Gärbiologie

Der Vergärungsprozess läuft prinzipiell in vier voneinander abhängigen biologischen Teilschritten unter anaeroben Bedingungen ab, an denen jeweils verschiedene Gruppen von Mikroorganismen beteiligt sind. Diese Organismen sind an eine flüssige Phase gebunden und verwerten die Produkte der vorangegangenen Abbauschritte und bilden zum Ende der Vergärung Biogas.

Die erste Abbauphase der Methanvergärung ist die Verflüssigungsphase. Während dieser Phase werden die langkettigen organischen Verbindungen (z.B. Proteine, Fette, Kohlenhydrate) mittels von Bakterien abgesonderten Exoenzymen in einfachere organische Verbindungen (z.B. Aminosäuren, Fettsäuren, Zucker) zerlegt. Da hierbei die festen Substanzen durch die Abspaltung von Wasser in Lösung gehen, nennt man diesen Schritt auch Hydrolyse.

Die Produkte der Hydrolyse werden anschließend in der Versäuerungsphase (Acidogenese) durch säurebildende Bakterien verstoffwechselt und zu organischen Säuren (z.B. Essig-, Propion-, und Buttersäure) abgebaut. Dabei entstehen außerdem Acetat, Wasserstoff und Kohlendioxid, welche als Ausgangsprodukte für die Methanbildung dienen. Das Verhältnis der in dieser Phase entstehenden Produkte zueinander ist vom Wasserstoffpartialdruck, d.h. der Konzentration an elementarem Wasserstoff abhängig. Je niedriger dieser ist, desto höher ist der Anteil an entstehendem Acetat.

In der Essigsäurephase (Acetogenese) werden die organischen Säuren und Alkohole von acetogenen Bakterien zu Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid abgebaut. Diese Produkte dienen den methanogenen Mikroorganismen als
Substrat. Auch bei dieser Abbauphase
spielt die H₂-Konzentration eine entscheidende Rolle, da ein Anstieg des Wasserstoffpartial- drucks den Stoffwechsel der acetogenen Bakterien hemmt. Da die Mikroorganismen der Methanogenese auf die Funktionalität dieser Bakterien angewiesen sind, verbrauchen sie in dieser Phase den Wasserstoff zur Methanbildung und sorgen so für optimale Lebensbedingungen. Somit leben die Organismen beider Abbaustufen in einer mutualistischen Symbiose.

In der vierten und letzten Phase, der Methanbildungsphase (Methanogenese), werden die Produkte der vorangegangenen Phasen durch methanogene Mikroorganismen (Archaea) zu Methan, Kohlenstoffdioxid und Wasser umgesetzt.

Gärtemperatur

Die Vergärung von Biomasse wird sehr von den Milieubedingungen der Umgebung beeinflusst. So spielt zum Beispiel auch die Arbeitstemperatur eine gewisse Rolle, da die Bakteriengruppen unterschiedliche Temperaturbereiche bevorzugen und die Abbaugeschwindigkeit beeinflusst wird.

Der größte Teil der bekannten Methanbakterien hat sein Wachstumsoptimum im mesophilen Temperaturbereich zwischen 32 - 42°C. Biogasanlagen, die im mesophilen Bereich arbeiten, sind in der Praxis am weitesten verbreitet, da in diesem Temperaturbereich eine relativ hohe Gasausbeute sowie eine gute Prozessstabilität erreicht werden.

Sollen durch Hygienisierung des Substrates gesundheitsschädliche Keime abgetötet werden oder werden Substrate verwendet, die mit hoher Eigentemperatur anfallen (z.B. Prozesswasser), bietet sich die thermophile Vergärung an. Diese hat eine Prozesstemperatur zwischen 50 - 57°C, wodurch eine höhere Gasausbeute erreicht wird. Jedoch wird in diesem Temperaturbereich mehr Energie für das Aufheizen des Gärprozesses benötigt. Außerdem ist der Gärprozess in diesem Temperaturbereich empfindlicher gegenüber Störungen oder Unregelmäßigkeiten in der Substratzufuhr oder der Betriebsweise des Fermenters.

Da die Bakterien bei ihrer "Arbeit" nur geringe Mengen an Eigenwärme produzieren, die nicht für das Erreichen der nötigen Umgebungstemperatur ausreicht, muss der Fermenter isoliert und extern beheizt werden, damit die optimalen Temperaturbedingungen der Bakterien erreicht werden können.