Lade Inhalt...

Untersuchung des Einflusses einer Auswahl von biologischen und chemischen Siliermitteln auf die Biogasbildung als Grundlage zur ökonomischen Bewertung

Masterarbeit 2008 125 Seiten

Chemie - Organische Chemie

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Symbole und Abkürzungen

1 Einleitung

2 Grundlagen
2.1 Grundlagen der Silierung
2.1.1 Bedeutung
2.1.2 Siliereignung von Pflanzen
2.1.3 Gärverlauf
2.1.4 Milchsäurebakterien
2.1.4.1 Homofermentative Milchsäurebakterien
2.1.4.2 Heterofermentative Milchsäurebakterien
2.1.5 Gärschädlinge
2.1.5.1 Clostridien
2.1.5.2 Hefen
2.1.5.3 Schimmelpilze
2.1.5.4 Enterobakterien
2.1.5.5 Bacillusarten
2.1.5.6 Essigsäurebakterien
2.1.5.7 Listerien
2.1.6 Siliertechnik
2.1.7 DLG-Bewertungsschlüssel zur Beurteilung der Gärqualität
2.2 Siliermittel
2.2.1 Biologische Siliermittel
2.2.1.1 Milchsäurebakterien
2.2.1.2 Propionsäurebakterien
2.2.1.3 Effektive Mikroorganismen (EM)
2.2.1.4 Killerhefen
2.2.2 Chemische Siliermittel
2.2.3 Kombinationsmittel
2.2.4 Zuckerfreisetzende Siliermittel
2.2.5 Sonstige Zusätze (Enzyme)
2.3 Grundlagen der Vergärung zu Biogas
2.3.1 Laborverfahren zur Untersuchung der Methanisierungsprozesse
2.3.2 Ökonomische Betrachtung

3 Material und MethodeN
3.1 Silierung
3.1.1 Versuchsaufbau
3.1.1.1 Inputstoffe
3.1.1.2 Behandlung der Inputstoffe
3.1.2 Beschreibung der Behandlungsmittel
3.1.2.1 Kofasil Liquid®
3.1.2.2 Kofasil Life®
3.1.2.3 Kofasil Life M®
3.1.2.4 Kofasil Lac®
3.1.2.5 Mais Kofasil Liquid®
3.1.2.6 Entwicklungsprodukt (EP)
3.1.2.7 Milchsäurebakterien 1 und 2 (MSB 1 und 2)
3.1.3 Analysemethoden
3.1.4 Korrekturmethoden
3.2 Methodik zur Untersuchung der Aeroben Stabilität
3.3 Methanisierung
3.3.1 Versuchsaufbau
3.3.1.1 Verfahren zur Untersuchung der Biogasbildung
3.3.1.2 Vergleichbarkeitsversuch Wasserbad/Klimaschrank
3.3.2 Korrekturmethoden
3.3.3 Methodik der Batchversuchs-Auswertung
3.4 Ökonomische Betrachtung des Siliermitteleinsatzes

4 Ergebnisse und Diskussion
4.1 Auswertung der Silierversuche
4.1.1 Luzerne
4.1.2 Gras
4.1.3 Mais
4.2 Auswertung der Versuche zur Aeroben Stabilität
4.2.1 Luzerne
4.2.2 Mais
4.3 Auswertung der Batchversuche
4.3.1 Inputstoffunabhängige Beobachtungen
4.3.2 Luzerne
4.3.3 Gras
4.3.4 Mais
4.4 Ökonomische Betrachtung des Siliermitteleinsatzes
4.4.1 Gegenüberstellung von Kosten und Nutzen
4.4.1.1 Luzernesilagen
4.4.1.2 Grassilagen
4.4.1.3 Maissilagen
4.4.2 Anwendungstrategien zur Kostenreduzierung
4.5 Fehlerdiskussion
4.5.1 Versuchsaufbau
4.5.2 Gasvolumenmessung
4.5.3 Probenbehandlung
4.5.4 Vergleichbarkeitsversuch Wasserbad/Klimaschrank
4.5.5 Vergleich der Ergebnisse mit Werten aus der Literatur

5 Schlussfolgerungen

6 Zusammenfassung

7 Verzeichnisse
7.1 Literaturverzeichnis
7.2 Abbildungsverzeichnis
7.3 Tabellenverzeichnis

8 Eidesstattliche Erklärung

9 Anhang

Symbole und Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Der im EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) ausgedrückte gesellschaftliche und politische Wille, den allgemeinen Energiebedarf vermehrt durch alternative Quellen zu decken, hat in Deutschland zu einer rapide wachsenden Verbreitung der Biogas­verstromung geführt.

Insbesondere die Verwendung von Energiepflanzen ist durch die im Erneuerbare-Energien-Gesetz festgeschriebene Einspeisevergütung (Stromerzeugungssub­ven­tionierung) rentabel und attraktiv geworden (REINHOLD 2005).

Die Pflanzenmassen, die in Biogasanlagen umgesetzt und verstromt werden, sollten für einen effektiven Betrieb in gleichmäßigen Mengen und Qualitäten zugeführt werden. Da die Verfügbarkeit der Nutzpflanzenmassen von der Vegetationsperiode abhängt, muss eine Konservierung erfolgen. Die Silierung ist eine dafür seit langem in die landwirtschaftliche Praxis eingeführte Methode. Bisher wurde dieses Verfahren genutzt, um möglichst gut verdauliche Futtermittel für Wiederkäuer zu bereiten. Pflanzenmassen sollen dazu möglichst ohne Verluste an Masse und Energie konserviert werden.

Letzteres ist auch für das Anwendungsgebiet der Biogaserzeugung ein gültiges Ziel. Darüber hinaus ergeben sich jedoch teilweise veränderte Ansprüche an den Siliervorgang (Neureiter 2005); da die während des Siliervorgangs stattfindenden Aufschluss- und Umwandlungsprozesse das Potenzial bieten, die anschließende Vergärung zu Biogas effizienter zu gestalten. Diese Potenziale gilt es durch Steuerung der Prozesse nutzbar zu machen.

Alle Silagen unterliegen früher oder später einem aeroben Verderb als Resultat mikrobieller Aktivität (ARCHUNDIA & BOLSEN 2001).

Trockenmasseverluste von circa drei Prozent pro Tag können durch aerobe Umsetzung nach Öffnen eines Silos entstehen (Pahlow & Weissbach 1999a). Sauerstoff gelangt dabei, in Abhängigkeit von der Verdichtung, ein bis zwei Meter tief hinter die Anschnittsfläche (WEINBERG & MUCK 1996) und ermöglicht eine starke Vermehrung von Hefen, Schimmelpilzen und Enterobakterien. Diese Mikroorganismen stellen die Hauptverderbniserreger dar, die durch ihren Stoffwechsel Trockenmasse abbauen und Energie verbrauchen. Die Verluste, die dadurch jährlich in Deutschland entstehen, werden von WEINBERG & MUCK (1996) auf 50 Millionen Euro geschätzt.

Durch die Anwendung von Siliermitteln besteht die Möglichkeit, Einflüsse auf den Silierprozess auszuüben und so die aerobe Stabilität zu verbessern, beziehungsweise den Voraufschluss der Futterpflanze zur Biogasausbeutesteigerung zu bewirken (AMON et al. 2003; Herrmann et al. 2008, IDLER et al. 2008, MUKENGELE und OECHSNER 2007; NEUREITER 2004).

