Schaumbildung und Schaumvermeidung in Biogasanlagen

Dr. Lucie Moeller

Internationale Bio- und Deponiegas Fachtagung & Ausstellung, Berlin, 22. April 2015

Foto: André Künzelmann, UFZ

SEITE 2

Die häufigsten Prozessstörungen

im Biogasreaktor:

- Bildung von Schwimmschichten

- übermäßige Schaumbildung

- Übersäuerung des Fermenterinhaltes

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Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

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SEITE 3

Laborversuche Praxisanlagen

Forschung auf zwei Ebenen

Einleitung Umfrage Methoden Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 4

» 12 von 15 Biogasanlagen, die biogenen Abfall nutzen

(eigene Umfrage in Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thüringen; Moeller et al. 2012)

» 5 von 36 NawaRo-Anlagen in Sachsen

(Umfrage von SMUL; 2012)

Erfahrungen mit der Schaumbildung in der Praxis

» 10 % Biogasanlagen laut Schätzung von 7 Biogas-Experten in

Baden-Würtemberg (Umfrage von Uni Hohenheim; Wissmann 2014)

» 15 von 16 Biogasanlagen in Dänemark

(Umfrage von Technical University of Denmark; Kougias et al. 2013)

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 5

Betriebstörungen und Schäden

Ausfall von Schiebern und der Rezirkulatpumpe

Verschmutzung und Verstopfung der Leitungen

Störung der Messsonden

Störung von Mikroorganismen

Umkehrung des Feststoffprofils im Reaktor

Konstruktionsschäden

Ökonomische Folgen

Reinigungs- und Reparaturkosten

Energieverlust durch gestörten Prozess & durch zusätzliches Rühren

zusätzliche Arbeitsstunden

Kosten für Entschäumer

Folgen der Schaumbildung im Biogasreaktor

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 6

„Hungerkur“

Absenken des Pegels im Fermenter

Verdünnen/Besprühen mit Wasser

Zugabe von kommerziellen

Antischaummitteln und/oder Pflanzenöl

Optimierung von Rührzyklus und

Fütterungsinterval

Supplementierung mit Spurenelementen

Maßnahmen bei Schaumbildung im Biogasreaktor

Temperaturerhöhung um 2 - 3 °C (bei GPS)

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 7

Ursachen der Schaumbildung im Biogasreaktor

1. Ungeeignete Prozessführung und ungünstige Umstände

2. Nutzung von risikoreichen Substraten

Überfütterung

plötzliche Temperaturschwankungen

ungünstiges Rührmanagement

Nährstoffmangel

Ablagerungen im unteren Bereich des Biogasfermenters

Nutzung von ungeeigneten Chemikalien in der Tierhaltung

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

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SEITE 8

Ursachen der Schaumbildung im Biogasreaktor

1. Ungeeignete Prozessführung und ungünstige Umstände

2. Nutzung von risikoreichen Substraten

viel Stickstoff, bzw. Protein

- Schlachtabfälle, Molkereiabwasser

- Hühnertrockenkot

- Hefe (Biertreber, Brot, schlecht abgedeckte Silagen)

Schleimstoffe (z. B. Pektin, Stärke)

- Obst- und Gemüseabfälle

- Zuckerrübenschnitzel, Getreide

filamentöse Mikroorganismen

(anaerobe Stabilisierung des Klärschlamms in Faultürmen)

Schimmelpilze (Penicillium roqueforti, Mucor hiemalis usw.)

Mycotoxine

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Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 9

Vorgehensweise bei der Untersuchung im Praxismaßstab

SEITE 9

1. Ausführliches Interview mit dem Anlagenfahrer

2. Daten analysieren

(Fütterungsprotokolle, Temperaturverläufe,

Gasbildung, etc.)

