Hydrothermal carbonization (HTC): Near infrared spectroscopy and partial least-squares regression for determination of selective components in HTC solid and liquid products derived from maize silage

Near-infrared (NIR) spectroscopy was evaluated as a rapid method of predicting fiber components (hemicellulose, cellulose, lignin, and ash) and selective compounds of hydrochar and corresponding process liquor produced by hydrothermal carbonization (HTC) of maize silage. Several HTC reaction times and temperatures were applied and NIR spectra of both HTC solids and liquids were obtained and correlated with concentration determined from van-Soest fiber analysis, IC, and UHPLC. Partial least-squares regression was applied to calculate models for the prediction of selective substances. The model developed with the spectra had the best performance in 3–7 factors with a correlation coefficient, which varied between 0.9275–0.9880 and 0.9364–0.9957 for compounds in solid and liquid, respectively. Calculated root mean square errors of prediction (RMSEP) were 0.42–5.06 mg/kg. The preliminary results indicate that NIR, a widely applied technique, might be applied to determine chemical compounds in HTC solid and liquid

Development of a flow-fluorescence in situ hybridization protocol for the analysis of microbial communities in anaerobic fermentation liquor

Background: The production of bio-methane from renewable raw material is of high interest because of the increasing scarcity of fossil fuels. The process of biomethanation is based on the inter- and intraspecific metabolic activity of a highly diverse and dynamic microbial community. The community structure of the microbial biocenosis varies between different biogas reactors and the knowledge about these microbial communities is still fragmentary. However, up to now no approaches are available allowing a fast and reliable access to the microbial community structure. Hence, the aim of this study was to originate a Flow-FISH protocol, namely a combination of flow cytometry and fluorescence in situ hybridization, for the analysis of the metabolically active microorganisms in biogas reactor samples. With respect to the heterogenic texture of biogas reactor samples and to collect all cells including those of cell aggregates and biofilms the development of a preceding purification procedure was indispensable. Results: Six different purification procedures with in total 29 modifications were tested. The optimized purification procedure combines the use of the detergent sodium hexametaphosphate with ultrasonic treatment and a final filtration step. By this treatment, the detachment of microbial cells from particles as well as the disbandment of cell aggregates was obtained at minimized cell loss. A Flow-FISH protocol was developed avoiding dehydration and minimizing centrifugation steps. In the exemplary application of this protocol on pure cultures as well as biogas reactor samples high hybridization rates were achieved for commonly established domain specific oligonucleotide probes enabling the specific detection of metabolically active bacteria and archaea. Cross hybridization and autofluorescence effects could be excluded by the use of a nonsense probe and negative controls, respectively. Conclusions: The approach described in this study enables for the first time the analysis of the metabolically active fraction of the microbial communities within biogas reactors by Flow-FISH

Einfluss verschiedener Inkohlungsbedingungen auf die Qualität von HTC-Biokohle als Bodenhilfsstoff – Hinweise durch Pflanzenwachstum und NMR-Spektroskopie

Bei der hydrothermalen Karbonisierung (HTC) wird Biomasse unter großem Druck (ca. 20 bar) und hoher Temperatur (180 – 230 °C) über mehrere Stunden mit Wasser erhitzt. Dabei entsteht ein torf- bis braunkohleähnliches Produkt, die HTC-Biokohle. Durch diesen Prozess können organische Abfälle, wie Klärschlamm, ohne Vortrocknung verwertet werden. Ähnlich der Biokohle aus Pyrolyse (Verschwelung bei > 350°C) wird auch für die HTC-Biokohle positive Effekte auf die Bodenfruchtbarkeit vor allem für sandige nährstoffarme Böden erwartet (erhöhte Nährstofffixierung und Wasserhaltefähigkeit). Ziel war es festzustellen, wie sich verschiedene Inkohlungsbedingungen (Temperatur, Verweildauer im Reaktor) der HTC-Biokohle auf das Pflanzenwachstum auswirken und mit Hilfe von NMR-Spektroskopie aufzuklären, welche funktionellen organischen Gruppen (die typisch für Klassen phytotoxischer Substanzen sind) bei gehemmten Wachstum vorhanden sind. In einem Säulenversuch mit Eiszapfen (Raphanus sativus spec. sativus) und lehmigen Sand als Ausgangsmaterial, wurden 4 verschieden hergestellte HTC-Biokohlen und eine Pyrolyse-Biokohle getestet. Bestimmt wurde der Ertrag und der Stickstoffgehalt in den Pflanzen, die Ammonium und Nitratkonzentration im Sickerwasser, sowie die Nährstoffe N, P, K, Mg und der pH-Wert im Boden. Der Ertrag unterschied sich stark je nach eingesetzter Biokohle. Pyrolyse-Biokohle und HTC-Biokohle welche bei erhöhter Temperatur hergestellt wurde, führten zu höheren Erträgen, während die anderen HTC-Biokohlen zu geringeren Erträgen im Vergleich zur Kontrolle führten. Die Qualität der HTC-Biokohlen ist folglich erheblich von den Prozessbedingungen während der Inkohlung abhähngig Es werden phytotoxische Substanzen vermutet, die bei höherer Temperatur abgebaut werden können. Die NMR-Spektren werden aktuell ausgewertet. Diese Eingrenzung ist eine Vorstufe zur Identifikation von phytotoxischen Einzelsubstanzen und dient gleichzeitg zum Verständnis, wie der HTC-Prozess die chemische Struktur des Ausgansmaterials umwandelt