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:

  1. Hydrolyse
  2. Versäuerung (Acidogenese)
  3. Essigsäurebildung (Acetogenese)
  4. Methanbildung (Methanogenese)
  1. Erste Stufe Hydrolyse: Aufspaltung von Makromolekülen
Kohlenhydrate
Fette
Eiweiß aus Gülle und
nachwachsenden Rohstoffen
(NaWaRo`s)
Dimere und Monomere von
Zuckern
Fettsäuren
Aminosäuren
Basen
 
Hydrolytische Bakterien,
Exoenzyme (hydrolytische Phase)
  1. Zweite Stufe Versäuerung: Vergärung der Spaltprodukt
Dimere und Monomere von
Zuckern
Fettsäuren
Aminosäuren
Basen
Carbonsäuren
Gase
Alkohole
Fermentative Bakterien
(acidogene Phase)
  1. Dritte Stufe Essigsäurebildung: Bildung von methanogenen Substanzen
Carbonsäuren
Gase
Alkohole
Essigsäure
Ameisensäure
Wasserstoff
Kohlendioxid
Acetogene Bakterien
(acetogene Phase)
  1. Vierte Stufe : Bildung von Methan
Essigsäure
Ameisensäure
Wasserstoff
Kohlendioxid
Methan
Kohlendioxid
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