Grundlagen der Biogas-Erzeugung

Die Biogas-Erzeugung in der Landwirtschaft und kommunalen Kläranlagen erfolgt durch die anaerobe Vergärung organischer Biomasse in Fermentern bzw. Faultürmen. Als Rohsubstrate werden sowohl Abfallstoffe wie Faulschlamm aus der aeroben Klärung, Gülle und Speisereste als auch eigens angebaute Energiepflanzen wie Mais, sowie nahezu alle Kombinationen der genannten und weiterer Substrate eingesetzt. Die Nutzung der Biomasse erfolgt der Regel durch Nassfermentation in Fermentern. Diese werden im Falle von Substraten mit besonders hohem Energiegehalt in mehrstufigen Systemen ausgeführt, um die Austragung von nur kurzzeitig verweilten Teilfraktionen in der Biogasanlage zu verringern.

Rückstände der Vergärung mit landwirtschaftlichem Ursprung werden anschließend als Dünger ausgebracht. Wenn der Gärrest aus Klärschlämmen besteht, werden die Rückstände entweder verbrannt oder ebenfalls als Dünger verwendet. Letzteres setzt voraus, dass die Vorgaben der Klärschlammverordnung erfüllt werden (M. Koch, 2009). Bei beiden Nutzungsformen ist die Entwässerbarkeit der Gärreste zur Verringerung der Transport- und Entsorgungskosten von erheblicher Bedeutung. Diese wird maßgeblich durch den Grad des biologischen Abbaus bestimmt (Hafkesbrink, 2006).

Anaerobe Verwertung von Biomasse

Der anaerobe Abbau des Substrates in Biogasanlagen zu Methan und Kohlendioxid wird in vier Stufen unterteilt, die in einem Fermenter parallel ablaufen. Im ersten Schritt, der Hydrolyse, werden die polymeren Makromoleküle der eingesetzten Biomasse wie Kohlenhydrate, Proteine und Fette durch die von Mikroorganismen gebildeten Exoenzyme wie Amylasen, Proteasen und Lipasen zu verwertbaren Oligomeren und Monomeren zerlegt. In der anschließenden Acidogenese oder Versäuerungsphase wandeln säurebildene Mikroorganismen die Produkte aus der Hydrolyse in niedere Fett- und weitere Carbonsäuren wie Butter- und Propionsäure sowie niedere Alkohole und als Nebenprodukte Schwefelwasserstoff und Ammoniak um.

Es entsteht außerdem Wasserstoff der in der methanbildenen Phase notwendig ist. Die Fett- und Carbonsäuren sowie niederen Alkohole werden in der anschließenden Acetogenese oder essigbildenen Phase zu Essigsäure weiter umgesetzt. Als letzter Schritt erfolgt die Methanogese oder methanbildene Phase, bei der die zuvor enstandene Essigsäure zu Methan und Kohlendioxid aufgespalten wird. Als weiterer Reaktionsweg findet die Umwandlung von Wasserstoff und Kohlendioxid zu Methan statt. In landwirtschaftlichen Biogasanlagen wird die Hydrolyse als der geschwindigkeitsbestimmende Schritt des biologischen Abbaus bezeichnet (Eder, 2004).

Diese kann durch Beschallung unterstützt werden. Dabei werden die Zellwände zerstört oder perforiert, was zu einer Erhöhung der Abgabe von notwendigen Enzymen wie Proteasen, Lipasen und Amylasen führt. Gleichzeitig wird der biologische Abbau durch die mechanische Zerkleinerung des Substrates und die daraus resultierende Vergrößerung der Oberfläche beschleunigt (Eder 2004).

