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Prozesssteuerung von Biogansanlagen mit unterschiedlichen Co-Substraten unter biologischen Aspekten

Studienarbeit 2008 49 Seiten

Zusammenfassung

Im Rahmen dieser Studienarbeit „Prozesssteuerung von Biogansanlagen mit unterschiedlichen Co-Substraten unter biologischen Aspekten“ wird zu Beginn die anaerobe Vergärung ausführlich behandelt. Das Hauptaugenmerk wird dabei auf die biologischen bzw. mikrobiologischen Aspekte sowie den Einfluss verschiedener Co-Substrate auf die Prozesssteuerung und -stabilität gerichtet.

Anschließend wird der Einfluss chemischer und physikalischer Parameter auf die Biogasgewinnung näher beschrieben und die Zusammenhänge zwischen diesen Parametern werden erläutert. Im darauf folgenden Kapitel ist ein zusammenfassender Überblick über mögliche Verfahrenstechniken aufgeführt. Die einzelnen Substrate und insbesondere die Rolle der Co-Substrate werden in ihrer Vielfalt im Kapitel 4 behandelt. Zum Schluss werden im letzten Kapitel die wichtigsten rechtlichen Rahmenbedingungen auf nationaler Basis zusammengefasst, die Einfluss auf die Behandlung und den Einsatz von Co-Substraten in Biogasanlagen haben. Abschließend wird in einer Zusammenfassung ein Resümee über das oben angesprochene Potential und die gesetzten Ziele der Biogasgewinnung abgegeben.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Liste der Abkürzungen

1 Einleitung

2 Die Entstehung von Biogas
2.1 Die geschichtliche Entwicklung
2.2 Prinzip des anaeroben Abbauprozesses der Biogaserzeugung
2.2.1 Hydrolyse
2.2.2 Acidogenese/Versäuerung
2.2.3 Acetogenese/Essigsäurebildung
2.2.4 Methanogenese/Methanbildung
2.3 Einfluss chemischer und physikalischer Parameter auf den Biogas- prozess
2.3.1 Temperatur
2.3.2 pH-Wert
2.3.3 Nährstoffversorgung
2.3.4 Faulraumbelastung
2.3.5 Verweilzeit

3 Verfahrenstypen
3.1 Ein- und zweistufiges Verfahren
3.2 Nass- und Trockenvergärung

4 Substrate und deren Einfluss auf die Prozesssteuerung
4.1 Wirtschaftsdünger
4.2 Co-Substrate
4.2.1 Nachwachsende Rohstoffe
4.2.1.1 Silomais
4.2.1.2 Grassilage
4.2.2 Betriebsfremde organische Abfälle
4.2.2.1 Organische Speiseabfälle
4.2.2.2 Schlempen

5 Nationale Rechtliche Rahmenbedingungen
5.1 Abfallrecht
5.2 Bioabfallverordnung
5.3 EU-Hygieneverordnung
5.4 Düngemittelrecht
5.5 Erneuerbare-Energien-Gesetz

Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Schematische Darstellung der anaeroben Vergärung von organisch- em Material

Abbildung 2: Cellulose: Polymer aus n-fachen (1 4) -D-Glucoseeinheiten

Abbildung 3: Hydrolytische Spaltung von Cellulose

Abbildung 4: Mögliche Stoffwechselwege des Zuckerabbaus

Abbildung 5: Darstellung der synergistischen Assoziation zwischen Acetat- und Methanbakterien

Abbildung 6: Methanogenese mit den Produkten der Essigsäurebildung

Abbildung 7: Schematische Darstellung einer Biogasanlage

Abbildung 8: Einfluss der Temperatur auf die Bakterienaktivität

Abbildung 9: Einstufige und zweistufige Verfahrensweise

Abbildung 10: Anlagenbestand in Deutschland und deren installierte elektrische Leistung

Abbildung 11: Biogasausbeute und Methangehalt verschiedener Substrate

Abbildung 12: Typisches Fahrsilo

Abbildung 13: Beispiel einer Energiefruchtfolge

Abbildung 14: Schematische Darstellung der Gefährdungsrisikokategorien tierischer Nebenprodukte und ihre Behandlung

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Zusammensetzung von Biogas

Tabelle 2: Milieuanforderungen der Bakterien während des anaeroben Prozesses ...

