{"id":25171,"date":"2015-03-26T03:06:40","date_gmt":"2015-03-26T02:06:40","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=25171"},"modified":"2015-03-25T14:33:46","modified_gmt":"2015-03-25T13:33:46","slug":"neue-magnetische-kohlenstoff-komposite-fuer-die-bio-und-umwelttechnik-aus-dem-dampfdrucktopf","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/neue-magnetische-kohlenstoff-komposite-fuer-die-bio-und-umwelttechnik-aus-dem-dampfdrucktopf\/","title":{"rendered":"Neue magnetische Kohlenstoff-Komposite f\u00fcr die Bio- und Umwelttechnik aus dem \u201eDampfdrucktopf\u201c"},"content":{"rendered":"
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Magnetischer Kohlenstoff-Kompositpartikel mit Ferritkern (hell) und Kohlenstoffmantel (dunkel). Foto: ZetA Partikelanalytik GmbH \/ ATB – Zoom<\/a> –<\/figcaption><\/figure>\n

Wissenschaftler des Potsdamer Leibniz-Instituts f\u00fcr Agrartechnik und der Humboldt-Universit\u00e4t zu Berlin haben ein einfaches Verfahren zur Herstellung magnetischer Kohlenstoff-Komposite entwickelt und einen nutzbringenden Einsatz bei der Biogaserzeugung aufgezeigt. Die Kohlepartikel, die mittels hydrothermaler Karbonisierung (HTC) in einem Reaktor \u00e4hnlich eines Dampfdrucktopfs hergestellt werden, besitzen eine moderat gro\u00dfe Oberfl\u00e4che und als Neuheit einen magnetischen Kern. An den Partikeln k\u00f6nnen sich Mikroorganismen festsetzen und so im Reaktor zur\u00fcckgehalten werden. Auch lassen sich damit unerw\u00fcnschte Schad- oder St\u00f6rstoffe aus Bioprozessen, Abw\u00e4ssern oder der Umwelt entfernen. Die Ergebnisse einer Studie zur Wirkung im Biogasprozess wurden soeben in der renommierten Fachzeitschrift \u201eBioresource Technology\u201c ver\u00f6ffentlicht.<\/strong><\/p>\n

Anaerobe biologische Prozesse wie die Biogaserzeugung sind in ihrer Leistung und Anwendbarkeit begrenzt, zum einen durch das sehr langsame Wachstum der beteiligten Mikroorganismen und zum anderen durch die hemmende Wirkung verschiedener Stoffe wie Ammonium auf das mikrobielle System. \u00dcbliche Verfahren zur Anreicherung von Mikroorganismen beruhen zumeist auf der R\u00fcckhaltung durch Sedimentation oder auf Einbauten im Bioreaktor, an denen sich die Organismen festsetzen k\u00f6nnen. Beides ist jedoch nur m\u00f6glich, wenn die Fermentationsfl\u00fcssigkeit ausreichend flie\u00dff\u00e4hig ist. In Biogasanlagen, die vorwiegend strukturreiche Stoffe wie Mist oder Maissilage verg\u00e4ren, ist die Viskosit\u00e4t meist zu hoch.<\/p>\n

Wissenschaftler am Leibniz-Institut f\u00fcr Agrartechnik in Potsdam und der Berliner Humboldt-Universit\u00e4t setzen bei ihrem Ansatz zur Leistungssteigerung im Biogasreaktor auf Biokohle \u2013 genauer: auf magnetische Kohlenstoff-Komposite.<\/p>\n

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Magnetische Kohlenstoff-Kompositpartikel in Wasser, die von einem Dauermagneten angezogen werden. Foto: Reza \/ ATB – Zoom<\/a> –<\/figcaption><\/figure>\n

