Untersuchung des Einflusses einer Auswahl von biologischen und chemischen Siliermitteln auf die Biogasbildung als Grundlage zur ökonomischen Bewertung

Masterarbeit von Helge Zacharias

Einleitung:

Der im EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) ausgedrückte gesellschaftliche und politische Wille, den allgemeinen Energiebedarf vermehrt durch alternative Quellen zu decken, hat in Deutschland zu einer rapide wachsenden Verbreitung der Biogasverstromung geführt.

Insbesondere die Verwendung von Energiepflanzen ist durch die im Erneuerbare-Energien-Gesetz festgeschriebene Einspeisevergütung (Stromerzeugungssubventionierung) rentabel und attraktiv geworden.

Die Pflanzenmassen, die in Biogasanlagen umgesetzt und verstromt werden, sollten für einen effektiven Betrieb in gleichmäßigen Mengen und Qualitäten zugeführt werden. Da die Verfügbarkeit der Nutzpflanzenmassen von der Vegetationsperiode abhängt, muss eine Konservierung erfolgen. Die Silierung ist eine dafür seit langem in die landwirtschaftliche Praxis eingeführte Methode. Bisher wurde dieses Verfahren genutzt, um möglichst gut verdauliche Futtermittel für Wiederkäuer zu bereiten. Pflanzenmassen sollen dazu möglichst ohne Verluste an Masse und Energie konserviert werden.

Letzteres ist auch für das Anwendungsgebiet der Biogaserzeugung ein gültiges Ziel. Darüber hinaus ergeben sich jedoch teilweise veränderte Ansprüche an den Siliervorgang; da die während des Siliervorgangs stattfindenden Aufschluss- und Umwandlungsprozesse das Potenzial bieten, die anschließende Vergärung zu Biogas effizienter zu gestalten. Diese Potenziale gilt es durch Steuerung der Prozesse nutzbar zu machen.

Alle Silagen unterliegen früher oder später einem aeroben Verderb als Resultat mikrobieller Aktivität.

Trockenmasseverluste von circa drei Prozent pro Tag können durch aerobe Umsetzung nach Öffnen eines Silos entstehen. Sauerstoff gelangt dabei, in Abhängigkeit von der Verdichtung, ein bis zwei Meter tief hinter die Anschnittsfläche und ermöglicht eine starke Vermehrung von Hefen, Schimmelpilzen und Enterobakterien. Diese Mikroorganismen stellen die Hauptverderbniserreger dar, die durch ihren Stoffwechsel Trockenmasse abbauen und Energie verbrauchen. Die Verluste, die dadurch jährlich in Deutschland entstehen, werden von WEINBERG & MUCK auf 50 Millionen Euro geschätzt.

Durch die Anwendung von Siliermitteln besteht die Möglichkeit, Einflüsse auf den Silierprozess auszuüben und so die aerobe Stabilität zu verbessern, beziehungsweise den Voraufschluss der Futterpflanze zur Biogasausbeutesteigerung zu bewirken.

Zu der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene biologische und chemische Siliermittel hinsichtlich ihrer Wirkung auf den Silierprozess einerseits und auf die Methanisierung der Silage andererseits getestet. Die Siliermittel wurden durch den Hersteller ADDCON AGRAR GmbH zur Verfügung gestellt. Die Überprüfung erfolgte anhand unterschiedlich schwer silierbarer Kulturpflanzenproben (Luzerne, Gras und Mais), die in Laborsilos (Weckgläser) konserviert wurden. Die während der Silierung aufgetretenen Trockenmasseverluste, Veränderungen der Gärsäuremuster sowie die Veränderungen anderer relevanter Parameter wurden gemessen beziehungsweise analysiert.

Anschließend wurden die Silagen in diskontinuierlichen Batchfermentern (2 ℓ Fassungsvermögen) bei 35°C methanisiert. Die dabei gebildete Biogasmenge wurde aufgefangen, gemessen und deren Zusammensetzung (Methan-, Kohlendioxid-, Sauerstoff- und Schwefelwasserstoffgehalt) analysiert.

Zusätzlich wurden die Luzerne- und Maissilageproben hinsichtlich ihrer aeroben Stabilität mit dem Verfahren von HONIG untersucht.

Mittels der ermittelten Daten aus den Phasen: Silierung, aerobe Exposition und Methanisierung konnte eine Gesamtbetrachtung und Bilanzierung der Siliermitteleffekte erfolgen.

Die gemessenen Effekte wurden den Kosten des Siliermitteleinsatzes gegenübergestellt.