Zu der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene biologische und chemische Siliermittel hinsichtlich ihrer Wirkung auf den Silierprozess einerseits und auf die Methanisierung der Silage andererseits getestet. Die Siliermittel wurden durch den Hersteller Addcon AGRAR GmbH zur Verfügung gestellt. Die Überprüfung erfolgte anhand unterschiedlich schwer silierbarer Kulturpflanzenproben (Luzerne, Gras und Mais), die in Laborsilos (Weckgläser) konserviert wurden. Die während der Silierung aufgetretenen Trockenmasseverluste, Veränderungen der Gärsäuremuster sowie die Veränderungen anderer relevanter Parameter wurden gemessen beziehungsweise analysiert.

Anschließend wurden die Silagen in diskontinuierlichen Batchfermentern (2 ℓ Fassungs­vermögen) bei 35°C methanisiert. Die dabei gebildete Biogasmenge wurde aufgefangen, gemessen und deren Zusammensetzung (Methan-, Kohlendioxid-, Sauerstoff- und Schwefelwasserstoffgehalt) analysiert.

Zusätzlich wurden die Luzerne- und Maissilageproben hinsichtlich ihrer aeroben Stabilität mit dem Verfahren von HONIG (1986 zit. nach Pahlow & Weissbach 1999a) untersucht.

Mittels der ermittelten Daten aus den Phasen: Silierung, aerobe Exposition und Methanisierung konnte eine Gesamtbetrachtung und Bilanzierung der Siliermitteleffekte erfolgen.

Die gemessenen Effekte wurden den Kosten des Siliermitteleinsatzes gegenübergestellt.

Die Silierversuche wurden als Vorarbeit an der Landwirtschaftskammer Niedersachsen (Standort Oldenburg) durchgeführt. Die aus diesen Versuchen gewonnen Daten wurden zur Auswertung zur Verfügung gestellt und die Proben zur Methanisierung, am Leibnizinstitut für Agrartechnik Potsdam-Bornim, übergeben.

2 Grundlagen

2.1 Grundlagen der Silierung

2.1.1 Bedeutung

Geerntete Pflanzenteile werden natürlicherweise von ubiquitär vorkommenden Mikroorganismen zersetzt und zu mineralischen Bestandteilen abgebaut. Dieser Abbau ist im Allgemeinen für den Kreislauf der Nährstoffe essentiell und wünschenswert.

Soll die Nutzung der Pflanzenteile allerdings zu einem späteren Zeitpunkt als kurz nach der Ernte erfolgen, so wird es notwendig, diesen Abbauprozess zu unterbinden. Eine Möglichkeit, die relativ zeitgleich im großen Umfang anfallenden landwirtschaftlichen Kulturpflanzenmassen zu konservieren, ist die Silierung.

Dieses Verfahren weist gegenüber anderen Konservierungsmethoden die Vorteile des vergleichsweise geringen Arbeitsaufwandes, größerer Witterungsunabhängigkeit und des geringen möglichen Nährstoffverlustes auf (JEROCH et al. 1993).

Zur Silierung werden die Pflanzenteile in ein anaerobes Milieu verbracht, wodurch bestimmte, gewünschte Mikroorganismen, im Wesentlichen Milchsäurebakterien, gefördert und andere unterdrückt werden. Der Abbau der Pflanzenmasse erfolgt durch diese Mikroorganismen nicht vollständig, sondern es werden durch sie hauptsächlich wasserlösliche Kohlenhydrate zu Milchsäure umgewandelt. Die gebildete Milchsäure bewirkt eine starke pH-Wert-Absenkung und hemmt das Wachstum einiger unerwünschter Gärschädlinge (z.B. Clostridien und Enterobakterien; siehe 2.1.3). Ab einem pH-Wert von 3,0-3,6 (JEROCH et al. 1999) stellen die Milchsäurebakterien ihren Stoffwechsel ein; die Silage ist stabil und über Monate bis Jahre haltbar.

Die Bedeutung des Silage-Konservierverfahrens hat in den letzten Jahrzehnten stark zugenommen. Heute wird in Europa, bezogen auf Trockenmasse, schon mehr Silage produziert als Heu (Kramer 2002). Die Anwendungsmöglichkeiten des Verfahrens sind dabei vielfältig. Von Bedeutung ist vor allem die Silierung von Gras, Mais, Leguminosen, Rübenblättern und -schnitzel, aber auch die von industriellen Abprodukten wie Biertreber und Apfeltrester.

Hauptziel war es bisher, eine möglichst verlustarme Erzeugung eines Konservates zur Fütterung von Tieren herzustellen (Kramer 2002). Außerdem sollte das fertige Produkt die in Tabelle 1 (unter Tierfutter) aufgeführten Eigenschaften besitzen.

In den letzen Jahren hat die Silagebereitung auch zur anschließenden Biogasvergärung enorm an Bedeutung gewonnen. Um die dadurch teilweise veränderten Anforderungen an die Silageeigenschaften deutlich zu machen, wurden diese mit denen zur Futtermittel­bereitung in der folgenden Tabelle 1 gegenübergestellt.

Tabelle 1: Anforderungen an Silage für Tierernährung und für die Biogaserzeugung

(NEUREITER 2004)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Inhaltsstoffe (Gärsäuren und Abbauprodukte), die eine Minderung der Futteraufnahme in der Tierfütterung bewirken, werden als negativ bezüglich der Gärqualität eingestuft. Für die Mikroorganismen, die an der Biogasproduktion beteiligt sind, sind jedoch gerade diese Abbauprodukte teilweise sehr gut verwertbar (HerrmanN et al. 2007b). Die Entwicklung eines dem DLG-Schlüssel (DLG 2006; siehe auch Kapitel 2.1.7) vergleichbaren Bewertungs­systems, speziell für die Nutzungsrichtung Biogas­erzeugung, steht noch aus.

2.1.2 Siliereignung von Pflanzen

Allgemein wird die Eignung von Pflanzenmassen zur Silage-Vergärung durch

- den Trockenmassegehalt,
- den Gehalt an wasserlöslichen Kohlenhydraten und
- die Pufferkapazität

bestimmt (SOMMER 2007).

Der Trockenmassegehalt ist hierbei auf zweierlei Weise bedeutsam.

1. Er beeinflusst die Verdichtungsmöglichkeiten. Umso höher der Trockenmasseanteil, desto schwieriger ist die Verdichtung, da das Siliergut durch Druck schwieriger formbar ist und so vermehrt Hohlräume (Sauerstoff-reservoire) zurückbleiben (Weber 2005). Die angestrebte zügige Einstellung des anaeroben Milieus wird verzögert.
2. Ein erniedrigter Trockenmassegehalt führt zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit mikrobieller Stoffwechselvorgänge und zu einer Verschiebung der pH-abhängigen Wachstumsgrenze der Clostridien (Jeroch et al. 1999). Gehalte unterhalb von 28 Prozent können deshalb zu Fehlgärungen und hohen Buttersäuregehalten führen (Auerbach 1996, RESCH 2005).

Falls der Gärsaft nicht aufgefangen und in einer Biogasanlage genutzt werden kann, fallen zusätzlich bei niedrigen Trockenmassegehalten hohe Verluste durch Gärsaftbildung an (RESCH 2005). Der optimale Bereich des Trockenmassegehaltes liegt zwischen 28-35 Prozent (MILIMONKA 2005, RESCH 2005).

Die wasserlöslichen Kohlenhydrate sind die Nahrungsquelle der Milchsäurebakterien. Ist der Gehalt in der Pflanzenmasse zu niedrig, kann nicht ausreichend Milchsäure gebildet werden, um den pH-Wert auf ein die Silage stabilisierendes Niveau abzusenken.

