussage auf das Gasbildungspotential des Prozesswassers getroffen
werden kann, muss die Eigenproduktion des Faulschlamms mit einbezogen werden.
Die Messergebnisse aus Abbildung 5.1 enthalten noch den Eigenertrag, da dieser
nur am Ende der Versuche einmal bestimmt wurde und für die Messergebnisse
während der Versuchszeit keine Angaben vorhanden sind. Aus dem kumulierten
Gasertrag über die Versuchszeit und dem Ergebnis der Faulschlammproduktion,
kann die exakte spezifische Gasproduktion berechnet werden.
Die Ergebnisse sind in Abbildung 5.2 dargestellt. Reines Prozesswasser produziert
über 17 Tage (4,99±0,08) NL L-1
Prozesswasser. Der verdünnte Versuch, mit geringerer
Prozesswasserkonzentration, zeigt eine Erhöhung des spez. Gasertrags auf
(5,9±0,4) NL L-1
Prozesswasser.

Ergebnisse
36
Abbildung 5.2: Vergleich der spezifischen, kumulierten Gaserträge unter Berücksichtigung der
Eigenproduktion des Faulschlamms.
Um Aussagen über die Zusammensetzung des Gases treffen zu können, sind die
Ergebnisse der Gasanalyse ausgewertet worden.
Abbildung 5.3 zeigt die Volumenanteile der Komponenten Kohlendioxid, Methan,
Wasserstoff und Sauerstoff des kumulierten Gasertrags am Ende der Versuche. Der
Eigenertrag des Faulschlamms ist bei dieser Darstellung bereits abgezogen.
Ausgehend von der Prozesstemperatur von 60 °C wird kein Anteil an Methan
erwartet. Die Zusammensetzung sollte nur aus Kohlendioxid und Wasserstoff
bestehen.
Die Beschriftungen entsprechen den Faulschlammbelastungen aus Abbildung 5.1.
Reines Prozesswasser hat eine Faulschlammbelastung von 1,0 und 0,2 für das
verdünnte Prozesswasser. Der Kohlendioxidanteil ist in beiden Versuchen
vergleichbar und liegt bei etwa 50 % bis 51 %. Auffallend ist, dass entgegen der
Erwartung in beiden Versuchen Methan gemessen werden kann. Im Vergleich zeigt
sich, dass aus reinem Prozesswasser ein höherer Methananteil erhalten wird. Der
erwartete Wasserstoff kann nur in geringen Anteilen festgestellt werden. Durch
Verdünnung des Prozesswassers ist eine Erhöhung des Wasserstoffanteils erreicht
worden. Dieser konnte dadurch von 2,3 % für das reine Prozesswasser auf 8,7 %
ansteigen.
0
1
2
3
4
5
6
7
Prozesswasser Prozesswasser verdünnt (1:5)
spez.Gasertrag
[NL/LProzesswasser]

Ergebnisse
37
Abbildung 5.3: Zusammensetzung des kumulierten Gasertrags nach 17 Tagen. Darstellung der
Volumenanteile Kohlendioxid, Methan, Wasserstoff und Sauerstoff.
In beiden Versuchen ist ein geringer Sauerstoffanteil messbar.
Das Ergebnis zeigt, dass die Prozesswasserkonzentration nur geringen Einfluss auf
die Gaszusammensetzung hat. Unterschiede sind in den Anteilen von Methan und
Wasserstoff erkennbar.
Ebenfalls kann festgestellt werden, dass durch eine Prozesstemperatur von 60 °C
die Methanproduktion nicht unterdrückt wird.
Die Ergebnisse der spezifischen Gaserträge in Tabelle 5.3 zeigen, dass die
Prozesswasserkonzentration nur geringe Auswirkungen auf den Methanertrag hat.
Tabelle 5.3: Durchschnittliche spez. Gaserträge der Komponenten Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4)
und Wasserstoff (H2). Angaben bezogen auf den Gesamtertrag am Ende der Versuche.
Versuch Spez. Gaserträge (NL / LProzesswasser)
CO2 CH4 H2
Reines Prozesswasser 2,55 ± 0,13 2,20 ± 0,19 0,116 ± 0,027
Prozesswasser verdünnt (1:5) 3,0 ± 0,4 2,2 ± 0,7 0,51 ± 0,13
Die einzelnen Komponenten zeigen nur für Kohlendioxid und Wasserstoff
unterschiedliche Ergebnisse.
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Prozesswasser Prozesswasser verdünnt (1:5)
Vol-%
CO2 CH4 H2 O2CO2 CH4 H2 O2