Biokohle ist ein kohlenstoff- und oberfl\u00e4chenreiches Material, das \u00e4hnlich der Holzkohle durch thermische Umwandlung von Biomasse entsteht. Biokohle kann auf verschiedenen Wegen hergestellt werden. Besonders flexibel ist das Verfahren der hydrothermalen Karbonisierung (HTC). Hier findet der Prozess in Anwesenheit von Wasser statt und die Biomasse kann \u00fcber mehrere Zwischenstufen gezielt zu Kohleprodukten mit bestimmten Eigenschaften umgewandelt werden. Aufgrund ihrer hohen biologischen Stabilit\u00e4t und gro\u00dfen Aufnahmef\u00e4higkeit f\u00fcr Wasser und N\u00e4hrstoffe eignet sich Biokohle insbesondere als Hilfsstoff zur Verbesserung von wenig fruchtbaren B\u00f6den und zur dauerhaften Bindung von Kohlenstoff (C-Sequestrierung). Ihre speziellen Eigenschaften machen Biokohle aber auch f\u00fcr eine Reihe weiterer Anwendungen interessant, wie die Reinigung von Abw\u00e4ssern oder die Katalyse biologischer oder chemischer Prozesse.<\/p>\n

In ihrem in der Fachzeitschrift \u201eBioresource Technology\u201c erschienenen Artikel berichten die Forscher aus Potsdam und Berlin \u00fcber die Herstellung magnetischer Kohle mittels HTC und deren erfolgreicher Besiedelung durch Biogas-Mikroorganismen in Labortests.<\/p>\n

\u201eUnsere Ergebnisse zeigen, dass sich mit Hilfe der HTC stabile magnetische Kohlepartikel herstellen lassen, die zum Beispiel als Tr\u00e4ger von funktionellen Mikroorganismen Verwendung finden. Diese Tr\u00e4ger lassen sich durch magnetische Kr\u00e4fte dauerhaft im Biogasreaktor zur\u00fcckhalten\u201c, beschreibt APECS-Projektleiter Dr. Jan Mumme den Nutzen dieser Entwicklung. \u201eAnaerobe Mikroorganismen sind, wenn sie in Biofilmen leben, stabiler gegen\u00fcber Umwelteinfl\u00fcssen und k\u00f6nnen durch gegenseitige Unterst\u00fctzung eine h\u00f6here Umsatzleistung erzielen als freilebende Organismen\u201c, erg\u00e4nzt Patrice Ramm, der sich in seiner Doktorarbeit mit der magnetischen R\u00fcckhaltung mikrobieller Biomasse in Biogasreaktoren besch\u00e4ftigt.<\/p>\n

Die Vorteile des neuen kohlebasierten Verfahrens sind die einfache Herstellung bei relativ geringen Temperaturen, die Nutzung gut verf\u00fcgbarer organischer Ausgangsstoffe (auch Abfall-Biomasse) und die hohe Variabilit\u00e4t der Komposite bez\u00fcglich ihrer Funktionalit\u00e4t und Morphologie.<\/p>\n

Die neuen magnetischen Kohlen wurden aus mikrokristalliner Zellulose und dem magnetischen Material Ferrit bei 250\u00b0C im Druckreaktor hergestellt. Mikroskopische Aufnahmen belegen, dass sich auf den 30-80 \u00b5m gro\u00dfen Ferritpartikeln eine amorphe Kohleschicht bildete. Die magnetischen Eigenschaften blieben auch nach der hydrothermalen Carbonisierung erhalten. So entstanden im Ergebnis Partikel mit Magnetkern und Kohlemantel. Das neue Material hatte eine \u00e4hnlich gro\u00dfe Oberfl\u00e4che wie unbehandelte Zellulose, wies aber mit 0,88 m2\/g im Vergleich zu nichtmagnetischer HTC-Kohle aus Zellulose (21,2 m2\/g) eine wesentlich kleinere Oberfl\u00e4che auf.<\/p>\n

Nachfolgend wurden die Komposite in Laborversuchen \u00fcber insgesamt 158 Tage auf ihre Wirkung im Biogasprozess untersucht. Als Ausgangsmaterial f\u00fcr die Biogasbildung diente R\u00fcbensilage. Neben den Kompositen wurden zum Vergleich eine nicht-magnetische HTC-Kohle, Zeolith als bekanntes Biogas-Additiv sowie eine g\u00e4nzlich partikelfreie Variante unter-sucht. Die zu Beginn des Versuchs hemmende Wirkung von Kompositen und HTC-Kohle auf den Biogasprozess lie\u00df schnell nach. Zum Ende zeigten die Komposite mit 93 L Methan je kg R\u00fcbensilage die h\u00f6chste Methanausbeute aller Varianten, was statistisch jedoch noch nicht belegbar war. Die gew\u00fcnschte Anlagerung von Mikroorganismen auf den magnetischen Kohlen war in den mikroskopischen Aufnahmen deutlich sichtbar.<\/p>\n