Die Silierversuche wurden als Vorarbeit an der Landwirtschaftskammer Niedersachsen (Standort Oldenburg) durchgeführt. Die aus diesen Versuchen gewonnen Daten wurden zur Auswertung zur Verfügung gestellt und die Proben zur Methanisierung, am Leibnizinstitut für Agrartechnik Potsdam-Bornim, übergeben.

Inhaltsverzeichnis:

	SYMBOLE UND ABKÜRZUNGEN	V
1.	EINLEITUNG	1
2.	GRUNDLAGEN	3
2.1	GRUNDLAGEN DER SILIERUNG	3
2.1.1	Bedeutung	3
2.1.2	Siliereignung von Pflanzen	5
2.1.3	Gärverlauf	7
2.1.4	Milchsäurebakterien	8
2.1.4.1	Homofermentative Milchsäurebakterien	9
2.1.4.2	Heterofermentative Milchsäurebakterien	10
2.1.5	Gärschädlinge	12
2.1.5.1	Clostridien	13
2.1.5.2	Hefen	16
2.1.5.3	Schimmelpilze	19
2.1.5.4	Enterobakterien	20
2.1.5.5	Bacillusarten	21
2.1.5.6	Essigsäurebakterien	21
2.1.5.7	Listerien	22
2.1.6	Siliertechnik	23
2.1.7	DLG-Bewertungsschlüssel zur Beurteilung der Gärqualität	26
2.2	SILIERMITTEL	27
2.2.1	Biologische Siliermittel	27
2.2.1.1	Milchsäurebakterien	27
2.2.1.2	Propionsäurebakterien	30
2.2.1.3	Effektive Mikroorganismen (EM)	30
2.2.1.4	Killerhefen	31
2.2.2	Chemische Siliermittel	31
2.2.3	Kombinationsmittel	33
2.2.4	Zuckerfreisetzende Siliermittel	34
2.2.5	Sonstige Zusätze (Enzyme)	34
2.3	GRUNDLAGEN DER VERGÄRUNG ZU BIOGAS	36
2.3.1	Laborverfahren zur Untersuchung der Methanisierungsprozesse	40
2.3.2	Ökonomische Betrachtung	41
3.	MATERIAL UND METHODEN	43
3.1	SILIERUNG	43
3.1.1	Versuchsaufbau	43
3.1.1.1	Inputstoffe	43
3.1.1.2	Behandlung der Inputstoffe	44
3.1.2	Beschreibung der Behandlungsmittel	46
3.1.2.1	KOFASIL LIQUID(r)	47
3.1.2.2	KOFASIL LIFE(r)	47
3.1.2.3	KOFASIL LIFE M(r)	48
3.1.2.4	KOFASIL LAC(r)	48
3.1.2.5	MAIS KOFASIL LIQUID(r)	48
3.1.2.6	Entwicklungsprodukt (EP)	49
3.1.2.7	Milchsäurebakterien 1 und 2 (MSB 1 und 2)	49
3.1.3	Analysemethoden	50
3.1.4	Korrekturmethoden	51
3.2	METHODIK ZUR UNTERSUCHUNG DER AEROBEN STABILITÄT	52
3.3	METHANISIERUNG	53
3.3.1	Versuchsaufbau	53
3.3.1.1	Verfahren zur Untersuchung der Biogasbildung	53
3.3.1.2	Vergleichbarkeitsversuch Wasserbad/Klimaschrank	58
3.3.2	Korrekturmethoden	59
3.3.3	Methodik der Batchversuchs-Auswertung	60
3.4	ÖKONOMISCHE BETRACHTUNG DES SILIERMITTELEINSATZES	61
4.	ERGEBNISSE UND DISKUSSION	63
4.1	AUSWERTUNG DER SILIERVERSUCHE	63
4.1.1	Luzerne	63
4.1.2	Gras	65
4.1.3	Mais	68
4.2	AUSWERTUNG DER VERSUCHE ZUR AEROBEN STABILITÄT	70
4.2.1	Luzerne	70
4.2.2	Mais	70
4.3	AUSWERTUNG DER BATCHVERSUCHE	74
4.3.1	Inputstoffunabhängige Beobachtungen	74
4.3.2	Luzerne	76
4.3.3	Gras	77
4.3.4	Mais	80
4.4	ÖKONOMISCHE BETRACHTUNG DES SILIERMITTELEINSATZES	83
4.4.1	Gegenüberstellung von Kosten und Nutzen	83
4.4.1.1	Luzernesilagen	83
4.4.1.2	Grassilagen	84
4.4.1.3	Maissilagen	85
4.4.2	Anwendungstrategien zur Kostenreduzierung	87
4.5	FEHLERDISKUSSION	88
4.5.1	Versuchsaufbau	88
4.5.2	Gasvolumenmessung	89
4.5.3	Probenbehandlung	89
4.5.4	Vergleichbarkeitsversuch Wasserbad/Klimaschrank	90
4.5.5	Vergleich der Ergebnisse mit Werten aus der Literatur	90
5.	SCHLUSSFOLGERUNGEN	93
6.	ZUSAMMENFASSUNG	95
7.	VERZEICHNISSE	97
7.1	LITERATURVERZEICHNIS	97
7.2	ABBILDUNGSVERZEICHNIS	111
7.3	TABELLENVERZEICHNIS	113
	ANHANG	116