3. Proben entnehmen und analysieren

(auch mikroskopisch)

4. Schaumtests mit Substraten durchführen

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 10

Datenanalyse

SEITE 10

NawaRo-Anlage:

Lucie Moeller, Kati Görsch, Yvonne Köster, Roland A. Müller, Andreas Zehnsdorf: Schaumbildung und Schaumvermeidung in

Biogasanlagen, UFZ-Bericht 01/2013, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ, ISSN 0948-9452.

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 11

Datenanalyse

SEITE 11

15

20

25

30

35

40

45

14.09.2011 14.10.2011 13.11.2011 13.12.2011 12.01.2012 11.02.2012 12.03.2012 11.04.2012

Datum

Tem

pera

tur

[°C

]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Sch

au

m

Temperatur AHS-Stufe Temperatur Fermenter Schaum

NawaRo-Anlage:

Lucie Moeller, Kati Görsch, Yvonne Köster, Roland A. Müller, Andreas Zehnsdorf: Schaumbildung und Schaumvermeidung in

Biogasanlagen, UFZ-Bericht 01/2013, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ, ISSN 0948-9452.

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 12

Datenanalyse

SEITE 12

Abfall-Anlage:

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1002

0.0

2.2

01

2

21

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12

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12

23

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12

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26

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12

27

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12

28

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12

29

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12

01

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12

02

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12

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12

04

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12

05

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12

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12

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.20

12

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12

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12

10

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12

11

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.20

12

12

.03

.20

12

Datum

Su

bstr

at

[t]

Schlämme aus derKartoffelverarbeitung

Fettabscheiderinhalte

Biopower

Kartoffeldampfschalen

Kieselgur

Back-/Süßwaren

Obst/Gemüse

Rapsfilterkuchen

Getreide

Lucie Moeller, Kati Görsch, Yvonne Köster, Roland A. Müller, Andreas Zehnsdorf: Schaumbildung und Schaumvermeidung in

Biogasanlagen, UFZ-Bericht 01/2013, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung - UFZ, ISSN 0948-9452.

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 13

Probenanalyse

SEITE 13

Fallbeispiel 1

Fotos: Andreas Zehnsdorf

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 14

Fallbeispiel 1

» mesophil (42 °C)

» Durchmischung:

- Fermenter 1: Rührwerk im Außenumlauf

- Fermenter 2: zwei interne Rührwerke

» Substratmix:

- 30 % Rindermist

- 40 % Maissilage

- 40 % Grassilage

Ferm. 1 Ferm. 2 (ehemals NG)

Gärrest-

lager

Separator

Festphase

Flüssigphase

(Klarlauf)

Rezirkulat

Substrat

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Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 15

Fallbeispiel 1

Fermenter 1 Fermenter 2

TS [%] 10,4 9,7

oTS [% TS] 81 79

FOS/TAC [-] 0,25 0,23

NH4-N [mg/L] 704 798

Acetat [mg/L] 295 37

Propionat [mg/L] 58 18

Butyrat [mg/L] <1 <1

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 16 SEITE 16

Nutzung der Schaumtests

Fo

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Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 17

NawaRo-BGA in Brandenburg

Fallbeispiel 2

Foto: Fred Schulze

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 18

NawaRo-BGA in Brandenburg

Fallbeispiel 2

» mesophil (38 - 41 °C)

» Durchmischung:

- vier interne Rührwerke

» Substratmix:

- 25 t / d Rindergülle

- 23 t / d Maissilage

- 2 t / d Roggenschrot

» 30 – 40 L / d Rapsöl und

8 - 20 L / d kommerzielles Antischaummittel (ca. 5 €/L)

(im Extremfall 80 L/d !)

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 19

Abhängigkeit der Intensität der Schaumbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns

Gärmaterial aus einer NawaRo-Anlage mit Triticaleschrot (0,5 mm, 1 mm, 2 mm und 4 mm) und -korn

0,5 mm 2 mm 4 mm ungemahlen

0,5 mm 1 mm 2 mm 4 mm Korn Referenz

Moeller, L., Krieg, F., Zehnsdorf, A. (2013) Wirkung von Getreideschrot auf die Schaumbildung in

Biogasanlagen. Landtechnik 68 (5) 344-348.

