Biogas Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e. V.

 

Prozessgrössen

Prozessgrössen

Temperatur 

Die Vergärung von Biomasse wird von den Milieubedingungen der Umgebung stark beeinflusst. So spielt zum Beispiel die Arbeitstemperatur eine wichtige Rolle, da die verschiedenen Bakteriengruppen unterschiedliche Temperaturbereiche bevorzugen und so die Abbaugeschwindigkeit beeinflusst wird. Grundsätzlich gilt, dass bei höheren Temperaturen die Reaktionsgeschwindigkeit zunimmt. Allerdings sind biologischen Prozessen hier Grenzen gesetzt.
Der größte Teil der bekannten Methanbakterien hat sein Wachstumsoptimum im mesophilen Temperaturbereich bei 37 - 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 von 50 - 57°C und erzielt eine höhere Gasausbeute. Jedoch wird in diesem Temperaturbereich mehr Energie für das Aufheizen des Gärprozesses benötigt. Außerdem zeigt sich 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, um die optimalen Temperaturbedingungen der Bakterien zu erreichen. Dabei ist es wichtig, die Temperatur konstant zu halten.

pH-Wert

Ebenos wie die Temperatur beeinflusst auch der pH-Wert die Gasbildung. Die an den verschiedenen Prozessphasen beteiligten Mikroorganismen haben unterschiedliche pH-Optima. So liegt das Optimum für die Hydrolyse und Säurebildung bei pH-Werten von 5,2 bis 6,3 und für die Essigsäure- und Methanbildung bei 6,5 bis 8. Wenn der Gärprozess in einem einstufigen Fermenter stattfindet, muss der letztgenannte pH-Wert eingehalten werden. Bei mehrstufigen Verfahren wird mit den jeweils optimalen pH-Werten für Hydrolyse und Methanbildung gearbeitet.
Innerhalb des Systems stellt sich der pH-Wert automatisch durch die alkalischen und sauren Stoffwechselprodukte ein, die während des Stoffabbaus gebildet werden. Dieses selbstregulierte Gleichgewicht ist sehr empfindlich und kann z. B. durch zu hohe Substratzufuhr in zu kurzer Zeit stark gestört werden und so zum „Umkippen“ des Fermenters führen.
Aufgrund seiner Trägheit ist der pH-Wert allerdings nur bedingt für die Anlagensteuerung verwendbar.


Nährstoffe

Die an der Vergärung beteiligten Mikroorganismen haben einen bestimmten Bedarf an Nährstoffen und Vitaminen, wobei jede Mikrobenart ihre spezifischen Anforderungen an Minimum- und Maximumkonzentration stellt. Die jeweilige Nährstoffverfügbarkeit beeinflusst Wachstum und Aktivität der verschiedenen Bakterienstämme, weshalb eine optimale Nährstoffversorgung Voraussetzung für eine hohe Methanbildung ist. Die wichtigsten Makronährstoffe sind Kohlenstoff und Stickstoff; das C/N-Verhältnis sollte für einen ungestörten Prozessverlauf im Bereich 10:1 bis 30:1 liegen. Weitere notwendige Makronährstoffe sind Phosphor und Schwefel, als Mikronährstoffe fungieren Kobalt, Nickel, Molybdän und Selen.
Bei Anlagen, die ausschließlich mit nachwachsenden Rohstoffen betrieben werden, ist eine Zugabe von Mikronährstoffen in der Regel erforderlich. Es ist jedoch unabdingbar, vor einer Zugabe den Gehalt der Mikronährstoffe im Fermenter zu analysieren. Beim Einsatz von tierischen Exkrementen wird der Bedarf an Mikronährstoffen in der Regel gedeckt.

Richtwerte zu Spurenelementen

Quellen: Oechsner, H. u.a.: Biogas in der Landwirtschaft - Stand und Perspektiven, KTBL-Schrift 488, 2011                     
*Leitfaden Biogas (2010), nach Oechsner, Hans et al.: Europäische Patentanmeldung Patentblatt 2008/49 (2008)

Hemmstoffe

Der Vergärungsprozess reagiert empfindlich auf Störungen. Diese können neben betriebstechnischen Gründen durch Hemmstoffe hervorgerufen werden, die sich bereits in geringen Mengen negativ auf die Bakterien und somit auf den Abbauprozess auswirken. Hemmstoffe werden entweder mit die Substratzugabe in den Fermenter eingebracht oder gehen aus Zwischenprodukten der einzelnen Abbauschritte hervor.
So kann z. B. eine übermäßige Substratzugabe in den Fermenter den Gärprozess hemmen, da sich grundsätzlich jeder Inhaltsstoff eines Substrates in zu hohen Konzentrationen schädlich auf die Bakterien auswirkt.
Zudem hemmen Desinfektions- und Hygienisierungsmittel, Antibiotika, Lösungsmittel, Herbizide oder Schwermetalle bereits in geringen Mengen den Gärprozess. Dies gilt auch für wichtige Spurenelemente, die in zu hohen Konzentrationen toxisch für die Bakterien sind, da Mikroorganismen auch für diese Stoffe nur eine gewisse Toleranz besitzen.
Schwefelwasserstoff wiederum ist ein Produkt des Gärprozesses, der in gelöster Form als Zellgift ebenfalls den Abbauprozess hemmen kann. Schwefel ist allerdings ein essentielles Spurenelement und damit ein wichtiger Mineralstoff der methanbildenden Bakterien.
Auch zu hohe Ammonium-Konzentrationen hemmen die Methanproduktion, weshalb Geflügelkot und gelegentlich auch Schweinegülle verdünnt oder mit stickstoffarmen Kosubstraten vermischt werden.


Hilfsmittel

Seit einigen Jahren werden Hilfsmittel zur Optimierung des Biogasprozesses eingesetzt. Hierzu gehören z. B. Spurenelemente, Enzyme, Mineralstoffe, Mikroorganismen, sauer oder basisch wirkende Substanzen und weitere Stoffe (z. B. Algen, Vitamine u. a.). Weiterführende Informationen hierzu finden Sie in den Gülzower Fachgesprächen, Band 35.

Hinweise für die Praxis

  • Temperaturniveau konstant halten und permanent kontrollieren
  • neutrale pH-Werte, Luft- und Lichtabschluss einhalten
  • kontinuierliche Substratzufuhr und Durchmischung gewährleisten
  • auf die Qualität der Einsatzstoffe achten
  • Erfassen, Überwachen und Speichern der zur Verfügung stehenden Prozessdaten

 

 

 

Basisdaten