Substrataufbereitung Zur Verbesserung des Abbaus faserreicher Biomasse - Biogas Forum Bayern
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FACHINFORMATION
Zur Verbesserung des Abbaus
faserreicher Biomasse
Substrataufbereitung
www.biogas-forum-bayern.de/bfb8
Biogas Forum Bayern, Verfasser:
Rainer Kissel, Günter Henkelmann, Jakob Seidel, Dr. Konrad Koch
Veronika Dollhofer, Dr. Michael Lebuhn
Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft Technische Universität München
Fachinformation - bfb8 - Ausgabe 2019
Substrataufbereitung
Foren der ALB Bayern e.V.
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1. Auflage 2019
© ALB Alle Rechte vorbehalten
Bildquelle Titelfoto R. Kissel (LfL)
Fachinformation - bfb8 - Ausgabe 2019
Substrataufbereitung
Inhaltsverzeichnis Seite
1. Einleitung .................................................................................................................... 5
2. Physikalische Verfahren .............................................................................................. 5
2.1 Zerschneiden (Schneidmühle/Schredder) ........................................................ 5
2.2 Zerreißen und Zerfasern .................................................................................. 6
2.2.1 Zermahlen................................................................................................ 6
2.2.2 Querstromzerspanung ............................................................................. 7
2.2.3 Rotierende Zahnscheiben ........................................................................ 7
2.2.4 Extrusion .................................................................................................. 9
2.3 Elektrokinetische-Desintegration .................................................................... 10
2.4 Ultraschall-Desintegration .............................................................................. 11
2.5 Hydrodynamische Kavitation .......................................................................... 12
2.6 Thermische Behandlung ................................................................................ 12
2.6.1 Dampfexplosion (steam explosion) ........................................................ 12
2.6.2 Druckunterstützte thermische Aufbereitung ........................................... 13
3. Chemische Verfahren ............................................................................................... 14
3.1 Alkalische Vorbehandlung .............................................................................. 14
3.2 Säurevorbehandlung ...................................................................................... 15
3.3 Oxidative Vorbehandlung ............................................................................... 16
4. Biologische Verfahren............................................................................................... 17
4.1 Einsatz von Bakterienkulturen ........................................................................ 17
4.2 Vorbehandlung mit Pilzen .............................................................................. 18
4.3 Enzymeinsatz ................................................................................................. 19
5. Fazit .......................................................................................................................... 20
Literaturverzeichnis ........................................................................................................... 21
3
Fachinformation - bfb8 - Ausgabe 2019
Substrataufbereitung
1. Einleitung
Diese Fachinformation beschreibt unter- brücken verknüpft sind, hat die Cellulose
schiedliche Techniken zur Aufbereitung von eine sehr stabile, „kristalline“ Struktur. Da
Substraten, die hohe Anteile an Lignocellu- diese Ketten aus D-Glucose (Zucker) aufge-
lose enthalten. Lignocellulose besteht im baut sind, ist es von großem Vorteil für die
Wesentlichen aus Lignin, Cellulose und He- Biogaserzeugung, wenn man diese Zucker
micellulose, die quervernetzt sind und die verfügbar machen kann.
pflanzlichen Strukturen flexibel und wider-
standsfähig machen (Abb. 1). Lignocellulo-
se stabilisiert die Zellwand der Pflanze und
schützt sie vor enzymatischem bzw. mikro-
biellem Abbau.
Abb. 2: Chemische Struktur einer Cellobioseein-
heit der kristallinen Cellulose
Gelingt es, durch die Substrataufbereitung
den Verbund zwischen den einzelnen Be-
standteilen der Lignocellulose aufzulösen,
kann die biologische Zersetzung deutlich
beschleunigt und gegebenenfalls auch die
absolute Methanausbeute erhöht werden.
Die dafür zur Verfügung stehenden Verfah-
ren lassen sich in drei Kategorien untertei-
Abb. 1: Aufbau der Lignocellulose pflanzlicher Zel- len: physikalisch, chemisch und biologisch.
len (Quelle: I. Kinker LfL-AQU) Auch kombinierte Verfahren sind möglich.
Weiterhin können verfahrenstechnische Va-
rianten wie mehrstufige oder mehrphasige
Cellulose ist neben Hemicellulose und Lig- Anlagenkonfigurationen, z. B. durch Vor-
nin ein wichtiger Bestandteil der pflanzli- schaltung eines „Hydrolysefermenters“ (s.
chen Zellwand. Mit etwa 50 % Massenanteil hierzu die Fachinformation des Biogas Fo-
ist sie der Hauptbestandteil pflanzlicher Zell- rum Bayern „Empfehlungen zu Verfahren
wände und damit die häufigste organische der Hydrolyse in der Praxis“) oder einfach
Verbindung und auch das häufigste Poly- zur Verlängerung der Verweilzeit zur Ver-
saccharid (Vielfachzucker) in Pflanzen über- besserung der Substrataufbereitung dienen.
haupt. Die molekulare Struktur der Cellulose Solche großtechnischen Konzepte sind
besteht aus Beta-(1,4)-glykosidisch verbun- nicht Gegenstand der vorliegenden Fachin-
denen D-Glukoseeinheiten mit der sog. Cel- formation; hierzu findet sich mehr bei [1]
lobiose als kleinstem Monomer (Abb. 2). Bei und [2]. Es besteht auch kein Anspruch,
Kettenlängen von einigen hundert bis zu dass die Verfahren, Techniken oder Maß-
15.000 Zuckermolekülen erhält man so un- nahmen in den angesprochenen Kategorien
verzweigte, lineare Molekülketten. Da diese in dieser Fachinformation vollständig ge-
Ketten durch intramolekulare Wasserstoff- nannt bzw. gelistet sind.
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Substrataufbereitung
2. Physikalische Verfahren
Ziel der physikalischen Aufbereitung ist ein beute wurde für einige Einsatzstoffe wissen-
Aufbruch der stabilen Lignocellulosestruktur schaftlich nachgewiesen. Allerdings haben
und eine mechanische Oberflächenvergrö- die Verfahren einen hohen Energiever-
ßerung der pflanzlichen Strukturen. Beides brauch, der mit dem Feuchtigkeitsgehalt,
vermehrt die Angriffsmöglichkeiten für Mik- der anfänglichen Partikellänge und dem
roben und durch Aufbrechen der kristallinen Grad der Zerkleinerung bzw. der Intensität
Struktur kann auch die Hydrolyse der Cellu- des Aufschlusses ansteigt. Nachfolgend
lose beschleunigt werden. Bei der mechani- wird erläutert, welche Aufbereitungsverfah-
schen Vorbehandlung entstehen bei Ver- ren sich in der Praxis für unterschiedliche
wendung geeigneter Materialien (z.B. Ab- Substrate als geeignet erwiesen haben. Ei-
rieb von Chrom oder Nickel in Edelstahl ver- ne zusammenfassende Übersicht findet sich
meiden!) keine toxischen Nebenprodukte. in Tab. 1 am Ende dieses Kapitels.
Eine Steigerung der realisierbaren Gasaus-
2.1 Zerschneiden (Schneidmühle/Schredder)
Zerschnitten werden vorwiegend langfaseri-
ge Einsatzstoffe wie Gras oder Mist. Für ei-
ne Behandlung stehen verschiedene Tech-
niken zur Verfügung.
Bei einer Methode wird das zu behandelnde
Material durch mehrere Messer auf einer
rotierenden Welle zerschnitten, bis die auf-
zubereitende Biomasse gesiebt werden
kann. Mit dieser Verfahrenstechnik konnte
etwa 20 bis 30 mm langes, getrocknetes
Heu auf 0,5 mm Faserlänge zerkleinert und
hierdurch die Gasausbeute um ca. 10 % ge-
steigert werden; auf 2 mm Länge geschnit-
tene Sisalfasern lieferten sogar 20 bis 25 %
mehr Gas als das 100 mm lange Ausgangs-
material [1]. In Untersuchungen an der LfL
wurde Mais- bzw. Grassilage auf Partikel-
größen von 10 bzw. 4 mm reduziert. Ein an-
schließender Batchansatz der aufbereiteten
Substrate zeigte in diesem Fall jedoch keine Abb. 3: Rota-Cut (Quelle: Firma Vogelsang GmbH)
signifikanten Gasertragssteigerungen [4].
Eine schneidende Wirkung wird auch durch kosität. Somit lässt sich Rührenergie ein-
ein Verfahren erzielt, bei dem ein Loch- sparen und die Homogenität der Suspensi-
scheibenzerkleinerer (Abb. 3) in die Sub- on verbessern. Die Zerkleinerer sind vglw.
stratleitung integriert wird. Die Technik eig- preiswert, verfügen über einen Störstoffab-
net sich besonders zur Behandlung langfa- scheider und können relativ einfach in be-
seriger Einsatzstoffe und reduziert die Vis- stehende Anlagen integriert werden.
5
Fachinformation - bfb8 - Ausgabe 2019 Substrataufbereitung Sollen Fermenterinhalte behandelt werden, Bypassleitung erforderlich ist. Im Biogasbe- sind große Mengen an Suspension zu reich ist von einem maximalen Durchsatz transportieren. Eine Kombination mit einer von 250 m³ Biomasse auszugehen. Je nach Flüssigfütterung ist deshalb ideal, da aus- Durchflussmenge variieren die elektrischen schließlich die Inputmaterialien behandelt Anschlussleistungen zwischen 2 und werden und keine zusätzliche Pumpe bzw. 18 kW. 2.2 Zerreißen und Zerfasern 2.2.1 Zermahlen (Hammermühle) Zur Zerkleinerung von Körnermais, CCM werden. Die Durchsatzleistungen stationä- und Getreide als Futtermittel werden viel- rer Geräte betragen laut Hersteller zwischen fach Hammermühlen eingesetzt. Mehrere, 12 und 16 t/h und dürften stark von der Art auf einen Rotor montierte Hämmer oder der zu behandelnden Biomasse und den Pendelschläger aus gehärtetem Flachstahl verwendeten Siebeinsätzen abhängen. In mit Kerben an den Enden werden kontinu- Versuchen mit Weizenstroh brachte die Vor- ierlich gegen das Mahlgut geschleudert und behandlung mit einer Hammermühle eine beschleunigen dieses mit enormer Ge- Steigerung der Hydrolyseausbeute von 6 % schwindigkeit in Richtung der Siebkanten. auf 34 % [6]. An der LfL erarbeitete vorläufi- Durch den andauernden Aufprall auf den ge Ergebnisse zeigten Gasertragssteigerun- Hammer und die hohe Geschwindigkeit, mit gen von 10 % bei Grassilage und Rinder- der das Material auf die Siebkante auftrifft, mist, während die Behandlung von Maissila- werden die Pflanzenteile zerkleinert. Ausrei- ge hier keinen Mehrertrag brachte. chend feine Teilchen durchdringen den Siebmantel und werden von dort aus weiter- Hammermühlen können auch zur Behand- befördert. Dies kann durch ein Gebläse o- lung von bereits vergorenem Material ver- der mechanisch erfolgen. Ausschlaggebend wendet werden. Dazu werden sie in die für die Partikelgröße sind das Lochmaß und Substratleitung integriert und behandeln das die Form des Siebkorbes(-mantels), der die flüssige Substrat, das aus dem Fermenter Schlegelwelle und die Pendelschläger kommt und nach der Behandlung diesem umgibt. wieder zugeführt wird. In der Biogasproduktion führen die Reduzie- rung der Partikelgröße und die Vergröße- rung der Oberfläche zu einem beschleunig- ten Abbau und kann damit eine erhöhte Bio- gasproduktivität bewirken. Zudem wird die Neigung zur Bildung von Schwimmschich- ten verringert und die Rühr- und Pumpen- technik entlastet. Die Technik zeichnet sich durch vergleichsweise geringe Anschaf- fungskosten, große Robustheit und weitge- hende Unempfindlichkeit gegenüber Stör- stoffen aus [1; 5]. Bei Anschlussleistungen von 22 bis 100 kW kann diese Vorbehand- lung mit steigender Behandlungsintensität und Dauer allerdings sehr energieaufwändig Abb. 4: Hammermühle (Quelle: Kissel - LfL) 6
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Substrataufbereitung
2.2.2 Querstromzerspanung
Bei dieser Verfahrenstechnik wird das Sub-
strat durch eine oder zwei großmaschige
Ketten, die auf einer senkrecht stehenden
Welle montiert sind (s. Abb. 5) stark be-
schleunigt und gegen die Wand der Einrich-
tung geschleudert. Durch die Wucht des
Aufpralls wird das Material zerkleinert und
aufgebrochen. Auch diese Technik ist relativ
tolerant gegenüber Störstoffen wie Steinen
oder Metallteilen, jedoch energieaufwändig.
In der Biogastechnik wird es häufig zur Auf-
bereitung von Grassilage eingesetzt [1]. Der
Durchsatz hängt von der Behandlungsinten-
sität und der Art der zu behandelnden Bio- Abb. 5: Querstromzerspaner (Quelle: Firma Me-
masse ab. Er beträgt zwischen 2 t/h Wa Recycling GmbH)
(Grünschnitt) und 6 t/h (Maissilage) bei ei-
ner Anschlussleistung von 75 kW. Bei einer 15 Sekunden dauernde Behandlung von
Anschlussleistung von 160 kW können 8 bis Pferdemist zusammen mit GPS, Gras- und
20 t/h behandelt werden. Maissilage im Querstromzerspaner die Me-
thanausbeute der Mixtur um knapp 10 %
In Sachsen wurde ein Querstromzerspaner [8]. Eine längere Behandlung ergab keinen
zur Aufbereitung von GPS und Grassilage Mehrertrag. Die Technologie wurde auch an
eingesetzt. Dabei konnte eine Verbesse- der LfL geprüft und erzielte Gasertragsstei-
rung der Eintrags- und Rieselfähigkeit fest- gerungen um 7 % bei der Aufbereitung von
gestellt werden, jedoch keine Erhöhung der Mais- und Szarvasigrassilage. Die Behand-
realisierten Methanausbeute [7]. Einem Be- lung von Rindermist und Grassilage zeigte
richt aus Hohenheim zufolge, erhöhte eine hier keinen Effekt [9].
