The effect of enzyme additives on the anaerobic digestion of energy crops

Abstract

The mechanisms governing the efficiency of commercial fiber-degrading enzyme additives at improving the anaerobic digestion of energy crops were investigated. Standard batch digestion trials (BMP-assays) were performed using the Hohenheim Biogas Test (HBT) on maize straw, maize corn, and rye silage with different inocula. These BMP-assays showed no significant effect of enzyme additives (including commercial cellulase, xylanase, pectinase, laccase) on the methane production rate. However, batch digestion trials performed on grass silage under suboptimal conditions with inoculum of weak bacterial activity revealed significant increases of methane production up to 40%. In another experiment semi continuous acidogenic fermentation was performed in laboratory digesters with maize silage and water added for dilution at OLR 4 kg VS/(m3 × d), HRT 5 days, with the medium kept in the pH range 5 5.5 through quicklime addition. Enzyme additives at a dosage of 10 g/kg substrate VS significantly increased VFA release (+10%) as well as gas production, including H2 production (+20%). The results show that the efficiency of enzyme additives in anaerobic digestion depends on substrate (fibre length and composition) and process parameters (retention time, loading rate, pH, efficiency of bacterial substrate degradation).

In der Promotionsarbeit wurde die Wirkungsweise von Enzymzusätzen auf die anaerobe Vergärung von Energiepflanzen systematisch untersucht. Standard-Batchgärversuche mit Energiepflanzen mit dem Hohenheimer Biogasertragstest (HBT) unter Anwendung verschiedener Inokula zeigten keine signifikante Wirkung der Enzymzusätze (handelsübliche Zellulase, Xylanase, Pektinase und Laccase) auf die Methanbildung. Hingegen zeigten Batchgärversuche mit Grassilage, die unter suboptimalen Bedingungen mit einem mikrobiologisch wenig aktiven Inokulum durchgeführt wurden, signifikante Steigerungen der Methanbildung bis zu 40%. In einem weiteren Versuchsansatz wurde die acidogene Vergärung von Maissilage semi-kontinuierlich unter Zugabe von Wasser und Branntkalk bei einer Raumbelastung von 4 kg oTS/(m3 × d), einer hydraulischen Verweilzeit von 5 Tagen und einem pH-Wert von 5-5,5 durchgeführt. Dabei brachten Enzymzusätze mit einer Dosierung von 10 g/kg oTS eine signifikante Erhöhung der Fettsäureproduktion (+10%), sowie der Gas- und Wasserstoffproduktion (+20%). Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Wirksamkeit von Enzymzusätzen in der anaeroben Vergärung von Substrateigenschaften (Faserlänge und chemische Zusammensetzung) und Verfahrensparametern (Verweilzeit, Raumbelastung, pH-Wert, Effizienz des bakteriellen Substratabbaus) abhängt.