Manche Bakterien mögen's heiß

Foto: Ingo Röhrbein

Der Hamburger Niclas Krakat will Biogasanlagen effizienter machen. Dazu erforscht er urzeitliche Organismen

Hamburg. In der Landwirtschaft sieht man sie immer häufiger: haushohe grüne Container mit kuppelförmigem Dach. Im Innern gären Pflanzenreste oder Gülle, dabei entsteht Methan, das anschließend in einem Kraftwerk in Strom oder Wärme umgewandelt wird. Bis Ende 2010 rechnet der Fachverband Biogas mit 5800 Anlagen, die dann 4,3 Millionen Menschen mit Strom versorgen sollen. Ein Hamburger Wissenschaftler will die grüne Zukunftstechnologie nun effizienter machen - mit Hilfe urzeitlicher Organismen.

Drei Jahre hat Niclas Krakat, Biotechnologe an der Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW), sogenannte Archaea erforscht, die zu den ältesten Bakterien der Erde zählen. Sie spielen eine zentrale Rolle im Biogasreaktor, erst sie machen Gülle zu Gas. "Darunter sind äußerst robuste Exemplare, die es möglich machen könnten, Biogasanlagen bei immer höheren Temperaturen zu betreiben, was den Ertrag erhöhen würde", sagt Krakat. Seine Erkenntnisse wird der 39-Jährige ab heute auf dem Weltkongress für Vergärung präsentieren, der bis Donnerstag in Guadalajara in Mexiko stattfindet.

Moderne Biogascontainer messen bis zu 30 Meter im Durchmesser. Gewaltige Schaufeln verrühren täglich viele Tonnen Biomasse; über Förderbänder rollt ständig neues Futter in den Fermenter, Futter für die Protagonisten: Heerscharen von Bakterien, bis zu eine Milliarde pro Liter. Sie brauchen Nahrung, um sich zu vermehren; deshalb machen sie sich an die Rohstoffe heran und zersetzen sie in immer kleinere Bestandteile. In der letzten, methanbildenden Phase sind jedoch nur die Archaea aktiv.

Bisher schien sich gezeigt zu haben, dass diese Bakterien bei 35 bis 40 Grad optimal ihr Werk verrichten. Bei höheren Temperaturen bildeten sich im Fermenter zunehmend giftige Abbauprodukte, vor allem Ammoniak, die den Archaea scheinbar den Garaus machten - anders schien nicht erklärbar, warum die Vergärung schon bei ein paar Grad plus instabil wurde, bei 55 Grad nur noch in einem schmalen ph-Bereich und schließlich gar nicht mehr funktionierte. Deshalb laufen die meisten Biogasanlagen in Deutschland bei etwa 40 Grad. Die Betreiber entnehmen regelmäßig Proben; für die Analyse müssen viele auf ein Labor zurückgreifen, das ihnen dann ein bis zwei Wochen später sagt, wie es um die Vergärung bestellt ist. Je nach ph-Wert der Probe kommt anschließend mehr oder weniger Futter in den Fermenter - bis zur nächsten Probe.

Zukunftsweisende Technologie - betrieben nach dem Prinzip Versuch und Irrtum? "Die meisten Anlagen in Deutschland werden erfahrungsgemäß bedient", sagt Paul Scherer, Professor für Umweltbiotechnologie an der HAW und Niclas Krakats Chef. Der Grund: "Die mikrobiellen Lebensgemeinschaften in den Biogasanlagen und ihr Einfluss auf die Ausbeute von Biogas sind immer noch kaum erforscht." Man weiß zwar, dass die Archaea Methan bilden, aber erstens gibt es vermutlich Tausende von Archaea-Spezies, von denen bisher aber weniger als 100 identifiziert sind. Und zweitens ist bei den identifizierten Archaea erst ansatzweise klar, wie sie durch Faktoren wie Temperatur oder ph-Wert beeinflusst werden. Klar ist, was in den Reaktor hinein- und was herauskommt - der mikrobiologische Prozess dazwischen liegt überwiegend im Dunkeln.

Diese "mikrobielle Blackbox", wie Forscher sie nennen, hat Niclas Krakat geöffnet. Am vollautomatisierten Minimodell einer Biogasanlage von der Größe eines Kleiderschranks stellte er mit einem Substrat aus Rüben die Vergärung nach. Er variierte die Menge der Beladung, die Verweilzeit und die Temperatur, entnahm der Blackbox immer wieder Proben und analysierte die DNA der enthaltenen Mikroorganismen. Dabei fiel ihm auf, dass bestimmte Archaea-Spezies, vor allem die sogenannten Methanobacteriales, bei 55 Grad und sogar bei 60 Grad noch reichlich vorhanden waren; sie verkraften offenbar eine sechsmal höhere Dosis Ammoniak als die sogenannten Methanosaeta, die den Prozess der Fermentation durch ihre Anfälligkeit frühzeitig stören können; womöglich selbst dann, wenn sie nur in sehr geringer Zahl auftreten. Als vergleichsweise robust erwies sich auch eine weitere Gruppe von Archaea, die sogenannten Mathanosarcinales.

"Wenn es gelänge, die störenden Archaea-Spezies von vorneherein auszuschließen und dafür nur künstlich hergestellte Kulturen der ausdauernden Vertreter einzusetzen, könnten Biogasanlagen bald vielleicht sogar bei 60 Grad stabil laufen - und das womöglich vollautomatisiert", sagt Krakat. Aber machen 15 bis 20 Grad mehr tatsächlich einen großen Unterschied? "Wir glauben, dass sich die Verweilzeit der Biomasse im Reaktor halbieren und die Beladungsmenge gleichzeitig verdreifachen ließe", sagt sein Chef, Professor Paul Scherer.

Mehr Ertrag in kürzerer Zeit: Diese Aussicht könnte Hersteller und Betreiber aufmerken lassen. Denn das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) garantiert Biogasanlagen-Betreibern zwar, dass sie ihren Strom für 20 Jahre zu einem festen Preis ins öffentliche Netz einspeisen dürfen. Doch die Einspeisesätze für neue Anlagen sinken von Jahr zu Jahr - und irgendwann wird die Förderung ganz auslaufen. Je später ein Betreiber ins Biogasgeschäft einsteigt, desto effizienter sollte seine Anlage sein, damit sich die Investition lohnt.