2.2.3 Rotierende Zahnscheiben
Dieses Verfahren besteht aus einer Trom- soweit zerkleinert wurden, dass sie durch
mel, in deren Zentrum eine Welle mit hoher den Spalt passen. Dadurch lässt sich die
Geschwindigkeit rotiert. Auf der Welle sind Fließfähigkeit der Suspension verbessern
mehrere verzahnte Bleche oder auch Mes- und der Leistungsbedarf von Pumpen und
ser montiert. Die Trommel ist mit einem Rührwerken wird herabgesetzt. Technische
Ring ausgestattet, der das Gegenstück zu Lösungen, die nach diesem Wirkprinzip ar-
den verzahnten Blechen bildet. Er kann beiten, werden von unterschiedlichen Her-
auch als Stator mit Gegenschneiden ausge- stellern angeboten. Sie kommen mit elektri-
führt sein. Wird das Gärsubstrat zugeführt, schen Anschlussleistungen ab 15 kW aus.
kann der flüssige Anteil durch den einstell- Es werden Systeme angeboten, mit denen
baren schmalen Spalt zwischen Rotor und in Abhängigkeit des TS-Gehalts des Medi-
Stator passieren, größere Bestandteile hin- ums in der Stunde 200 bis über 500 m³ be-
gegen werden zerrissen oder zerschnitten handelt werden können.
und erst dann weiter transportiert, wenn sie
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Substrataufbereitung
Abb. 6: Disruptor (Quelle: Firma Vogelsang GmbH) Abb. 7: Homogenisator (Quelle: Firma MICCRA
GmbH)
Ein ähnliches Wirkprinzip hat ein Verfahren, des Substrats von 10 %. Der Energiebedarf
bei dem in einem zylindrischen Gehäuse liegt je nach TS-Gehalt zwischen 3 und
eine schräge Scheibe rotiert. Dadurch wird 6 kWh/t [9]. Ein Test dieser Technologie an
das Substrat in verschiedene Richtungen der LfL ergab bei einer Behandlung von
beschleunigt wodurch Schub und Scherkräf- Rindermist, Mais- und Szarvasigrassilage
te entstehen, die das Material intensiv teilweise positive Effekte auf die Gasaus-
durchmischen. Feststoffe werden durch die beute. Bei Maissilage betrug die Gaser-
Fliehkraft in die Nuten transportiert und von tragssteigerung 6 % und bei Rindermist
der Zahngeometrie der Schrägscheibe zer- 11 %. Die Behandlung von Grassilage zeig-
kleinert. Der Durchsatz liegt bei 50 m3/h bei te keine signifikant positive Wirkung auf die
8 % TS und bei 20 m3 bei einem TS Gehalt realisierbare Gasausbeute [9].
Abb. 8: Gorator (Quelle: Firma hoelschertechnic-
gorator® GmbH & Co.KG)
8
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Substrataufbereitung
Nach dem Prinzip einer Drehkolbenpumpe ten, dass diese nicht vor der Behandlung
arbeitet ein Verfahren, bei dem die zu be- abgeschieden werden. Anstelle der her-
handelnde Biomasse zerrissen und zer- kömmlichen Drehkolben sind in den soge-
hackt wird. Das Zerkleinerungsergebnis ist nannten Hackern ineinandergreifende Mes-
gröber als die der beiden oben beschriebe- serscheiben auf die beiden Antriebswellen
nen Verfahren. Zur Behandlung von groben montiert. Durch die Scheibenstruktur und
Feststoffen wie Kartoffeln, Rüben oder Ge- die Rotationsgeschwindigkeit wird die Bio-
müseresten ist es gut geeignet und kommt masse zerkleinert und damit fließfähiger,
auch vorwiegend dort zum Einsatz. Langfa- leichter zu pumpen und zu durchmischen.
serige Stoffe können die Einrichtung im Ein- Bei Anschlussleistungen zwischen 4 und
zelfall unzerkleinert passieren. Im Fall von 30 kW können je nach Ausführung 60 bis
störstoffhaltigen Einsatzstoffen ist zu beach- 320 m³/h behandelt werden.
Abb. 9: Unihacker (Quelle: Firma Börger GmbH)
2.2.4 Extrusion
Das Verfahren der Extrusion kombiniert die flächenvergrößerung) und ändert die ge-
thermische und mechanische Substratvor- samte Struktur der Biomasse [11]. Dadurch
behandlung. Dabei wird die aufzubereitende wird zusätzliche Organik für den enzymati-
Biomasse durch eine oder mehrere Schne- schen und mikrobiellen Angriff verfügbar
cken in einer Metallröhre gegen einen Wi- gemacht, was zu einer Steigerung der Me-
derstand gedrückt, wodurch hohe Scher- thanausbeute führen kann.
kräfte entstehen, die wiederum zu lokalem
Temperatur- und Druckanstieg führen [11]. Extruder weisen Anschlussleistungen zwi-
Ein Teil der Lignocellulose wird dadurch schen 22 und 110 kW auf und können
aufgeschlossen, ein weiterer Aufschluss er- Durchsätze bis zu 9 t/h bewältigen.
folgt bei der nachfolgenden Entspannung
des Materials, bei dem intrazelluläres Was- Laut Firmenangaben liegt der Stromver-
ser verdampft und die Zellwände schädigt. brauch bei 10 bis 25 kWh/t Biomasse. An
der sächsischen Landesanstalt für Landwirt-
Das Verfahren eignet sich für alle landwirt- schaft wurde der Effekt der Extruderbe-
schaftlichen Reststoffe, insbesondere aber handlung auf die Gasausbeute von Mais-
für krautiges Material [11]. Es führt zu einer und Grassilage untersucht. Dabei wurden
Verringerung der Partikelgröße (Ober- zwei Zerkleinerungsstufen geprüft. Bei
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Fachinformation - bfb8 - Ausgabe 2019
Substrataufbereitung
Maissilage bewirkte die Vorbehandlung eine
Methanertragssteigerung von 7 bis 14 %,
bei der Grassilage sogar 19 bis 26 % mehr
Methan im Vergleich zur unbehandelten
Kontrolle [7]. Eine Untersuchung an der LfL
zeigte positive Effekte für behandelten Rin-
dermist sowie für Mais-, Gras- und Szarva-
sigrassilage. Der Methan-Mehrertrag lag
zwischen 5 und 8 % [9].
Abb. 10: Extruder (Quelle: Barth, LfL)
2.3 Elektrokinetische Desintegration
Bei dieser Verfahrenstechnik wird die vergleichsweise sehr geringen Strombedarf.
Gärsuspension einem elektrischen Hoch- Laut den Angaben eines Herstellers benö-
spannungsfeld ausgesetzt, während sie tigt eine 500 kW Anlage drei bis vier Modu-
durch eine Substratverrohrung gepumpt le. Die elektrische Anschlussleistung beträgt
wird. Durch die Polarisierung des durchflie- dann unter 0,2 kW wodurch jährlich Strom-
ßenden Mediums werden polare Verbindun- kosten von lediglich 30 € anfallen [10]. Je-
gen, z. B. Proteine oder Fettsäuren der doch wird, zum Schutz vor Verstopfungen
Lipiddoppelschicht in der Zellmembran aus bzw. Fremdkörperschäden, häufig eine me-
der Zellstruktur herausgelöst. Dadurch wer- chanische Zerkleinerungseinheit vorge-
den die Zellmembranen durchlässig. Durch schaltet (siehe oben) wodurch der Strombe-
osmotische Kräfte platzen die Zellen auf, darf wieder ansteigt. Das System bewältigt
und der Zellinhalt mit weiteren Nährstoffen in Abhängigkeit des TS-Gehaltes der Sus-
und Spurenelementen sowie organischen pension Durchsätze bis 200 m³/h und kann
Verbindungen werden für den enzymati- deshalb relativ einfach in die bestehenden
schen und mikrobiellen Abbau verfügbar Substratleitungen integriert werden.
gemacht und die Enzymaktivität gesteigert.
Gegebenenfalls kann dadurch die realisier-
bare Gasausbeute gesteigert werden. An
der LfL wurde die Wirksamkeit der Methode
untersucht, indem Gärgemischproben aus
Kleegras und Rindermist, die an einer Pra-
xisanlage vor und nach der Desintegration
gezogen wurden, mittels eines Batch-Tests
auf deren Gasertrag geprüft wurden. Dabei
konnte allerdings keine statistisch signifi-
kante Steigerung der Methanausbeute fest-
gestellt werden [15]. In der Praxis wurde da-
gegen beobachtet, dass durch das Verfah-
ren bis zu 5 % Mais eingespart wurden.
Gleichzeitig sank der Eigenenergiebedarf
um rund 20 %, da deutlich weniger Rührauf-
wand betrieben werden musste [36]. Die
Besonderheit dieses Verfahrens liegt in dem Abb. 11: BioCrack (Quelle: Firma Vogelsang GmbH)
10Fachinformation - bfb8 - Ausgabe 2019
Substrataufbereitung
2.4 Ultraschall-Desintegration
Die Desintegration von Biomasse mittels noch einen kontinuierlichen Betrieb dieser
Ultraschall stellt eine der energieeffizientes- Ultraschallsysteme.
ten Methoden zum Aufschluss fester Parti-
kel in flüssiger Biomasse dar. Dabei erzeu- Deutlich zuverlässiger ist der Einsatz soge-
gen leistungsstarke, elektrische Schwing- nannter Rohrreaktoren. Dabei dient das ge-
systeme in der Flüssigkeit feinste Kavitati- samte substratführende Edelstahlrohr als
onsblasen. Bei der Implosion der Kavitati- resonantes Ultraschallsystem und kann das
onsblasen entstehen hohe Temperaturen, Substrat somit ohne hervorstehende Ein-
Drücke und Scherkräfte, welche das Sub- bauten optimal beschallen [39]. Die in das
strat aufschließen und den Zellinhalt verfüg- Substrat eingebrachte Ultraschallenergie ist
bar machen. Durch die Zerstörung der Zell- dabei abhängig von der Anzahl der einge-
membran werden intrazelluläre Enzyme frei- setzten Ultraschallmodule. Für beide Ultra-
gesetzt, welche die optimale Umsetzung der schall-Verfahrensweisen wurde eine Steige-
Biomasse befördern [37]. Neben der Ver- rung der Gasausbeute von bis zu 20% im
besserung des biologischen Abbaus wird Labor erzielt [40; 41]. Der Energieaufwand
die Viskosität des beschallten Substrats ver- für die Beschallung liegt im großtechnischen
ringert. Dies verstetigt nicht nur den Anla- Maßstab bei 5 bis 10 kWh pro m³ behandel-
genbetrieb, sondern reduziert darüber hin- ten Substrats. Dies umfasst den Strombe-
aus den Bedarf an Rührenergie und das Ri- darf der Ultraschallreaktoren sowie der Ne-
siko von Schwimmschichten. benaggregate wie Pumpe und Feststoffzer-
kleinerer.
Aufgrund einer verbesserten Schallübertra-
gung in flüssigen Medien wird ausschließ- Insgesamt bietet sich der Einsatz von Ultra-
lich flüssiger Fermenterinhalt beschallt. Da- schallsystemen insbesondere auf Anlagen
bei wird das Substrat durch einen Bypass an, bei denen eine Verringerung der Visko-
aus dem Hauptfermenter oder Nachgärer sität des Substrats von hoher Bedeutung für
entnommen und mit einem Volumenstrom eine optimale Gasausbeute ist.
von wenigen m³ pro Stunde durch die Ultra-
schallreaktoren gefördert. Anschließend
wird das aufgeschlossene Substrat zur wei-
teren Vergärung rückgeführt. Die Förderung
des Substrats erfolgt i.d.R. durch kompakte
Exzenterschneckenpumpen. Zur Vermei-
dung von Verstopfungen der Pumpe durch
Störstoffe sollte stets ein mechanischer Zer-
kleinerer vorgeschaltet werden.
Für die Erzeugung von Ultraschall sind ak-
tuell Systeme mit zwei Grundprinzipien am
Markt verfügbar. Zum einen kann die Ultra-
schallenergie durch stabförmige Sonotroden
in das Substrat eingebracht werden. Hierbei
besteht jedoch insbesondere bei faserhalti-
gen Substraten das Risiko von Verstopfun- Abb. 12: Ultraschall-Rohrreaktor zur
gen und Ablagerungen [38]. Geeignete au- Beschallung von Biogassubstrat (Quelle: Firma
tomatische Spülsysteme ermöglichen den- BANDELIN electronic GmbH & Co. KG)
11Fachinformation - bfb8 - Ausgabe 2019
Substrataufbereitung
2.5 Hydrodynamische Kavitation
Der Kavitationseffekt kann auch hydrome- Ablauf. Diese erzeugen ebenfalls Kavitati-
chanisch hervorgerufen werden, indem Fer- onsblasen, die den gewünschten Effekt auf
mentermaterial mit 8 bis 10 bar Druck durch das zu behandelnde Medium ausüben (Abb.
eine Düse gepresst wird (Abb. 13). Durch 14). Je nach Ausführung ist zur Vermeidung
die schlagartige Entspannung entstehen von Verstopfungen eine mechanische Zer-
Kavitationsblasen, die – wie bei der Ultra- kleinerungseinheit vorzuschalten (z. B.
schallbehandlung beschrieben – implodie- Schneidsieb). Anwender sprechen von ho-
ren, wodurch große Kräfte auf die Zellen mogenerem Gärsubstrat, reduzierten Rühr-
einwirken. Andere Hersteller nutzen die zeiten und höheren Gaserträgen. Von wis-
durch hohe Drehzahlen eines Rotors entste- senschaftlicher Seite liegen noch keine In-
henden Druckdifferenzen zwischen Zu- und formationen zur Effektivität des Verfahrens
vor.
Abb. 13: Suprajet (Quelle: Firma greentex-service) Abb. 14 : BioBANG-Kavitator
(Quelle: Firma BioBANG)
2.6 Thermische Behandlung
Die thermische Behandlung von Biomasse cker freigesetzt. Durch das Aufbrechen der
bei Temperaturen zwischen 150 °C und stabilen Lignocellulosestruktur lässt sich die
180 °C führt dazu, dass sich - verstärkt Gasausbeute steigern. Ab ca. 160°C nimmt
durch zusätzlichen Überdruck - Teile der aber die Gefahr der Hemmstoffbildung zu
Lignocellulose zu lösen beginnen. Wenn was zu einem Rückgang der Ausbeute füh-
Wasser vorhanden ist, wird ein Teil der He- ren kann [16].
micellulose hydrolysiert, und es werden Zu-
2.6.1 Dampfexplosion (steam explosion)
Zusätzlich zur gewöhnlichen Dampfbehand- ren gebracht, wodurch die geordnete Zell-
lung wird bei dem Verfahren der Dampfex- struktur zerstört wird. Durch diesen Prozess
plosion durch eine schnelle Druckentlastung wird ein großer Teil der Hemicellulose ge-
mit anschließender rascher Abkühlung die löst und so für hydrolytische Mikroorganis-
Flüssigkeit in der Biomasse zum Explodie- men leichter zugänglich [5; 16].