Ergebnisse
38
5.3.2 Co-Fermentierung von Prozesswasser mit Zuckerrübenmelasse
Zwei Versuche wurden ausgewertet, die zum Prozesswasser zusätzlich Melasse
enthalten. Als Vergleichsversuch ist ein Reaktor nur mit Melasse als Substrat
betrieben. Ziel dieser Untersuchung ist festzustellen, ob Melasse den Gasertrag
erhöhen kann. Melasse besitzt gegenüber dem Prozesswasser größere Mengen
reduzierende Zucker. Teil dieser Zucker ist die gut abbaubare Glucose. Aus den
Ergebnissen der Substratuntersuchung geht ebenfalls hervor, dass die Melasse ein
besseres C/N Verhältnis gegenüber dem Prozesswasser besitzt. Mit Zugabe von
Melasse wird das Ziel verfolgt, das Nährstoffangebot für die Mikroorganismen zu
verbessern.
Durch die Verwendung von Melasse ändert sich die Faulschlammbelastung. Da das
Prozesswasser im Vergleich zur Melasse einen geringen oTS besitzt (Tabelle 5.1),
wird davon ausgegangen, dass die Faulschlammbelastung überwiegend auf die
Melasse zurückzuführen ist. In Tabelle 5.4 sind die Verhältnisse der organischen
Trockensubstanzen von Prozesswasser und Melasse wie sie in den Versuchen
eingesetzt werden dargestellt. Es zeigt sich, dass beim Einsatz von 400 mL
Prozesswasser und 80 mL Melasse ein Verhältnis von 10:1 erzielt wird. Sind die
Volumen für Prozesswasser und Melasse gleich, erhöht sich dieses Verhältnis auf
50:1. Die Faulschlammbelastung liegt in den Versuchen im Bereich von 9,4:1 bis
10,4:1. Das Prozesswasser hat in diesen Versuchen nur geringe Auswirkung auf die
Faulschlammbelastung.
Tabelle 5.4: oTS-Verhältnisse zwischen den eingesetzten Substraten Melasse und Prozesswasser
und die daraus entstehende Faulschlammbelastung.
Aufgrund der ähnlichen Faulschlammbelastung, wird davon ausgegangen, dass
reines Prozesswasser zusammen mit Melasse den größten kumulierten Gasertrag
liefert.
Versuch
oTS Verhältnis
(Melasse : Prozesswasser)
Faulschlammbelastung
(oTSSubstrat : oTSInokulum)
Reines Prozesswasser & Melasse 10:1 10,4:1
Prozesswasser verdünnt
(1:5) & Melasse
50:1 9,5:1
Reine Melasse - 9,4:1

Ergebnisse
39
Abbildung 5.4: Vergleich der kumulierten spezifischen Gaserträge aller durchgeführten Versuche.
Darstellung der durchschnittlichen Messwerte.
Die Ergebnisse der Gasmessung in Abbildung 5.4: Vergleich der kumulierten
spezifischen Gaserträge aller durchgeführten Versuche. Darstellung der
durchschnittlichen Messwerte.zeigen, dass der höchste kumulierte Gasertrag von
dem Versuch erzielt wurde, in dem Melasse mit verdünntem Prozesswasser
abgebaut wurde. Ist Melasse alleine eingesetzt sinkt der Gasertrag. Der Versuch mit
reinem Prozesswasser und Melasse zeigt den geringsten Ertrag. Alle Versuche
produzierten das Gas hauptsächlich in den ersten sieben Tagen nach Versuchsstart.
Ab diesem Zeitpunkt sind die kumulierten Gaserträge nur sehr gering vom absolut
erzeugten Gasertrag am Ende unterschiedlich.
Zum Vergleich sind die Ergebnisse aus Kapitel 5.3.1 ebenfalls in Abbildung 5.4
dargestellt. Diese liegen um ein vielfaches höher, als alle Ergebnisse die aus der
Melasse entstammen. Die Faulschlammbelastung ist bei den Versuchen mit
Melasse um den Faktor 10 und Faktor 50 größer. Im Vergleich kann ebenfalls
festgestellt werden, dass der kumulierte Gasertrag schneller ansteigt wenn Melasse
verwendet wird. Dieser schnelle Anstieg weist auf eine Wasserstoffproduktion hin.
Die Ergebnisse der Gaszusammensetzung bestätigen diese Aussage (Abbildung
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 5 10 15 20
kumulierterspezifischerGasertrag
inNL/kgoTS(Prozesswasser)
kumulierterspezifischerGasertrag
inNL/kgoTS(Prozesswasser+Melasse)
Zeit t / d
Reines Prozesswasser & Melasse Prozesswasser verdünnt (1:5) & Melasse
Melasse Faulschlammbelastung: 1
Faulschlammbelastung: 0,2

