Biogas aus Bioabfall

Vergärungsprozess
8 Vergärungsprozess
Biomethan
Die Vergärung basiert auf einem natürlichen Prozess, der beispielsweise in Mooren
und Sümpfen, aber auch im Verdauungstrakt von Tieren – insbesondere im Pansen
der Kuh – stattfindet. Wenn organische Substanzen in Abwesenheit von freiem
Sauerstoff von mikrobiologischen Kulturen zersetzt werden (anaerobe Umsetzung),
entstehen ein hochkalorisches Gasgemisch (Biogas) und organischer Dünger.
Die Biogastechnologie nutzt den natürlichen
Prozess, bei dem organische Substrate wie
Bioabfälle, Speisereste oder Gülle durch
Mikroorganismen im anaeroben (sauerstofffreien)
Milieu in Biogas und stabile
organische Verbindungen (Gärprodukte)
umgewandelt werden. Abhängig
vom verwendeten Substrat schwankt
der CH 4
-Gehalt des Biogases zwischen
50 % und 70 %. Die zweite Komponente
ist Kohlendioxid (CO 2
), das zwischen 30 %
und 45 % des Biogases ausmacht. Zudem
lassen sich geringe Mengen anderer Bestandteile
wie Wasser, Sauerstoff, Spuren von Schwefelverbindungen und
Schwefelwasserstoff nachweisen.
Vier aufeinanderfolgende biochemische Prozesse sind an der
Erzeugung von Biogas beteiligt. Bei der Hydrolyse werden komplexe
und langkettige Biomassen wie Kohlenhydrate, Proteine
und Fette in niedermolekulare organische Verbindungen wie
Zucker, Aminosäuren und Fettsäuren zerlegt. Die beteiligten
hydrolysierenden Mikroorganismen setzen hydrolytische Enzyme
frei, die die Biomasse außerhalb der mikrobiellen Zellen
biochemisch zersetzen. Bei der Acidogenese werden die zuvor
genannten Zwischenprodukte in niedere Fettsäuren wie Propionsäure,
Buttersäure und Essigsäure sowie in CO 2
und Wasserstoff
(H 2
) umgewandelt. Bei der Acetogenese wandeln dann
säurebildende Mikroorganismen Propionsäure und Buttersäure
in Essigsäure, H 2
und CO 2
um, die die Grundstoffe für die
Prozessbeschreibung
Biomasse
Kohlenhydrate
Proteine
Fette
Phase 1
Hydrolyse
hydrolysierende
Zucker
Aminosäuren
Fettsäuren
Mikroorganismen
Phase 2
Acidogenese
säurebildende
Fettsäuren
(Proponsäure)
Phase 3
Acetogenese
H 2
/ CO 2
Essigsäure
bildende
Essigsäure
Mikroorganismen
CH 4
-Produktion bilden. Bei der Methanogenese produzieren
schließlich Archaeen, die zu den ältesten Lebensformen der
Erde gehören, das Gas Methan, indem sie H 2
mit CO 2
verbinden
oder die Essigsäure zu CH 4
und CO 2
aufspalten.
Üblicherweise finden die vier genannten Phasen gleichzeitig in
einer hermetisch abgeschlossenen und gerührten Einheit, dem
sogenannten Fermenter, statt. Vergorene Biomasse wird aus
dem Auslass als Rezirkulat wieder dem Einlass beigemengt,
um diesen mit den Kulturen der angereicherten Mikroorganismen
anzuimpfen. Die biochemischen Prozesse werden jedoch
von verschiedenen Arten von Mikroorganismen ausgeführt und
erfordern jeweils unterschiedliche Umgebungsbedingungen.
Um optimale Bedingungen für das Wachstum der jeweiligen
Organismen zu schaffen, können die Prozesse in getrennten
Behältern durchgeführt werden. So haben einige Biogasanlagen
beispielsweise einen separaten Hydrolysetank, um den
Bioabfall für die eigentliche Vergärung vorzubereiten. In diesem
Tank werden Temperatur, Sauerstoffgehalt und pH-Wert
für die hydrolysierenden Mikroorganismen eingestellt, während
die Bedingungen im Hauptfermenter für die CH 4
bildenden Archaeen
optimiert werden.
Die Temperatur ist einer der wichtigsten Faktoren bei der Erzeugung
von Biogas. Man unterscheidet zwischen psychrophilen
(unter 25 °C), mesophilen (von 35 °C bis 48 °C) und thermophilen
(über 50 °C) Betriebstemperaturen. Ein Vorteil niedriger
Temperaturen besteht darin, dass die Menge an zuzuführender
Wärmeenergie relativ gering ist. Allerdings ist auch die Reaktionsgeschwindigkeit
gering. Dies führt wiederum
zu verminderten Biogaserträgen
oder längeren Verweilzeiten. Wie bereits
Phase 4
Methanogenese
Methan
bildende
Biogas
CH 4
/ CO 2
erläutert, spielen bei der Vergärung von
Abfällen und tierischen Nebenprodukten
auch höhere Temperaturen eine wichtige
Rolle bei der Neutralisierung schädlicher
Keime. Für jedes Temperaturniveau sind
spezifische Bakterien notwendig, die sich
entsprechend reproduzieren müssen.
Daher ist bei Änderungen der Umweltbedingungen
eine Adaptionszeit im Fermenter
notwendig. Auch weitere Faktoren
wie u. a. hohe Stickstoffkonzentrationen
können die CH 4
-Produktion behindern.
Eine kontinuierliche Überwachung der
relevanten Parameter ist daher unerlässlich,
um Probleme beim Anlagenbetrieb
zu vermeiden.
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