Pflanzen enthalten Substanzen, die die Ansäuerung durch beispielsweise Milchsäure abpuffern. Dazu gehören in diesem Zusammenhang Proteine, anionische wirkende Verbindungen (organische Säuren, Nitrate, Sulfate, Chloride) und basische Mineralstoffe (Jeroch et al. 1999, Woolford 1984). Das Pufferungsvermögen einer Futterpflanze wird nach Pahlow & Weissbach (1999a) mit der Pufferkapazität ausgedrückt. Proteine werden als primäre Quelle dieser Pufferkapazität angesehen (Weissbach 1968 & Keady et al. 2000, zit. nach WEISS 2000). Leguminosen wie die Luzerne haben, aufgrund ihres hohen Proteingehaltes, eine wesentlich größere Pufferkapazität (siehe Tabelle 2) als beispielsweise Mais oder Gras. Sie weisen dadurch ein für die Silierung ungünstigeres Verhältnis von Kohlenhydraten zu Proteinen auf (Z/PK-Quotient). Deshalb sind sie schwerer zu einer hochwertigen Silage zu fermentieren (RESCH 2002).

Tabelle 2: Vergärbarkeitskenndaten verschiedener Futterpflanzen

(geändert nach JEROCH et al. 1999)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.3 Gärverlauf

Der Verlauf der Vergärung wird von der An- oder Abwesenheit des Luftsauerstoffes bestimmt. Sobald das frische Material zugedeckt ist und somit Luftabschluss hergestellt wurde, beginnt der vierstufige Silierprozess (ELFERINK et al. 2000):

Phase 1, Aerobe Phase:

Die metabolischen Prozesse in der Pflanze stoppen nicht mit dem Abmähen. Pflanzliche Enzyme (z.B. Proteasen und Karbohydrasen) und Mikroorganismen auf den Pflanzenoberflächen bleiben solange aktiv, bis der für ihre Aktivität notwendige Sauerstoff veratmet ist (PETTERSSON 1988) . Üblicherweise dauert diese Phase nur wenige Stunden. Der pH-Wert bleibt dabei im für frischen Pflanzensaft normalen Rahmen (pH-Wert 6,5-6,0) (ELFERINK et al. 2000; WEINBERG & MUCK 1996).

Phase 2, Fermentationsphase:

Diese Phase beginnt mit Einstellung der anaeroben Bedingungen und dauert zwischen einigen Tagen und mehreren Wochen. Die Dauer hängt von den Eigenschaften der einsilierten Pflanzenteile und den Silierbedingungen ab. In einem erfolgreichen Fermentationsprozess bilden sich Milchsäurebakterien als die dominante Population heraus. In Folge der Bildung von Milch- und anderer Säuren sinkt der pH-Wert auf 3,8-5,0 ab (ELFERINK et al. 2000; WEINBERG & MUCK 1996). Die Geschwindigkeit des pH-Wert - Abfalls ist nach WHITTENBURY et al. (1967, zit. nach PETTERSON 1988) wichtiger für eine gute Silierung als der endgültige pH-Wert.

Phase 3, Stabile Phase:

Solange keine Luft in das Silo eindringt, geschieht in dieser Phase relativ wenig. Die meisten Mikroorganismen, die in Phase 2 gebildet wurden, reduzieren langsam ihre Populationstärken. Einige säuretolerante Mikroorganismen überleben diese Phase in einem inaktiven Zustand. Andere, wie Clostridien und diverse Bazillusarten, überleben in Sporenform. Nur einige säuretolerante Proteasen, Karbohydrasen und einige spezialisierte Mikroorganismen, wie Lactobacillus buchneri, bleiben auf niedrigem Niveau aktiv.

Phase 4, Phase des aeroben Verderbs:

Sobald die Silage dem Luftsauerstoff ausgesetzt wird, beginnt die Phase des aeroben Verderbs. Nach Öffnung des Silos ist der Luftzutritt unvermeidbar. Die Phase 4 kann aber auch früher starten, wenn die Silageabdeckung beschädigt wird (durch Vögel oder Nagetiere) und dadurch unzureichend ist. Der Prozess des aeroben Verderbs kann in zwei Stufen unterteilt werden. Die erste beginnt mit dem Abbau der konservierenden organischen Säuren durch Hefen und gelegentlich Essigsäurebakterien. Dies verursacht einen Anstieg des pH-Wertes, der die zweite Stufe des Verderbs ermöglicht. Die zweite Stufe ist durch einen Temperaturanstieg und der Aktivität von Verderberregern, wie Bacillusarten gekennzeichnet. Außer diesen sind viele andere (fakultativ) aerobe Mikroorganismen am Verderbprozess beteiligt: Hefen, Schimmelpilze, Essigsäurebakterien und Enterobakterien (ELFERINK et al. 2000, WEINBERG & MUCK 1996).

2.1.4 Milchsäurebakterien

Die Milchsäurebakterien kommen natürlicherweise auf der Pflanzenoberfläche vor und werden mit diesen in das Silo getragen. Dort sorgen sie für die gewünschte Einsilierung durch Umsetzung von Zuckern zu verschiedenen Säuren.

Sie werden nach ihren Stoffwechselwegen unterteilt in:

- Obligat homofermentative Milchsäurebakterien,
- Fakultativ heterofermentative Milchsäurebakterien,
- Obligat heterofermentative Milchsäurebakterien.

Eine exakte Zuordnung einzelner Milchsäurebakterienstämme zu diesen Gruppen ist sehr schwierig, da die Stoffwechselwege von den vorhandenen Nährstoffen und Umwelt­bedingungen abhängen und vielfach noch nicht exakt geklärt sind (KRAMER 2002, McDonald et al. 1991).

2.1.4.1 Homofermentative Milchsäurebakterien

Die homofermentativen Milchsäurebakterien gehören zu den Gattungen Enterococcus, Pediococcus und teilweise Lactobacillus. Sie vergären eine große Bandbreite von Substraten fast ausschließlich (circa 90 Prozent) zu Milchsäure (ANONYMUS 2002, McDonald et al. 1991).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Deshalb sind sie von größter Bedeutung für die Silierung und werden als Impfkultur eingesetzt (siehe auch Kapitel 2.2.1.1). Die am häufigsten benutzten und gefundenen Spezies in Silagen sind Lactobacillus plantarum, Pediococcus acidilactici, Pediococcus pentosacceus und Enterococcus faecium, L. delbrueckii, L.casei, L. rhamnosus (WEINBERG & MUCK 1996, DRIEHUIS et al. 1999, WEISS 2000). Sie produzieren Milchsäure sehr effektiv - sie müssen für die gleiche Menge Milchsäure nur halb soviel Zucker umsetzen wie heterofermentative Milchsäurebakterien (WEISE 1973, zit. nach WEISS 2000) und senken daher den pH-Wert schnell ab.

Tabelle 3: Übersicht zur homo- und heterofermentativen Milchsäure-Gärung (WEISS 2000)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.4.2 Heterofermentative Milchsäurebakterien

Heterofermentative Milchsäurebakterien vergären den Zucker weniger effizient, d. h. sie verbrauchen mehr Zucker, um die Silage auf einen ähnlichen pH-Wert abzusenken als homofermentative Bakterien. Sie setzen die Kohlenhydrate nicht nur zu Milchsäure, sondern über verschiedene Stoffwechselwege zu diversen anderen Gärprodukten um. Die wichtigsten entstehenden Reaktionsprodukte sind in folgender Übersicht aufgeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Insbesondere das als Reaktionsprodukt entstehende Kohlendioxid führt während des Gärprozesses zu hohen Energie- und Trockenmasseverlusten (IDLER 1994). Diese sind bei der heterofermentativen Vergärung nach Pahlow & Weissbach (1999a) unvermeidbar und werden von ihnen mit 3 Prozent zusätzlichem Trockenmasseverlust während der anaeroben Phase beziffert. WEINBERG & MUCK (1996) geben an, dass bis zur Siloöffnung ein Drittel der von L.buchneri konsumierten Milchsäure nicht zu Essigsäure umgewandelt wird, sondern als Kohlendioxid verloren geht.

