3  Der Biogasprozess

3.1  Grundlagen der Anaerobvergärung

Abbildung 13: Kohlenstoffbilanz bei aerobem und anaerobem Abbau

Quelle:  WEILAND, PETER: Biologie der Biogaserzeugung – Institut für Technologie und Biosystemtechnik, Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL), ZNR Biogastagung. Bad Sassendorf-Ostinghausen: Eigenverlag, 2003

Beim aeroben Abbau organischer Materialien entstehen ca. 50% Kompost und 50% CO2. Die entstandene Biomasse dient als Nährstoffquelle zum Wachstum neuer Pflanzen. Dieser Abbauprozess ist der natürliche Abbauprozess von Biomasse in der Natur unter Einfluss von Luft.

Die mikrobiologische Grundlage für den Wandlungsprozess von organischen Substanzen (C-Fracht) zu Biogas ist ein anaerober Abbauprozess. Die Kohlenstoffverbindungen werden dabei zu einem Großteil zu Methan und CO2 gewandelt und lediglich die Bestandteile, die schwer abzubauen sind, verbleiben als Gärrest. Dies sind vor allem ligninhaltige Verbindungen mit einem hohen Holzanteil. Diese lassen sich durch die Mikroorganismen des Biogasprozesses nicht abbauen, sondern können im mikrobiologischen Bereich nur durch Pilze zersetzt werden.

3.2  Die vier Stufen der anaeroben Vergärung

Die Entstehung von Biogas bzw. von Methan, durch den anaeroben Abbau,  lässt sich in vier Stufen einteilen:

1. Hydrolyse

2. Acidogenese (Versäuerung)

3. Acetogenese (Essigsäurebildung)

4. Methanogenese (Methanbildung)

Abbildung 14: Biogasentstehung

Quelle:  INES, In: Schweizer Eidgenossenschaft, FESTSTOFF-VERGÄRUNG IN DER SCHWEIZ, Schlussbericht 2007

Die anaeroben Abbauschritte finden überall in der Natur statt, wo organische Materialien unter Sauerstoffabschluss zersetzt und abgebaut werden. Dieser Prozess ist ein bedeutender Bestandteil des Kohlenstoffkreislaufes der Natur. Hierbei werden aus komplexen organischen Verbindungen die beiden Endprodukte Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) gebildet, welche man als Biogas bezeichnet.

Die Erkenntnis, dass dieser mikrobiologische Abbau über vier Stufen erfolgt, ist vergleichsweise jung und wurde erst 1967 durch Bryant bewiesen. In den Anfängen der Nutzung der Methangärung wurde das von Omelianski 1906 entwickelte Modell zu Grunde gelegt, welches von einem einstufigen Prozess ausging. Erst mit der Veröffentlichung des Modells nach Barker im Jahre 1956, wurde ein zweistufiger Prozess zu Grunde gelegt. Dieses Modell basierte auf der Überlegung, dass die Zerlegung von Eiweiß, Fett und Kohlenhydraten über Alkohole und Fettsäuren als Zwischenprodukte erfolgt. Die Durchsetzung eines Vierstufenmodells geschah nach der Entdeckung von zusammenwirkenden Mischkulturen aus acetogenen und methanogenen Mikroorganismen durch Bryant 1967.[9]

Im ersten Schritt der anaeroben Vergärung wird partikuläres organisches Substrat, welches im Wesentlichen aus Eiweiß, Kohlenhydraten und Fett besteht, zunächst hydrolytisch in Aminosäuren, Zucker und Fettsäuren gespalten. Die Zwischenprodukte werden bei der Acidogenese (Versäuerungsphase) weiter in organische Säuren, wie Propion- und Buttersäure, Alkohole, Kohlendioxid und Wasser umgewandelt.[10]

Durch weitere biochemische Umsetzungen entstehen in der acetogenen Phase aus den genannten Stoffen hauptsächlich Essigsäure (CH3COOH) und Wasserstoff (H2), welche in der Methanogenese in Methan gewandelt werden. Die Essigsäure wird durch methanbildende Mikroorganismen wie z.B. Methanoccus direkt zu Methan umgewandelt (siehe Gleichung 1). Über diesen Weg entstehen ca. 70% des gesamten Methans. Die übrigen 30% werden aus der Synthese von Wasserstoff und CO2 gebildet, wie die zweite chemische Gleichung verdeutlicht.[11]

Der vollständige Umwandlungsprozess wird in den folgenden Darstellungen nach Weiland und Gujker verdeutlicht.

Abbildung 15: Schema des anaeroben Biomasseabbaus

Quelle: Vgl. Weiland, P. (2003): Biologie der Biogaserzeugung, ZNR Biogastagung, Bad Sassendorf-Ostinghausen, In: KTBL, Faustzahlen Biogas 2009, 2. Auflage, eigene Darstellung

Abbildung 16: Biogasprozess nach Gujker et al. 1983

Quelle:  HELM, Markus; GÖRISCH, Uwe: Biogasanlagen - Planung, Errichtung und Betrieb von landwirtschaftlichen und industriellen Biogasanlagen, S. 28., Eugen Ulmer KG, 2006

Jede der vier Stufen wird von anderen Mikroorganismen dominiert, die spezielle Anforderungen an die Milieubedingungen stellen.