Tabelle 3: Konzentrationen von Schwermetallen im Biogasprozess und ihre Auswirkungen

Tabelle 4: Verweilzeiten in Abhängigkeit von der Prozesstemperatur

Tabelle 5: Generationszeiten der an der Methangärung beteiligten Bakterien

Tabelle 6: Unterschiedliche Biogas-Verfahrenstypen

Tabelle 7: Zusammenfassung einiger Vor- und Nachteile der Trocken- sowie der Nassvergärung

Tabelle 8: Richtwerte für Gasausbeuten von Wirtschaftsdüngern

Tabelle 9: Voraussetzungen und Abgrenzungen für den Nawaro-Bonus nach dem EEG

Tabelle 10: Merkmale von C3- und C4-Pflanzen, die bei der Biogasgewinnung eine bedeutende Rolle spielen

Tabelle 11: Rohproteingehalte und daraus errechnete Stickstoffkonzentrationen (ohne Nitrat-N) von Gras- und Maissilage

Tabelle 12: Typische Biogaserträge aus verschiedenen Schlempenarten

Tabelle 13: Schwermetalle und ihre maximalen Ausbringungsgehalte

Tabelle 14: Mindestvergütung für Strom aus Biogasanlagen nach dem EEG

Tabelle 15: Zum 1. Januar 2009 geplante Mindestvergütungen für Strom aus Biogasanlagen nach der Novellierung des EEG

Liste der Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Die Umgestaltung der Energieversorgung ist heutzutage keine Frage der Zeit mehr, sondern ein laufender und dynamischer Prozess. Beschlossen wurde dieser Wandel der Energiewirtschaft, der durch die Energiekrisen in den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts gravierend geprägt worden ist, im Jahre 1992 auf der „Konferenz für Umwelt und Entwicklung der Vereinten Nationen (UNCED)“ in Rio de Janeiro. Im Rahmen des entwicklungs- und umweltpolitischen Aktionsprogramms (Agenda 21) ist u.a. die Sicherstellung der Nachhaltigkeit zur Energieversorgung und - Nutzung unter Berücksichtigung natürlicher Ressourcen von 179 Staaten festgelegt worden.

Die Tatsache, dass vorhandene fossile Energiequellen unserer Erde nur beschränkt und begrenzt vorhanden sind sowie der seit Jahren öffentlich viel diskutierte Klimawandel sind nur zwei Argumente für die Richtigkeit der Beschlüsse im Sinne einer nachhaltigen Energiepolitik der o.a. Agenda 21.

In der praktischen Umsetzung halten sich jedoch nur wenige Länder wie die Bundes- republik Deutschland an die internationalen Abkommen und bemühen sich, ihren Verpflichtungen nachzukommen. So wurden in Deutschland in den vergangenen Jahren die gesetzlichen Rahmenbedingungen zur Förderung erneuerbarer Energien geschaffen und unterschiedliche Programme zu deren Nutzung ins Leben gerufen. Dadurch haben die Erneuerbaren Energien und die damit verbundenen Technologien sowie deren praktische Verwendung beträchtlich an Bedeutung gewonnen.

Dieser Erfolg spiegelt sich z.B. an dem Anteil erneuerbarer Energien am gesamten Endenergieverbrauch in Deutschland wieder. Im Jahr 2007 lag dieser bei etwa 8,5 Prozent und verzeichnete wieder einmal einen beachtlichen Anstieg im Vergleich zu 2006 mit 7,4 Prozent und 6,6 Prozent im Jahr 20051.

Des Weiteren leisten Erneuerbare Energien einen erheblichen Beitrag zum Klimaschutz. Hinzu kommt, dass im Bereich dieses neuen Industriezweiges im Jahr 2006 mit erneuerbaren Energien ein Gesamtumsatz von rund 22,4 Mrd. Euro erzielt wurden und rund 236.000 Menschen eine Beschäftigung gefunden haben1. Die einzelnen Hauptbereiche der erneuerbaren Energien sind Sonnenenergienutzung, Windenergie, Bioenergie, Wasserkraft und Geothermie.

Immer bedeutungsvoller wird dabei die Rolle der Bioenergie. Die angesprochene Endlichkeit fossiler Rohstoffe, die steigenden Energiepreise der jüngsten Vergangenheit und der Treibhauseffekt leiten eine Rückbesinnung auf Absatzmärkte ein, die lange vor der Industrialisierung bedient worden sind.