Durch die im Folgenden erklärte Verbesserung der aeroben Stabilität ist diese „Investition“ an Energie beziehungsweise Trockenmasse sicherlich durch verringerte Verluste in der aeroben Phase akzeptabel (WEINBERG & MUCK 1996). Die Verluste durch aeroben Verderb im Bereich der Anschnittsfläche schätzen Pahlow & Weissbach (1999a) auf ebenfalls 3 Prozent der Trockenmasse, allerdings pro Tag.

Das Gärprodukt, das den größten Einfluss auf die Verbesserung der aeroben Stabilität hat, ist die Essigsäure (DANNER et al. 2003, DRIEHUIS et al. 1999, RESCH 2005). Sie hemmt die Entwicklung der Hefen nach Öffnen des Silos (DRIEHUIS et al. 1999). DANNER et al. (2003) bewiesen mit ihren Untersuchungen, dass der Essigsäuregehalt einen exponentiellen Einfluss auf die aerobe Stabilität hat. Der Effekt wird von ihnen mit dem gegenüber Milchsäure größeren Anteil undissoziierter Säure erklärt. Dieser steigt mit fallendem pH-Wert, das heißt die Wirkung der Essigsäure wird durch Anwesenheit von pH-Wert senkender Milchsäure verstärkt. Die Bildung von Essigsäure und Propandiol tritt verstärkt nach längerer Silierdauer auf. Die aerobe Stabilität hat sich deshalb in Versuchen von Nussbaum (2005a) mit längerer Lagerdauer verbessert.

Die Essigsäure war bisher in der Silagebereitung mit einem negativen Beigeschmack versehen, da erhöhte Essigsäurewerte vielfach in fehlvergorenen, buttersäurereichen Silagen gefunden wurden. Es kann jedoch auch buttersäurefrei von einigen Milchsäurebakterienstämmen, wie L. brevis und L. buchneri, Essigsäure produziert werden (KRAMER 2002). DRIEHUIS et al. (1999) vermuten, dass L. buchneri außer den genannten organischen Säuren noch andere, bisher nicht identifizierte, Metaboliten mit antifungizider Wirkung erzeugen.

2.1.5 Gärschädlinge

Den folgenden Mikroorganismen wird eine die Gärqualität mindernde Aktivität zugeschrieben:

- Clostridien
- Hefen
- Schimmelpilze
- Enterobakterien
- Bacillusarten
- Essigsäurebakterien
- Listerien

(Woolford 1984 und Lindgren et al. 1985, zit. nach Schneider 1997, McDonald et al. 1991).

Die unterschiedlichen Ansprüche und Stoffwechselwege sind in folgender Übersicht dargestellt.

Tabelle 4: Ansprüche und Stoffwechselaktivität der wichtigsten Mikroorganismen für die Silierung (JEROCH et al. 1999)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.5.1 Clostridien

Clostridien gelten als besonders gefährliche Gärfutterschädlinge, weil sie die Fähigkeit haben, Milchsäure und Proteine abzubauen und den völligen Verderb der Silage einzuleiten (Jeroch et al. 1999). Es handelt sich um stäbchenförmige, freibewegliche, obligat anaerobe Bakterien, die hitzestabile Endosporen (siehe Abbildung 1) bilden (McDonald et al. 1991, Thylin 2000).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Verschiedene Stadien von Clostridium tyrobutyricum

(a) vegetative Zelle (kurze, stäbchenförmig, (b) verlängerte Zelle mit Sporenansatz,

(c) keulenförmig mit voll entwickelter Spore, (d) Auflösung der Mutterzelle und Entlassen der freien Spore (Thylin 2000)

Ihr Herkunftshabitat ist meistens der Boden. Sie können nach ihrer Physiologie in zwei Hauptgruppen unterteilt werden.

1. Die Saccharolyten, die die Energie für ihren Metabolismus aus der Vergärung von Monosacchariden (Glukose, Fruktose; teilweise auch Galaktose, Arabinose, Mannose, Mannitol und Xylose) gewinnen (Thylin 2000) und dabei Butter­säure, Kohlendioxid und Essigsäure freisetzen.
2. Die Proteolyten, die Proteine hauptsächlich zu Aminen und Kohlendioxid, aber auch zu Carbonsäuren und Ammoniak vergären (Jeroch et al. 1999).

Bei beiden Stoffwechselwegen geht insbesondere durch die Kohlendioxidfreisetzung Energie und Trockenmasse verloren. Die Buttersäure ist für die Tierfuttersilierung sehr problematisch, damit belastetes Futter wird nur ungern oder gar nicht aufgenommen. Der Buttersäuregehalt ist ein wichtiges Kriterium für die Bewertung einer Silage (Jeroch et al. 1999). Buttersäure und Essigsäure säuern weniger stark als Milchsäure.

Buttersäure hat eine wesentlich kleinere Dissoziationskonstante als Milchsäure (Beck 1989). Ammoniak und Kohlendioxid wirken sogar basisch (JOHNSSON 1989, zit. nach Schneider 1997), daher wirkt Clostridienwachstum in Silagen sich selbst beschleunigend und dekonservierend. Wird der zur Unterdrückung der Entwicklung und des Auskeimens der Clostridiensporen notwendige pH-Wert nicht erreicht, beginnt die Selbstbeschleunigung der Clostridienentwicklung, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Qualitative Änderungen der Silagen-Mikroflora,

wie sie während der Fermentation stattfinden (WOOLFORD 1984)

Schadbakterien sind umso säureempfindlicher, je weniger Wasser ihnen zur Verfügung steht (WEISSBACH 2002). Das bedeutet, dass der zur Clostridienhemmung notwendige Säurebedarf mit zunehmendem Trockenmassegehalt abnimmt und somit auch der erforderliche Zucker/Pufferkapazität-Quotient (Z/PK), um den Säurebedarf zu erreichen (Jeroch et al. 1999). Dieser Zusammenhang wurde von Weissbach et al. (1974) in folgendem Modell zusammengefasst, um den mindestens erforderlichen Trockenmassegehalt zu ermitteln, ab dem mit buttersäurefreier Silage zu rechnen ist:

Trockenmasse min (%) = 45 - 8 Z/PK

Es wurde in jüngeren Untersuchungen nachgewiesen, dass der über diese Gleichung errechnete minimale Trockenmassegehalt nur dann mit Sicherheit das gewünschte buttersäurefreie Ergebnis liefert, wenn das Siliergut nicht nitratfrei ist. In den Versuchen traten Buttersäurekonzentrationen in Silagen auf, obwohl die Einschätzung mit Hilfe der Parameter Trockenmasse und Z/PK-Verhältnis buttersäurefreie Vergärung erwarten ließ. Das wurde mit dem Fehlen von Nitrat im Grünfutter erklärt (PÖTSCH und RESCH 1998; WYSS 1999, zit. nach WEISS 2000). Die Häufigkeit nitratarmer Silagen hat mit Reduzierung der Nutzungsintensität des Grünlandes in den 90er Jahren (weniger Stickstoffdüngemittel = weniger Nitrat in der Pflanzenmasse) zugenommen (WEISSBACH 2002). Umfangreiche Erhebungen haben gezeigt, dass inzwischen die als Ausgangsmaterial verwendeten Grünfutter größtenteils nitratfrei bis nitratarm sind (WEISS 2002). Nitrat hat einen großen Einfluss auf die Clostridienaktivität. Der inhibitorische Effekt beruht auf aus dem Nitrat gebildeten Reduktionsprodukten: Nitrit und nitrose Gase (SPOELSTRA 1983 sowie WOODS et al. 1995, zit. nach WEISS 2000). Zu hohe Nitratgehalte beeinflussen allerdings den Gärverlauf negativ und führen zu hohen Buttersäuregehalten. Der mittlere und optimale Bereich liegt laut Kaiser (1981, zit. nach WEISS 2000) zwischen 0,1 und 0,3 Prozent Nitrat-Stickstoff in der Trockenmasse.

