04 Fakultät Energie-, Verfahrens- und Biotechnik

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Institute: search.filters.UBSInstitut.Institut für Siedlungswasserbau, Wassergüte- und Abfallwirtschaft

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    Degradation of fluorene by Brevibacterium sp. strain DPO 1361: a novel C-C bond cleavage mechanism via 1,10-dihydro-1,10-dihydroxyfluoren-9-one
    (1994) Trenz, Stefan Peter; Engesser, Karl-Heinrich; Fischer, Peter; Knackmuss, Hans-Joachim
    Angular dioxygenation has been established as the crucial step in dibenzofuran degradation by Brevibacterium sp. strain DPO 1361 (V. Strubel, K. H. Engesser, P. Fischer, and H.-J. Knackmuss, J. Bacteriol. 173:1932-1937, 1991). The same strain utilizes biphenyl and fluorene as sole sources of carbon and energy. The fluorene degradation sequence is proposed to be initiated by oxidation of the fluorene methylene group to 9-fluorenol. Cells grown on fluorene exhibit pronounced 9-fluorenol dehydrogenase activity. Angular dioxygenation of the 9-fluorenone thus formed yields 1,10-dihydro-1,10-dihydroxyfluoren-9-one (DDF). A mechanistic model is presented for the subsequent C-C bond cleavage by an NAD(+)-dependent DDF dehydrogenase, acting on the angular dihydrodiol. This enzyme was purified and characterized as a tetramer of four identical 40-kDa subunits. The following Km values were determined: 13 microM for DDF and 65 microM for 2,3-dihydro-2,3-dihydroxybiphenyl. The enzyme also catalyzes the production of 3-(2'-carboxyphenyl)catechol, which was isolated, and structurally characterized, in the form of the corresponding lactone, 4-hydroxydibenzo-(b,d)-pyran-6-one. Stoichiometry analysis unequivocally demonstrates that angular dioxygenation constitutes the principal pathway in Brevibacterium sp. strain DPO 1361.
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    Microplastics persist in an arable soil but do not affect soil microbial biomass, enzyme activities, and crop yield
    (2022) Schöpfer, Lion; Möller, Julia N.; Steiner, Thomas; Schnepf, Uwe; Marhan, Sven; Resch, Julia; Bayha, Ansilla; Löder, Martin G. J.; Freitag, Ruth; Brümmer, Franz; Laforsch, Christian; Streck, Thilo; Forberger, Jens; Kranert, Martin; Kandeler, Ellen; Pagel, Holger
    Microplastics (MP, plastic particles <5 mm) are ubiquitous in arable soils due to significant inputs via organic fertilizers, sewage sludges, and plastic mulches. However, knowledge of typical MP loadings, their fate, and ecological impacts on arable soils is limited. We studied (1) MP background concentrations, (2) the fate of added conventional and biodegradable MP, and (3) effects of MP in combination with organic fertilizers on microbial abundance and activity associated with carbon (C) cycling, and crop yields in an arable soil. On a conventionally managed soil (Luvisol, silt loam), we arranged plots in a randomized complete block design with the following MP treatments (none, low‐density polyethylene [LDPE], a blend of poly(lactic acid) and poly(butylene adipate‐co‐terephthalate) [PLA/PBAT]) and organic fertilizers (none, compost, digestate). We added 20 kg MP ha-1 and 10 t organic fertilizers ha-1. We measured concentrations of MP in the soil, microbiological indicators of C cycling (microbial biomass and enzyme activities), and crop yields over 1.5 years. Background concentration of MP in the top 10 cm was 296 ± 110 (mean ± standard error) particles <0.5 mm per kg soil, with polypropylene, polystyrene, and polyethylene as the main polymers. Added LDPE and PLA/PBAT particles showed no changes in number and particle size over time. MP did not affect the soil microbiological indicators of C cycling or crop yields. Numerous MP occur in arable soils, suggesting diffuse MP entry into soils. In addition to conventional MP, biodegradable MP may persist under field conditions. However, MP at current concentrations are not expected to affect C turnover and crop yield.
