Optimierung des Lignocelluloseabbaus in Biogasanlagen mit Hilfe von Basidiomyceten

Research output: Thesis › Doctoral thesis

Authors

  • Waldemar Golubzow

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Details

Original languageGerman
QualificationDoctor rerum naturalium
Awarding Institution
Supervised by
  • Ralf Günter Berger, Supervisor
Date of Award14 Aug 2018
Place of PublicationHannover
Publication statusPublished - 2018

Abstract

For the production of biogas, anaerobic fermentation of biomass is used in biogas plants. For example, the fermentation of crop straw in biogas plants results in the so-called “straw digestate” which remains as solid residue. Due to its high content of lignin, a hard degradable biopolymer, a further fermentation of this substrate wouldn’t result in an economically significant increase of biogas yield despite the still available fermentation potential. The aim of this work was to maximize the lignin degradation of plant substrates (primarily of wheat straw digestate) by means of selected white-rot fungi so that a further fermentation of these substrates in biogas plants results in increased biogas yields. As biogas is only formed from easily biodegradable carbon sources (cellulose and hemicellulose) of plant substrates, it was a main objective to identify white-rot fungi which are able to degrade lignin as selectively and efficiently as possible without using the carbohydrates as nutrient sources. The more lignin and the less carbohydrates are degraded by basidiomycetes during cultivation in the digestate cultures the higher is the expected biogas yield. The advantage of this biological post-treatment with fungi contrary to physical and chemical treatment methods of lignin degradation is the gentle and selective degradation of lignin due to the enzymatic specificity. In order to degrade lignin such a process makes it possible to avoid extreme temperatures, extreme pH values and energy-intensive mechanical grinding processes. In this work selected white-rot fungi were cultivated in presence of wheat straw digestate both in submerged and emerged cultivations to identify the most promising strains. In submerged cultivations several parameters were variated (pH value, cultivation duration, mass ratio of digestate and fungal inoculum etc.) in order to achieve maximal lignin degradation and thus maximal biogas yields as fast as possible. In emerged cultivations deliberate aerations of the inoculated digestates were performed to accelerate the lignin degradation. Besides wheat straw digestate, in an additional experiment rice straw digestate and green waste digestate were used as alternative substrates. To sum up the results, the post-treatment of the tested digestates with white-rot fungi didn’t result in increased biogas yields. The scientific novelty value of this work is the first-time thoroughly performed post-treatment of plant digestates with white-rot basidiomycetes under variation of different cultivation conditions for the purpose of a maximization of the lignin degradation and hence of the biogas yield maximization.

Cite this

Optimierung des Lignocelluloseabbaus in Biogasanlagen mit Hilfe von Basidiomyceten. / Golubzow, Waldemar.
Hannover, 2018. 186 p.