12Fachinformation - bfb8 - Ausgabe 2019
Substrataufbereitung
Die Dampfexplosion ist eine Methode zur zur Bildung toxischer Substanzen im Gärge-
Aufbereitung landwirtschaftlicher Reststoffe, misch führen kann. Eine dadurch hervorge-
da sie im Vergleich zu mechanischen Ver- rufene Beeinträchtigung der Methanbildung
fahren etwa 70 % weniger Energie zur Er- kann durch die Zugabe von verdünnten
reichung eines vergleichbaren Zerkleine- Säuren (z.B. H2SO4; Gefahrstoff!) verhindert
rungsgrads benötigt [12]. Die erforderliche werden [17]. Außerdem kann sich die me-
Behandlungsdauer steigt mit dem Wasser- thanbildende Biozönose an eine gewisse
gehalt der aufzubereitenden Biomasse. Zu Konzentration von Hemmstoffen anpassen
beachten ist, dass diese Verfahrenstechnik [16].
2.6.2 Druckunterstützte thermische Aufbereitung
Bei diesem Verfahren dringt 180 – 220 °C Wert von 4 bis 7 eingehalten wird [5; 16].
heißes Wasser in die Lignocellulosestruktur Die Behandlung wird als besonders geeig-
ein, wodurch Teile der Hemicellulose und net für Maisstroh beschrieben, ist jedoch
des Lignins herausgelöst und für die Hydro- aufgrund des hohen Wasserbedarfs, des
lyse verfügbar gemacht werden. Um das dafür erforderlichen Drucks und der hohen
Wasser flüssig zu halten, muss das Verfah- Temperaturen vergleichsweise aufwändig
ren unter Druck durchgeführt werden. Auch [1]. Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens
hier können die hohen Temperaturen zur muss deshalb betriebsindividuell kritisch ge-
Bildung von Hemmstoffen führen, die auf- prüft werden.
grund der eingesetzten Wassermengen
aber in geringeren Konzentrationen vorlie- Eine Übersicht und qualitative Bewertung
gen als bei der Dampfbehandlung. Die Bil- der gängigen physikalischen Verfahren zur
dung der Hemmstoffe scheint auch unter- Substrataufbereitung in der Biogastechnik
bunden werden zu können, wenn ein pH- gibt die untenstehende Tabelle.
Verfahren/ Beschleu- Hemm- Stör- War- Strom- Wäme- Substrate, für die eine Steige-
Aggregat nigung stoff- stoffan- tungs- bedarf bedarf rung der Methanausbeute nach
der Hydro- bildung fällig- bedarf Behandlung nachgewiesen wur-
lyse keit de
Schneidmühle/ ja nein ja mittel mittel null Maissilage
Schredder
Hammermühle ja nein nein mittel hoch null Stroh, Grassilage, Rindermist
Querstrom- ja nein nein gering hoch null Mais- u. Grassilage, Mixtur von
zerspaner Mist/Mais/ GPS/Grassilage
Rotierende n.n.* nein ja mittel gering null Rindermist, Mais- und
Zahnscheiben Szarvasigrassilage
Kavitation n.n.* nein nein gering mittel null Belebtschlamm in Abwasserreini-
gungsanlagen
Elektrokinetik ja nein nein gering gering null Mischschlamm
Druckunterstütz- ja bedingt nein gering hoch hoch Maisstroh,
te thermische Energiepflanzen (allgemein)
Aufbereitung
Extrusion ja nein ja mittel hoch null Mais-, Gras,- und Szarvasigras-
silage, Rindermist
* nicht nachgewiesen
Tab. 1 : Eigenschaften unterschiedlicher physikalischer Methoden zur Aufbereitung von Biomasse
13Fachinformation - bfb8 - Ausgabe 2019
Substrataufbereitung
3. Chemische Verfahren
Nach einer chemischen Hydrolyse und lungen. Die Vorbehandlung mittels Basen
Spaltung kann ein hoher Anteil an biolo- oder Säuren wird in der Praxis noch selten
gisch abbaubaren Zuckern aus der Cellulo- eingesetzt. Chemische Vorbehandlungen
se verfügbar gemacht werden [18]. Typi- könnten jedoch für die Biogaserzeugung
sche chemische Vorbehandlungen sind al- künftig eine gewisse Rolle spielen [17].
kalische, saure und oxidative Vorbehand-
3.1 Alkalische Vorbehandlung
Für eine alkalische Vorbehandlung werden fand man in verschiedenen Untersuchungen
verdünnte Lösungen von Natriumhydroxid höhere Gaserträge als ohne Behandlung
(NaOH) und Löschkalk (Calciumhydroxid, [18]. Kalilauge (KOH) hat eine ähnliche Wir-
Ca(OH)2) aber auch z.B. Kaliumhydroxid kung wie Natronlauge (NaOH). Da sie aber
(KOH) oder Ammoniak (NH3) verwendet viel teurer ist, ist schon aus wirtschaftlichen
[19]. Gründen ein größerer Einsatz fraglich. Vor-
behandlungen mit Ammoniak (NH3) wurden
Die alkalische Behandlung kann u. a. die ebenfalls intensiv geprüft, da diese Chemi-
Lignin-Kohlenhydrat-Bindungen spalten. kalie wenig kostet und nicht korrosiv ist. Sie
Dies führt zu einem Aufquellen der gesam- hatte im Versuch eine geringere toxische
ten Struktur der Biomasse [20]. Mikroorga- Wirkung und konnte zudem rückgewonnen
nismen und Enzyme können das Substrat werden [19]. Jedoch ist der Aufschluss mit
dann leichter abbauen [18]. Die Vorbehand- Ammoniak gegenüber der Natronlauge we-
lung mit alkalischen Chemikalien hat den niger intensiv, und eine hohe Ammoniak-
Vorteil, dass die Senkung des pH-Werts konzentration kann den Mikroorganismen
vermieden wird [18]. Bei stark holzigen Lig- im Fermenter schaden.
nocelluloseverbindungen im Substrat ist die
Vorbehandlung mit Basen wohl besser ge- Allgemein ist die Wirksamkeit der basischen
eignet als die saure Vorbehandlung. Die Chemikalien vom Substrat, vom Ligninge-
Hydrolyse läuft zwar bereits ohne zusätzli- halt und von den Behandlungsbedingungen
che Temperaturerhöhung ab, allerdings abhängig [17]. Sie sind besser geeignet für
kann eine höhere Temperatur den Auf- Substrate mit geringerem Ligningehalt [19]
schluss verbessern [18]. und daher effektiver bei landwirtschaftlichen
Rückständen, die einen niedrigeren Lignin-
Aus mehreren Studien folgern Zheng et al. gehalt aufweisen [17]. Der Vorteil der alkali-
[20], dass die alkalische Vorbehandlung mit schen gegenüber einer Vorbehandlung mit
Natronlauge (NaOH) für Stroh wirtschaftlich Säuren ist, dass die basischen Verbindun-
und machbar ist. So wurde z.B. Weizen- gen im Fermenter die während der initialen
stroh über 5 Tage bei 37 °C mit 4 % NaOH Acidogenese (Versäuerungsphase) gebilde-
vorbehandelt, was zu einer Zunahme der ten Säuren zumindest teilweise neutralisie-
Methanausbeute um 112 % führte [20]. Eine ren. Eine Anhebung des pH-Werts in den
Vorbehandlung von Maisstroh mit 6 % Neutralbereich kann die Methanogenese
NaOH erzielte im Vergleich zu unbehandel- sogar beschleunigen.
tem Maisstroh eine um 48 % höhere Bio-
gasausbeute. Auch bei Gras als Substrat
14Fachinformation - bfb8 - Ausgabe 2019
Substrataufbereitung
ACHTUNG! Siehe hierzu auch die Fachinformationen
des Biogas Forum Bayern:
Natronlauge, Kalilauge, Löschkalk und
Branntkalk können bei Kontakt mit der Hinweise zum sicheren Umgang mit Ge-
Haut und den Augen zu schweren Rei- fahrstoffen
zungen und Verätzungen führen! Bei al- Teil 1: Rechtliche Grundlagen, Kenn-
len alkalischen Chemikalien handelt es zeichnung, Gefährdungsbeurteilung
sich um Gefahrstoffe, die mit entspre- Teil 2: Praxishilfe für die Umsetzung der
chender Vorsicht zu handhaben sind! TRGS 529
3.2 Säurevorbehandlung
Bei einer sauren Vorbehandlung wird die ken ist auch, dass eine zusätzlicher Neutra-
Biomasse typischerweise mit verdünnter lisation der Säuren vor der Fermentation
Säure (z.B. Schwefelsäure, H2SO4, oder nötig ist [21].
Schwefeldioxid, SO2) und möglicherweise
mit Dampf mit ca. 150 – 180 °C behandelt. Das schwer hydrolysierbare Lignin kann nur
Bei diesem Prozess werden die Glucose- mit sehr starken, konzentrierten und oxidie-
(1,4)-Bindungen (Abb. 2) gelöst, und die renden Säuren, wie z.B. Schwefelsäure o-
Cellulose wird teilweise in Zucker umwan- der Salpetersäure gelöst werden. Untersu-
delt. Hemicellulosen, die aus Monosacchari- chungen von Ahmad et al. [19] ergaben ei-
den wie z.B. Mannose, Glukose, Xylose und ne höhere Löslichkeit von Lignin in Zei-
Arabinose aufgebaut sind, werden ebenfalls tungspapier unter Verwendung von Salpe-
aufgeschlossen. Sie sind sogar reaktiver als tersäure (HNO3). Konzentrierte Säuren sind
die langen Cellulose-Moleküle. Mit einer allerdings toxisch, korrosiv und gefährlich
Säurevorbehandlung sind daher hohe Zu- und erfordern besondere Schutzmaßnah-
ckerausbeuten bei der Hydrolyse möglich men. Bei ihrer Verwendung benötigt man
[17; 16]. Für eine maximale Ausbeute an Reaktoren mit besonders korrosionsbestän-
Zuckern ohne die Bildung von Inhibitoren digen Materialien, die Bildung von Inhibito-
müssen die Bedingungen (Temperatur, Be- ren ist möglich, und die so vorbehandelten
handlungszeit, Säurekonzentration) bei der Substrate müssen aufwändig neutralisiert
Behandlung dem eingesetzten Einsatzstoff werden, bevor sie im Fermenter enzyma-
entsprechend optimiert werden [17]. Bei der tisch oder mikrobiell abgebaut werden kön-
Säurebehandlung von Hemicellulosen und nen [21]. Die Kosten dafür sind viel höher
ligninhaltigen Strukturen können auch hem- als bei anderen, z.B. physikalischen Vorbe-
mende Nebenprodukte (Inhibitoren) wie z.B. handlungsmethoden, weshalb diese Art der
Furfural und insbesondere Vanillin gebildet chemischen Vorbehandlung nur sehr selten
werden. Bestimmte, für den Prozess rele- durchgeführt wird. H2SO4 wird am häufigs-
vante Mikroorganismen können diese Ne- ten verwendet, weil es eine kostengünstige,
benprodukte nur begrenzt tolerieren. Wird sehr reaktive und leicht verfügbare Säure
ein kritischer Wert erreicht, haben diese ist.
Stoffe eine hemmende Wirkung. Zu beden-
15Fachinformation - bfb8 - Ausgabe 2019
Substrataufbereitung
ACHTUNG! Siehe hierzu auch die Fachinformationen
des Biogas Forum Bayern:
Bei Säuren handelt es sich um Gefahren-
stoffe. Es sind unbedingt entsprechende Hinweise zum sicheren Umgang mit Ge-
Vorsichtsmaßnahmen bei der Handha- fahrstoffen
bung dieser Stoffe zu treffen! Teil 1: Rechtliche Grundlagen, Kenn-
zeichnung, Gefährdungsbeurteilung
Teil 2: Praxishilfe für die Umsetzung der
TRGS 529
3.3 Oxidative Vorbehandlung
Bei der oxidativen Vorbehandlung werden dem H2O2 und der Biomasse etwa 1:4 be-
oxidierende Verbindungen wie z.B. Ozon tragen. Die Behandlung mit 4 % H2O2 bei
(O3) oder Wasserstoffperoxid (H2O2) einge- thermophilen Bedingungen (etwa ab 50 °C)
setzt. Ozon kann durch Hochspannung di- führte zu einem besseren anaeroben Abbau
rekt erzeugt oder als Gas eingeleitet wer- von Sonnenblumenstängeln und folglich zu
den. Ziel ist es, die Hemicellulose und Lig- einem Anstieg der Methanproduktion von
nin oxidativ zu spalten um die Abbaupro- 33 % [18]. Hendriks und Zeeman [16] ge-
dukte und die Cellulose für die Mikroorga- ben ein pH-Maximum von 11,5 für H2O2 an.
nismen und Enzyme besser zugänglich zu Unter einem pH-Wert von 10,0 findet keine
machen [16]. Diese Behandlung wird jedoch Delignifizierung mehr statt. Bei einem pH-
aus Kostengründen nur sehr selten einge- Wert > von 12,5 wurde auch keine Wirkung
setzt. Auch besteht die Gefahr der Bildung des H2O2 auf den enzymatischen Abbau
von oxidierten Carbonsäuren und Peroxi- festgestellt [16]. Der Hauptvorteil dieser Me-
den, die auch als Inhibitoren wirken können. thode ist, dass bei der richtigen Konzentrati-
on von H2O2 anscheinend nur geringe Men-
Wasserstoffperoxid in Konzentration von gen an Hemmstoffen entstehen. Zudem ent-
30 % in wässriger Lösung ist einfacher ver- stehen keine chemischen Rückstände, da
fügbar als Ozon [20]. H2O2 hat eine ähnliche sich Wasserstoffsuperoxid vollständig ab-
Wirkung wie eine alkalische Vorbehandlung baut [18]. Bei zu hohen Konzentrationen,
bei lignocellulosehaltigen Einsatzstoffen [1]. können jedoch Oxidationsprodukte entste-
Für einen wirksamen Abbau des Lignins hen, die eine toxische Wirkung haben und
muss hierbei ein enger pH-Bereich von 10 insbesondere anaerobe Mikroorganismen
bis 12 eingehalten werden. Für einen guten hemmen können. Auch sollte beachtet wer-
Ligninabbau sollte das Verhältnis zwischen den, dass durch die oxidative Vorbehand-
lung gegebenenfalls ein Teil des vorhande-
nen Biogaspotentials vernichtet wird.
16Fachinformation - bfb8 - Ausgabe 2019
Substrataufbereitung
4. Biologische Verfahren
Von den verschiedenen Methoden zum baut werden und deshalb regelmäßig bei
Substrataufschluss ist die biologische Vor- Bedarf zugesetzt werden müssen (siehe
behandlung noch am wenigsten untersucht, hierzu auch die Fachinformation
in vielen Bereichen besteht noch For- „Marktübersicht Zusatz- und Hilfsstoffe in
schungsbedarf. Mit zunehmendem Ver- Biogasanlagen“).
ständnis der Bedürfnisse der Mikroorganis-
men und der Mechanismen steigen aber die Bei der biologischen Vorbehandlung mit
Möglichkeiten, geeignete Mikroben oder Mikroorganismen werden lebende Bakterien
Konsortien ökonomisch und ökologisch vor- oder Pilze eingesetzt, die lignocellulolytisch
teilhaft zum Lignocelluloseabbau einzuset- wirksame Enzyme bilden. Diese greifen die
zen. Der prinzipielle Vorteil der biologischen chemische Struktur der Lignocellulose an,
Aufbereitung liegt darin, dass die „kleinen Pilze mit ihren Hyphen auch physikalisch,
Akteure“ einen Teil der Substrate zu ihrer sie verändern die Lignin-Struktur und ver-
Vermehrung und Enzymproduktion verwen- bessern die Löslichkeit u.a. von Cellulose,
den, und dass keine oder kaum Hilfsstoffe Hemicellulose und Lignin. Durch den Auf-
für einen dauerhaften Substratabbau zuge- bruch der Ligninschicht entsteht eine größe-
setzt werden müssen. Bei der Behandlung re Angriffsfläche für die im Biogasprozess
mit Enzymen aus industrieller Produktion aktiven Mikroorganismen, und der Zugang
ist das anders, da diese nur eine bestimmte zu den energiereichen Verbindungen wird
Zeit lang wirksam sind, im Prozess abge- erleichtert.
4.1 Einsatz von Bakterienkulturen
Eine Vielzahl von Bakterien ist in der Lage, terielle Abbau von Lignin ist allerdings bis-
Lignocellulose oder deren Bestandteile Cel- her noch kaum untersucht und wegen der
lulose und Hemicellulose enzymatisch auf- Gefahr der Bildung inhibierender Verbin-
zuspalten. Dabei gelten Cellulose und He- dungen auch nicht unbedingt erwünscht.
micellulose als leichter abbaubar und kön- Um eine möglichst effektive mikrobielle
nen von vielen verschiedenen Bakterien ab- Vorbehandlung zu erzielen, ist ein Einsatz
gebaut werden (z. B. Cellulomonas fimi und von mikrobiellen Konsortien mit Spezialis-
Thermomonospora fusca; [22]). Einige Bak- ten für die einzelnen Aufschlussschritte am
teriengruppen (z. B. viele Clostridien) besit- erfolgversprechendsten.
zen neben frei sekretierten Enzymen spezi-
alisierte Multienzymkomplexe (Cellu- An der LfL wurde ein Voraufschluss von
losome), in denen neben synergistisch wir- Gras- und Maissilage mit bakteriellen Kul-
kenden Cellulasen und Hemicellulasen eine turen (z.B. Clostridium thermocellum, C.
Cellulose-Binde-Domäne integriert ist, um stercorarium, Mischungen mit diesen und
die Substrate direkt zu attackieren. verschiedene Anreicherungskonsortien)
u.a. im einstufig thermophilen sowie meso-
Der Abbau von Lignin ist zwar die Domäne philen Betrieb in Batch- und Durchflussan-
der aeroben Weißfäulepilze, es ist aber be- sätzen untersucht [23]. Für Maissilage wur-
kannt, dass auch manche Bakterien Peroxi- de wohl wegen der a priori hohen Abbauef-
dasen, Laccasen und β-Etherasen bilden fizienz nur ein geringfügig gesteigerter Me-
können und somit das enzymatische Poten- thanertrag erreicht, bei Grassilage war
tial für den Ligninabbau aufweisen. Der bak- wohl wegen intensivierten Proteinabbaus
17Fachinformation - bfb8 - Ausgabe 2019
Substrataufbereitung
eine verstärkte NH3 (Ammoniak) -Toxizität als schwierig, da sie sich in der vorhande-
zu beobachten. Das bedeutet aber nicht, nen Biozönose schlecht behaupten kann
dass die Kulturen wirkungslos waren: die und rasch ausgeschwemmt wird [24]. Bei
starke Säureproduktion nach der Inokulation zweistufigem Betrieb mit mikrobiellem Vo-
zeigte, dass Hydrolyse und Acidogenese raufschluss sollte diese Problematik redu-
intensiviert waren. Die angeimpften Orga- ziert sein. In einem separaten, speziell zum
nismen starben aber wohl wegen nicht pas- Voraufschluss und entsprechend den Be-
sender Umwelt- bzw. Prozessbedingungen dürfnissen der eingesetzten Mikroorganis-
schnell ab. men gestalteten Prozess ist die Chance we-
Generell erweist sich die Etablierung einer sentlich größer, dass sich die Konsortien
prozessfremden Kultur zur Bioaugmentation etablieren und vermehren.
in einem funktionierenden Biogasprozess
4.2 Vorbehandlung mit Pilzen
Pilze gehören zu den effektivsten Verwer- allerdings im Labor- oder Technikums-
tern lignocellulosereicher Biomasse (LCB) Maßstab durchgeführt. Unserer Kenntnis
in der belebten Umwelt. Der aktuelle Kennt- nach werden aktuell noch keine lignocellulo-
nisstand zu diesem Thema ist in Bomble et lytischen Pilze zur Substratvorbehandlung
al. [25] sehr schön zusammengestellt. Die in großtechnischen Biogasanlagen einge-
Fähigkeit aerober und anaerober Pilze, be- setzt.
trächtliche Mengen an lignocellulolytischen
Enzymen zu produzieren und Fasern auch Bei einem Einsatz aerober Pilze zum LCB-
mechanisch aufzuschließen, macht sie zu Aufschluss ist allerdings zu bedenken, dass
potentiellen Kandidaten für die Vorbehand- diese das Substrat bei Verfügbarkeit von O2
lung von LCB. Durch den spezifischen Zu- (Sauerstoff) zwar sehr schnell und effizient
satz solcher Pilze und damit der Nutzung aufschließen, aber auch einen Teil der orga-
ihrer z.T. speziellen Abbaustrategien, die nischen Substanz unter Freisetzung von
höchst synergistisch zu denen der Bakterien CO2 veratmen. Dabei kann relativ viel pilzli-
arbeiten können, kann ein besserer Auf- che Biomasse anwachsen. Wenn dies nicht
schluss und eine gesteigerte Methanpro- vermieden wird, entstehen a priori Verluste,
duktion aus solchen schwerverdaulichen die in anaeroben Prozessen nicht anfallen.
Substraten erzielt werden. Weiterhin können beim LCB-Abbau für den
Methanbildungsprozess toxische Verbin-
Zu den lignocellulolytischen Pilzen zählen dungen entstehen. Besonders wenn die Lig-
Vertreter der Ascomycota, der Basidiomyco- ninfraktion enzymatisch angegriffen wird,
ta, inklusive der Weißfäule- und Braunfäu- entstehen phenolische Verbindungen, die
lepilze, sowie Vertreter der Neocallimastigo- wie z.B. Vanillin [30] bekanntermaßen ein
mycota, der anaeroben Pilze. Das lignocel- hohes Hemmpotential haben [31].
lulolytische Potenzial dieser Pilzgruppen
wurde beispielsweise zur Vorbehandlung Ein Einsatz anaerober Pilze wird aktuell un-
von Bioabfall unter aeroben [26] und zur tersucht. Vor einem Einsatz in der Praxis
Vorbehandlung von Maissilage und Rohr- muss allerdings noch ihre bislang schwieri-
kolben sowie Heu unter anaeroben Bedin- ge Kultivierung vereinfacht werden. Die For-
gungen [27; 28] untersucht. Pilze ließen schung läuft intensiv, es bedarf aber sicher
sich auch zum weiteren Aufschluss abge- noch einiger Jahre Entwicklung vor substan-
presster Gärrestfasern aus Biogasanlagen tiellen Erfolgsmeldungen.
[29] nutzen. Die genannten Studien wurden
18Fachinformation - bfb8 - Ausgabe 2019
Substrataufbereitung
4.3 Enzymeinsatz
Enzyme sind industriell hergestellt und nicht Der Einsatz von spezifisch zusammenge-
mehr wie Mikroorganismen lebendig und stellten Enzympräparaten kann also von
vermehrungsfähig. Der Sammelbegriff Nutzen sein, wenn bestimmte Prozess-
„Enzyme“ beinhaltet ein breites Spektrum schritte suboptimal ablaufen und die Me-
an verschiedenen Proteinen wie z.B. Pro- thanausbeute nicht den Erwartungen ent-
teasen, Cellulasen, Hemicellulasen, Amyla- spricht. Solche Situationen können bei-
sen, Pectinasen, Laccasen oder Peroxi- spielsweise auftreten, wenn
dasen. Als biologische Katalysatoren be-
schleunigen sie meist sehr spezifisch be- ► die (lignocellulosereiche) Biomasse nicht
stimmte stofflichen Reaktionen und Abbau- ausreichend (vor)aufgeschlossen ist,
vorgängen oder ermöglichen diese sogar ► das Methanpotential im Gärrest (z.B. in
erst. Beispielsweise greifen Hemicellulasen Form unverdauter Fasern) noch erheb-
typischerweise keine Cellulose an, und lich ist,
selbst bei den cellulosespaltenden Cellula- ► Schwimmschichten in den Gärbehältern
sen gibt es große Unterschiede in der Wirk- oder im Gärrestlager nicht mehr abge-
samkeit und im Wirksamkeitsbereich. Als baut werden oder
Einsatzorte kommen die Einsatzstoffe, die ► die erforderliche Rührenergie infolge ho-
Fermenter und der (ggf. abgepresste) Gär- her Viskosität in Fermentern massiv an-
rest in Frage. Eine Einführung in die The- steigt.
matik findet sich in [32], und in der Fachin-
formation „Marktübersicht Zusatz- und Hilfs- In solchen Fällen kann ein Enzymeinsatz
stoffe in Biogasanlagen“ des Biogas Forums bei den Substraten, in Fermentern oder
Bayern findet sich eine Zusammenstellung (abgepressten) Gärrestfasern sinnvoll, in
kommerzieller Hersteller. Brémond et al. [2] Notsituationen sogar die einzige Möglichkeit
stellen aktuelle Produkte und Anwendungs- sein. Allerdings ist die biotechnologische
berichte auch für landwirtschaftliche Rest- Herstellung solcher Enzympräparate auf-
stoffe vor. wändig und entsprechend kostenintensiv
[32; 33]. Es muss daher situationsabhängig
In einem optimal funktionierenden Fermen- sorgsam abgewogen werden, ob ein Ein-
ter produzieren die Mikroorganismen die satz von Enzymen ökonomisch sinnvoll ist
erforderlichen Enzyme ständig selbst in und nicht andere Maßnahmen wie beispiels-
ausreichender Konzentration. Ein Enzymzu- weise die Veränderung des Fütterungsma-
satz bringt hier keine Verbesserung. Enzy- nagements die bessere, weil kostengünsti-
me sind nur eine gewisse Zeit aktiv, sie wer- gere Alternative darstellen.
den von den Mikroorganismen abgebaut
und als Substrate verwertet. Enzympräpara-
te müssen dem Prozess daher kontinuier-
lich zugeführt werden.
19Fachinformation - bfb8 - Ausgabe 2019
Substrataufbereitung
5. Fazit
Um speziell den Abbau faserreicher Bio- Bildung von Störstoffen und abhängig von
masse in Biogasanlagen durch eine Vorbe- der Natur der Chemikalien sind auch schäd-
handlung zu steigern, stehen eine Reihe liche Umweltwirkungen nicht auszuschlie-
physikalischer, chemischer und biologischer ßen. Dementsprechend ist ihr Einsatz in der
Verfahren zur Verfügung. Mehrstufige Anla- Praxis aktuell vernachlässigbar und wird
genkonzepte und physikalische Aufschluss- dies wohl auf absehbare Zeit auch bleiben.
verfahren sind in der landwirtschaftlichen
Praxis bereits weit verbreitet, chemische Bei den biologischen Verfahren wird insbe-
und biologische Verfahren weniger oder sondere dem Einsatz lebender Mikroorga-
noch gar nicht. nismen oder Mischungen von solchen ein
hohes Potential zur Verbesserung des Auf-
Für viele landwirtschaftliche Substrate ist schlusses lignocellulosereicher Biomasse
eine initiale physikalische Behandlung zur zugeschrieben. Diese Techniken stecken
Zerkleinerung der Einsatzstoffe wie z.B. aber, abgesehen von gängigen Arbeits-
Häckseln – wenn diese nicht ohnehin Be- schritten wie z.B. der Silierung, mangels so-
standteil des Ernteprozesses ist – kaum zu lider Kenntnisse zu den Mikroorganismen
umgehen, will man die Einbring-, Förder- und ihren Bedürfnissen noch in den Kinder-
und Rührtechnik schonen und prozessbiolo- schuhen. Die Forschung zur mikrobiologi-
gische Probleme vermeiden. In der vorlie- schen Substrataufbereitung läuft allerdings
genden Fachinformation werden weiterge- intensiv; es können daher bald praxisreife
hende Vorbehandlungsmethoden vorge- Anwendungen erwartet werden.
stellt. Bei ihrem Einsatz können gegebenen-
falls auch Substrate in der Biogasanlage Der Einsatz von Enzymen bzw. Enzymmi-
verwertet werden, die ansonsten gemieden schungen aus industrieller Produktion wird
würden. bereits vielfach beworben. In bestimmten
Notsituationen, wie beispielsweise bei ver-
Solche physikalischen Vorbehandlungsver- festigten Schwimmschichten, gibt es hierzu
fahren, z.B. der Einsatz einer Hammermüh- aktuell auch kaum sinnvolle Alternativen.
le, sind bereits Bestandteil einiger Biogas- Die Produktionskosten der Enzyme sind al-
anlagen. Der erforderliche Energieeinsatz lerdings erheblich und ihre Aktivitätszeit ist
ist allerdings oft beträchtlich. Weiterhin sind sehr begrenzt. Manche Verfahren könnten
Faktoren wie Störstoffanfälligkeit, Wartungs- aber in Kombination mit physikalischer Un-
bedarf und Hemmstoffbildung für eine öko- terstützung künftig für den Einsatz bislang
nomische Betrachtung zu berücksichtigen. nicht genutzter Reststoffe an Bedeutung ge-
Entsprechende Erfahrung aus der Praxis ist winnen.
in die vorliegende Fachinformation einge-
flossen. Für alle der genannten Verfahren gilt, dass
der mit dem Einsatz verbundene Aufwand
Die chemische Vorbehandlung ist typischer- dem Nutzen gegenübergestellt und bewer-
weise mit dem Einsatz von Gefahrstoffen tet werden sollte – dies nicht nur monetär,
verbunden. Die Produktion der Chemikalien sondern auch hinsichtlich ökologischer Ef-
ist kostenintensiv, es besteht die Gefahr der fekte.
20Fachinformation - bfb8 - Ausgabe 2019
Substrataufbereitung
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