Dr. Rainer T\u00f6lle von der Humboldt-Universit\u00e4t zu Berlin befasst sich seit vielen Jahren mit der Detektion magnetischer Eigenschaften in unterschiedlichen Materialen aus der Umwelt und aus technischen Prozessen. Hierf\u00fcr hat er ein Messger\u00e4t f\u00fcr die Bestimmung der magnetischen Suszeptibilit\u00e4t entwickelt, das in diesem Projekt zum Einsatz kam, um die magnetischen Eigenschaften der Komposite zu bestimmen. \u201eDie magnetische Suszeptibilit\u00e4t ist eine schnell und zerst\u00f6rungsfrei zu messende Materialeigenschaft. Daraus l\u00e4sst sich ableiten, mit welcher Kraft ein Material von einem Magneten angezogen wird. Auch k\u00f6nnen unter bestimmten Voraussetzungen R\u00fcckschlusse auf den Gehalt an Schwermetallen in der Probe gezogen werde\u201c, so der Wissenschaftler.<\/p>\n

Seit 2009 forscht das ATB auf dem Gebiet Biokohle und seit 2005 gemeinsam mit der HU Berlin zur Anwendung magnetischer Partikel in Biogasanlagen. Daraus sind neben 30 wissenschaftlichen Publikationen auch zahlreiche Patente entstanden u.a. zur Herstellung und Biogas-Anwendung der magnetischen Kohlepartikel, aber auch zur vorteilhaften Kopplung von Biogas und Biokohle als integriertes Verfahren zur Erh\u00f6hung der Wertsch\u00f6pfung und Klimabilanz bei der Nutzung organischer Reststoffe.<\/p>\n

Die Projektgruppe \u201eAPECS\u00a0– Anaerobic Pathways to Renewable Energies and Carbon Sinks\u201c wurde von 2009 bis Ende 2014 vom BMBF im Rahmen von \u201eBioenergie 2021\u201c gef\u00f6rdert. Projektleiter Dr. Jan Mumme arbeitet gegenw\u00e4rtig als Gastwissenschaftler am UK Biochar Research Center der University of Edinburgh. Dr. Toufiq Reza \u00a0geh\u00f6rte bis Mitte 2014 dem APECS-Team an und arbeitet heute an der University of Nevado in Reno, USA.<\/p>\n

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Literatur<\/h3>\n

Reza, M. T., Rottler, E., T\u00f6lle, R., Werner, M., Ramm, P., Mumme, J. (2015): Production, characterization, and biogas application of magnetic hydrochar from cellulose. Bioresource Technology. DOI: 10.1016\/j.biortech.2015.03.044<\/a><\/em><\/p>\n

Mumme, J., Srocke, F., Heeg, K., Werner, M. (2014): Use of biochars in anaerobic digestion. Bioresource Technology 164, 189-197. DOI: 10.1016\/j.biortech.2014.05.008<\/a><\/em><\/p>\n

Ramm, P., Jost, C., Neitmann, E., Sohling, U., Menhorn, O., Weinberger, K., Mumme, J., Linke, B., (2014): Magnetic biofilm carriers \u2013 the use of novel magnetic foam glass particles in anaerobic digestion of sugar beet. Journal of Renewable Energy. Article ID 208718, 10 pages, DOI:10.1155\/2014\/208718. Online:\u00a0http:\/\/tinyurl.com\/ngtsksm<\/a><\/em><\/p>\n

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Kontakt ATB<\/h3>\n

Dr. Jan Mumme
\nLeiter der Nachwuchsgruppe APECS
\nE-Mail: jan.mumme@ed.ac.uk<\/a> und jmumme@atb-potsdam.de<\/a><\/p>\n

Kontakt HUB<\/h3>\n

Dr. Rainer T\u00f6lle
\nWissenschaftler am Fachgebiet Biosystemtechnik
\nHumboldt-Universit\u00e4t zu Berlin
\nLebenswissenschaftlichen Fakult\u00e4t \u2013 Thaer Institut
\nTel.: 030 2093-6448
\nE-Mail:\u00a0rainer.toelle@agrar.hu-berlin.de<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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