Der Mangel an Nitrat kann durch die Anwesenheit pflanzeneigener organischer Hemmstoffe, wie sie in bestimmten Wiesenkräutern vorkommen, ausgeglichen werden. Kräuterreiche Grünlandaufwüchse führen deshalb, obgleich sie kaum Nitrat enthalten, meist zu sehr guten Welksilagen. Nach den Ergebnissen eines umfangreichen Screenings, in das 55 Wiesenkräuterarten einbezogen waren, ist u. a. in folgenden Pflanzenarten mit Hemmstoffen gegen Fehlgärungserreger zu rechnen: Alchemilla vulgaris, Chrysanthemum leucanthemum, Crepis biennis, Filipendula ulmaria, Geranium pratense, Geranium silvaticum, Hypericum perforatum, Lotus corniculatus, Polygonum bistorta und Ranunculus repens (WEISSBACH 1998) .

Einen Beitrag zur Unterdrückung der Clostridien leistet eine sofortige Abdeckung des Siliergutes, eine möglichst niedrige Lagertemperatur (WOOLFORD 1984, Gibson 1965, zit. nach SCHNEIDER et al. 1999) sowie eine verunreinigungsarme Ernte (ausreichend hohe Schnitthöhe) und Verbringung in das Silo (NEUREITER 2004).

Zu niedrige Trockenmassegehalte des Grases können durch Anwelken nach der Ernte angehoben werden.

Eine Möglichkeit, Einfluss auf das Z/PK-Verhältnis zu nehmen, ist die Stickstoff­düngung des Bestandes (sofern sie sich auf einem hohen Niveau befindet) zu reduzieren. Verschiedene Untersuchungen haben gezeigt, dass hohe Stickstoffgaben neben einem steigenden Proteingehalt auch zu einer Verringerung des Kohlen­hydrat­gehalts führen (PODKOWKA und POTKANSKI 1991 sowie KEADY und O’ KIELY 1996, zit. nach WEISS 2000).

Ein Proteolyt, der nur unter besonderen Umständen in Silagen auftritt, ist das Clostridium botulinum. Seine Bedeutung für die Futterbereitung gründet sich auf dem von ihm gebildeten Toxin, das als das derzeit stärkste bakterielle Toxin eingeschätzt wird. Es handelt sich um ein Neurotoxin, das bereits in niedrigen Dosen aufgenommen, nach kurzer Zeit zum Erstickungstod führt. Der Stamm entwickelt sich in Silagen nur, wenn unter Umständen besonders hohe, konzentrierte Mengen Protein siliert werden (ANONYMUS 2004). Fast immer ist die Ursache des Auftretens daher die Präsenz eines Kadavers (ELFERINK et al. 2000). So können z.B. bei der der Futtergewinnung Wildtiere (Rehkitze) von Erntemaschinen erfasst und mit in das Silo verbracht werden. Neben dem Menschen können nahezu sämtliche Wirbeltierarten an dem durch das Toxin verursachten Botulis­mus erkranken (ANONYMUS 2004).

2.1.5.2 Hefen

Hefen spielen eine Hauptrolle in der aeroben Zersetzung von Silagen (McDonald et al. 1991, Thylin 2000) und sind daher Hauptverursacher der aeroben Instabilität von Silagen. Auch nach vielen Jahren der Forschung muss festgestellt werden, dass im Gegensatz zu den vorhandenen Möglichkeiten, Gärverlauf und –qualität zu beeinflussen und zu verbessern, die aerobe Instabilität immer noch ein weit verbreitetes Problem in der landwirtschaftlichen Praxis darstellt (Pahlow & Weissbach 1999a). Insbesondere die hochwertigen, gut silierten, energie- und trockenmassereichen Silagen wie Maissilagen sind gefährdet (MILIMONKA 2005, Pahlow & Weissbach 1999a).

Hefen bilden keine taxonomische Gruppe, sondern sind Pilze in einer einzelligen Wuchsform (siehe Foto). Einige Pilze leben nur zeitweise in der Hefeform (Raven et al. 2000).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Pilze in der einzelligen Hefeform (CHUDASKE 2006)

Hauptverantwortlich für die Schmälerung der aeroben Stabilität von Silagen sind Kahmhefen (Candida ssp. und andere), während so genannte Bodensatzhefen (Saccharomyces ssp. und andere) auch in höheren Keimdichten die aerobe Stabilität nicht beeinflussen (BECK & GROSS 1964, zit. nach WEBER 2005).

PAHLOW & WEISSBACH (1999b) geben Candida krusei, Candida lambica, Hansenula anomala und Pichia membranaefaciens als die häufigsten Vertreter milchsäureabbauender und die Konservierung gefährdender Hefen an.

Hefen leben teilweise obligat aerob, aber häufig auch fakultativ anaerob. Unter aeroben Bedingungen können die fakultativ anaeroben Hefen eine Vielzahl von Substraten für ihr Wachstum nutzen, z.B. organische Säuren, Laktat, Acetat, Citrat, Malat, Succinat, Propionat und Ethanol (WEDDEL et al. 1987, zit. nach McDonald et al. 1991). Unter anaeroben Bedingungen müssen sie bei gehemmter Entwicklung ihre Energie aus der Vergärung von Kohlenhydraten zu Alkohol und Kohlendioxid gewinnen (Raven et al. 2000, KRAMER 2002, zit. nach WEBER 2005). Ihre Aktivitätsgrenze liegt bei einem pH-Wert unter drei (siehe Tabelle 4 ). Das bedeutet, dass sie durch den mit Milchsäuregärung erreichbaren pH-Wert nicht direkt hemmbar sind. Das saure Milieu bewirkt jedoch, dass der Anteil undissoziierter Säuren, der in der Silage vorhandenen kurzkettigen organischen Säuren (Milchsäure, Essigsäure und Buttersäure), logarithmisch mit fallendem pH-Wert zunimmt (KRAMER 2002, THYLIN 2000).

Da der intrazelluläre pH-Wert der Hefen alkalischer ist als die typische Umgebung in einer Silage, gelangen undissozierte Säuremoleküle durch passive Diffusion in die Hefezellen. Die Dissoziation in der Zelle setzt H+-Ionen frei. Diese reduzieren den intrazellulären pH-Wert zu einem Niveau, welches die Zellen schnell abtöten würde, wenn die H+-Ionen nicht durch aktiven Transport abgeschieden werden würden. Dieser Transport benötigt Energie, die unter anaeroben Bedingungen nur durch die Fermentation von Zuckern beschafft werden kann (DANNER et al. 2003, MADER et al. 1985, zit. nach McDonald et al. 1991, THYLIN 2000).

Daraus folgt:

- dass Hefen sich in Silagen mit hohen Restzuckeranteilen (gerade hochwertige Silagen) gut entwickeln können,
- dass, wenn anaerobe Bedingungen herrschen, der pH-Wert schnell abgesenkt wird (z.B. über eine Impfung mit Milchsäurebakterien; siehe Kapitel 2.2.1.1) und der Zucker schnell aufgebraucht wird, keine Entwicklungsmöglichkeit für Hefen besteht (McDonald et al. 1991).

Hohe Restzuckergehalte und damit Hefekonzentrationen sind typisch für Maissilagen. Auch Grassilagen, die stark angewelkt wurden (KRAMER 2005) oder die mit Ameisensäure behandelt wurden, enthalten viel Restzucker (SOMMER 2007).

