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Fermentation und Vergärungsprozess
Die Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen gewinnt zunehmend an Bedeutung in der heutigen Welt. In diesem Kontext spielt die Biomethanproduktion eine entscheidende Rolle. Biomethan, auch bekannt als Biorohgas, ist ein erneuerbares Gas, das durch die Fermentation und Vergärung von organischen Substraten in speziellen Anlagen gewonnen wird. Dieser Artikel beschäftigt sich mit den Grundlagen der Fermentation und den Vergärungsprozessen zur Herstellung von Biomethan in einer Biomethananlage.
Fermentation und Vergärungsprozess
Die Fermentation ist ein biologischer Prozess, bei dem Mikroorganismen (insbesondere Bakterien) oder Enzyme organische Substanzen abbauen und in andere Verbindungen umwandeln. In einer Biomethananlage findet die Fermentation von Substraten wie Biomasse, organischen Abfällen oder landwirtschaftlichen Reststoffen statt. Diese Substrate werden in einem Fermenter (Gärbehälter) platziert, wo die eigentliche Fermentation stattfindet.
Der Vergärungsprozess ist ein Teil der Fermentation und bezieht sich speziell auf die Umwandlung von organischen Substraten in Methangas (CH4). Die Vergärung erfolgt in mehreren Schritten, die von verschiedenen Gruppen von Mikroorganismen durchgeführt werden. Der Prozess erfolgt unter anaeroben Bedingungen, das heißt in Abwesenheit von Sauerstoff. Dieser Prozess wird auch als anaerobe Fermentation bezeichnet.
Biologisch-chemischer Prozessablauf: Umwandlung der Substrate in Biomethan
Der erste Schritt des Vergärungsprozesses ist die Hydrolyse. Dabei werden komplexe organische Moleküle durch Enzyme in einfachere Verbindungen wie Zucker, Fettsäuren und Aminosäuren zerlegt. Dieser Schritt erleichtert den Abbau der Substrate in den folgenden Phasen.
In der Acidogenese werden die während der Hydrolyse gebildeten Verbindungen weiter abgebaut. Die säurebildenden Bakterien wandeln die einfachen organischen Verbindungen in flüchtige Fettsäuren wie Essigsäure, Propionsäure und Buttersäure um. Dabei entsteht auch Kohlendioxid (CO2) und Wasserstoff (H2).
In der Acetogenese nutzen spezielle Bakterien die flüchtigen Fettsäuren, um Essigsäure und Wasserstoff zu produzieren. Dieser Schritt ist entscheidend, da er die Grundlage für die Methanbildung legt.
In der Methanogenese wandeln Methan bildende Mikroorganismen, sogenannte Methanogene, die während der vorherigen Stufen gebildete Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid in Biomethan um. Dieser Prozess ist empfindlich gegenüber Sauerstoff und erfordert daher eine sorgfältige Kontrolle der anaeroben Bedingungen in der Biomethananlage.
Prozesssteuerung und Bedingungen
Die Fermentation und Vergärung von Substraten zu Biomethan erfordern eine bestimmte Prozesssteuerung und Bedingungen, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Dazu gehören:
- Temperaturkontrolle: Die Fermentation erfolgt in der Regel bei Temperaturen zwischen 35°C und 55°C, je nach den Anforderungen der eingesetzten Mikroorganismen.
- pH-Wert-Kontrolle: Ein neutraler bis leicht saurer pH-Wert (zwischen 6 und 7,5) ist für eine effiziente Fermentation erforderlich. Die Zugabe von Puffern kann dabei helfen, den pH-Wert zu stabilisieren.
- Rückführung und Mischung: Eine kontinuierliche Rückführung des Fermentationsgases und eine regelmäßige Durchmischung der Substrate sind wichtige Aspekte, um eine optimale Durchführung des Prozesses zu gewährleisten.
- Vermeidung von Hemmstoffen: Bestimmte Substanzen wie Schwermetalle, Antibiotika oder bestimmte Chemikalien können den Fermentationsprozess stören oder hemmen. Daher ist eine sorgfältige Auswahl der eingesetzten Substrate und eine Überwachung der Inhaltsstoffe erforderlich.
Der Produktionsablauf in unseren Biomethananlagen
Die Einsatzstoffe (Substrate) aus den Fahrsilos sowie der Hühnertrockenkot (HTK)- und Festmist werden mit Hilfe eines Radladers in die Annahmedosierer eingebracht und so der Vergärungsanlage zugeführt (Fütterung). Die Annahmedosierer sind so dimensioniert, dass sie nur zwei- bis dreimal am Tag gefüllt werden müssen.
Über eine an den Annahmedosierern angebrachte Pumpe gelangt die eingebrachte Silage in die Durchflussfermenter. Die Förderung des Einsatzstoffes geschieht dabei vollautomatisch und gewährleistet eine kontinuierliche Beschickung über den Tag verteilt. Dieses bewirkt eine höhere Gasausbeute und eine gleichbleibende Gaskonzentration.
Die Fütterung wurde in unserer Anlage in Menteroda 2019 in beiden Anlagensträngen auf Wangen Biomix-Pumpen umgerüstet worden, um den Substratdurchsatz im Bedarfsfall weiter erhöhen zu können und gleichzeitig den spezifischen Stromverbrauch zu senken.
In der Vergärungsanlage, die im Ganzen aus den sogenannten Durchflussfermentern (EUCO), den Grubenspeicherfermentern (COCCUS) sowie den Substratlagern (SULA) besteht, werden die eingesetzten Rohstoffe unter Ausschluss von Luft und dem Zuführen von Wärme vergoren und so das Rohgas gewonnen. Die dabei entstehenden flüssigen und festen Gärreste werden in den Gärrestelagern (SULA) bzw. auf den Lagerflächen für festen Gärrest und bei Bedarf auch im Fahrsilo bis zur Ausbringung zwischengelagert. COCCUS und SULA sind mit gasdichten Membrandächern versehen, innerhalb derer das erzeugte Rohgas aufgefangen wird.
Die Verfahrensführung besteht dabei aus einer dreistufigen Vergärung. Die Einsatzstoffe gelangen über die Feststoffeintragsschnecken in den EUCO, danach in den COCCUS und werden letztlich im beheizten SULA CGC als dritte Fermentationsstufe ausgegoren. Durch diese dreistufige Verfahrensführung werden zum einen Kurzschlussströmungen so weit wie möglich vermieden und zum anderen durch die Verlängerung der Verweilzeit eine bessere Gasausbeute aus den hochwertigen Einsatzstoffen sichergestellt.
Die Anlage der AVRIO Energie in Menteroda ist im Bereich der Fermentation zweisträngig aufgebaut. Jeder Strang kann vollständig autark betrieben werden. Durch eine Rohrleitungsführung ist das Pumpen des Substrates von einem zum anderen Strang möglich.
Nach einer definierten Verweilzeit wird das Substrat von den Durchflussfermentern über die in den Technikcontainern befindliche Substratverteilung in die Grubenspeicherfermenter gepumpt. Alle Stoffe werden gemeinsam unter Ausschluss von Luft in einem geschlossenen und beheizten (ca. 42°C) Fermentersystem vergoren.
Das entstehende Biogas wird in den Gaspuffern (Foliengasspeicher über den Grubenspeicherfermentern bzw. Substratlagern) gesammelt, vor Ort zu hochwertigem Biomethangas aufbereitet und danach in eine bestehende Gasleitung der TEN Thüringer Energienetze GmbH & Co. KG eingespeist. Den Aufbereitungsprozess beschreiben wir in einem unserer nächsten Beiträge.
Fazit
Die Fermentation und Vergärung von organischen Substraten in einer Biomethananlage ist ein effizienter und nachhaltiger Prozess zur Energiegewinnung. Durch die Nutzung von biologischen Prozessen und die sorgfältige Steuerung der Bedingungen können wertvolle erneuerbare Ressourcen erschlossen und gleichzeitig die Treibhausgasemissionen reduziert werden. Der Produktionsablauf auf den Anlagen der AVRIO Energie wird durch die Techniker unseres Betriebsteams sichergestellt. In Zusammenarbeit mit unserer Projektleitung entwickelt die AVRIO den Einsatz von Technologien und die Optimierung der Prozesse weiter, sodass die Biomethanproduktion mit höchstmöglicher Effizienz durchgeführt werden kann. Betriebsteam und Projektleitung arbeiten zusammen an den entsprechenden technischen und organisatorischen Herausforderungen.