Research output: Thesis › Doctoral thesis

Golubzow, W 2018, 'Optimierung des Lignocelluloseabbaus in Biogasanlagen mit Hilfe von Basidiomyceten', Doctor rerum naturalium, Leibniz University Hannover, Hannover. https://doi.org/10.15488/3599
Golubzow W. Optimierung des Lignocelluloseabbaus in Biogasanlagen mit Hilfe von Basidiomyceten. Hannover, 2018. 186 p. doi: 10.15488/3599
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title = "Optimierung des Lignocelluloseabbaus in Biogasanlagen mit Hilfe von Basidiomyceten",
abstract = "Zur Gewinnung von Biogas wird Biomasse in Biogasanlagen vergoren. So resultiert z.B. aus der Fermentation von Getreidestroh in der Biogasanlage der s.g. Strohg{\"a}rrest“, der als fester R{\"u}ckstand {\"u}brig bleibt. Da Strohg{\"a}rreste hohe Gehalte an Lignin aufweisen, einem schwer abbaubaren Biopolymer, w{\"u}rde eine weitere anaerobe Fermentation trotz des vorhandenen G{\"a}rpotentials zu keiner wirtschaftlich nennenswerten Biogasausbeute-Steigerung f{\"u}hren. Ziel der Arbeit war es, den Ligninabbau mit Hilfe von ausgew{\"a}hlten Wei{\ss}f{\"a}ulepilzen in pflanzlichen G{\"a}rresten (mit einer Inkubationsdauer von h{\"o}chstens 4 Wochen) zu maximieren und somit den G{\"a}rrest zur Weiterverg{\"a}rung aufzuschlie{\ss}en, um gesteigerte Biogasausbeuten zu erzielen. Da Biogas lediglich aus leicht fermentierbaren C-Quellen der pflanzlichen Substrate gebildet werden kann (Cellulose und Hemicellulose), galt es, geeignete Wei{\ss}f{\"a}ulepilze zu identifizieren, die Lignin m{\"o}glichst selektiv und effizient abbauen, ohne selbst die Kohlenhydrate als Nahrungsquellen zu nutzen. Je mehr Lignin und je weniger Kohlenhydrate durch den Basidiomyceten w{\"a}hrend der Kultivierung in den G{\"a}rrestkulturen abgebaut werden, desto h{\"o}her ist die erwartete Biogasausbeute. Der Vorteil dieser biologischen Nachbehandlung mit Pilzen im Vergleich zum physikalischen oder chemischen Aufschluss von Lignin ist der schonende und selektive Abbau aufgrund der Enzymspezifit{\"a}t. Dieser erlaubt es, extreme Temperaturen, extreme pH-Werte und energieintensive Zerkleinerungsverfahren zum Zweck des Ligninabbaus zu vermeiden. Es wurden in dieser Arbeit zun{\"a}chst ausgew{\"a}hlte Wei{\ss}f{\"a}ulepilze auf Weizenstrohg{\"a}rrest sowohl submers als auch emers kultiviert, um die vielversprechendsten St{\"a}mme zu identifizieren. In submerser Kulturf{\"u}hrung wurden dabei diverse Parameter variiert (pH-Wert, Kultivierungsdauer, Massenverh{\"a}ltnisse von G{\"a}rrest und Pilz-Inokulum etc.), um maximale Ligninabbauleistungen und folglich maximale Biogasausbeuten in m{\"o}glichst kurzer Zeit zu erzielen. In emerser Kultivierung wurde eine gezielte Bel{\"u}ftung der mit Pilzen beimpften G{\"a}rreste durchgef{\"u}hrt, um den Ligninabbau zu beschleunigen. Neben Weizenstrohg{\"a}rrest kamen hierbei in einem zus{\"a}tzlichen Experiment als alternative Substrate Reisstroh- und Gr{\"u}nschnittg{\"a}rrest zum Einsatz. Zusammengefasst l{\"a}sst sich sagen, dass die Nachbehandlung der verwendeten G{\"a}rreste mit Wei{\ss}f{\"a}ulepilzen nicht zu erh{\"o}hten Biogasausbeuten gef{\"u}hrt hat. Der wissenschaftliche Neuheitswert dieser Arbeit liegt in der erstmaligen umfassenden Nachbehandlung pflanzlicher G{\"a}rreste mit Hilfe von Wei{\ss}f{\"a}ulepilzen unter Variation verschiedener Kultivierungsbedingungen zum Zweck der Ligninabbau-Maximierung und somit auch der Biogasausbeute-Maximierung. ",
author = "Waldemar Golubzow",
note = "Dissertation",
year = "2018",
doi = "10.15488/3599",
language = "Deutsch",
school = "Gottfried Wilhelm Leibniz Universit{\"a}t Hannover",

}

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TY - BOOK

T1 - Optimierung des Lignocelluloseabbaus in Biogasanlagen mit Hilfe von Basidiomyceten

AU - Golubzow, Waldemar

N1 - Dissertation

PY - 2018

Y1 - 2018

N2 - Zur Gewinnung von Biogas wird Biomasse in Biogasanlagen vergoren. So resultiert z.B. aus der Fermentation von Getreidestroh in der Biogasanlage der s.g. Strohgärrest“, der als fester Rückstand übrig bleibt. Da Strohgärreste hohe Gehalte an Lignin aufweisen, einem schwer abbaubaren Biopolymer, würde eine weitere anaerobe Fermentation trotz des vorhandenen Gärpotentials zu keiner wirtschaftlich nennenswerten Biogasausbeute-Steigerung führen. Ziel der Arbeit war es, den Ligninabbau mit Hilfe von ausgewählten Weißfäulepilzen in pflanzlichen Gärresten (mit einer Inkubationsdauer von höchstens 4 Wochen) zu maximieren und somit den Gärrest zur Weitervergärung aufzuschließen, um gesteigerte Biogasausbeuten zu erzielen. Da Biogas lediglich aus leicht fermentierbaren C-Quellen der pflanzlichen Substrate gebildet werden kann (Cellulose und Hemicellulose), galt es, geeignete Weißfäulepilze zu identifizieren, die Lignin möglichst selektiv und effizient abbauen, ohne selbst die Kohlenhydrate als Nahrungsquellen zu nutzen. Je mehr Lignin und je weniger Kohlenhydrate durch den Basidiomyceten während der Kultivierung in den Gärrestkulturen abgebaut werden, desto höher ist die erwartete Biogasausbeute. Der Vorteil dieser biologischen Nachbehandlung mit Pilzen im Vergleich zum physikalischen oder chemischen Aufschluss von Lignin ist der schonende und selektive Abbau aufgrund der Enzymspezifität. Dieser erlaubt es, extreme Temperaturen, extreme pH-Werte und energieintensive Zerkleinerungsverfahren zum Zweck des Ligninabbaus zu vermeiden. Es wurden in dieser Arbeit zunächst ausgewählte Weißfäulepilze auf Weizenstrohgärrest sowohl submers als auch emers kultiviert, um die vielversprechendsten Stämme zu identifizieren. In submerser Kulturführung wurden dabei diverse Parameter variiert (pH-Wert, Kultivierungsdauer, Massenverhältnisse von Gärrest und Pilz-Inokulum etc.), um maximale Ligninabbauleistungen und folglich maximale Biogasausbeuten in möglichst kurzer Zeit zu erzielen. In emerser Kultivierung wurde eine gezielte Belüftung der mit Pilzen beimpften Gärreste durchgeführt, um den Ligninabbau zu beschleunigen. Neben Weizenstrohgärrest kamen hierbei in einem zusätzlichen Experiment als alternative Substrate Reisstroh- und Grünschnittgärrest zum Einsatz. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die Nachbehandlung der verwendeten Gärreste mit Weißfäulepilzen nicht zu erhöhten Biogasausbeuten geführt hat. Der wissenschaftliche Neuheitswert dieser Arbeit liegt in der erstmaligen umfassenden Nachbehandlung pflanzlicher Gärreste mit Hilfe von Weißfäulepilzen unter Variation verschiedener Kultivierungsbedingungen zum Zweck der Ligninabbau-Maximierung und somit auch der Biogasausbeute-Maximierung.