Die Anzahl von Hefen steigt häufig während des Welkens, teilweise weil die Wachstumsbedingungen dann günstig sind, aber auch, weil Pflanzenteile durch Wenden und Zetten mit Bodenteilchen kontaminiert werden (GORDON 1989, zit. nach McDonald et al. 1991). Jonsson & Pahlow (1984) wiesen einen rapiden Anstieg der Anzahl Hefekeime (10³à 106) in den ersten 12 Stunden eines 36 stündigen Anwelkzeitraumes nach. Zum Erntezeitpunkt war die Keimanzahl unterhalb der Nachweisgrenze.

2.1.5.3 Schimmelpilze

Eine weitere Gruppe von Mikroorganismen, die für die Silierung schädlich sind, bilden die Schimmelpilze. Sie gehören wie die Hefen zu den Pilzen und sind gemeinsam mit ihnen verantwortlich für die Zersetzung von Silagen nach Lufteintritt. Für die Futtermittelbereitung sind die von den Schimmelpilzen gebildeten Toxine, wie Roqueforti C, die mit der Silage von den Nutztieren aufgenommen werden, von Bedeutung. Der Verbleib und die potentielle Schadwirkung der Mykotoxine, die die Vergärungsprozesse im Biogasreaktor passiert haben, ist noch unzureichend untersucht (AUERBACH 2007). Die Bedingungen im geschlossenen Silo, in der gut konservierte Silage lagert, niedriger pH-Wert und Abwesenheit von Sauerstoff sind ungünstig für die obligat aerob lebenden Schimmelpilze (McDonald et al. 1991). Einige Spezies sind in der Lage, in einer Atmosphäre mit 10 Prozent Kohlendioxidanteil zu wachsen (Woolford 1984). Im Allgemeinen treten sie nur dort auf, wo noch Luft verfügbar ist - in den Randzonen des Silos (McDonald et al. 1991). Typisch ist eine sichelförmige Ausbreitung parallel zur Oberfläche des Silos, wie auf Abbildung 4 zu sehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Schimmelpilzmyzele in sauerstoffbeeinflussten Zonen

(Auerbach 2004)

Bei schlechter Verdichtung (großes Porenvolumen) sowie undichter Abdeckung, kann Sauerstoff durch die Poren ins Innere des Silos gelangen und dort Schimmel­pilz­wachs­tum ermöglichen. SCHMERBAUCH et al. (1997) berichtet z.B., dass rohfaserreiches und daher schwer zu verdichtendes Grünfutter (aus extensiver Herkunft) besonders schimmelanfällig ist. Der Schimmelpilzbefall tritt unter diesem Umstand nicht nur am Rand, sondern über das ganze Silo verteilt, punktuell in Form von Klumpen auf. Wenn die Schimmelpilzentwicklung wie beschrieben und abgebildet optisch sichtbar ist, weist das auf Pilzkeimzahlen im Bereich 106 KBE pro Gramm Frischmasse hin. In Unter­suchungen von AUERBACH (1996) enthielten optisch sichtbar verpilzte Silagen 1x108 (Grassilage) bzw. 1,8x108 (Maissilage) KBE pro Gramm Frischmasse. Optisch einwandfreie Partien können trotzdem bereits 10³-104 KBE pro Gramm Frischmasse enthalten (Weber 2005).

Die auf Silagen am häufigsten gefundene Schimmelpilzspezies ist mit großem Abstand Penicillium roqueforti. Weiterhin wurden auf Mais und Grassilagen noch Arten von Mucor, Aspergillus, Fusarium, Geotrichum und Monascus gefunden (AUERBACH 1996, SCHMERBAUCH 1997, McDonald et al. 1991). In Silagen mit absolut anaeroben Bedingungen schaffen es nach Auerbach (1996) nur Penicillium roqueforti -Sporen, den Silierprozess zu überdauern, ohne die Fähigkeit zum Auskeimen zu verlieren. Permanenten Lufteinfluß während der Lagerung konnten hingegen diverse Schimmelpilzarten nutzen, um sich nach Öffnung des Silos zu entfalten.

2.1.5.4 Enterobakterien

Enterobakterien sind fakultativ anaerob lebende Mikroorganismen. Sie bilden eine große Gruppe innerhalb der Eubakterien. Sie kommen überall in der Umwelt (Boden, Wasser, Darmflora) vor. Viele Arten sind für ihr pathogenes Potenzial bei Mensch und Tier bekannt. Die meisten auf Silagen vorkommenden Arten werden jedoch als nicht pathogen betrachtet (ELFERINK et al. 2000). Ihre Aktivität in Silagen ist unerwünscht, weil sie mit Milchsäurebakterien um die verfügbaren Zucker konkurrieren. Weiterhin bauen sie Proteine ab und setzen dabei Verbindungen frei, die eine Reihe von negativen Auswirkungen haben:

Biogene Amine und verzweigte Fettsäuren wirken als Tierfutter toxisch (ELFERINK et al. 2000). Die Silage verliert an Schmackhaftigkeit und Attraktivität für die Nutztiere (WOOLFORD 1984).

Das gebildete Ammoniak ist sowohl für die Silageerzeugung zur Tierfütterung als auch für die zur Biogasbildung von Bedeutung, da es einen Anstieg der Pufferkapazität bewirkt. Die aus der erhöhten Pufferkapazität resultierenden Probleme wurden bereits im Kapitel 2.1.5.1 (Clostridien) beschrieben.

Eine Gesundheitsgefahr für das mit Silage arbeitende Personal bergen die gebildeten nitrosen Gase. Sie greifen die Atemwege an und können zur so genannten Silofüller-krankheit führen (SALOMON et al. 2006).

Enterobakterien können sich nicht bei niedrigem pH-Wert vermehren (McDonald et al. 1991).

2.1.5.5 Bacillusarten

Diese sind wie die Clostridien endosporenbildende stäbchenförmige Bakterien. Sie können von Clostridien dadurch unterschieden werden, dass die Bacillusarten (fakultativ) aerob leben; Clostridien obligat anaerob (diverse Autoren, zit. nach ELFERINK et al. 2000). Obwohl einige Arten unter anaeroben Bedingungen entwicklungsfähig sind, werden ihre Aktivitäten während des Fermentationsprozesses als unbedeutend eingeschätzt (McDonald et al. 1991). Sie verstoffwechseln eine große Bandbreite von Kohlenhydraten zu Essigsäure, Milchsäure, Glycerol, Ethanol und 2,3 Butandiol. Sie sind im Vergleich zu homofermentativen Milchsäurebakterien weniger effizient in ihrer Produktion pH-Wert senkender Substanzen.

Einige Stämme sind in der Lage, antifungizide Substanzen zu produzieren. Diese Eigenschaft wurde bereits genutzt, um die aerobe Stabilität von Silage positiv zu beeinflussen (diverse Autoren, zit. nach ELFERINK et al. 2000).

Im Allgemeinen werden jedoch Bacillus spp. verantwortlich gemacht, einen Beitrag zum aeroben Verderb von Silage zu leisten (McDonald et al. 1991). Insbesondere bei hohen Temperaturen im Silo wurde in Versuchen von LINDGREN et al. (zit. nach McDonald et al. 1991) eine Verschiebung der den Verderbprozess dominierenden Gärflora von den Hefen zu den Bazillus-Arten festgestellt.

2.1.5.6 Essigsäurebakterien

Die Essigsäurebakterien sind obligat aerobe, säuretolerante Bakterien, die neben Hefen die Einleitung des aeroben Verderbs von Maissilage verursachen (SPOELSTRA et al. 1988, zit. nach DRIEHUS et al. 1999). Eine weitere den Silierprozess beein­trächtigende Wirkung geht von ihrer Fähigkeit aus, Milch- und Essigsäure zu Kohlen­di­oxid und Wasser abzubauen (ELFERINK et al. 2000).

