Was ist anaerobe Verdauung?
Anaerobe Verdauung ist ein biologischer Prozess, bei dem Bakterien organisches Material in basischere Verbindungen aufspalten, ohne Sauerstoff als Bestandteil des Prozesses zu benötigen. Es wird angenommen, dass diese Bakterien vor ungefähr 3.800.000.000 Jahren auf der Erde aufgetreten sind und die vorherrschende Lebensform auf dem Planeten waren, bevor Pflanzen aufgetaucht sind. Als das Pflanzenleben vor etwa 3.200.000.000 Jahren entstand, wurde die anaerobe Verdauung in natürlichen Umgebungen fortgesetzt, in denen kein Sauerstoff vorhanden war, wie Sümpfen, wassergeschützten Böden und in Böden, die ständig von Wasser bedeckt waren, wie Seen und Flüssen. Die biologischen Prozesse der anaeroben Verdauung erfordern, dass verschiedene Arten von Bakterien organische Substanzen in einer Reihe von vier Schritten zersetzen, einschließlich Hydrolyse, Fermentation, Acetogenese und Methanogenese.
Ab 2011 wird die anaerobe Vergärung in der Humanindustrie hauptsächlich zur Erzeugung von Methangas zur Erzeugung von Kraftstoff und Strom verwendet. Dies geschieht in Abfallbehandlungsanlagen, die landwirtschaftliche Abfälle wie Gülle oder Siedlungsabfälle verarbeiten. Die Brauindustrie verlässt sich auch auf die anaerobe Vergärung, um organische Nebenprodukte der Bierherstellung in Methanbrennstoff zu zerlegen, der andernfalls von kommunalen Abwasserbehandlungssystemen entsorgt werden müsste.
Der Prozess der anaeroben Vergärung in der Natur trägt auch zur Erzeugung einer Form erneuerbarer Energie bei, die als Erdgas bekannt ist. Obwohl Erdgas ein fossiler Brennstoff ist, besteht es zu etwa 80% aus Methan und anderen verwandten Gasen wie Propan und Butan und wird von der Erde leichter erzeugt als andere fossile Brennstoffe wie Erdöl. Es ist ein fossiler Brennstoff, der häufig neben anderen fossilen Brennstoffen wie Kohle und Öl abgelagert wird.
Industrielle Biomasse-Reaktoren, die Biomasse-Abfälle wie Gülle verarbeiten, um Brennstoff zu erzeugen, produzieren im Allgemeinen weniger Methangas in Volumenprozent als das, was in Erdgas enthalten ist. Der typische Ausstoß eines festgelegten Volumens an Biogas aus einem Fermenter beträgt 50% bis 80% Methan, wobei eine signifikante Menge an Abgas in Form von Kohlendioxid 20% bis 50% beträgt. Bei dem Verfahren werden auch andere Spurengase erzeugt, die einen gewissen kommerziellen Wert haben, wie Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff, und toxische Gase, die sicher entsorgt werden müssen, werden ebenfalls erzeugt, einschließlich Schwefelwasserstoff und Kohlenmonoxid.
Die biologischen Prozesse, die für eine effektive Abfallverdauung erforderlich sind, können komplex sein und unterliegen streng kontrollierten Bedingungen. Die Temperatur spielt dabei eine wichtige Rolle, da die Bakterien, die den Abfall auflösen, auf verschiedenen Ebenen am besten gedeihen. Einige der Bakterien sind mesophil, gedeihen bei einer moderaten Temperatur von 36,7 ° Celsius, andere sind thermophil und gedeihen bei einer höheren optimalen Temperatur von 54,4 ° Celsius.
Die Bedingungen für Temperatur, pH-Wert und andere Faktoren wie das Wasser-Feststoff-Verhältnis des Biomassegemisches und das Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis müssen geändert werden, da das organische Material auch chemisch abgebaut wird. Die beiden Haupttypen von Bakterien, die bei der anaeroben Verdauung verwendet werden, sind acetogene und methanogene Bakterien, und obwohl sie gemeinsam verwendet werden, haben sie jeweils einzigartige Lebensbedingungen, unter denen sie gedeihen. Acetogene Bakterien produzieren das chemische Acetat während des anaeroben Aufschlusses und methanogene Bakterien produzieren Methan.
Das Biomassematerial durchläuft vier Stufen für eine effektive Methanrückgewinnung. Die Hydrolysestufe verwendet Wasser, um Feststoffe oder Halbfeststoffe in einfachere Verbindungen zu zersetzen, und dann wird entweder Fermentation oder Acidogenese verwendet, um Kohlenhydratkettenstrukturen in basischere Verbindungen wie Ammoniak, Wasserstoff und organische Säuren aufzuspalten. Die Acetogenese wird dann als dritter Schritt in dem Prozess verwendet, in dem acetogene Bakterien die organischen Säuren zusammen mit weiteren Nebenprodukten wie Wasserstoff und Kohlendioxid in Essigsäure umwandeln. Der letzte Schritt der Methanogenese verwendet methanogene Bakterien, um diese primären Endprodukte von Acetat, Wasserstoff und Kohlendioxid zu Methan zu kombinieren, das dann als Brennstoff verwendet werden kann.