Die vier Phasen des Vergärungsprozesses
Prinzip:
In einer Biogasanlage erfolgt der mikrobielle Abbau der Biomasse (Gülle, nachwachsende Rohstoffe wie Mais, Grassilage, Getreide, etc.) unter Luftabschluss, also unter anaeroben Bedingungen.
Dabei nutzen die verschiedenen Bakterienarten die komplex zusammengesetzte Biomasse (Kohlenhydrate, Fette und Proteine) als Nährstoff- bzw. Energielieferant.
Diese Bakterien sind in der Lage, unter anaeroben Bedingungen organische Substanzen in ihre Einzelteile zu zerlegen. Dabei entsteht Biogas, welches zu 50 % bis 70 % aus brennbarem Methan besteht.
Das Methan wird im Blockheizkraftwerk (BHKW) verstromt oder kann nach entsprechender Aufbereitung zur direkten Einspeisung in die Gasnetze genutzt werden.
Mikrobielle Prozesse:
Der anaerobe Abbau von Biomasse ist Grundlage für die Entstehung von Biogas.
Im Prinzip eignet sich jedes organische Material für die Biogasproduktion.
Der Entstehungsprozess des Biogases lässt sich grundsätzlich in vier hintereinander ablaufende Teilschritte einteilen.
Diese vier Phasen der Biogasentstehung nennt man:
- Hydrolyse
- Versäuerung (Acidogenese)
- Essigsäurebildung (Acetogenese)
- Methanbildung (Methanogenese)
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| Kohlenhydrate Fette Eiweiß aus Gülle und nachwachsenden Rohstoffen (NaWaRo`s) |
⇒ | Dimere und Monomere von Zuckern Fettsäuren Aminosäuren Basen |
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| Hydrolytische Bakterien, Exoenzyme (hydrolytische Phase) |
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| Dimere und Monomere von Zuckern Fettsäuren Aminosäuren Basen |
⇒ | Carbonsäuren Gase Alkohole |
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| Fermentative Bakterien (acidogene Phase) |
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| Carbonsäuren Gase Alkohole |
⇒ | Essigsäure Ameisensäure Wasserstoff Kohlendioxid |
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| Acetogene Bakterien (acetogene Phase) |
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| Essigsäure Ameisensäure Wasserstoff Kohlendioxid |
⇒ | Methan Kohlendioxid |
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| Methanogene Bakterien (methanogene Phase) | ||
Beschreibungen zu den einzelnen Stufen der anaeroben Vergärung
Hydrolyse
Die organische Substanz, die in die Biogasanlage eingebracht wird, liegt in Form von ungelösten, hochmolekularen Verbindungen vor. Diese hochmolekularen Substanzen sind Kohlenhydrate, Proteine und Fette. Im Schritt der Hydrolyse werden diese Verbindungen in ihre einzelnen Bestandteile zerlegt, um von den Bakterien der nachfolgenden Prozessstufen abgebaut werden zu können.
Hydrolytische Bakterien bauen Kohlenhydrate zu Einfachzuckern, Proteine zu Aminosäuren und Fette zu Fettsäuren ab.
Versäuerung (Acidogenese)
In der Versäuerungsphase verstoffwechseln fermentative Bakterien die Abbauprodukte der Hydrolyse.
Es entstehen niedere Fett- und andere Carbonsäuren wie Propionsäure, Buttersäure, Valeriansäure und Milchsäure, sowie Alkohole, Aldehyde, Essigsäure, Ameisensäure, Schwefelwasserstoff, Ammoniak, Wasserstoff und Kohlendioxid.
Essigsäurebildung (Acetogenese)
Während der Acetogenese werden die niederen Fett- und Carbonsäuren, entstanden aus der Versäuerungsphase), zu Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt.
Hierbei entsteht Essigsäure aus Buttersäure bzw. aus Propionsäure:
Buttersäure + Wasser ➔ Essigsäure und Wasserstoff
Propionsäure + Wasser ➔ Essigsäure + Wasserstoff + Kohlendioxid
Methanbildung (Methanogenese)
Die Methanbildung ist die letzte Stufe des Vergärungsprozesses. Diese Stufe läuft strikt anaerob ab, da die dafür verantwortlichen Bakterien durch die Anwesenheit von Sauerstoff gehemmt oder auch getötet würden.
Die Methanbildung erfolgt wesentlich über zwei Reaktionswege:
Methanbildung aus Essigsäure
Essigsäure ➔ Methan + Kohlendioxid
Methanbildung aus Kohlendioxid und Wasserstoff
Kohlendioxid + Wasserstoff ➔ Methan + Wasser