Nahezu alle von Silagen isolierten Arten gehören zu den Acetobactern spp. (SPOELSTRA et al. 1988, zit. nach ELFERINK et al. 2000).

Nach SPOELSTRA et al. (1988) sind Essigsäurebakterien die einzigen bekannten Bakterien, welche bei niedrigem pH-Wert und anaeroben Bedingungen, wie sie in gut geschützten Silagen herrschen, solange überleben können, bis nach Öffnung des Silos wieder Luft verfügbar ist. Wie sie in die Bedingungen eines ordnungsgemäß abgedeckten Silos überstehen können, ist noch nicht abschließend untersucht.

Essigsäurebakterien nutzen Ethanol bevorzugt als Kohlenstoffquelle. Energiereiche Mais­silagen enthalten oft hohe Gehalte an Ethanol. Dieses Substrat wird durch die Essig­säurebakterien im ersten Schritt zu Essigsäure oxidiert, wobei sich die Bakterien massenhaft vermehren können.

C2H5OH + O2 → CH3COOH + H2O + 492,6 KJ mol-1

(Ethanol) (Essigsäure)

Nach dem Konsum des Ethanols bauen sie auch ihr eigenes Stoffwechselprodukt sowie

Milchsäure zu CO2 Wasser, und Wärme ab:

Milchsäureabbau: CH3CHOHCOOH + 3O2 → 3CO2 + 3H2O +1368,2 KJ mol-1

Essigsäureabbau: CH3COOH + 2O2 → 2CO2 + 2H2O + 875,1 KJ mol-1

Während die Essigsäure den pH-Wert der Silage noch weiter stabil hält (für ein bis zwei Tage), leitet der zweite Abbauschritt, vergleichbar mit den lactatabbauenden Hefen, einen pH-Wertanstieg ein und erlaubt die Massenvermehrung auch weniger säure­toleranter Verderbniserreger, welche rasch zu hohen Verlusten führen kann.

Unter Praxisbedingungen treten die Essigsäurebakterien meist gemeinsam mit Hefen auf und die Dominanz einer dieser Gruppen hängt vorwiegend von den Ausgangs­konzentra­tionen an Ethanol im silierten Mais ab. Nach COURTIN und SPOELSTRA (1990, zit. nach BEEKER 200) bestimmen sowohl der Trockenmassegehalt als auch die chemische Zusammen­setzung, d.h. die Konzentration an Gärsäuren in der Silage, welche der beiden vorge­nannten Gruppen die Nacherwärmung auslöst (div. Autoren, zit. nach BEEKER 2003).

2.1.5.7 Listerien

Listerien sind aerobe oder fakultativ anaerobe Bakterien, die aufgrund ihres Toxinbildungsvermögens ein Pathogen für die Tierfuttermittelbereitung darstellen. Sie sind durch die Kombination aus niedrigem pH-Wert und anaeroben Verhältnissen gut unterdrückbar. Ihre Entwicklung wird vor allem dann in Silagen ermöglicht, wenn ein leichter Luftzutritt vorhanden ist (MCDONALD et al. 1991; DONALD et al. 1995, zit. nach ELFERINK et al. 2000).

2.1.6 Siliertechnik

Es wird eine Vielzahl von verschiedensten Silobautypen in der Literatur beschrieben (MCDONALD et al. 1991).

Breite Anwendung finden in der deutschen landwirtschaftlichen Praxis jedoch nur Fahr­silos (auch als Flachsilos bezeichnet), Rund- oder Quaderballensilierung, Vertikal­silos, sowie die Schlauchsilierung.

Fahrsilos bestehen meist aus einer Betonfläche, auf die die einzusilierende Pflanzen­masse abgeschüttet, ausgebreitet und durch Überfahren mit Schleppern ver­dichtet wird. Der Luftabschluss erfolgt durch eine Unterziehplane, über die zum Schutz vor Vögeln etc. eine mit Reifen o.ä. beschwerte Silofolie gelegt wird (Abbildung 5).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Schema der Funktionsweise von Silofolie (WEISS 2007)

Die Abdeckung des Silostocks mit Folien ist zeit- und kostenintensiv. Deshalb wurden in den vergangenen Jahren nach Alternativen zur Folienabdeckung gesucht. Mittels Roggenansaat auf das ansonsten unbedeckte Silo wurde versucht, durch eine sich bildende Schmierschicht den Luftzutritt zu verhindern (GRONAUER & BACHMAIER 2005; Reinhold & Peyker 2007). Dieses Verfahren bringt jedoch Nachteile mit sich.

Die Bildung der Schmierschicht ist von Umweltfaktoren abhängig und dauert in der Regel einige Wochen. Der Luftsauerstoff, der in der Anfangsphase in das Silo eindringen kann, verursacht eine Verminderung der Gärqualität und einen Verlust an Trockenmasse. Außerdem trägt der häufig große Einwaschungshorizont (Abbildung 6) zusätzlich zu Qualitätseinbußen und verminderter Lagerstabilität bei. Die auftretenden flüssigen und gasförmigen Emissionen sind potentiell umweltgefährdend (GRONAUER & BACHMAIER 2005).

Die auftretenden Verluste übersteigen insgesamt die erreichbaren Einsparungen an Silofolie und Arbeitsaufwand (RAHN 2006, Reinhold & Peyker 2007).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Schema eines mit Roggeneinsaat bedeckten Freigärhaufens (Rahn 2006)

Häufig verfügen Fahrsilos zur Vergrößerung des Fassungsvermögens und zur Verbesserung des Silierprozesses über zwei Seitenwände. Fahrsilos ohne Seitenwände werden auch als Freigärhaufen bezeichnet. Fahrsilos erfordern einen vergleichsweise hohen Investitionsaufwand für die Erstellung der baulichen Anlagen, sind aber durch den geringen Verbrauch an Silierfolie und ihren effizienten Befüll- und Entnahmezeitbedarf pro Tonne Trockenmasse sehr kostengünstig (Amman 2006). Sie eigenen sich daher am ehesten für Grossbetriebe. Diese können aufgrund ihrer hohen Schlagkraft und Erntemengen den konstant großen Siliergutstrom gewährleisten, der ein zügiges Schließen des Silos und damit hohe Gärqualität ermöglicht (BÜHRER 2002).

Für die Silierung in Rundballen und Quaderballen wird geschwadeter Grasschnitt von einer Ballenpresse aufgenommen und mit mehreren Lagen (4-8) Folie umwickelt. Die Ballen können auf dem Feld verbleiben und verursachen abgesehen von dem erforderlichen Fuhrpark fast nur laufende Kosten (BÜHRER 2002). Die kleinen Portionen ermöglichen schnelle Einsilierzeiten und eignen sich auch für kleinere Tierbestände/ Erntemengen. Durch die rasche Unterbindung der Sauerstoffzufuhr treten in der Regel wenige Verluste auf. Trotzdem kommt es in Ballensilagen wegen der größeren spezifischen Oberfläche und des höheren Porenvolumens zu stärkerem Gasaustausch zwischen Silage und Atmosphäre als in Fahrsilos. Insbesondere bei hohen Temperaturen wird die Stretchfolie (LDPE) zunehmend permeabel für Gase. Die Folge davon ist ein erhöhtes Risiko für die Entwicklung von Hefen und die Entstehung anaerob instabiler Silagen (Lingvall & WeiSSbach 2001). Das ohnehin ungünstige Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bei Ballensilage trägt ebenfalls dazu bei (WEINBERG & MUCK 1996).