AB - Zur Gewinnung von Biogas wird Biomasse in Biogasanlagen vergoren. So resultiert z.B. aus der Fermentation von Getreidestroh in der Biogasanlage der s.g. Strohgärrest“, der als fester Rückstand übrig bleibt. Da Strohgärreste hohe Gehalte an Lignin aufweisen, einem schwer abbaubaren Biopolymer, würde eine weitere anaerobe Fermentation trotz des vorhandenen Gärpotentials zu keiner wirtschaftlich nennenswerten Biogasausbeute-Steigerung führen. Ziel der Arbeit war es, den Ligninabbau mit Hilfe von ausgewählten Weißfäulepilzen in pflanzlichen Gärresten (mit einer Inkubationsdauer von höchstens 4 Wochen) zu maximieren und somit den Gärrest zur Weitervergärung aufzuschließen, um gesteigerte Biogasausbeuten zu erzielen. Da Biogas lediglich aus leicht fermentierbaren C-Quellen der pflanzlichen Substrate gebildet werden kann (Cellulose und Hemicellulose), galt es, geeignete Weißfäulepilze zu identifizieren, die Lignin möglichst selektiv und effizient abbauen, ohne selbst die Kohlenhydrate als Nahrungsquellen zu nutzen. Je mehr Lignin und je weniger Kohlenhydrate durch den Basidiomyceten während der Kultivierung in den Gärrestkulturen abgebaut werden, desto höher ist die erwartete Biogasausbeute. Der Vorteil dieser biologischen Nachbehandlung mit Pilzen im Vergleich zum physikalischen oder chemischen Aufschluss von Lignin ist der schonende und selektive Abbau aufgrund der Enzymspezifität. Dieser erlaubt es, extreme Temperaturen, extreme pH-Werte und energieintensive Zerkleinerungsverfahren zum Zweck des Ligninabbaus zu vermeiden. Es wurden in dieser Arbeit zunächst ausgewählte Weißfäulepilze auf Weizenstrohgärrest sowohl submers als auch emers kultiviert, um die vielversprechendsten Stämme zu identifizieren. In submerser Kulturführung wurden dabei diverse Parameter variiert (pH-Wert, Kultivierungsdauer, Massenverhältnisse von Gärrest und Pilz-Inokulum etc.), um maximale Ligninabbauleistungen und folglich maximale Biogasausbeuten in möglichst kurzer Zeit zu erzielen. In emerser Kultivierung wurde eine gezielte Belüftung der mit Pilzen beimpften Gärreste durchgeführt, um den Ligninabbau zu beschleunigen. Neben Weizenstrohgärrest kamen hierbei in einem zusätzlichen Experiment als alternative Substrate Reisstroh- und Grünschnittgärrest zum Einsatz. Zusammengefasst lässt sich sagen, dass die Nachbehandlung der verwendeten Gärreste mit Weißfäulepilzen nicht zu erhöhten Biogasausbeuten geführt hat. Der wissenschaftliche Neuheitswert dieser Arbeit liegt in der erstmaligen umfassenden Nachbehandlung pflanzlicher Gärreste mit Hilfe von Weißfäulepilzen unter Variation verschiedener Kultivierungsbedingungen zum Zweck der Ligninabbau-Maximierung und somit auch der Biogasausbeute-Maximierung.

U2 - 10.15488/3599

DO - 10.15488/3599

M3 - Dissertation

CY - Hannover

ER -