Die Gaserzeugungsrate eines Biogassubstrates nimmt über den Verlauf der Vergärung aufgrund der Verringerung des Nährstoffgehalts kontinuierlich ab. Für eine ideale Nutzung des Erzeugungspotentials sind deshalb sehr lange Verweilzeiten des Substrates im Fermenter erforderlich (Eder, 2004). Die hydraulische Verweilzeit des Substrates im Batch-System wird durch die in einem definierten Zeitraum zugegebene Substratmenge bezogen auf das Fermentervolumen definiert. Die Größe des Fermenters limitiert die hydraulische Verweilzeit, was zu einer nicht vollständigen Ausnutzung des theoretischen Biogaspotenzials der eingesetzten Biomasse führt.

Die Festlegung der hydraulischen Verweilzeit im Fermenter wird durch das Verhältnis von Substratkosten bzw. Reststoffentsorgungskosten zu den Investitions- und Betriebskosten der Fermenter beeinflusst. Je nach eingesetztem Substrat beträgt die optimale Verweildauer in landwirtschaftlichen Biogasanlagen 30-50 Tage (FNR, 2005) und in kommunalen Klärwerken 15-20 Tage (Appels, 2008). In den Fermentern landwirtschaftlich genutzter Biogasanlagen werden zur optimalen Nutzung der begrenzten Verweilzeit leistungsstarke Rührwerke eingesetzt, die das frisch eingebrachte Substrat mit dem Fermenterinhalt vermischen und den Austrag des Biogases befördern.

Bei unzureichender Vermischung kann es zur Ausbildung stabiler Schwimm- und Sinkschichten kommen, die bis zu einem Aufblähen und anschließender Zerstörung der Fermenterdecke führen können (Bilitewski, 2000). Der Überschussschlamm kommunaler Kläranlagen weist einen geringeren Trockensubstanzanteil auf. Daher werden zur Durchmischung der Faultürme meistens Umlaufpumpensysteme eingesetzt (Melde, 2007).

Ultraschall-Desintegration

Zur Steigerung der Biogas-Ausbeute der eingesetzten Substrate bei gleicher Aufenthaltszeit muss die Abbaugeschwindigkeit im Fermenter erhöht werden. Dies kann durch einen verbesserten Aufschluss der Biomasse mittels einer mechanischen Zerkleinerung  erfolgen. Sie wird als Desintegration bezeichnet und umfasst die  mechanische, thermische, chemische oder biologische Auflösung von Schlammflocken. Bei höherem Energieeintrag kommt es außerdem zur Zerstörung der Zellhüllen und Freisetzung der intrazellulären Substanzen, welche den biologischen Abbau zusätzlich befördern (Eder, 2004).

Zudem wurde von (Pham et al., 2008) ein positiver Effekt der Desintegration auf die rheologischen Eigenschaften der Gärsuspension beobachtet (Faust, 1994), welcher zu einer Verringerung der notwendigen elektrischen Energie für Pumpen und Rührwerke führt. Für die mechanische Desintegration von Biogassubstraten wurden bereits Kugelmühlen, Scherspalthomogenisatoren, Hochdruckhomogenisatoren und Lysatzentrifugen erfolgreich eingesetzt. Diese Methoden erfordern jedoch einen hohen Wartungs- und Energieaufwand, der im Vergleich zu den erzielbaren Mehrerträgen bisher nicht wirtschaftlich ist. Die thermische Desintegration die eine Erhitzung des Substrates auf bis zu 120 °C erfordert, konnte ebenfalls keine positive Energiebilanz erreichen (Müller, 1998).

Im Bereich der Abwasserwirtschaft wurde der positive Einfluss der Klärschlammdesintegration mit Steigerungsraten der Biogasausbeute um bis zu 25 %  nachgewiesen (Faust, 1994).

Die Desintegration landwirtschaftlicher Substrate zur Steigerung der Biogasausbeute erfolgte darauf vermehrt mittels Ultraschall (Elbeshbishy, 2009) (Schröder, 2012).

Das von BANDELIN entwickelte Ultraschall-System US 1 ermöglicht die Desintegration großer Mengen Substrat in Biogas-Anlagen mittels leistungsstarker Rohrreaktoren und damit die Übertragung der Forschungsergebnisse auf den großtechnischen Einsatz.

Literaturverzeichnis

 

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