Textprobe:

Kapitel 2.2, Siliermittel:

Siliermittel werden eingesetzt, um auf den Silierprozess so Einfluss zu nehmen, dass unter möglichst geringen Energie- und Substanzverlusten aus dem Ausgangsmaterial ein qualitativ hochwertiges Konservat entsteht. Sie können in biologische, chemische, zuckerfreisetzende und sonstige Silierzusätze unterteilt werden. Je nach Betrachtungsweise sind auch andere Arten der Unterteilung möglich (z.B. nach Wirkungsrichtungen der Siliermittel). Die Unterteilung variiert in der Literatur stark.

Biologische Siliermittel:

Unter biologischen Siliermitteln werden hauptsächlich die Milchsäurebakterien enthaltenden Impfkulturen eingeordnet. Daneben rangieren Propionsäurebakterien, ‘Killerhefen’ und Effektive Mikroorganismen (EM) in dieser Gruppe.

Biologische Siliermittel haben gegenüber chemischen Vorteile, weil sie leichter handhabbar, ungiftig, nicht korrodierend gegenüber Landtechnik und umweltverträglich sind.

Milchsäurebakterien:

Die im Kapitel 2.1.4.1 beschriebene Fähigkeit mancher Milchsäurebakterien, den pH-Wert schnell abzusenken, setzt voraus, dass leistungsfähige Arten und Stämme die Vergärung dominieren. Aus Tabelle 6 wird deutlich, dass erst ab einer Keimdichte von mehr als 105 Milchsäurebakterien pro g FM Gärschädlinge (am Beispiel Clostridien) wirksam unterdrückt werden.

Die natürliche epiphytische Keimdichte und -zusammensetzung ist sehr verschieden und unterliegt großen Schwankungen. Diverse Faktoren haben darauf Einfluss: Verfügbarkeit und Konzentration von Nährstoffen, Reifegrad, Jahreszeit, Temperatureinwirkung in Wechselwirkung mit Niederschlägen und relativer Luftfeuchte sowie Globalstrahlung.

Die Vielzahl von Faktoren macht die Vorhersage der Keimdichte anhand des ortsspezifischen Klimas schwer. Generell kann gesagt werden, dass die Laktobakteriendichte im Laufe der Vegetationszeit zunimmt.

Bei Gras nimmt die Anzahl ab einem bestimmten Zeitpunkt wieder ab, div. Autoren geben nach WEISS den 2. Aufwuchs als den mit der höchsten Keimdichte an.

Um sicherzustellen, dass die gewünschten Milchsäurebakterien in ausreichender Anzahl vorhanden sind, um die Vergärung zu dominieren, werden diese als Impfkultur der Silage zugesetzt.

Siliermittel, so auch Milchsäurebakterien-Impfkulturen, wurden in der Vergangenheit vor allem auf die Förderung der Milchsäuregärung und Verhinderung der Buttersäuregärung ausgerichtet. Daher wurden hauptsächlich homofermentative Milchsäurebakterien eingesetzt. Heute wird dem Aspekt der aeroben Stabilität sehr viel mehr Beachtung geschenkt. Milchsäure hat kaum hemmende Wirkung auf die die aerobe Instabilität verursachenden säureunempfindlichen Gärschädlinge, Hefen und Schimmelpilze. Die bei heterofermentativer Vergärung gebildeten Substanzen wirken, wie bereits in Kapitel 2.1.2.2 diskutiert, wesentlich intensiver auf diese Organismen. Bei Futterpflanzen mit hohem Gehalt an wasserlöslichen Kohlenhydraten bildet nicht umgewandelter Zucker eine leicht verfügbare Nahrung für Gärschädlinge (siehe auch Kapitel 2.1.5.2). Deshalb werden homofermentative Milchsäurebakterien als Impfkultur, insbesondere für leichtvergärbare Futterpflanzen wie Mais, inzwischen von vielen Autoren kritisch hinterfragt beziehungsweise nicht empfohlen.

