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Hydrolyse und Biogaserzeugung

  In dem gesteuerten Prozeß der Biogasbildung in einer Biogasanlage sind verschiedene Arten von anaeroben Mikroorganismen beteiligt, deren Mengenverhältnis zueinander durch Ausgangsstoffe, pH-Wert, Temperatur- und Faulungsverlauf beeinflußt wird. Aufgrund der Anpassungsfähigkeit dieser Mikroorganismen an die Prozeßbedingungen können nahezu alle organischen Stoffe durch Verfaulen abgebaut werden. Lediglich höhere Holzanteile können durch das mikrobiologisch schwer zersetzbare Lignin schlecht verwertet werden. Voraussetzung für eine erfolgreiche Methanbildung ist ein Wasseranteil im Ausgangssubstrat von mindestens 50 %.

 
 
Die Prozeßkette

  Man unterscheidet nach dem heutigen Erkenntnisstand vier parallel bzw. nacheinander ablaufende und ineinandergreifende biochemische Einzelprozesse, die den anaeroben Abbau biogener Stoffe ermöglichen:

Während der Hydrolyse werden die Biopolymere in monomere Grundbausteine oder andere lösliche Abbauprodukte zerlegt. Fette werden in Fettsäuren, Kohlehydrate, wie z. B. Polysaccharide, in Mono- oder Oligosaccharide und Proteine, in Peptide bzw. Aminosäuren zerlegt. Diese Reaktionen werden durch fakultativ anaerobe Mikroorganismen katalysiert, wobei diese die Edukte mittels ausgeschiedener Exoenzyme hydrolysieren. Dieser Reaktionsschritt ist aufgrund der Komplexität des Ausgangsmaterials geschwindigkeitsbestimmend.
Im Rahmen der Acidogenese (allgemeinsprachlich auch als Fermentation bezeichnet) - die zeitgleich zur Hydrolyse stattfindet - werden die monomeren Zwischenprodukte einerseits in niedere Fett-/Carbonsäuren, wie z.B. Butter-, Propion- und Essigsäure, andererseits in niedere Alkohole, wie z. B. Ethanol, umgesetzt. Bei diesem Umsetzungsschritt gewinnen die fakultativ anaeroben Mikroorganismen erstmals Energie. Bei dieser Umsetzung werden bereits bis zu 20 % des Gesamtanteils an Essigsäure gebildet.
Während der Acetogenese werden die niederen Fett- und Karbonsäuren sowie die niederen Alkohole durch acetogene Mikroorganismen zu Essigsäure (Anion Acetat) umgesetzt.
In der letzten, obligat anaerob ablaufenden Phase - der Methanogenese - wird die Essigsäure durch entsprechend acetoklastische Methanbildner nach Gleichung 1 in Methan umgewandelt. Etwa 30 % des Methans entstehen nach Gleichung 2 aus Wasserstoff und CO2.

                Gleichung 1: CH3COOH --> CO2 + CH4

                Gleichung 2: CO2 + 4H2 --> CH4 + 2H2O

Zurück bleibt ein Gemisch aus schwer abbaubarem organischem Material, beispielsweise Lignin und anorganischen Stoffen wie zum Beispiel Sand oder anderen mineralischen Stoffen, der sogenannte Gärrest. Er kann als Dünger verwendet werden, da er noch alle Spurenelemente und zusätzlich noch fast den gesamten Stickstoff des Substrates in bioverfügbarer Form (als Ammonium NH4+) bei neutralem pH enthält.

 
 
Die Hydrolyse

  Die Hydrolyse ist die Spaltung einer chemischen Verbindung durch Reaktion mit Wasser. Dabei wird (formal) ein Wasserstoffatom an das eine "Spaltstück" abgegeben, der verbleibende Hydroxylrest an das andere Spaltstück gebunden. Die Umkehrung der Hydrolyse ist eine Kondensationsreaktion:

                RCOOR + H2O <--> RCOOH + ROH

                Ester + Wasser <--> Carbonsäure + Alkohol

Es gibt sehr unterschiedliche Hydrolysen in Bezug auf Ausgangsstoffe und Produkte, etwa die Hydrolyse von Glykosiden zu Zuckern u. a. und von Proteinen zu Aminosäuren.

In der ersten Phase der Biogasentstehung - der Hydrolyse - bauen fakultativ anaerobe Bakterien die hochmolekularen, organischen Substanzen (Eiweiß, Fett, Kohlehydrate) mit Hilfe von Enzymen zu niedermolekularen Verbindungen wie Einfachzucker, Aminosäuren, Fettsäuren und Wasser um.

Für die Biogasentstehung ist die Hydrolyse als erster vorgeschalteter Reaktionsschritt daher notwendig, um durch Aufspaltung großer Moleküle kleine Einheiten zu erhalten, und um dann aus diesen Spaltprodukten nach mehreren Zwischenschritten methanbildenden Bakterien die Methanbildung aus kleinen Molekülen zu ermöglichen.

Nur aus optimal aufgeschlossener Biomasse kann mit maximaler Ausbeute Biogas gewonnen werden.