Ergebnisse
40
5.5). Keiner der Versuche mit Melasse hat Methan produziert, stattdessen sind vor
allem Wasserstoff und Kohlendioxid feststellbar. Der Wasserstoffanteil scheint eine
Verbindung mit dem kumulierten Gasertrag zu haben. Der höchste Anteil ist mit
30 % für das verdünnte Prozesswasser festzustellen. Der kumulierte Gasertrag für
diesen Versuch ist auf (73±5) NL kg-1
oTS bestimmt worden. Die reine Melasse hat
einen Wasserstoffanteil von 27,4 % bei einem Ertrag von (60±6) NL kg-1
oTS. Aus
reinem Prozesswasser und Melasse entstand im gebildeten Gas der geringste
Wasserstoffanteil (15,9 %) und Gasertrag ((27±8) NL kg-1
oTS).
Abbildung 5.5: Gaszusammensetzung des kumulierten Gasertrags am Ende der Versuchszeit.
Der größte Anteil nimmt Kohlendioxid ein. Die Volumenanteile bewegen sich
zwischen 66,2 % und 79,7 %.
5.3.3 Einfluss von Melasse auf den biologischen Abbau
Ein Vergleich der Gaszusammensetzungen der Versuche mit Melasse (Abbildung
5.5) und aus reinem Prozesswasser (Abbildung 5.3) zeigt unterschiedliche
Zusammensetzungen. Sobald Melasse als Co-Substrat eingesetzt wird, zeigt sich
eine Wasserstoffproduktion. Die Methanproduktion wird vollständig unterdrückt.
Welchen Einfluss die Melasse auf den Prozess hat, zeigt sich beim Vergleich der
pH-Werte. In Tabelle 5.5 sind die pH-Werte der Proben vom letzten Versuchstag
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Prozesswasser & Melasse Prozesswasser verdünnt
(1:5) & Melasse
Melasse
vol-%
CO2 H2 O2CO2 H2 O2

Ergebnisse
41
dargestellt. Aus dem Vergleich mit den Ergebnissen aus Tabelle 5.2 kann festgestellt
werden, dass Melasse zu einer Senkung des pH-Werts führt. Der saure pH ist
vorteilhaft für die Wasserstoffproduktion und verhindert gleichzeitig die
Methanproduktion.
Tabelle 5.5: Konzentrationen von CSB, BSB5, TC, TN und reduzierenden Zuckern sowie der oTS-
Gehalt und pH-Wert aus den Versuchen mit Melasse und Prozesswasser. Durchschnittswerte der
Proben nach 17 Tagen Versuchszeit.
Einheit Prozesswasser &
Melasse
Prozesswasser
verdünnt (1:5) und
Melasse Melasse
oTS [g / kg] 77,0 ± 1,0 58,4 ± 0,5 69,0 ± 2,3
CSB [g / L] 126,3 ± 0,6 109,73 ± 0,08 122,0 ± 2,2
BSB5 [g / L] 60,0 ± 6,0 50,0 ± 2,2 55,2 ± 0,4
TC [g / L] 48,9 ± 0,4 44,38 ± 0,07 47,79 ± 0,12
TN [g / L] 3,0 ± 0,4 2,60 ± 0,07 2,78 ± 0,12
Red. Zucker [g / L] 21,00 ± 0,18 23,1 ± 0,4 22,1 ± 0,4
pH [ - ] 4,97 ± 0,04 4,78 ± 0,07 4,826 ± 0,016
Messwerte der Proben vom Anfang der Versuche können nicht zur Auswertung
genutzt werden. Es hat sich herausgestellt, dass die Reaktoren zum Zeitpunkt der
Probennahme nicht homogen gemischt waren. Mit den Angaben über die Einwaage
der Melasse aus Tabelle 4.3 und der Materialzusammensetzung (Tabelle 5.1) ist der
erwartete TS für die Startproben berechnet. In Tabelle 5.6 sind die Ergebnisse
dieser Berechnung den gemessenen Werten gegenübergestellt.
Tabelle 5.6: Erwarteter TS in den Proben vom ersten Versuchstag im Vergleich zum gemessenen TS.
Versuch TS erwartet [g / kg] TS gemessen [g / kg]
Prozesswasser & Melasse 104,1 46,0 ± 8,0
Prozesswasser verdünnt (1:5) & Melasse 96,2 41,0 ± 2,9
Melasse 94,2 37,0 ± 1