Im Rahmen dieser Studienarbeit „Prozesssteuerung von Biogansanlagen mit unterschiedlichen Co-Substraten unter biologischen Aspekten“ wird zu Beginn die anaerobe Vergärung ausführlich behandelt. Das Hauptaugenmerk wird dabei auf die biologischen bzw. mikrobiologischen Aspekte sowie den Einfluss verschiedener CoSubstrate auf die Prozesssteuerung und -stabilität gerichtet.

Anschließend wird der Einfluss chemischer und physikalischer Parameter auf die Biogasgewinnung näher beschrieben und die Zusammenhänge zwischen diesen Parametern werden erläutert. Im darauf folgenden Kapitel ist ein zusammenfassender Überblick über mögliche Verfahrenstechniken aufgeführt. Die einzelnen Substrate und insbesondere die Rolle der Co-Substrate werden in ihrer Vielfalt im Kapitel 4 behandelt.

Zum Schluss werden im letzten Kapitel die wichtigsten rechtlichen Rahmenbedingungen auf nationaler Basis zusammengefasst, die Einfluss auf die Behandlung und den Einsatz von Co-Substraten in Biogasanlagen haben. Abschließend wird in einer Zusammenfassung ein Resümee über das oben angesprochene Potential und die gesetzten Ziele der Biogasgewinnung abgegeben.

2 Die Entstehung von Biogas

2.1 Die geschichtliche Entwicklung

Die älteste Nutzung von Bioenergie besteht in dem Verbrennen von Holz, Stroh oder Ernteresten zum Kochen und Heizen. Eine andere Möglichkeit bietet sich, wenn man Pflanzen, Gülle, Stallmist und andere biogene Abfälle von Mikroorganismen unter Sauerstoffabschluss zersetzen lässt. Dabei entsteht das sog. Biogas, ein Gasgemisch, welches zu rund zwei Drittel aus Methan, etwa 30 Prozent aus Kohlenstoffdioxid sowie zu sehr geringen Anteilen aus Spurengasen wie Wasserstoff oder Schwefelwasserstoff besteht. Dieses Gas kann und wird dann mit Hilfe von Motoren - heutzutage überwiegend mit Blockheizkraftwerken (BHKW) - verbrannt, wobei Strom und Wärme erzeugt und gewonnen werden.

Betriebe, die diese Methode zur Strom- und Wärmegewinnung einsetzen, werden als Biogasanlagen bezeichnet. Meist handelt es sich dabei um landwirtschaftliche Unter- nehmen.

Seine Anfänge fand die landwirtschaftliche Biogasbewegung in der Nachkriegszeit. Damals wurden nur Fest- und Stallmist als Substrate in der Biogasanlage genutzt. In den achtziger Jahren des letzten Jahrhunderts entstanden dann die ersten Betriebe, die ihre Anlagen mit einstreuloser Gülle beschickten. Um das Jahr 1990 kam es zu einem zweiten Aufschwung für die landwirtschaftliche Biogasnutzung. Dieser begann mit der gesetzlichen Regelung der Einspeisevergütung für Strom aus Biogas und wurde darüber hinaus durch die zunehmende Kreislauf- und Recyclingwirtschaft unterstützt.

Die Novellierung des Stromeinspargesetzes, die in Form des „Erneuerbare Energien Gesetzes“ (EEG) rund zehn Jahre später, im Jahre 2000 in Kraft getreten ist, sorgte mit höheren und gesicherten Vergütungen für Strom aus Biogas weiterhin dafür, dass der Boom um das Thema Biogas bestehen blieb.

Im Jahre 2004 kam es zu einer Erneuerung des EEG, welche mit einem zusätzlichen Bonus für die Vergärung von Energiepflanzen dafür sorgen sollte, dass die rasanteste Entwicklung in der Biogasnutzung stattfindet. Diese Vergütung ebnet nicht nur tier- haltenden Betrieben den Weg zur erfolgreichen Biogasproduktion, sondern machte es erstmals möglich, dass auch kleinere, viehlose Anlagen allein auf der Grundlage von nachwachsenden Rohstoffen (NawaRo) der wirtschaftlichen Erzeugung von Biogas nachgehen konnten.

