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Bestimmung des Methanbildungspotenzials

Aussagegrenzen der aktuell verfügbaren Methoden zur Bestimmung des Mehtanbildungspotenzials

Häufig wird in der Praxis nach einer Möglichkeit zur Untersuchung des Methanbildungsvermögens eines bestimmten Substrates gefragt. Die vorhandenen Methoden kann man in drei Kategorien einteilen:

1. Batch- oder Biogastest
2. Berechnungen des Methanbildungsvermögens
3. NIRS-Verfahren zur Schätzung des Methanbildungsvermögens

1. Batch- oder Biogastest


Als Labormethode kommt ein so genannter Batch- oder Biogastest den Praxisabläufen im Fermenter am nächsten (Abb. 1). Allerdings ist trotz einer bestehenden VDI-Richtlinie eine Vielzahl an unterschiedlichen Varianten dieses Biogastests in den Laboren Deutschlands zu finden. Wesentliche Unterschiede der verwendeten Methoden bestehen:

  • Im Fermentervolumen, das wiederum einen Einfluss auf die Menge des Probenmaterials hat. Bei der Probenmenge sollte jedoch auch die Homogenität der Probe beachtet werden.
  • Im Probenmaterial, das entweder ungetrocknet/unvermahlen oder getrocknet/vermahlen sein kann.
  • Im verwendeten Inoculum z. B. Klärschlamm, Gärrest oder Gülle.
  • In der Temperierung.
  • Im Homogenisieren.
  • In der Gaserfassung und -analyse.  
     

Abb. 1: Batchtest, durchgeführt vom JK Institut für Pflanzenbau und Grünlandwirtschaft, Braunschweig(Foto: D. Hillegeist)
Ein in 2006 begonnener Ringtest ergab, dass zwischen den einzelnen Gärtests erhebliche Schwankungen in der Methanbildung, überprüft an reiner Cellulose und Weizen, bestehen (Zerr, 2007). Weitere Schritte zu einer Überprüfung im Silagebereich sowie eine mögliche Standardisierung sind geplant. Die Biogastests werden jedoch immer arbeits-, zeit- und kostenaufwändig bleiben und sind somit für einen hohen Probendurchsatz, wie er beispielsweise in der Sortencharakterisierung benötigt wird, wenig geeignet.

Zu beachten ist außerdem, dass ein solches Ergebnis nur das Methanbildungspotenzial beschreibt. Die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf individuelle Praxisbedingungen ist schwierig, da es hier eine große Bandbreite in der Anlagentechnik und den Prozessen gibt, z. B. mit oder ohne Gülle, ein- oder zweistufig etc.
  
 
   
2. Berechnung des Methanbildungsvermögens

  
Eine weitere Möglichkeit, das Methanbildungspotenzial zu beschreiben, bietet die Berechnung der Methanbildung aus den Rohnährstoffen nach Formeln von Buswell und Müller (1952), Baserga (1998), Amon et al. (2003) oder Kaiser (2008). 
        

Tab. 1: Theoretische Gas- und Methanausbeuten (Roediger, 1956)
 

 Substrat  Liter Gas/kg TM CH4 (%) 
 (Verdauliches) Rohprotein  700 70 - 71 
 (Verdauliches) Rohfett  1200 - 1250  67 - 68
 (Verdauliche) Kohlenhydrate   790 - 800  50
   
In diesen Formeln finden Hemmstoffe oder die Gärqualität beschreibende Merkmale leider keine Berücksichtigung. Die Formeln basieren auf den Rohnährstoffen. Der Ansatz nach Baserga bezieht dabei auch die Verdaulichkeiten der Rohnährstoffe ein. Da die Erfassung dieser Verdaulichkeiten für die einzelnen Proben sehr aufwändig ist, wird in der Praxis allerdings häufig nur auf Tabellenwerte zurückgegriffen. Diese spiegeln jedoch nicht die natürliche Varianz dieser Merkmale wider. Zudem werden diese Werte, die aus Versuchen mit Wiederkäuern stammen, unter der Annahme verwendet, dass die Verdaulichkeit im Wiederkäuer mit der Verfügbarkeit im Fermenter übereinstimmt. 
 
Zu beachten ist allerdings, dass diese Formeln von Ergebnissen aus Batchtests abgeleitet sind. Dies erklärt u. a. auch, warum die Ergebnisse, basierend auf unterschiedlichen Formeln, zum Teil stark voneinander abweichen.
   
  
    
3. NIRS-Verfahren zur Schätzung des Methanbildungsvermögens
 
Um einen hohen Probendurchsatz, wie er beispielsweise für eine Sortencharakterisierung erforderlich ist, zu ermöglichen, müsste eine verlässliche Schnellmethode entwickelt werden. Eine solche Methode könnte beispielsweise mit Hilfe von NIRS-Kalibrationen (Abb. 2) entwickelt werden, die wiederum einer aussagekräftigen Referenzmethode, an der sie geeicht werden können, bedürfen. Damit ist also wieder die Qualität der Batchtests gefordert. Momentan wird u. a. im Rahmen von zwei FNR-Projekten intensiv in diese Richtung geforscht.
  
     

Abb. 2: NIRS-Messung von Maissilage - eine mögliche Schnellmethode in der Entwicklung
(Foto: Pioneer Silagelabor) 
 
Messung/Vorhersage der Methanbildung
    
Batch- oder Biogastest 
  • Vielzahl unterschiedlicher Gärtests
  • Kosten- und zeitintensiv
  • Spiegelt das Potenzial wider - Übertragbarkeit auf Praxisanlagen fraglich, da auch diese sehr variabel
Schätzformeln 
  • Von Batchtest abgeleitet
  • Gärqualität und Hemmstoffe werden nicht berücksichtigt
  • Nährstoffverfügbarkeit gar nicht oder ungenügend berücksichtigt
  • Ausreichende Überprüfungen zur Beschreibung des Schätzfehlers stehen aus
NIRS-Kalibration 
  • In der Entwicklung; beruhen allerdings auch auf einem Batchtest
  • Höhe des Schätzfehlers wird das Einsatzgebiet einer zukünftigen Kalibration beschreiben

 
Fazit
  
Eine verlässliche Methode zur Bestimmung des Methanbildungspotenzials mit hohem Probendurchsatz und vertretbarem Kostenaufwand ist momentan nicht verfügbar. In Einzelfällen lassen sich Ergebnisse mit Hilfe eines arbeitsaufwändigen Batchtests erzielen. Hier gilt es jedoch, für die Zukunft über eine Standardisierung der Verfahren eine bessere Vergleichbarkeit zwischen den Laboren herzustellen.
Eine Schätzung des Methanertrages auf Basis der derzeit verfügbaren Gleichungen führt zu unterschiedlichen Ergebnissen und bedarf daher der intensiven weiteren Prüfung, um die Aussagekraft und Schätzgenauigkeit dieser Formeln zu ermitteln.
    
   
Referenzen (PDF 15 KB)