Wichtig für die Hemmung von Schimmelpilzen ist eine ausreichende Pressdichte der Ballen. Nach Schmerbauch et al. (1997) eignen sich insbesondere hochverdichtete Compactrollen-Ballen im Vergleich mit Rundballen besser, um Problemen mit Schimmelpilzen vorzubeugen. Ein weiteres Qualitätsrisiko stellen Verletzungen der Folienschicht durch Transport, Lagerung oder Schäden durch Mäuse und Vögel dar (BÜHRER 2002).

Trotz der, aufgrund der langen Anwelkdauer, hohen Feldverluste bei Ballensilage sind die Gesamtverluste teilweise niedriger als bei anderen Silotypen.

Tabelle 5: Vergleich von Methoden der Silagebereitung

(HALVASSON 1994, zit. nach Lingvall & WeiSSbach 2001)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Da der Arbeitsaufwand für Ballensilierung deutlich größer ist als für beispielsweise Silierung in Flachsilos (Lingvall & WeiSSbach 2001), lohnt sich insgesamt gesehen die Ballensilierung vor allem für Betriebe mit geringerer Silagemenge. Größere Betriebe können von denen im Flachsilo bei großem Silagedurchsatz geringen Kosten pro Tonne Silage profitieren. Ballensilierung ist für sie als Kapazitätsreserve interessant.

2.1.7 DLG-Bewertungsschlüssel zur Beurteilung der Gärqualität

Das in Deutschland verbreitete Verfahren zur Beurteilung der Gärqualität von Silagen wurde vom DLG-„ Ausschuss für Futterkonservierung“ entwickelt. Die Beurteilung erfolgt im Wesentlichen auf Basis des Essigsäure/Buttersäure­verhältnisses. Zusätzlich wird der pH-Wert der Silage berücksichtigt.

Die im Labor analysierten Essig- und Buttersäuregehalte, sowie der pH-Wert werden durch Punkt­zahlen einzeln bewertet und aus der Gesamtpunktzahl wird ein zusammen­fassendes Urteil abgeleitet. Auf der Punkteskala (von 0 bis 100) entsprechen höhere Punktzahlen höheren Qualitäten (KAISER 2006).

2.2 Siliermittel

Siliermittel werden eingesetzt, um auf den Silierprozess so Einfluss zu nehmen, dass unter möglichst geringen Energie- und Substanzverlusten aus dem Ausgangsmaterial ein qualitativ hochwertiges Konservat entsteht (Nussbaum 2005a). Sie können in biologische, chemische, zuckerfreisetzende und sonstige Silierzusätze unterteilt werden (JEROCH et al. 1999; Nussbaum 2005a). Je nach Betrachtungsweise sind auch andere Arten der Unterteilung möglich (z.B. nach Wirkungsrichtungen der Siliermittel).

Die Unterteilung variiert in der Literatur stark.

2.2.1 Biologische Siliermittel

Unter biologischen Siliermitteln werden hauptsächlich die Milchsäurebakterien enthaltenden Impfkulturen eingeordnet. Daneben rangieren Propionsäurebakterien, „Killerhefen“(siehe Kapitel 2.2.1.4) und Effektive Mikroorganismen (EM) in dieser Gruppe.

Biologische Siliermittel haben gegenüber chemischen Vorteile, weil sie leichter handhabbar, ungiftig, nicht korrodierend gegenüber Landtechnik und umweltverträglich sind (WEINBERG & MUCK 1996).

2.2.1.1 Milchsäurebakterien

Die im Kapitel 2.1.4.1 beschriebene Fähigkeit mancher Milchsäurebakterien, den pH-Wert schnell abzusenken, setzt voraus, dass leistungsfähige Arten und Stämme die Vergärung dominieren. Aus Tabelle 6 wird deutlich, dass erst ab einer Keimdichte von mehr als 105 Milchsäurebakterien pro g FM Gärschädlinge (am Beispiel Clostridien) wirksam unterdrückt werden.

Die natürliche epiphytische Keimdichte und -zusammensetzung ist sehr verschieden und unterliegt großen Schwankungen. Diverse Faktoren haben darauf Einfluss: Verfügbarkeit und Konzentration von Nährstoffen, Reifegrad, Jahreszeit, Temperatur­einwirkung in Wechselwirkung mit Niederschlägen und relativer Luftfeuchte sowie Globalstrahlung (RUSER 1998, zit. nach WEISS 2000).

Die Vielzahl von Faktoren macht die Vorhersage der Keimdichte anhand des ortsspe­zifischen Klimas schwer. Generell kann gesagt werden, dass die Lakto­bakterien­dichte im Laufe der Vegetationszeit zunimmt.

Bei Gras nimmt die Anzahl ab einem bestimmten Zeitpunkt wieder ab, div. Autoren geben nach WEISS (2000) den 2. Aufwuchs als den mit der höchsten Keimdichte an.

Tabelle 6: Anzahl der Milchsäurebakterien an Nutzpflanzen und das damit verbundene Auftreten von Buttersäure in Silagen (geändert nach PAHLOW & WEISSBACH 1999a)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Um sicherzustellen, dass die gewünschten Milchsäurebakterien in ausreichender Anzahl vorhanden sind, um die Vergärung zu dominieren, werden diese als Impfkultur der Silage zugesetzt (MUCK 1989 und MOON 1984, zit. nach SCHNEIDER 1997).

Siliermittel, so auch Milchsäurebakterien-Impfkulturen, wurden in der Vergangenheit vor allem auf die Förderung der Milchsäuregärung und Verhinderung der Buttersäuregärung ausgerichtet. Daher wurden hauptsächlich homofermentative Milchsäurebakterien eingesetzt. Heute wird dem Aspekt der aeroben Stabilität sehr viel mehr Beachtung geschenkt (Schneider 1997). Milchsäure hat kaum hemmende Wirkung auf die die aerobe Instabilität verursachenden säureunempfindlichen Gärschädlinge, Hefen und Schimmelpilze. Die bei heterofermentativer Vergärung gebildeten Substanzen wirken, wie bereits in Kapitel 2.1.2.2 diskutiert, wesentlich intensiver auf diese Organismen. Bei Futterpflanzen mit hohem Gehalt an wasserlöslichen Kohlenhydraten bildet nicht umgewandelter Zucker eine leicht verfüg­bare Nahrung für Gärschädlinge (siehe auch Kapitel 2.1.5.2). Deshalb werden homo­fermentative Milchsäurebakterien als Impfkultur, insbesondere für leichtvergärbare Futterpflanzen wie Mais, inzwischen von vielen Autoren kritisch hinterfragt beziehungsweise nicht empfohlen (DANNER et al. 2002, DRIEHUIS et al. 1999, KAISER & PILTZ 2002, KAISER 2007, KALZENDORF 2007, NUSSBAUM 2005a, Pahlow & Weiss­bach 1999a, WEINBERG & MUCK 1996).

Demgegenüber führt IV (2001) an, dass nicht auszuschließen ist, dass der Laktatabbau durch heterofermentative Milchsäurebakterien eingeleitet wird und dadurch im weiteren Gärungsverlauf die Bedingungen für Clostridienaktivität geschaffen werden.

[...]

Details

Seiten
125
Erscheinungsform
Originalausgabe
Jahr
2008
ISBN (eBook)
9783836623469
Dateigröße
3.8 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v226212
Institution / Hochschule
Humboldt-Universität zu Berlin – Landwirtschaftlich-Gärtnerische Fakultät, Studiengang Pflanzenbauwissenschaften
Note
1,3
Schlagworte
biogas silage siliermittel säuren silierung

Autor

Zurück

Titel: Untersuchung des Einflusses einer Auswahl von biologischen und chemischen Siliermitteln auf die Biogasbildung als Grundlage zur ökonomischen Bewertung