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    Systemintegration von Brennstoffzellen auf Kläranlagen - Potenzialabschätzung für Baden-Württemberg
    (2004) Keicher, Klaus; Krampe, Jörg; Rott, Ulrich; Ohl, Michael; Blesl, Markus; Fahl, Ulrich
    Die Ziele des Vorhabens umfassen die Potenzialabschätzung der Nutzung von Klärgas in Brennstoffzellen sowie die Ermittlung eines Anforderungs- und Einsatzprofils für den Brennstoffzelleneinsatz auf Kläranlagen. Des weiteren sollen die Integration verbesserter Anlagentechnik sowie zusätzlicher Komponenten und Verfahrensschritte in den Kläranlagenbetrieb untersucht werden. Die Klärgasgewinnung in Baden-Württemberg beträgt aktuell 587,4 GWh/a, überwiegend aus Kläranlagen der Größenklasse 5 (über 100000 Einwohnerwerte (EW)). Kleinere Anlagen unter 10000 EW (Klassen 1-3) erzeugen keine nennenswerten Klärgasmengen. Zur Klärgasverstromung geeignete Brennstoffzellen sind wegen der CO2-Toleranz und den hohen erreichbaren elektrischen Wirkungsgraden die Hochtemperatursysteme MCFC und SOFC. Für deren Betrieb ist eine Aufbereitung des Klärgases erforderlich, welche eine Gastrocknung sowie die Abtrennung von Schwefel-, Halogen- und Siloxanverbindungen umfasst. Zur Untersuchung der Energieversorgung durch Brennstoffzellen und Vergleichstechnologien wird eine Modellkläranlage für 100.000 Ausbau-EW definiert, die in Aufbau und Energieverbrauch einer typischen größeren Kläranlage in Baden-Württemberg entspricht. Für die Modellanlage ergibt sich ein Stromverbrauch von 2,69 GWhel/a und ein Wärmeverbrauch von 1,83 GWhth/a bei einer Klärgasproduktion von 4,23 GWh/a. Für MCFC und SOFC wird die Energieversorgung der Modellkläranlage mit einer Lebenszyklusanalyse energetisch und ökologisch analysiert. Dabei weisen Brennstoffzellen Optimalwerte des Primärenergiebedarfs von 6,23 GWh/a (MCFC) bzw. 6,09 GWh/a (SOFC) und der kumulierten CO2-Emissionen von 531 tCO2/a (MCFC) bzw. 487 tCO2/a (SOFC) auf. Es ergeben sich für den Primärenergiebedarf und die kumulierten CO2-Emissionen optimale Anlagengrößen von 280 kWel für MCFC bzw. 290 kWel für SOFC. Zum Vergleich werden die Energieversorgung mit Gasmotor-BHKW und die getrennte Erzeugung von Strom und Wärme untersucht. Die wirtschaftliche Analyse des Versorgungsfalls Modellkläranlage weist MCFC und SOFC gegenüber dem BHKW höhere Vollkosten der Energieversorgung zu. Auch die getrennte Erzeugung von Strom und Wärme schneidet günstiger ab, da die Investitionskosten der Brennstoffzellen zu hoch sind. Um mit den Kosten der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme konkurrieren zu können, müssen diese Investitionskosten gegenüber dem heutigen Niveau um je 50 %, für Konkurrenzfähigkeit zum BHKW um 80% sinken. Derzeit lassen sich CO2-Vermeidungskosten von 74 €/tCO2 (MCFC) bzw. 138 €/tCO2 (SOFC) gegenüber der getrennten Erzeugung und 680 €/tCO2 (MCFC) bzw. 851 €/tCO2 (SOFC) gegenüber BHKW erreichen. Bei Ersatz der Anlagentechnik der Modellkläranlage durch Komponenten mit geringerem Energiebedarf reduziert sich der Jahresstrombedarf auf 2,00 GWhel/a. Die Einsparungen beim Primärenergiebedarf betragen für die jeweils optimalen Anlagengrößen 27,4 % (MCFC) bzw. 28 % (SOFC), die kumulierten CO2-Emissionen gehen um 87 % (MCFC) bzw. 95 % (SOFC) zurück. Für das BHKW ergeben sich Reduktionen des Primärenergiebedarfs um 24 % und der kumulierten CO2-Emisionen von 57 %, bei der getrennten Erzeugung von Strom und Wärme ergeben sich 19 % Einsparung beim Primärenergiebedarf und 25 % bei den kumulierten CO2-Emissionen. Die technischen Potenziale der Klärgasnutzung in Baden-Württemberg für Brennstoffzellen betragen bei Modulgrößen von 50 kWel 29,5 MWel (MCFC) bzw. 30,5 MWel (SOFC), womit sich Jahresstrommengen von 221 GWhel (MCFC) bzw. 229 GWhel (SOFC) erzeugen lassen. Der Anteil der in Brennstoffzellen nutzbaren Klärgasproduktion beträgt 79 % (MCFC) bzw. 78 % (SOFC). Handlungsempfehlung an Kläranlagenbetreiber: Um Einsparpotenziale beim Energieverbrauch jeder Kläranlage definieren und nutzen zu können, bedarf es der Ermittlung und Auswertung des exakten Strom- und Wärmebedarfs nach Baugruppen in hoher zeitlicher Auflösung. Mit der Installation stromsparender Anlagentechnik lassen sich Energiebedarf, Betriebskosten und CO2-Emissionen senken. Des Weiteren empfiehlt sich eine Überprüfung der Leistungsgröße bestehender BHKW und deren Umstellung auf klärgasgeführten Betrieb. Für Kläranlagen ohne bisherige eigene Stromerzeugung empfiehlt sich die Installation von KWK-Anlagen. Der Einsatz von Anlagen zur thermischen Klärschlammtrocknung, Elektrolyse und Co-Fermentation organischer Reststoffe auf Kläranlagen kann nach den Untersuchungen des Projekts aus wirtschaftlichen bzw. rechtlichen Gründen derzeit nicht empfohlen werden. Handlungsempfehlung an Brennstoffzellenhersteller: Bei den Investitionskosten sind Kostensenkungen um 80 % gegenüber heutigem Stand erforderlich. Zur optimalen Abdeckung des Marktsegments Klärgasverstromung empfiehlt sich die Einführung kleinerer Leistungsgrößen von Brennstoffzellen im Bereich von 50 kWel. Für SOFC steht die Zulassung nach DVGW G 262 noch aus.