Anwendung von Mikroorganismen in Biorieselbettreaktoren zur Reinigung industrieller Abluftströme am Beispiel von Geflügelställen

Titelangaben

Eckert, Julian:
Anwendung von Mikroorganismen in Biorieselbettreaktoren zur Reinigung industrieller Abluftströme am Beispiel von Geflügelställen.
Bayreuth , 2025 . - II, 155 S.
( Dissertation, 2025 , Universität Bayreuth, Fakultät für Ingenieurwissenschaften)

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Abstract

Geflügel gehört zu den weltweit am meisten konsumierten Fleischarten ‒ mit steigender Tendenz aufgrund der wachsenden Weltbevölkerung. Ein Großteil der Nutztiere wird dabei in Mastgeflügelställen gehalten, die infolge des mikrobiellen Abbaus von Stickstoffverbindungen aus den Exkrementen der Tiere hohe Konzentrationen an Ammoniak aufweisen. Um gesetzliche Grenzwerte einzuhalten und gleichzeitig das Gefahrenpotenzial, das von Ammoniak ausgeht, zu reduzieren, ist eine Reinigung der Abluft von Geflügelställen erforderlich. Als nachhaltige Alternative zu chemischen Reinigungsverfahren wie dem Chemowäscher wurde ein biologisches Verfahren entwickelt, das auf der Anwendung ammoniumabbauender Mikroorganismen in einem Biorieselbettreaktor beruht. Dabei erfolgte zunächst eine Vorselektion von heterotrophen, mesophilen Bakterien und Pilzen, die Ammonium unter aeroben Bedingungen abbauen und Biofilm bilden. Im Anschluss wurden durch die Anzucht der Spezies in Suspensionskultur jeweils zwei Bakterien- und Pilzarten ausgewählt, wobei eine möglichst hohe absolute Ammoniumabbaurate als Kriterium diente. Das mikrobielle Konsortium aus den Bakterien (Kocuria rhizophila, Pseudomonas alloputida) und Pilzen (Rhodotorula mucilaginosa, Yarrowia lipolytica) wurde in Biorieselbettreaktoren unter Verwendung von Lavasteinen als porösem Trägermaterial kultiviert. Dabei wurde im Modellreaktor im 1-Liter-Maßstab im Vergleich zur Suspensionskultur eine erhöhte absolute Ammoniumabbaurate festgestellt, die zudem mit steigender initialer Ammoniumkonzentration zunahm. Durch einen Pilotreaktor im 100-Liter-Maßstab erfolgte anschließend ein Upscaling des Verfahrens. Die Experimente zeigen, dass der Schadstoffabbau im Pilotreaktor im Vergleich zum Modellreaktor sehr ähnlich verläuft und somit eine gute Übertragbarkeit der Ergebnisse aus dem Labormaßstab gegeben ist. Um im Sinne einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft die Verwertung von Reststoffen des biologischen Abluftreinigungsverfahrens zu erforschen, wurden der Biofilm und die Zirkulationsflüssigkeit aus einem Biorieselbettreaktor untersucht. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass Ammonium aus der Zirkulationsflüssigkeit größtenteils in organischen Stickstoff umgewandelt wird, der sich im Biofilm anreichert. Außerdem enthalten die Reststoffe Spurenelemente, die durch die Berieselung aus den Lavasteinen freigesetzt werden. Somit eröffnet sich das Potenzial, die anfallenden Produkte aus dem Biorieselbettreaktor als Bestandteil für organische Düngemittel zu verwenden. Das mikrobielle Konsortium eignet sich außerdem zur Freisetzung von Ammonium aus Hühnerexkrementen, die somit als N-Quelle für die Mikroorganismen im Falle einer reduzierten Ammoniakkonzentration in der Abluft des Geflügelstalls eingesetzt werden könnten. Um die Inbetriebnahme neuer Biorieselbettreaktoren zu erleichtern, wurde abschließend ein Starter-Kit in Pulverform entwickelt, das sprühgetrocknete Mikroorganismen enthält. Zur Optimierung der Überlebensrate der Modellspezies Kocuria rhizophila wurden verschiedene Schutzsubstanzen getestet. Am effektivsten erwies sich Magermilchpulver in Kombination mit Mononatriumglutamat, jedoch führten auch Phosphatsalze zu einer relativ hohen Überlebensrate der Bakterien.

Abstract in weiterer Sprache

Poultry is one of the most consumed types of meat worldwide, with a rising trend due to the increasing global population. A significant portion of livestock is kept in broiler houses, which exhibit high concentrations of ammonia due to the microbial degradation of nitrogen compounds from animal excrement. To comply with legal limits and simultaneously reduce the hazards associated with ammonia, it is necessary to purify the exhaust air from poultry houses. As a sustainable alternative to chemical purification methods such as chemical scrubbers, a biological process has been developed that relies on the use of ammonium-degrading microorganisms in a biotrickling filter. Initially, a preselection of heterotrophic, mesophilic bacteria and fungi capable of degrading ammonium under aerobic conditions and forming biofilms was conducted. Subsequently, two bacterial and two fungal species were selected based on their absolute ammonium degradation rates in suspension culture. The microbial consortium, consisting of bacteria (Kocuria rhizophila, Pseudomonas alloputida) and fungi (Rhodotorula mucilaginosa, Yarrowia lipolytica), was then cultivated in biotrickling filters using lava rocks as a porous carrier material. In the model reactor at a 1-liter scale, a significantly increased absolute ammonium degradation rate compared to suspension culture was observed, higher initial ammonium concentrations resulted in a further improvement of the absolute degration rate. The process was then upscaled using a pilot reactor at a 100-liter scale. The experiments demonstrate that pollutant degradation in the pilot reactor closely mirrored that in the model reactor, indicating a good transferability of the results from the lab scale. To explore the utilization of residual materials from the biological exhaust air purification process in terms of a sustainable circular economy, biofilm and circulation fluid from a biotrickling filter were investigated. The results suggest that ammonium from the circulation fluid is mainly converted into organic nitrogen, which accumulates in the biofilm. Additionally, the residual materials contain trace elements released from the lava rocks due to irrigation. This opens up the potential to use the byproducts from the biotrickling filter as components for organic fertilizers. The microbial consortium is also suitable for the release of ammonium from chicken manure, which could serve as a nitrogen source for microorganisms in case of reduced ammonia concentrations in the exhaust air of the poultry house. To facilitate the startup of new biotrickling filters, a starter kit in powder form was developed, containing spray-dried microorganisms. Various protective substances were tested to optimize the survival rate of the model species Kocuria rhizophila. The most effective combination was skim milk powder with monosodium glutamate. However, phosphate salts also resulted in a relatively high survival rate of the bacteria.