8.2 Prozesse bei der Biogaserzeugung

 

Das grundsätzliche Prinzip der Biogaserzeugung ist einfach: Von methanerzeugenden Mikroorganismen (methanogene Archaeen) abbaubare Substrate werden einem Fermenter zugeführt und erhitzt. Da die Methanbildner keinen Sauerstoff vertragen, muss der Gärbehälter (Fermenter) unbedingt luftdicht abgeschlossen sein. Durch die biologischen Abbauprozesse entsteht Methan, das aufgereinigt wird und für die Strom- bzw. Wärmeerzeugung in Gasturbinen verbrannt werden kann.

 

Die Erzeugung von Methan (Methangärung) findet hauptsächlich durch Bakterien statt, die ohne Sauerstoff leben. Es handelt sich um einen anaeroben Fäulnisprozess, der z. B. auch in Mooren stattfindet. Das erzeugte Gas besteht hauptsächlich aus Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO₂). Nicht nur eine Bakterienart ist an dem Prozess beteiligt. Die verschiedenen Stämme sind aufeinander angewiesen und erledigen jeweils Teilschritte des Abbaus. Das Ausgangssubstrat bestimmt die Zusammensetzung der Bakteriengesellschaft, wobei die Bakterien mit den geringsten Wachstumsgeschwindigkeiten die Geschwindigkeit des Abbaus begrenzen und damit der Methanbildung. 

Der Methanbildungsprozess

Im Allgemeinen werden vier Teilprozesse unterschieden, die aber nicht getrennt voneinander, sondern räumlich und zeitlich parallel ablaufen.

 

 

 

1. Schritt = Hydrolyse:

Aufspaltung polymerer organischer Bestandteile (Proteine, Fette, Kohlenhydrate) in kleine wasserlösliche Monomere (Aminosäuren, Fettsäuren, Mono- und Disaccharide). Die Abbaugeschwindigkeit der Bestandteile bestimmt meist auch die Geschwindigkeit des Gesamtprozesses. Cellulose ist zum Beispiel schwerer für Mikroorganismen abzubauen.

 

2. Schritt = Säurebidung:

Säurebildende, fakultativ anaerobe Bakterien verstoffwechseln Monomere in kurzkettige Carbonsäuren (Butter- oder Propionsäure), Alkohole (Ethanol) und Gase (CO₂, H2, Schwefelwasserstoff und Ammoniak)

 

3. Schritt = Acetatbildung:

Acetogene, wärmeliebenden Bakterien wandeln die Carbonsäuren in Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid

 

4. Schritt = Methanbildung:

Methanbakterien (Archeobakterien) spalten in anaerober Umgebung die Essigsäure oder reduzieren Kohlendioxid mithilfe des Wasserstoffs. Die Methanbildung erfolgt zu 70 % aus Essigsäure und zu 30 % aus der Reaktion von Kohlendioxid und Wasserstoff.

 

Bedingungen im Fermenter

Im Fermenter sollte eine gleichmäßige Temperatur herrschen. Schnelle Temperaturänderungen stören die Entwicklung der Mikroorganismen und destabilisieren den Prozess. Die ideale Temperatur für die Entwicklung der Mikroorganismen liegt bei 36-38 °C. In diesem mesophilen Bereich werden die höchsten Gasausbeuten und ein stabiler Betrieb erreicht. Es gibt allerdings auch Fermenter, die bei Umgebungstemperatur (<25 °C) oder im thermophilen Bereich von 50° bis 60 °C arbeiten.

 

Obwohl die methanbildenden Mikroorganismen empfindlich gegenüber Sauerstoff sind, kann in der Praxis ein Kontakt mit Sauerstoff nie ganz verhindert werden. Da im Fermenter allerdings auch noch sauerstoffverbrauchende Bakterien leben, wird der Sauerstoff durch diese verwendet, ehe er die Archaeen schädigen kann. Es darf jedoch nicht zu viel Sauerstoff in den Fermenter gelangen.

 

Der pH-Wert sollte ebenfalls richtig eingestellt werden. Optimal ist ein pH-Wert von 7. Säure hemmt die Entwicklung der methanbildenden Bakterien und zu hohe pH-Werte (> 8) wirken toxisch. Die pH-Werte werden vor allem durch das Substrat bestimmt. Bei einer Überfüllung des Fermenters aufgrund eines falschen Verhältnisses von Substratzufuhr, Temperatur und Mikrobenaktivität, kann es zur Versauerung kommen.

 

Hier gibt es hilfreiche Informationen für die Planung einer Biogasanlage: https://energypedia.info/images/0/01/Biogas_aus_festen_Abfällen_und_Industrieabwässern_-_Eckdaten_für_PlanerInnen.pdf

 

Verweilzeiten

 

• abhängig vom Substrat
• bei kurzen Zeiträumen nur Methanisierung der leicht abbaubaren Stoffe
• bei längeren Zeiträumen werden auch mittel bis schwer abbaubare Stoffe methanisiert
• längere Verweilzeit bedeutet höhere Gasausbeute pro kg Biomasse
• die Verweilzeit richtet sich auch nach dem Reaktorvolumen
• ein vollständiger Abbau würde jedoch sehr lang dauern und große Anlagenvolumina erfordern
• es sollte daher ein Optimum der Abbauleistung gefunden werden
• Wichtige Kennzahl für die Dimensionierung der Anlage: Raumbelastung BR (in kg oTS/m3 x d) - mögliche Zufuhr von organischer Trockensubstanz (oTS) je Zeiteinheit und Reaktorvolumen
• je höher die Raumbelastungen und niedriger die Substratkonzentration, desto niedriger die Verweilzeit im Reaktor
• höchste Gasproduktionsrate am Betriebspunkt der kleinsten praktisch mögliche Verweilzeit, die stabil betrieben werden kann