Schülerversuche
Was machen eigentlich… Enzyme?
Schüler forschen bei bioreact in Troisdorf zum Einsatz von Enzymen in Biogasanlagen
Bereits zum 4. Mal forschten Schüler/Innen der Junior-Ingenieur-Akademie des Städtischen Gymnasiums Hennef in den Räumen des akkreditierten Labordienstleisters bonalytic zur Wirkung von Enzymen auf Biogas-Substrate. Enzyme sind Proteine, die biochemische Reaktionen, wie z. B. die Spaltung von Stärke, beschleunigen. Die von der Firma bioreact entwickelten Enzymmischungen werden in Troisdorf produziert und kommen deutschlandweit in Biogasanlagen zum Einsatz. Sie sollen den Abbau der zur Biogasgewinnung eingesetzten nachwachsenden Rohstoffe verbessern.
In 4 Gruppen führten die Schüler/Innen jeweils 3 Versuche zur Enzymwirkung durch. Darüber hinaus mikroskopierten sie aus Gärrest isolierte Bakterien und verglichen sie mit Pilzsporen und Pilzmycel. Ein Demonstrationsversuch zum Abschluss bewies schlüssig die Brennbarkeit von Methangas.
Im ersten Versuch dokumentierten die Schüler/Innen die Aktivität einer Enzym-Mischung auf den Abbau von Maissilage. Dazu wurden Maissilage-Proben mit Enzymen versetzt, bei 38°C inkubiert und mit Glucose-Teststreifen auf eine Freisetzung von Zuckermolekülen untersucht (Abbildung 1). In allen Fällen war in den mit Enzymen versetzten Proben ein Anstieg der Einfachzucker nachweisbar (Abbildung 2). In den Kontroll-Ansätzen ohne Enzyme kam es hingegen nicht zur Zuckerentstehung.
 |
 |
Abbildung 1: Maissilage-Ansätze mit und ohne Enzymzugabe nach 90 Minuten, Glucose-Teststäbchen und Indikatorskala.
Abbildung 2: Mit Glucose-Teststäbchen nachgewiesene Einfachzucker (Glucose) aus Maissilage (Mittelwerte) nach Inkubation bei 38°C, mit (rote Quadrate) und ohne Enzymzugabe (blaue Rauten).
In einem zweiten Versuch wurde mit auf 38°C temperierten Laborfermentern die Situation in einer Praxis-Biogasanlage nachempfunden. Über eine Gärzeit von 3 Tagen wurde in 4 Versuchsansätzen mit Faulschlamm einer örtlichen Biogasanlage die Biogasproduktion, sowie die Gasqualitäten aus den Substraten Glucose (Traubenzucker), Olivenöl und Protein (Albumin) gegen einen Kontrollansatz ohne Substratzugabe verglichen. Es zeigte sich, dass die Abbaugeschwindigkeit von Glucose und Protein innerhalb des Gärzeitraumes am höchsten war (Abbildung 3). Der Ansatz mit Olivenöl hingegen wies eine deutlich geringere Biogasentstehung auf.
Abbildung 3: Mittelwerte der Biogaserträge (ml) von Glucose, Olivenöl und Protein (Albumin) nach 4 Tagen Gärdauer bei 38°C.
Die ermittelten Gasqualitäten lagen im Fall von CH4 zwischen 45 % (Protein) und 27 % (Olivenöl). Die CO2–Werte lagen zwischen 37 % (Glucose) und 19 % (Olivenöl), die von H2 zwischen 388 ppm (Glucose) und 41 ppm (Protein) (Abbildung 4). Die Gasqualitäten der Kontrolle unterschritten bei allen gemessenen Gasen die der Substratvarianten.
Abbildung 4: Mittelwerte der gemessenen Gasqualitäten (CH4, CO2, in Volumen-%, H2 in ppm) der 3 Substratvarianten, sowie der Kontrolle.
Im dritten Versuch wurden mit Faulschlamm gefüllte Fermenter mit Maissilage als Gärsubstrat beschickt. Einem Ansatz wurden Enzyme zugegeben, ein paralleler Ansatz diente als Kontrolle ohne Enzymzusatz. Nach 3 Tagen wurden Gasmengen und Methangehalte der Ansätze gemessen und miteinander in Beziehung gesetzt. In der Kontrollvariante ohne Enzyme wurde eine Biogasproduktion von durchschnittlich 260 Nml ermittelt. In den Ansätzen mit Enzymzugabe kam es zu einem deutlich höheren Biogasertrag von 533 Nml. Sowohl die CH4-, als auch die CO2-Werte lagen in der Variante mit Enzymzugabe über denen der Kontrolle.
Abbildung 5: Mittelwerte der gemessenen Biogasmengen, sowie die Mittelwerte der Gasqualitäten (CH4, CO2) in den Versuchsansätzen mit Enzymzugabe und ohne Enzymzugabe (Kontrolle).
Um schließlich zu verdeutlichen, welche Organismen für die Biogasentstehung verantwortlich sind, wurden Bakterien aus Gärrest isoliert, unter dem Lichtmikroskop begutachtet und - zum Größenvergleich - mit Pilzmycel und Pilzsporen (Neurospora intermedia) verglichen (Abbildung 6).
 |
 |
Abbildung 6: Neurospora intermedia-Sporen (400-fache Vergrößerung). Anmerkung: aufgrund der hohen Beweglichkeit der Bakterien konnten keine Aufnahmen gemacht werden.
Diesen Beitrag können Sie, genau wie die Versuchsdurchführung hier als PDF herunter laden:
