2. Grundlagen anaerober Prozesse

Im Kapitel 2 werden zunächst die mikrobiellen Grundlagen der Methangärung und anschließend die chemischen Grundlagen anaerober Prozesse vorgestellt. Insbesondere werden im mikrobiellen Teil die thermodynamischen Grundlagen, die anaerobe Nahrungskette und auch die Einflussfaktoren auf die Methangärung beschrieben. Die gesamte Biomasse auf der Erde entsteht durch Kohlendioxid-Fixierung bei der Photosynthese von Pflanzen und aquatischen Mikroorganismen. Sie dient Tieren oder dem Menschen als Nahrungsquelle. Die Re-Mineralisation pflanzlicher und tierischer Reststoffe zu CO2 erfolgt durch Mikroorganismen und kann unter aeroben und anaeroben Bedingungen stattfinden. Unter aeroben Bedingungen werden abgestorbene pflanzliche und tierische Reststoffe mit Sauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser mineralisiert, wobei auch Ammonium und Sulfid hauptsächlich aus dem Eiweißabbau und Phosphat aus dem Abbau phosphathaltiger Zellkomponenten freigesetzt werden. Unter anoxischen bzw. anaeroben Bedingungen, wenn kein Sauerstoff als terminaler Elektronenakzeptor für Reduktionsäquivalente zur Verfügung steht, werden die Elektronen auf andere Elektronenakzeptoren wie z. B. Nitrat, Eisen, Mangan, Sulfat oder Carbonat übertragen. Sind unter anaeroben Bedingungen auch diese anorganischen Elektronenakzeptoren nicht verfügbar, werden die Elektronen auf organische Zwischenprodukte des Stoffwechsels übertragen und es entstehen Gärprodukte wie z. B. Milchsäure aus Pyruvat oder flüchtige Fettsäuren und Alkohole aus Acetat. Diese Gärprodukte sind „reduzierter“ als ihre aus dem Stoffwechsel stammenden organischen Elektronenakzeptoren. Gärungen werden nach den dominierenden Abbauprodukten benannt, so z. B. Milchsäuregärung bei der Yoghurt-, Buttermilch- oder Silageherstellung, alkoholische Gärung bei der Bier- oder Weinbereitung bzw. der technischen Alkoholherstellung und Propionsäuregärung im Pansen von Rindern, in Anaerobreaktoren (Faulbehältern) von Kläranlagen oder in industriellen und landwirtschaftlichen Biogasanlagen. Gärungen sind wichtig für die Haltbarmachung von Lebens- und Futtermitteln, sind aber auch die entscheidenden Prozesse für den anaeroben Abbau von Biomasse zu Sumpf-, Faul- oder Biogas im Anschluss an die Hydrolyse von pflanzlichen oder tierischen Biopolymeren. Bei einigen Gärungen, z. B. der Buttersäuregärung wird neben Butyrat und CO2 bereits molekularer Wasserstoff gebildet und ausgeschieden. Weiterer Wasserstoff entsteht bei der Acetogenese von Propionat, Butyrat, und höheren Fettsäuren, die aber nur bei sehr niedrigem Wasserstoffpartialdruck zu Acetat und CO2 umgesetzt werden können. Für einen vollständigen Abbau von z. B. Butyrat müssen Methanbakterien den Wasserstoff mit CO2 und auch das Acetat zu Methan umsetzen. Wasserstoff hat über den Partialdruck eine zentrale Regelfunktion für den anaeroben Abbau organischer Substanzen zu Biogas.

Bei den chemischen Grundlagen werden zunächst die chemischen Gleichgewichte incl. der Löslichkeit von Gasen, der Dissoziationsgleichgewichte und der Löslichkeitsprodukte vorgestellt, anschließend werden die chemischen Parameter und ihre Bedeutung bei der anaeroben Verfahrenstechnik und anschließend die Umwandlung des organischen Kohlenstoffs in Methan sowie die Bilanzierung beschrieben.