Getreide

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 20

Abhängigkeit der Intensität der Schaumbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns

Getreide

Moeller, L., Krieg, F., Zehnsdorf, A. (2013) Wirkung von Getreideschrot auf die Schaumbildung in

Biogasanlagen. Landtechnik 68 (5) 344-348.

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 21

Getreide

Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:

1. batch-Versuche (Triticale)

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 22

Getreide

Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:

2. quasi-kontinuierliche Versuche (Triticale)

Δ ~10 %

» 2 parallel laufende Fermenter (á 30 L), mesophil (39 °C)

» Substrate: Maissilage (73 % TS), Rindergülle (18 % TS), Triticale (9 % TS)

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 23

Getreide

Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:

1. batch-Versuche (Gerste)

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 24

Getreide

Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:

2. quasi-kontinuierliche Versuche (Gerste)

» 2 parallel laufende Fermenter (á 30 L), mesophil (39 °C)

» Substrate: Maissilage (67 % TS), Rindergülle (9 % TS), Gerste (17 % TS)

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 25

Getreide

Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:

2. quasi-kontinuierliche Versuche (Gerste)

13 Tage

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 26

Getreide

Abhängigkeit der Gasbildung von der Mahlstufe des Getreidekorns:

3. Praxisversuch (Gerste)

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

FO

S/T

AC

[-]

Fermenter

Nachgärer

Kosten fürs Mahlen: 1,08 € pro 100 kg Getreide

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 27

Getreide

13

31 2932

21

0

11

1613

8

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Triticale 4 mm Triticale 0,5 mm Gerste 0,5 mm Weizen 0,5 mm Roggen 0,5 mm

Sch

aum

geh

alt

[%]

ohne Sojaöl

mit 1% Sojaöl

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 28

Fallbeispiel 3

Fermenter Nachgärer

TS [%] 7,9 5,9

oTS [% TS] 80,6 76,3

FOS/TAC [-] 0,21 0,16

NH4-N [mg/L] 1.188 2.002

Acetat [mg/L] 491 38

Propionat [mg/L] 97,8 <1

Butyrat [mg/L] <1 <1

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

» Schaum:

“Schaum kommt NUR wenn Zuckerrübe gefüttert wird

(August bis Februar) UND wenn bei Kühen mehrmals

pro Woche gesäubert wird“

- Maßnahme: Dauerrühren

SEITE 29

1. Abhängigkeit der Intensität der Schaumbildung von

Zerkleinerungsgrad der Rübe

Zuckerrübe

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 30

Versuchsdurchführung:

40 g Zuckerrübe + 460 g

Digestat (NawaRo-BGA);

37 °C (Wasserbad),

Versuchsdauer: 20,5 h.

Zuckerrübe

Moeller et al.: Foam

formation in biogas plants

caused by anaerobic

digestion of sugar beet.

Bioresource Technology

2015, 178, 270-277

Zuckerrübenzerkleinerung

51% 57%

66%

1 cm 0,5 cm gerieben

Schaumanteil:

(= Schaumhöhe vs. Gesamthöhe) [%]

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 31

Zuckerrübe

2. Abhängigkeit der Intensität der Schaumbildung von

Chemikalien in der Tierzuchthaltung

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 32

ZRS +

Dolomitkalk

Dolomitkalk ZRS Referenz

Schaumanteil:

(= Schaumhöhe vs. Gesamthöhe) [%]

0% 0%

62%

70%

Versuchsdurchführung: 40 g Zuckerrübe + 460 g Digestat (NawaRo-BGA);

37 °C (Wasserbad), Versuchsdauer: 19 h.