Demgegenüber führt IV an, dass nicht auszuschließen ist, dass der Laktatabbau durch heterofermentative Milchsäurebakterien eingeleitet wird und dadurch im weiteren Gärungsverlauf die Bedingungen für Clostridienaktivität geschaffen werden.

Weitere Autoren halten andere Milchsäurebakterien als homofermentative aufgrund der schlechteren Energieeffizienz für ungeeignet und bewerten den Einsatz heterofermentativer Milchsäurebakterien als Rückschritt.

Möglicherweise spielen bei den Letztgenannten der Zeitpunkt der Veröffentlichung beziehungsweise ein vertriebsorientierter Blickwinkel eine Rolle. Die Zusammenhänge, dass einerseits noch vorhandener Restzucker als Nahrungsgrundlage für die säureunempfindlichen aerob lebenden Mikroorganismen, die die aerobe Zersetzung bewirken, dient und andererseits hemmende flüchtige Fettsäuren nur in niedriger Konzentration vorhanden sind, wirken augenscheinlich.

Eine Ursache für diesen Diskurs ist sicherlich, dass ‘die Erfahrungen mit heterofermentative Milchsäurebakterien noch gering sind und ihr Effekt nicht immer sicher ist’.

Die Milchsäurebakterien werden als Trockenpräparate (an granulierte Trägerstoffe gebundene Trockenkulturen), Kulturen in Suspension oder Frischkulturen appliziert.

Die Bakterien in den haltbaren und wegen der besonders leichten Handhabung von der Praxis bevorzugten Trockenpräparaten bergen einige Nachteile. Die homogene Verteilung der unbeweglichen Milchsäurebakterien ist damit nicht möglich. Weiterhin müssen die Bakterien erst viel Wasser aufnehmen, bevor sie aus ihrem ‘Trockenschlaf’ erwachen. Anschließend erfolgt dann eine so genannte Lag-Phase, in der sich die Bakterien an das Milieu anpassen, sich aber noch nicht vermehren. Die insgesamt bis zur Vermehrung benötigte Zeit sollte im Interesse einer Vergärung zu hochwertiger Silage kurz sein. Diese Zeit ist bei Applikation der Bakterien in flüssiger Form kürzer. Auch ist es hier möglich, die Bakterien homogen zu verteilen. Am schnellsten beginnen die Bakterien ihre Teilung, wenn Frischkulturen (stoffwechselaktive und teilungsbereite Zellen) appliziert werden.

Eine inhomogene Verteilung lässt sich nicht durch eine hohe Impfdosis ausgleichen, deshalb ist eine ausgereifte Dosiertechnik Grundvoraussetzung für den Einsatz von biologischen Siliermitteln.

Propionsäurebakterien:

Wie bereits beschrieben ist Propionsäure eine sehr wirksame Substanz, um aeroben Verderb verursachende Organismen zu hemmen. Versuche haben gezeigt, dass Propionsäurebakterien unter normalen Bedingungen zu wenig säuretolerant sind, als dass sie in der Lage wären, den pH-Wert durch Propionsäurebildung weit genug abzusenken.

In Ballensilagen mit extrem hohem Trockenmassegehalt (>70%), in denen der zu Unterdrückung notwendige pH-Wert-Abfall nur sehr gering war, konnte die Aktivität von Propionsäurebakterien wirksam Hefen- und Schimmelpilzanzahlen verringern.

Inokulum-Mischungen aus Propionsäurebakterien und homofermentativen Milchsäurebakterienstämmen bei Ballensilierung angewendet, steigerten die aerobe Stabilität ebenfalls. Insgesamt jedoch scheint der Einsatz von Propionsäurebakterien aufgrund ihrer Empfindlichkeit nur bedingt geeignet. Viele Autoren berichten von widersprüchlichen Versuchergebnissen mit diesen Mikroorganismen.