Ergebnisse
42
Die Abweichung beträgt in den Proben zwischen 55 % und 60 %.
Um trotzdem Aussagen über den Abbau treffen zu können, sind die erwarteten
Messergebnisse für TC, TN, CSB, oTS und reduzierende Zucker berechnet worden.
Beim Vergleich der Ergebnisse aus Tabelle 5.5 und Tabelle 5.7 zeigt sich, dass der
oTS abgebaut wurde. Melasse, die zusammen mit verdünntem Prozesswasser
verwendet worden ist, zeigt den höchsten oTS-Abbau. Dieser Versuch hat auch als
einziger eine CSB Reduktion aufweisen können. In den anderen zwei Versuchen
stieg die CSB-Konzentration leicht an.
Auffallend beim Vergleich der TC- und TN-Konzentrationen ist, dass die
Messergebnisse der Endproben mit den berechneten Werten der Startproben
identisch sind. Gerade die TC-Konzentration hätte aufgrund der
Kohlendioxidproduktion in den Endproben geringer ausfallen sollen.
Tabelle 5.7: Erwartete Messwerte aus der Berechnung mit den Ergebnissen der Zusammensetzung
von Melasse, Prozesswasser und Faulschlamm.
Einheit Prozesswasser &
Melasse
Prozesswasser
verdünnt (1:5) und
Melasse Melasse
oTS [g / kg] 94,1 96,3 94,6
CSB [g / L] 121,5 122,5 119,7
TC [g / L] 48,9 44,4 47,8
TN [g / L] 3,0 2,6 2,8
Red. Zucker [g / L] 19,5 21,0 20,9
Ebenfalls kann beobachtet werden, dass die Konzentration reduzierender Zucker
ansteigt. Melasse besteht neben reduzierenden Zuckern auch zum Teil aus
Saccharose. Saccharose löst sich in Wasser bei saurem pH zu Glucose und
Fructose [44].
Der chemische Sauerstoffbedarf steigt während der Versuchszeit für reine Melasse
und bei dem Versuch mit Melasse und unverdünntem Prozesswasser an. Ein Abbau
des CSB ist nur im Versuch mit verdünntem Prozesswasser und Melasse erkennbar.
Hier stellt sich ein Kozentrationsunterschied von rund 10 % ein.

Diskussion
43
6 Diskussion
6.1 Methanbildungspotential von Prozesswasser
Das Methanbildungspotential des eingesetzten Prozesswassers ist um ein vielfaches
geringer als in anderen Untersuchungen. Das in dieser Arbeit untersuchte
Prozesswasser erreichte Methanerträge zwischen 125 NL CH4 kg-1
oTS und
177 NL CH4 kg-1
oTS. Dabei wird der größere Ertrag vom verdünnten
Prozesswasser erreicht.
Krebs et al. [42] haben in ihrer Untersuchung eines HTC-Prozesswassers aus
Klärschlamm einen maximalen Methanertrag von rund 270 NL CH4 kg-1
oTS
feststellen können. Dieses Ergebnis entstand bei einer 30-fachen Verdünnung des
Prozesswassers. Wurde das Prozesswasser nur 10-fach verdünnt sank der
Methanertrag des gleichen Prozesswassers auf etwa 230 NL CH4 kg-1
oTS.
Unterschiede in den Ergebnissen zeigen sich neben den Methanerträgen auch im
Zeitpunkt an dem die Gasproduktion beendet ist.
Die Ergebnisse von Krebs et al. [42] zeigen nach etwa 3 bis 5 Tagen kaum noch
veränderte Erträge. Das höher verdünnte Prozesswasser erreichte diesen Zeitpunkt
ebenfalls früher. Ein Vergleichsversuch mit unverdünntem Prozesswasser
produzierte hingegen erst nach über 30 Tagen Methan.
Die Ergebnisse aus Abbildung 5.1 deuten auf einen ähnlichen Verlauf hin wie er von
Krebs et al. beschrieben wird. Verdünntes Prozesswasser wird schneller abgebaut.
Jedoch ist die Gasproduktion nach 3 bis 5 Tagen noch nicht vollständig abgelaufen.
Ein weiterer Unterschied ist die Prozesstemperatur. Diese ist in der Arbeit von
Krebs et al. mit einem Standardisierten Gärtest (GB21) auf 35 °C festgelegt [45]. Im
Vergleich dazu wurde in der vorliegenden Arbeit eine Prozesstemperatur von 60 °C
eingestellt. B. Wirth hat in einer Untersuchung von HTC-Prozesswasser aus einer
Karbonisierung von Klärschlamm keinen Einfluss der Temperatur auf den
Methanertrag feststellen können [46].
Unterschiede zwischen den Ergebnissen von Krebs et al. und den hier vorliegenden
sind auf das Ausgangssubstrat des Karbonisierungsprozess‘ zurückzuführen.
Ramke et al. [2] haben die Methanerträge von Prozesswässern unterschiedlicher
Ausgangssubstrate der hydrothermalen Karbonisierung verglichen. Ihre Ergebnisse