ZRS = Zuckerrübensilage

Zuckerrübe

Moeller et al.: Foam formation in biogas plants caused by anaerobic

digestion of sugar beet. Bioresource Technology 2015, 178, 270-277

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 33

Schaumeigenschaften:

38% 36%39%

0%

0%

20%

40%

60%

80%

Foam

conte

nt

[%]

Gärrest Schaum Referenz

Kohlenhydrate [g/L] 0,97 ± 0,03 4,28 ± 0,37 0,88

Pektin [gGA/kg] 0,50 ± 0,004 0,71 ± 0,09 0,37

Acetat [g/L] 4,25 ± 0,26 2,24 ± 0,66 0,11

Propionat [g/L] 3,27 ± 0,10 1,86 ±0,46 0,09

Butyrat [g/L] 0,83 ± 0,06 0,45 ± 0,17 0,03

Moeller, L., Lehnig, M., Schenk, J., Zehnsdorf, A.: Foam formation in biogas plants caused

by anaerobic digestion of sugar beet. Bioresource Technology 2015, 178, 270-277

Zuckerrübe

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

Interaktion von Pektin mit anderen Stoffen im Digestat

Pektin Pektin Pektin + CaCl2 Saccharose Pektin Pektin

+ Saccharose

Versuchsdurchführung: 10 g Pektin/Sacharose/Pektin+Saccharose/Pektin+CaCl2 +

490 g Digestat (NawaRo-BGA); 37 °C (Wasserbad), Versuchsdauer: 21 h.

Foam

conte

nt

[%]

SEITE 34

25%32%

58%

24% 23%

44% 44%

Moeller, L., Lehnig, M., Schenk, J., Zehnsdorf, A.: Foam formation in biogas plants caused

by anaerobic digestion of sugar beet. Bioresource Technology 2015, 178, 270-277

Zuckerrübe

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 35

Zuckerrübe

Fo

tos: M

arc

us L

eh

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K+ Na+ NH4+ Ca2+ Mg2+ Referenz Zuckerrüben-

silage

+ Zuckerrübensilage

Versuchsdurchführung: 40 g Zuckerrübensilage + 460 g Digestat + 5 g Salze; 37 °C (Wasserbad), Versuchsdauer: 20 h.

0

48% 48% 48%40%

53% 57%

Fo

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co

nte

nt

[%]

Moeller, L., Lehnig, M., Schenk, J., Zehnsdorf, A.: Foam formation in biogas plants caused

by anaerobic digestion of sugar beet. Bioresource Technology 2015, 178, 270-277

Interaktion von Pektin mit Ionen unterschiedlicher Wertigkeit

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 36

Zuckerrübe

3. Abhängigkeit der Intensität der Schaumbildung von

C/N-Verhältnis im Biogasfermenter

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 37

Zuckerrübe

Zuckerrüben-

silage Harnstoff Zuckerrübensilage +

Harnstoff Referenz

Moeller, L., Lehnig, M., Schenk, J., Zehnsdorf, A.: Foam formation in biogas plants caused

by anaerobic digestion of sugar beet. Bioresource Technology 2015, 178, 270-277

0% 0%

89%71%

Die Zugabe von Harnstoff führte im Fallbeispiel 3 zur

Rückbildung der Schaumbildung im Biogasreaktor

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 38

Ursachen der Schaumbildung im Biogasreaktor

Nutzung von risikoreichen Substraten

Rolle des Ausgangs-Gärmaterials

Gärmaterial aus drei NawaRo-Anlagen mit

2 % (w/w) Zuckerrübensilage

Gärmaterial aus einer NawaRo-Anlage:

mit 2 % (w/w) Triticale und ohne Substrat

(Referenz)

71 mPa*s 1.170 mPa*s 616 mPa*s

Referenz

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 39

NawaRo-BGA in Sachsen

Fallbeispiel 5

Foto: Andreas Zehnsdorf

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 40

Fallbeispiel 5

» zweistufig, mesophil (Hydrolyse: 34 °C, Fermenter: 41 °C)