Effektive Mikroorganismen (EM):

EM ist ein Präparat, das von dem japanischen Wissenschaftler Prof. Dr. Teruo Higa entwickelt wurde. Es handelt sich dabei um eine Mischung aus Photosynthesebakterien, Milchsäurebakterien, Aktinomyzeten (anaerobe Stäbchenbakterien) und fermentativen Pilzen, die in vielen Bereichen ihren Einsatz findet. Als Siliermittel sind sie laut NUSSBAUM (2005b) in der Wirkung den heterofermentativen Milchsäurebakterien ähnlich. Sie können trotzdem kein DLG Gütezeichen erhalten, weil dafür die vollständige Deklaration und Offenlegung der genauen Zusammensetzung Voraussetzung wäre. Die Produzenten der Effektiven Mikroorganismen sind dazu nicht bereit.

NUSSBAUM empfiehlt, im Bedarfsfall die besser untersuchten und mit DLG-Prädikaten versehenen Siliermittel einzusetzen.

Killerhefen:

Killerstämme von Saccharomyces in Sake oder Wein werden seit einigen Jahren erfolgreich gegen Hefen eingesetzt. Diese Hefenstämme produzieren verschiedene toxische Proteine, die andere Hefen zum Absterben bringen. Es gibt Bestrebungen, diese Regulationsmöglichkeiten auf die Silagebereitung zu übertragen. Von KITAMOTO et al. wurde nachgewiesen, dass das Protein der Killerhefe Kluyveromyces lactis wirksam die Aktivität von Pichia anomala (Gärschädling) behindert. Die Nacherwärmung der Maissilage konnte verzögert werden. Dieser Stamm lässt sich jedoch nicht auf allen Silagen anwenden. Um universelle Killerhefenkompositionen oder gezielt Killerhefen gegen verschiedene Gärschädlinge einsetzen zu können, ist noch weitere Forschung notwendig.

Chemische Siliermittel:

Unter chemischen Siliermitteln werden vornehmlich organische Säuren (Ameisensäure, Essigsäure, Propionsäure, Sorbinsäure, Benzoesäure) und Salzverbindungen von organischen Säuren (Formiat, Propionat, Benzoat) zusammengefasst. Zusätzlich gibt es Präparate mit Wirkstoffen wie Nitrit, Sulfat, Sulfit, Chlorid und Hexamethylentetramin.

Die organischen Säuren entfalten sofort nach ihrer Applikation ihre mikroorganismenhemmende Wirkung. Es kommt zu einer sofortigen pH-Wert-Absenkung, die je nach Dosierung und Art der Säure nicht nur die Gärschädlinge hemmt, sondern auch die Milchsäurebakterien. Die leicht verfügbaren Kohlenhydrate werden nicht in für Mikroorganismen schwerer verfügbare (konservierte) Formen umgewandelt. Es wurde nachgewiesen, dass diese Kohlenhydrate nach Öffnen des Silos zu einer besonders starken Vermehrung von Gärschädlingen führen können (SOMMER 2007). Es müssen große Mengen an organischen Säuren appliziert werden, um den pH-Wert ausreichend abzusenken (häufiges Betanken der Häcksler). Die auch gegenüber Metallen aggressiven Säuren greifen die Ernte- und Transporttechnik an und verursachen dadurch hohe Zusatzkosten.

Organische Säuren haben eine unterschiedlich starke Hemmwirkung auf Gärschädlinge. Zum Beispiel wirken Ameisensäure, Propionsäure und Essigsäure stärker als Milchsäure gegen Hefen und Schimmelpilze.

Es wurden mit den oben genannten Salzverbindungen Präparate entwickelt, die in der ersten Gärphase gebunden vorliegen (sich neutral verhalten) und im weiteren Verlauf durch die einsetzende Milchsäuregärung aktiv werden. Die Maschinen werden durch die Applikation der Präparate nicht angegriffen. Die Milchsäure wird in ihrer Wirkung gegen Gärschädlinge unterstützt. Die Wirkung wurde in einer Reihe von Untersuchungen nachgewiesen.

Chemische Siliermittel sind im Allgemeinen teurer als biologische Mittel. Anhand folgender Gegenüberstellung der Effekte von biologischen und chemischen Siliermitteln auf die Gärqualität, können die jeweiligen Anwendungsbereiche hergeleitet werden. Grundlage bildet die statistische Auswertung aller nach etwa 10jähriger Tätigkeit der Gütezeichen-Kommission bis dato bei der DLG zur Erlangung des Gütezeichens vorgelegten Versuchsergebnisse. Der Einsatz chemischer Mittel ist vor allem dann sinnvoll, wenn schwierige Silierbedingungen vorherrschen und die gegenüber biologischen Mitteln stärkere Wirksamkeit zum Tragen kommt.