Am 5. Dezember 2007 hat der Bundestag beschlossen das EEG zum 1. Januar 2009 durch den Entwurf „Gesetz zur Neuregelung des Rechts der Erneuerbaren Energien und damit zusammenhängender Vorschriften“ zu ersetzen. Weitreichende Verbesser- ungen sollen dazu beitragen, den Anteil Erneuerbarer Energien an der Stromproduktion bis 2020 auf 25 - 30 Prozent zu erhöhen und auch anschließend weiter auszubauen. Michael Glos, der Bundesminister für Wirtschaft und Technologie kündigte in einer Pressemitteilung am 12.3.2008 darüber hinaus sogar an, dass das Bundeskabinett durch die Verordnung zur Förderung der Biogaseinspeisung das Ziel verfolge, bis zum Jahre 2030 sogar rund 10 Prozent des heutigen Erdgasverbrauchs alleinig durch Biogas zu decken2.

2.2 Prinzip des anaeroben Abbauprozesses der Biogaser- zeugung

Die pflanzliche und tierische Biomasse besteht aus organischen Stoffen, die sich in der Regel aus Kohlenhydraten, organische Fetten und -säuren sowie Eiweißen zusammen- setzt. In Biogasanlagen werden Substrate, die diese Substanzen beinhalten, unter anoxischen Bedingungen zu Biogas vergoren. Da einzelne anaerobe Bakterien nicht in der Lage sind, komplexe organische Verbindungen zum energiereichen Biogas abzubauen, wird eine Stoffwechselkette durchlaufen an der verschiedene Bakteriengruppen beteiligt sind, die sowohl parallel, als auch nacheinander unter symbiotischen Verhältnissen die einzelnen Teilschritte des Abbaus vollziehen.

Dieser Abbauprozess, der auch als Methangärung bezeichnet wird, läuft in vier aufeinanderfolgenden Stufen ab, die wie folgt bezeichnet werden:

- Hydrolyse
- Acidogenese/Versäuerung
- Acetogenese/ Essigsäurebildung
- Methanogenese/Methanbildung

Bei der Degradation organischer Substanzen stellen i.A. die Verdauungsprodukte einer Bakteriengruppe die Nahrung für die folgende Bakteriengruppe dar. Dieser Ablauf soll in der folgenden Abbildung gezeigt werden:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1: Schematische Darstellung der anaeroben Vergärung von organischem Material33

In den einzelnen Phasen läuft der Abbau jedoch nicht gleich schnell ab. Die beteiligten Mikroorganismen haben teilweise sehr unterschiedliche Wachstums- und Generationszeiten. Die am langsamsten wachsende Bakteriengruppe sowie die Zusammensetzung der eingesetzten Substrate, geben dabei die Geschwindigkeit der gesamten Zersetzung an.

Bei Substraten, die über einen hohen Anteil organischer Trockensubstanz (oTS) verfügen, ist davon auszugehen, dass die Hydrolyse der Makromoleküle geschwindigkeitslimitierend ist. In der Regel gibt allerdings die Methanbildung aus Essigsäure die Prozessgeschwindigkeit an.

2.2.1 Hydrolyse

In der ersten Abbauphase, der Hydrolyse, wird Biomasse, die aus hochmolekularen, meist ungelösten polymeren (vielzähligen) organischen Verbindungen, beispielsweise Polysacchariden, Lipiden und Proteinen aufgebaut ist, durch Enzyme zu gelösten, niedermolekularen Bruchstücken wie Einfachzucker, Aminosäuren, Fettsäuren und Wasser gespalten.

Die meisten der organischen Makromoleküle treten als miteinander verkettete, sich wiederholende Einheiten auf. Als Beispiel sei Cellulose genannt, ein Hauptstruktur- polysaccharid pflanzlicher Zellwände, welches z.B. in Heu und Gras enthalten ist. Weltweit produzieren Pflanzen alljährlich nahezu 100 Milliarden Tonnen Cellulose7. Sie ist damit die am häufigsten vorkommende organische Verbindung auf der Erde.

Cellulose ist der Hauptbestandteil von pflanzlichen Zellwänden und besteht aus vielen (bis zu zehntausend) glykosidisch miteinander verbundenen Glucosemonomeren. In der Abbildung 2 wird diese sogenannte glykosidische 1,4-Verknüpfung von -D- Glucosemonomeren dargestellt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2: Cellulose: Polymer aus n-fachen (1 4) -D-Glucoseeinheiten

Der Aufbruch dieser biochemischen Verknüpfung wird von Bakterien mit Hilfe biochemischer Katalysatorproteine vorgenommen, welche als Enzyme bezeichnet werden. Enzyme werden nach Art ihrer katalysierten Reaktion bezeichnet und tragen die Endung „-ase“.

Die Aufspaltung langkettiger Moleküle beginnt damit, dass Bakterien Enzyme ausscheiden, die an ihrer Außenmembran haften bleiben. Diese so genannten Exoenzyme setzen Polymere durch das Reagieren mit Wassermolekülen zu Monomeren um. Diese hydrolytische Spaltung wird in Abbildung 3 exemplarisch an einem Cellulosemolekül aufgezeigt:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.3: Hydrolytische Spaltung von Cellulose

Die an der Hydrolyse beteiligten Enzyme werden als Hydrolasen klassifiziert. Die Liste der Hydrolasen ist lang. An der ersten Phase der Methangärung sind vor allem Esterasen (Fettspaltung), Proteasen (Eiweißspaltung) und Amylasen (Verzuckerung von Stärke) beteiligt.

Abhängig von den eingespeisten organischen Rohstoffen, kann die Hydrolyse in drei Unterprozesse unterteilt werden:

- Kohlenhydrate (Cellulose, Hemicellulose, Zucker, Pektin, Lignin) sind unterschiedlich gut hydrolysierbar. Zucker und Hemicellulose sind sehr gut aufschließbar, während die Hydrolyse von Cellulose, Stärkekörnern oder Pektin entsprechend langsamer verläuft. Lignin ist dagegen so gut wie gar nicht hydrolysierbar.

- der Abbau von Eiweißen (Proteinen, Polypeptiden, Peptiden) unterscheidet sich von der Hydrolyse der anderen Stoffe durch seine Komplexität. Bausteine der Eiweiße sind Aminosäuren. Die Hydrolyserate ist niedriger als bei Kohlenhydraten, häufiger sogar geringer als bei Fetten.

- die Hydrolyse von Fetten erfordert eine Emulgierung des Fettes zur Oberflächenvergrößerung. Dann können fettspaltende Lipasen (Enzyme) besser angreifen. Fette werden bei der Hydrolyse vollständig, aber langsam hydrolysiert, allerdings nur, wenn die Temperatur >20°C beträgt.

Neben der Temperatur und der Aktivität der Enzyme haben außerdem die Komplexität der Substrate, der pH-Wert und die Verweilzeit der Substrate Einfluss auf die Hydrolyse. Auf diese und weitere Einflussgrößen wird im Kapitel 2.3 „Einfluss chemischer und physikalischer Parameter auf den Biogasprozess“ näher eingegangen.

2.2.2 Acidogenese/Versäuerung

Die entstehenden Zwischenprodukte der Hydrolyse werden in der Versäuerungsphase in die Zellen fakultativ anaerober Bakterien, die relativ hohen Säurekonzentration gegenüber resistent sind, eingeschleust und zu kurzkettigen organischen Säuren sowie Alkoholen, Wasserstoff (H2) und Kohlenstoffdioxid (CO2) um- und abgebaut.

Wie alle lebenden Organismen, benötigen auch die fakultativen Anaerobier Sauerstoff und Kohlenstoff, um ihre Lebensenergie zu erzeugen. Dazu verwerten diese Mikroben den in den Substraten gelösten Sauerstoff und schaffen dadurch, die für die Methanbakterien obligat anaeroben Lebensverhältnisse. Aus diesem Grunde sind die anaerob lebenden Bakterien für die Methangärung von besonderer Bedeutung. Ist der gelöste Sauerstoff aufgebraucht, bedienen sie sich der molekularen Atmung, d.h. sie verbrauchen molekular gebundenen Sauerstoff.

Wie bei der Hydrolyse stellen auch in der Versäuerungsphase die drei Grundstoffgruppen der

- Kohlenhydrate
- Eiweiße und
- Fette

die Substrate für die beteiligten Mikroorganismen dar. Die vorherrschenden Milieubedingungen, insbesondere der Wasserstoffpartialdruck (pH2), haben in dieser Phase Einfluss auf die Produktbildung. Bei niedrigen Partialdrücken werden die hydrolysierten Intermediärprodukte der Kohlenhydrate - hauptsächlich bestehend aus Monosacchariden - überwiegend zu Essigsäure (Acetat), H2 und CO2 umgesetzt. Höhere Partialdrücke haben hingegen reduzierte Verbindungen wie Propionsäure und Buttersäure zur Folge. In Abbildung 4 werden mögliche Stoffwechselwege des anaeroben Kohlenhydratabbaus aufgezeigt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.4: Mögliche Stoffwechselwege des Zuckerabbaus

Das Hauptsubstrat von Methangärungen sind zwar Kohlenhydrate, diese haben aber den Nachteil, dass sie leicht versäuerbar sind und im Gegensatz zum Proteinabbau auch keine pH-puffernden Ionen freisetzen3. Bei einem Übermaß an zuckerreichen Substraten besteht demnach die Gefahr, dass der Abbauprozess im pH-Wert absinkt. Somit kann bei der Zersetzung von Zuckern auch der Wasserstoffpartialdruck schneller steigen als bei anderen Substraten. Damit verbunden ist die Bildung reduzierter saurer Zwischenprodukte.

Die Produkte aus der Eiweißhydrolyse sind Aminosäuren und Dipeptide, aus denen in der acidogenen Phase Ammonium, H2, CO2 und organische Säuren gebildet werden. Der Prozess läuft nur bei niedrigen Wasserstoffpartialdrücken ab, so dass eine gute Umsetzung des Wasserstoffs in den nachfolgenden Abbauschritten gewährleistet sein muss.

Bei einem hohen Proteinanteil im Substrat (z.B. bei Speiseresten) entstehen oftmals vermehrt die allgemein cytotoxischen Produkte Ammonium, Ammoniak und Schwefelwasserstoff4. Da der mikrobielle Eiweißabbau aufgrund der Wasser- löslichkeit häufig schneller verläuft als der von Fett, kann es durch diese Stoffe leicht zu einer Hemmung kommen. Intermediär entstehen dabei in der Regel Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid.

Fette liegen nach der Hydrolyse als Glycerin, Phosphat und Fettsäuren vor. Glycerinwird dann in Abhängigkeit von dem Wasserstoffpartialdruck auf die gleiche Weise wie die Zucker versäuert. Phosphat wird zu Ethanol und Methanol und Fettsäuren werden in der so genannten -Oxidation zu Acetat, Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt 4. Die Acetatbildung über die -Oxidation ist nur bei sehr geringen Wasserstoffpartialdrücken möglich.

Bei einem größeren Anfall an Fett im Substrat, werden beim biologischen Abbau primär Fettsäuren gebildet. Letztlich entsteht aus Fett Acetat oder Propionat. Es kann somit sehr leicht zu einer unspezifischen Überflutung mit Fettsäuren kommen. Insbesondere der Propionatabbau kann besonders problematisch sein und limitierend wirken.

2.2.3 Acetogenese/Essigsäurebildung

Die acetogenen Bakterien, die in der dritten Stufe der Methangärung, der Acetogenese, Propion- und Buttersäure sowie Alkohole zu Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid abbauen, stellen ein Bindeglied zwischen fermentativen und methanogenen Bakterien dar.

Unter Standardbedingungen ist die anaerobe Umsetzung dieser organischen Säuren und Alkohole ebenso wie die Bildung von Wasserstoff endergonisch und somit an Energiezufuhr von außen gebunden.

Des Weiteren sind essigsäurebildende Mikroorganismen nur bei geringem Wasserstoffpartialdruck lebensfähig. Lediglich durch die gleichzeitige Anwesenheit Wasserstoff verbrauchender Methanbildner kann der Wasserstoffpartialdruck auf den für die acetogenen Bakterien notwendigen niedrigen Wert abgesenkt werden. Diese als „Interspecies Hydrogen Transfer“ bezeichnete syntrophe Kopplung beider Arten ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.5: Darstellung der synergistischen Assoziation zwischen Acetat- und Methanbakterien3

Diese Symbiose hat jedoch nicht nur den Austausch von Wasserstoffatomen zur Folge, sondern sie gewährleistet auch, dass die Umsetzungsreaktionen schwach exergonisch ablaufen. Der Umbau der Säuren und Alkohole läuft dabei energetisch gesehen auf Kosten der Methanbildner ab. Diese erhalten im Gegenzug allerdings die für ihr Wachstum benötigten Substrate von den acetogenen Bakterien3.

Wird Wasserstoff nicht laufend aus dem Gleichgewicht entfernt, so steigt zunächst dessen Konzentration und führt zur Hemmung der acetogenen Bakterien. In der Folge häufen sich aus der Hydrolyse anfallende Säuren an, welche entweder selbst oder durch die pH-Reduktion toxisch auf Methanbakterien wirken. Die regulative Wirkung der Methanbakterien auf den Elektronenfluss schafft somit die thermodynamischen Voraussetzungen für die Oxidation von Alkoholen und Fettsäuren3. Mit der Entfernung des toxischen Produkts H2 wird auch die Umsatzrate der hydrolytischen Bakterien erhöht.

2.2.4 Methanogenese/Methanbildung

In der vierten und letzten Phase setzen methanogene Bakterien unter streng anaeroben Bedingungen die Produkte der vorangegangenen Prozesse, also Essigsäure, Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid, zu Methan um.

Die Methanproduktion erfolgt dabei über zwei unterschiedliche Wege. Rund 70 Prozent des Methans werden über den Umsatz des Acetats gebildet. Bei diesem Prozess handelt es sich eigentlich nur um eine Decarboxylierung, eine chemische Reaktion, bei der ein Kohlenstoffdioxid aus einem Molekül (hier: dem Acetat) abgespalten wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die restlichen 30 Prozent des Methans werden aus der Reduktion von Wasserstoff und Kohlenstoffdioxid gewonnen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Da die Methanbakterien jedoch nur die undissoziierte Form der Essigsäure verwerten können, übt der pH-Wert, der den undissoziierten Anteil von schwachen organischen

Säuren vorgibt, einen wesentlichen Einfluss auf die verwertbare

Essigsäurekonzentration aus. Durch diesen Parameter wird damit die Wachstums- geschwindigkeit der Methanbildner beeinflusst. Da diese Reaktion zudem mit einem sehr geringen Energiegewinn für die Bakterien verbunden ist, ist deren Wachstum sehr langsam.

Zellulär betrachtet läuft die Reduktion von CO2 in mehreren Schritten ab. So genannte Coenzyme, Stoffe, die durch ihre Interaktion mit Enzymen biochemische Reaktionen beeinflussen, spielen dabei eine wichtige Rolle (s. Abb.6).

An Coenzyme gebundene Zwischenprodukte durchlaufen die Redoxstufen des For- miats, des Formaldehyds und des Methanols. Als Elektronenüberträger fungiert dabei ein als Faktor F420 bezeichnetes Coenzym4. Der Co-Faktor besitzt ein Absorptions- maximum bei einer Wellenlänge von 420 nm, was ihn im UV-Licht sichtbar werden lässt. Die Umsetzungen sind teilweise an die Translokation von Natrium-Ionen oder Protonen gekoppelt. Der wichtigste Schritt dabei ist der letzte, bei dem ein so genanntes Heterodisulfid aus Coenzym M und Coenzym B an der Membran reduziert und dadurch gespalten wird 4.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.6: Methanogenese mit den Produkten der Essigsäurebildung4

Am Ende der Methangärung entsteht Biogas. Die Gaszusammensetzung hängt von diversen Parametern ab, wie z.B. den eingesetzten Substraten, den Betriebsbedingungen (pH-Wert, Temperatur usw.) sowie - in geringem Umfang - auch von der Reaktorbauweise. Wichtige Anhaltswerte der enthaltenen Gase sind in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

Tab. 1: Zusammensetzung von Biogas

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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Details

Seiten
49
Jahr
2008
ISBN (eBook)
9783668434202
ISBN (Buch)
9783668434219
Dateigröße
2.9 MB
Sprache
Deutsch
Institution / Hochschule
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen – Institut für Siedlungswasserwirtschaft
Erscheinungsdatum
2017 (April)
Note
1,3
Schlagworte
Biogas Co-Substrate Erneuerbare Energien Biogasanlagen Bioenergien EEG-Novellierung

Autor

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Titel: Prozesssteuerung von Biogansanlagen mit unterschiedlichen Co-Substraten unter biologischen Aspekten