» Durchmischung:

- Hydrolyse (200 m3): Paddelrührwerk

- 2 Fermenter (á 800 m3): jeweils ein Fallschachtrührwerk und ein Tauchrührwerk

» Substratmix:

- 9,6 m3 / d Schweinegülle

- 2 t / d Anwelksilage (Futterroggen)

- 2 t / d Getreideschrot (Triticale)

- 6,5 t / d Maisschrot

- 18 m3 / d Rezirkulat

- 5 m3 / d Wasser

» Schaum:

- seit drei Monaten

- nächtliche Kontrollen

- Gasleitungen spülen (auch früh um 5 und an den Wochenenden)

„wenn wir einen Tag lang nichts gegen den Schaum

unternehmen würden, wäre er 4 m hoch“

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

SEITE 41

Aktives Gärmaterial

Zu

testendes

Substrat

Moeller, L., Zehnsdorf, A., Beyer, D. (2013) Testset zur Bestimmung der Schaumneigung von

Substrat für Biogasanlagen. Gebrauchsmuster DE 202013000693 U1.

Zu bestellen bei:

EISMANN & STÖBE GBR EMISSIONS- UND

UMWELTMESSTECHNIK

TEL: +49 (0)341 2373251

E-Mail: info@antoc.de

Photo: André Künzelmann, UFZ

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

t = 0 min t = 3 h t = 6 h

Einleitung Schaum in BGAs LEIPZIGER SCHAUMTESTER Zusammenfassung

SEITE 43

IQ INNOVATIONSPREIS LEIPZIG 2014

Innovation

- weltweit erstes Testset zur Bestimmung der Schaumneigung von

Substraten in Biogasanlagen

- ermöglicht:

• vor der Zugabe das Erkennen kritischer Substrate

• die Ursachendiagnose schäumender Biogasanlagen

• die Optimierung im gefahrlosen Testbetrieb

- macht optisch erlebbar, was in der Biogasanlage passieren wird

Der LEIPZIGER SCHAUMTESTER erhöht die Wettbewerbsfähigkeit

der Anlagenbetreiber durch optimale Nutzung problematischer Substrate!

SEITE 44

Einleitung Schaum in BGAs LEIPZIGER SCHAUMTESTER Zusammenfassung

Moeller, L., Eismann, F., Wißmann, D., Nägele, H.-J., Zielonka, S., Müller, R.A., Zehnsdorf, A.: Innovative test method for the estimation of

the foaming tendency of substrates for biogas plants. Waste Management.

SEITE 45

Zusammenfassung

- Schaumbildung im Prozess der anaeroben Vergärung ist ein häufiges Phänomen

- Schaum in Biogasanlagen entsteht als Folge von:

- ungeeigneter Prozessführung

- der Nutzung von risikoreichen Substraten (Getreide, Zuckerrübe)

- LEIPZIGER SCHAUMTESTER stellt eine große Hilfe dar, indem eine mögliche

schaumprovozierende Neigung von Substraten explizit und frühzeitig beurteilt werden

kann

- im Ergebnis erfährt der Anlagenbetreiber, ob er das vorgelegte Substrat

nutzen darf oder ob Vorsicht notwendig ist

- der Schaumtester kann auch zur Diagnose von Schaumereignissen in BGAs

angewendet werden

Einleitung Umfrage Ergebnisse Zusammenfassung

Firma Eismann & Stöbe GbR

AG Bioprozesstechnik (UFZ)

Grit Weichert, Stefan Moeller, André Künzelmann,

Wolfgang Rudolph, uvm.

Projektpartner (GFZ Potsdam, DBFZ, TU Berlin, KIT)

BMU (Förderprogramm „Energetische Biomassenutzung“)

und Impuls- und Vernetzungsfonds

der Helmholtz-Gemeinschaft

SEITE 46

Dank an:

Foto: André Künzelmann, UFZ