Die Mikroorganismen der einzelnen Stufen leben oft in Symbiose in enger räumlicher Nähe und bilden eine Art von Flocken. Bei mikrobiell schwer abbaubaren Stoffen mit z.B. einem hohen Anteil an Cellulose ist die erste Stufe (Hydrolyse) der zeitlich begrenzende Faktor für die Methanbildung.

Leicht abbaubare Stoffe wie Getreide und Fette werden dagegen schnell hydrolysiert und können umgehend in organische Säuren umgewandelt werden. Begrenzend für die Methanbildung ist in diesem Fall die Umsetzung der Säuren zu Methan. Grund dafür sind die deutlich kürzeren Generationszeiten der säurebildenden Mikroorganismen (>1d bis 3,5d) gegenüber den methanbildenden Mikroorganismen (5 bis 15d).[12]

Dieser Umstand begünstigt das Risiko der Versäuerung, welche den Biogasprozess erheblich stören kann bzw. ihn zum Erliegen bringen kann. Im Falle einer zu hohen organischen Belastung kommt es zu einer Versäuerung und damit zum Erliegen der Methanogenese, weil die Methanogenen nur einen neutralen pH-Wert tolerieren. Außerdem liegen die organischen Säuren bei niedrigen pH-Werten in ihrer undissoziierten Form vor, in der sie für die Mikroorganismen toxisch sind.[13]

Aus den genannten Gründen liegt es nahe, den Hydrolyse- und Versäuerungsprozess von der Phase der Methanbildung zu trennen und die Bedingungen beider Prozesse zu optimieren, um somit die Prozessstabilität zu erhöhen.

In Tabelle 5 wurden die einzelnen Stufen der Anaerobvergärung noch einmal tabellarisch aufgeführt und beschrieben.

Tabelle 5: Übersicht über die Stufen der anaeroben Vergärung

Quelle:  Vgl. KTBL, Faustzahlen Biogas 2009, eigene Darstellung

3.3  Chemisch-physikalische Eigenschaften von Biogas

3.3.1  Die Zusammensetzung von Biogas

Biogas ist ein explosionsgefährliches Schwachgas und besteht aus Methan (CH4), Kohlendioxid (CO2), etwas Wasserdampf (H2O) und Spuren von Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2), Wasserstoff (H2), Ammoniak (NH3) und Schwefelwasserstoff (H2S). Die Angaben über die Zusammensetzung von Biogas sind in der Literatur sehr unterschiedlich und abhängig vom Substrateinsatz und der Betriebsweise der Biogasanlage. Eine Übersicht über die Schwankungsbreite und durchschnittliche Werte der Zusammensetzung von Biogas sind in Tabelle 6 aufgeführt.

Tabelle 6: Zusammensetzung von Biogas [14]

Für die Qualität und den Energieertrag von Biogas ist ein möglichst hoher Anteil von Methan entscheidend. Als Methan (CH4) liegt Kohlenstoff in seiner am stärksten reduzierten Form vor. Wird er unter Einsatz von Sauerstoff verbrannt bzw. oxidiert, liefert er Energie, bis er zu Kohlendioxid (CO2) umgesetzt ist.[15]

CO2 ist die am stärksten oxidierte Kohlenstoffverbindung. Aus ihr kann keine Energie mehr gewonnen werden.

Ebenso wie CO2 ist auch Wasserdampf eine Komponente, die keinen Energiegewinn durch Oxidation mehr erlaubt. Zusätzlich besteht die Gefahr, dass der Wasserdampf bei einer Abkühlung des Gases kondensiert und dann in flüssiger Form Schäden an Mess- und Regeleinrichtungen sowie Verdichtern und Kolben verursacht. Um dies zu vermeiden wird Biogas vor seiner Verwertung über einen Kondensatabscheider getrocknet. Dabei wird das Biogas so weit herunter gekühlt, dass der Wasserdampf kondensiert und ausgeschieden werden kann.[16]

Ammoniak (NH3) und Schwefelwasserstoff (H2S) zählen ebenfalls zu den unerwünschten Gasbestandteilen. Vor allem Schwefelwasserstoff ist in jedem Biogas in messbarer Größe vorhanden. Es entsteht beim Abbau eiweißreicher Verbindungen im Substrat. NH3 wie auch H2S sind aggressive Verbindungen, die zu Korrosion von Anlagenteilen führen.

Die meisten Hersteller für Blockheizkraftwerke und Heizkessel legen Grenzwerte für Schwefelwasserstoff fest, die zur Vermeidung von...