Diskussion
44
befinden sich in einem Bereich zwischen 77 NL CH4 kg-1
TS und
738 NL CH4 kg-1
TS. Dabei wurden Klärschlamm, Gärreste, Bioabfall, Citrusfrüchte
und Speisereste als Ausgangsmaterialien für die Karbonisierung eingesetzt. Der
geringste Ertrag wurde für Gärreste ermittelt, die höchsten Erträge für Speisereste
und Citrusfrüchte. Die Ergebnisse von Bioabfall und Klärschlamm bewegen sich in
der Mitte.
Tabelle 6.1: Gaspotentiale, Methangehalt und Kohlenstoffkonzentration verschiedener
Prozesswässer [2].
Ausgangssubstrat Sepz. GP
[NL / kg TS]
CH4
[%]
TOC
[mg / L]
Gärrest 77 57,9 8.636
Klärschlamm 148 57,1 6.000
Bioabfall 227 72,3 23.788
In der vorliegenden Arbeit wurde ebenfalls Prozesswasser aus eine Karbonisierung
von Bioabfall verwendet. Die Ergebnisse betragen zwischen 74 NL kg-1
TS und
105 NL kg-1
TS bei Methananteilen von 37 % und 44 %. Der TOC wurde in Form von
TC auf 11.700 mg L-1
bestimmt. Vergleicht man die Werte mit den in Tabelle 6.1
dargestellten Ergebnissen, scheint das Prozesswasser besser vergleichbar mit dem
Prozesswasser aus Gärresten zu sein. Ein eindeutigerer Vergleich könnte
stattfinden, wenn die Zusammensetzung des Bioabfalls vor der Karbonisierung
bekannt ist. Nach Aussagen des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz und
Reaktorsicherheit, ist die Zusammensetzung von Bioabfällen über das Jahr
unterschiedlich [47]. Entsprechend verändert sich die Zusammensetzung des
Prozesswassers, was wiederum einen Einfluss auf den Gasertrag ausübt.

Ausblick
45
7 Ausblick
Die Ergebnisse zeigten, dass aus reinem Prozesswasser nur wenig Wasserstoff
gewonnen werden konnte. Die Methanproduktion ist nicht vollständig unterdrückt. Es
wird vorgeschlagen, den pH vor der Fermentation in einen sauren Bereich zwischen
pH 5 und pH6 zu versetzten.
Um weitere Informationen über eine Hemmwirkung zu erhalten, sollte der Gehalt an
phenolischen Verbindungen im Prozesswasser überprüft werden. Um Informationen
über die Anpassungsfähigkeit der Mikroorganismen zu erhalten sollten Versuche bis
zum Abbruchkriterium durchgeführt werden.
Um die Kinetik genauer zu beschreiben, muss eine Methode gefunden werden, das
produzierte Gas täglich auszuwerten.
Melasse hat sich als ausschlaggebender Faktor bei der Produktion von Wasserstoff
erwiesen. Dabei wurde ebenfalls festgestellt, dass ein oTS-Verhältnis von 1:50
zwischen Prozesswasser und Melasse einen Mehrertrag liefert. Diese Ergebnisse
müssen in weiteren Versuchen bestätigt werden. Es ist denkbar das oTS-Verhältnis
weiter zu erhöhen auf 1:100 und 1:200. Auch könnte die Melasse durch Glucose
substituiert werden. Damit kann die Vergleichbarkeit zu anderen Arbeiten erhöht
werden.
Die Wasserstoffproduktion läuft parallel zur Produktion von flüchtigen organischen
Säuren ab. Besonders interessant ist die Produktion von Ethanol während des
Prozesses. Eine Messung des FOS/TAC könnte weitere Informationen liefern, die
Wasserstoffproduktion zu erhöhen.
Ebenfalls wird empfohlen den Versuchsaufbau nach einem Standardisierten Gärtest,
beispielweise VDI 4630 oder GB21 durchzuführen.

Literaturverzeichnis
46
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