Steering biogas performance by implementation of bioelectrochemical cell (BEC) technology

Anna Prokhorova
2016
Tag der mündlichen Prüfung: 22.07.2016 Erklärung an Eides statt II Erklärung an Eides statt Hiermit erkläre ich, dass ich die Dissertation mit dem Titel "Kontrolle der Biogasreaktor Performance durch Implementierung bioelektrochemischer Zelle (BEZ) Technologie" selbstständig angefertigt habe und nur die von mir angegebenen Hilfsmittel benutzt habe. Alle Teile, die wörtlich oder dem Sinn nach anderen Werken entnommen sind, sind von mir durch Angabe der Quelle als Entlehnung gekennzeichnet.
more » ... kennzeichnet. Weiterhin habe ich beim Anfertigen dieser Arbeit die Regeln zur Sicherung der guten wissenschaftlichen Praxis des KITs beachtet und alle Primärdaten gemäß Abs. A (6) am Institut archiviert. Des Weiteren versichere ich, dass die elektronische mit der schriftlichen Form dieser Arbeit übereinstimmt. Abbreviation Description AD Anaerobic digestion BEC Bioelectrochemical cell NHE Normal hydrogen electrode SCE Saturated calomel electrode DAPI 4',6-diamidino-2-phenylindole FA Formamide OD Optical density RT Room temperature DMSO Dimethyl sulfoxide FISH Fluorescence in situ hybridization TOC Total organic carbon CE Coulombic efficiency qPCR Quantitative PCR EDTA Ethylene diamine tetra acetate LSV Linear sweep voltammetry OCP Open circuit potential VFA Volatile fatty acids PEM Proton exchange membrane Abstract -1 -Abstract Nowadays global energy crisis requires a multifaceted solution. Bioenergy is an important part of this strategy. To ensure an efficient biogas performance, in many cases it would be advisable to steer microbial degradation of the substrate. A new concept for integrating conventional anaerobic digester (AD) with bioelectrochemical cell (BEC) technology was Im zweiten Teil der vorliegenden Thesis wurde der Einfluss von BEZs auf die Leistung von Biogasanlagen untersucht. Hierzu wurde die Geschwindigkeit des Kohlenstoffabbaus in Leerlaufpotential (LLP)-Modus mit einem linearer Sweep Voltammetrie (LSV) Experiment verglichen. Die mikrobielle Diversität wurde während der Versuche mit besonderem Fokus auf die Vielfalt von methanogenen Spezies charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen einen inhibierenden Einfluss der angelegten Potentiale auf das methanogene Konsortium und auf die Methanbildung. Die Methanertragseffizienz wurde mit 86,4% und 63% für LLP und LSV-Modus ermittelt. Interessanterweise wurden die Kohlenstoffquellen in BEZs unter angelegtem Potenzial abgebaut, bis die exoelektrogenen Mikroorganismen der Lage waren, Elektronen zu erzeugen, jedoch war der Kohlenstoff Abbau bei Potentialen unter -0,15 V verlangsamt. Im dritten Teil der vorliegenden Arbeit konnte die Wirkung Integration von BEZ in VA unter Verwendung von vorinkubierten Anoden verstärkt werden. Ein sehr stabiles Niveau von erzeugtem Strom wurde während des gesamten Versuchszeitverlaufs erfasst. Der Modell-Biofilm war in der Lage die Hälfte seiner maximalen Stromwerte unter diesen Bedingungen zu erzeugen. Im Vergleich mit dem LLP Experiment wurde Methanertragseffizienz auf 44% gesenkt, aber zugleich war Coulomb-Effizienz sehr hoch (64%). Biogas production Production of biogas through anaerobic digestion (AD) of animal manure and digestible organic waste streams converts these substrates into renewable energy and offers a natural fertiliser for agriculture (Weiland, 2010) . In the same time, it removes the organic components from the overall waste streams, thus increasing the efficiency of energy conversion by incineration of the remaining wastes. This technology nowadays has the potential to become a key technology to treat organic waste streams and generate heat and electricity for the refinery (Verstraete et. al., 2005) . AD is a microbiological process of decomposition of organic matter under anoxic conditions, which is ordinary to many natural environments. Highly diverse microbial communities are involved in the anaerobic process which has two main end products: biogas and digestate. Biogas is a combustible gas consisting of methane and carbon dioxide in the approximate ratio 3:1 and small amounts of other gases with trace elements. Digestate is the decomposed substrate, rich in macro-and micro nutrients and therefore suitable to be used as plant fertilizer (Al Seadi, 2008).
doi:10.5445/ir/1000059942 fatcat:7xhsjqbwi5an7aj3yu5v3ibnvi