Biogasproduktion aus Nebenprodukten der Verwertung von Krabbenschalen

Chitin ist eine der Hauptkomponenten des Außenskeletts von Arthropoden, wie z. B. von Krabben, Hummern sowie Garnelen, und ist damit eines der meist verbreiteten Biopolymere der Welt. Das Anwendungspotenzial von Chitin und seinen Derivaten ist zwar groß, bisher aber noch nicht umgesetzt. Das von der EU geförderte Projekt »ChiBio« strebt daher mit einem internationalen Forscherteam an, die nachhaltige Nutzung von Krabben- und Garnelenschalen weiterzuentwickeln. Nach dem Konzept einer Bioraffinerie werden neue Prozesse entwickelt, um Chitin als Ausgangsstoff für Spezialchemikalien zu verwenden.

Hauptkomponenten der Krabbenschalen sind neben Chitin auch mineralische Materialien, insbesondere Kalziumsalze, und Proteine [1]. Der erste Verfahrensschritt zur Nutzung von Chitin ist dessen Extraktion. Dieser Prozess kann chemisch (Säure-Lauge-Extraktion) oder enzymatisch durchgeführt werden. Bei dem chemischen Prozess entstehen eine proteinreiche Lauge und eine kalziumreiche saure Lösung. Für ein möglichst abfallfreies Bioraffineriekonzept kann der proteinreiche Abfallstrom zur energetischen Nutzung eingesetzt werden. Die Vorteile der anaeroben Vergärung organischer Stoffe wurden schon 1964 von McCarty [2] identifiziert: Ein hoher Grad an Stabilisierung des organischen Materials, ein niedriger Nährstoffbedarf, kein Bedarf an Sauerstoff und die Gewinnung von Biogas, das als erneuerbare Energiequelle dienen kann.

Grundsätzlich kann fast jede Art organischer Substanz zu Biogas umgesetzt werden. In Europa ist die Biogasproduktion und -nutzung in der Klärtechnik sowie in der Landwirtschaft mittlerweile weit verbreitet. Selbst in der Industrie wird die Anaerobtechnik in über 65 Ländern eingesetzt und insgesamt wurden bisher über 1400 Anlagen von 16 Anlagenbauern installiert [3]. Eine der Herausforderungen im Projekt ChiBio ist es, eine möglichst nachhaltige Verwertung der entstehenden Nebenprodukte technisch umzusetzen. Hierzu wurde das Biogasproduktionspotenzial der Nebenprodukte ermittelt, die bei der chemischen Extraktion von Chitin aus Garnelen- und Krabbenschalen anfallen.

Verglichen mit anderen Substraten sind diese Nebenprodukte durch einen niedrigen organischen Trockenmassengehalt, extreme pH-Werte und hohe Salzkonzentrationen gekennzeichnet. Während typische Substrate wie Schlamm aus der Abwasserreinigung oder Gülle ein Verhältnis von organischer Trockenmasse zur Gesamttrockenmasse (oTR/TR-Verhältnis) von 60 Prozent bzw. 80 Prozent aufweisen, liegt das oTR/TR-Verhältnis bei den nach der Chitinextraktion von Krabben- und Garnelenschalen anfallenden Nebenprodukte bei ca. 15 Prozent bzw. 30 Prozent.

Für die Ermittlung des Biogasproduktionspotenzials wurden 1-Liter-Reaktoren im Labormaßstab mit dem Nebenstrom von jeweils chitinextrahierten, proteinhaltigen Garnelenschalen und zwei verschiedenen Chargen von Krabbenschalen (Mai und Juli) als Substrat betrieben. Die Experimente wurden als Fed-Batch mit zwei Beschickungszyklen durchgeführt. Die spezifische Biogasproduktion des Garnelenschalen-Nebenstroms entsprach 1125 mlN/goTR im ersten sowie 830 mlN/goTR im zweiten Beschickungszyklus. Damit war sie höher als die spezifische Biogasausbeute für die Krabbenschalen-Nebenströme, für die wir 305 bzw. 319 mlN/goTR im ersten sowie 283 bzw. 391 mlN/goTR im zweiten Beschickungszyklus ermittelten.

Die spezifische Biogasausbeute des Nebenstroms der Verwertung von Garnelenschalen war somit sogar höher als die typische Biogasausbeute für nachwachsende Rohstoffe (ca. 500 – 700 mlN/goTR). Dies lässt sich dadurch erklären, dass die Hauptkomponente des Letzteren Zucker ist, während die Hauptkomponente des Garnelenstroms Proteine sind, welche eine höhere spezifische Biogasausbeute liefern. Die spezifische Biogasausbeute der Nebenströme der Verwertung von Krabbenschalen kann eher mit der Biogasausbeute organischer Siedlungsabfälle (ca. 350 mlN/goTR) verglichen werden.

Die Biogasproduktionsraten waren hauptsächlich linear, was auf eine Wachstumslimitierung der anaeroben Mikroorganismen hindeutet. Weitere Untersuchungen der Ursache dieser Wachstumslimitierung bieten die Chance, den anaeroben Abbau und damit die spezifische Biogasausbeute zu verbessern.

Weitere Prozessschritte in der Chitinaufbereitung sind die biokatalytische Spaltung des Chitins und die Aufreinigung der hierbei entstehenden Produkte. Auch in diesen Prozessen entstehen entsprechende organische Nebenströme, deren Biogaspotenzial ebenso ermittelt wird. Zu Projektende werden Aussagen zum energetischen Gesamtpotenzial bei der Verwertung der Nebenströme vorliegen.

Wir danken der Europäischen Union für die Förderung des Forschungsprojekts »ChiBio« im 7. Forschungsrahmenprogramm (FP7/2007-2013), Förderkennzeichen 289284.

[1] Boßelmann, F.; Romano, P.; Fabritius, H.; Raabe, D.; Epple, M. (2007) The composition of the exoskeleton of two crustacea: The American lobster Homarus americanus and the edible crab Cancer pagurus, Thermochimica Acta, Vol. 463: 65-68
[2] McCarty, P.L. (1964) Anaerobic waste treatment fundamentals, Public Works for September-December, Princeton University
[3] Show, K. Y.; Tay, J. H.; Hung, Y.T. (2010) Global perspective of anaerobic treatment of industrial wastewater, Handbook of Environmental Engineering 11: Environmental Bioengineering