Blackbox für Biogas

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Universität Bonn Institut für Mikrobiologie und Biotechnologie

In Biogasanlagen wird durch die Aktivität verschiedener Mikroorganismen Biomasse zu Biogas umgesetzt (s. Abb. 3). Das dabei entstehende Roh-Biogas ist ein Gemisch aus Methan (50 – 75%), Kohlendioxid (25 – 45%), Wasserdampf (2 – 7%) und Spurengasen (N₂, NH₃, H₂S, H₂) [5]. Die Bildung von Biogas aus Biomasse ist komplex und beinhaltet ein Zusammenspiel von verschiedenen Mikroorganismen. Man unterscheidet vier voneinander abhängige Teilschritte (s. Abb. 3). Im ersten Teilschritt, der Hydrolyse, werden komplexe organische Verbindungen (Polysaccharide, Fette und Proteine) in einfachere Verbindungen wie Zucker, Aminosäuren und Fettsäuren gespalten. Andere Gruppen von Mikroorganismen vergären diese Verbindungen in der Acidogenese zu organischen Säuren und Alkoholen mit Wasserstoff und Kohlendioxid als Nebenprodukten (primäre Gärung). Der dritte Teilschritt wird als Acetogenese (sekundäre Gärung) bezeichnet und führt zur Bildung von Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid. Der letzte Schritt besteht schließlich in der Biogasgenerierung, der Methanogenese. Die Methanproduzenten gehören zur Gruppe der Archaeen. Sie setzen die Endprodukte der vorhergehenden Schritte zu Methan und CO₂ um, was als Biogas weiter verwendet wird. Methan entspricht dabei dem brennbaren Anteil im Biogas. Der verbleibende Gärrest, der von den Mikroorganismen nicht weiter abgebaut werden kann, wird z.B. als Düngemittel auf Ackerflächen ausgebracht.

Prozesssteuerung in Biogasanlagen

In der derzeitigen Prozessanalyse werden mehrere Parameter der Gärsubstanz in der Biogasanlage erfasst, z.B. pH, Pufferkapazität, flüchtige Fettsäuren, Spurenelemente, Ammonium und (organische) Trockensubstanz. Jede einzelne dieser Stellschrauben ist Gegenstand aktueller Forschungsprojekte und bietet darüber hinaus dem Biogasanlagen-Betreiber die Möglichkeit, den Biogas-Prozess über verschiedene Analyseverfahren zu begleiten. Wichtige hieraus ableitbare Kenngrößen sind z.B. die Gasproduktion oder die Gaszusammensetzung, die den Wirkungsgrad des Blockheizkraftwerks bestimmt. Eine wichtige und kontrovers diskutierte Frage ist, welche Reaktion oder welcher Parameter den „Flaschenhals“ also den Geschwindigkeit limitierenden Schritt in der Biogasproduktion darstellt. Durch eine Verbesserung der biochemischen Umsetzung an dieser Stelle könnte der gesamte Biogas-Prozess optimiert und so der Gesamtdurchsatz und die Stromausbeute pro Zeiteinheit erhöht werden.

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