Der Fermenter – Experten-Wissen für Ihre Biogas-Produktion

Die Hydrolyse ist die Grundvoraussetzung dafür, dass überhaupt Biogas produziert werden kann. Hier zersetzen hydrolytische Bakterien sowie Enzyme (zum Beispiel Amylase, Protease und Lipase) die Biomasse. Sie spalten unter Aufnahme von Wasser Kohlenhydrate, Fette und Eiweiße in kleinere Teile. Auf diese Weise entstehen unter anderem Zucker, Fettsäuren, Aminosäuren und Basen. 

Bei der Acidogenese wandeln fermentative Bakterien die Bausteine, die im vorherigen Schritt gebildet wurden, um. Neben Carbonsäuren – unter anderem Essigsäuren und Milchsäuren –, Gasen und Alkoholen entstehen dabei auch die für den Prozess unerwünschten Gase Schwefelwasserstoff und Ammoniak. Diese müssen später im Zuge der Gasaufbereitung entfernt werden. Übrigens: Die Phase der Versäuerung kann auch gleichzeitig mit der Phase der Verflüssigung ablaufen und muss nicht notwendigerweise auf diese folgen. So lässt sich der Vergärungsprozess beschleunigen. 

Im nächsten Schritt – der Acetogenese – bauen acetogene Bakterien die Produkte, die die Versäuerung hervorgebracht hat, weiter um. Es entstehen Essigsäure (Acetat), Wasserstoff und Kohlendioxid. Diese stellen die Grundstoffe für die spätere Bildung von Methan dar. Die Alkohole verschwinden und da der Säure-Anteil steigt, sinkt der pH-Wert.  

Im letzten Schritt des Fermentationsprozesses wird durch methanogene Bakterien unter anderem Methan gebildet. Dabei wandeln die Mikroorganismen sowohl die Essigsäure, als auch die Nebenprodukte Wasserstoff und Kohlendioxid um. Wegen des Wasserstoffs, der zur Methanbildung benötigt wird, müssen Acetogenese und Methanogenese immer gleichzeitig ablaufen. Am Ende dieses Prozesses ist das Biogas entstanden. Es besteht zum Großteil aus Methan und Kohlendioxid, aber auch aus geringeren Mengen Wasserdampf, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Ammoniak und Schwefelwasserstoff. Darüber hinaus bleiben die Gärreste zurück, die als Düngemittel zum Einsatz kommen können. 

Beim kontinuierlichen Verfahren wird das Gärsubstrat dem Fermenter in regelmäßigen Abständen und in festgelegten Mengen zugeführt. Dies geschieht – von der Zufuhr des Substrats bis zur Leerung des Gärbehälters – meist automatisiert und mithilfe computergesteuerter Anlagentechnik. Daher ist eine der Anforderungen an die Biomasse, dass diese ausreichend nass und somit pumpfähig sein muss. Die Vorteile der kontinuierlichen Methode liegen auf der Hand: Es kann ohne Unterbrechungen und in gleichbleibender Qualität Biogas produziert und weiterverarbeitet werden.  

Beim statischen oder diskontinuierlichen Verfahren wird der Fermenter einmalig und vollständig mit Gärsubstrat angefüllt und anschließend luftdicht verschlossen. Die Biomasse verbleibt so lange im Fermenter, bis sie nach mehreren Wochen vollständig ausgefault ist. Dann erst wird der Fermenter geleert, neu befüllt und der Prozess startet von vorn. Das Verfahren ist insbesondere für sehr trockene und fasrige Substrate und damit für die Trockenfermentation geeignet. Als Vorteile gelten der geringere technische Aufwand und niedrigere Energiekosten. Eine Automatisierung ist allerdings bei dieser Methode kaum möglich. Auch eine durchgängige Biogasproduktion und die Sicherung der Gas-Qualität stellen sich als schwierig dar. Das führt dazu, dass auch die an die Fermentation anschließenden Prozesse (Gasaufbereitung und BHKW) nur etappenweise durchgeführt werden können. 

Umgehen lassen sich die Probleme der statischen Vergärung, indem man nach dem sogenannten Batch-Verfahren mehrere Fermenter im gestaffelten Betrieb einsetzt. Diese durchlaufen zeitversetzt die verschiedenen Phasen der Vergärung und garantieren damit trotz des statischen Verfahrens eine durchgehende Gasausbeute. Zu berücksichtigen ist jedoch, dass diese je nach Behälter in Menge und Qualität unterschiedlich ausfallen kann. Da darüber hinaus zwei bis acht Fermenter benötigt werden, kann diese Lösung sehr kostspielig sein.  

Bei der mechanischen Durchmischung wird die Biomasse mit einem oder mehreren Rührwerken horizontal, schräg und/oder vertikal bewegt. Je nach Anforderung können Sie zwischen Tauchrührwerken, Langachsenrührwerken, Paddelrührwerken oder Zentralrührwerken wählen. Dabei spielt insbesondere die Art der Installation – von oben durch die Decke oder seitlich durch die Wand – sowie der Trockensubstanzgehalt eine Rolle. Die Obergrenze von letzterem liegt je nach Rührwerk zwischen acht und 18 Prozent. 

Bei der hydraulischen Durchmischung wird das Gärsubstrat mithilfe von Pumpen und Rührdüsen horizontal und/oder vertikal in den Fermenter eingebracht und durchmischt. Sie ist nur für Biogasanlagen geeignet, bei denen dünnflüssiges Substrat zum Einsatz kommt. Andernfalls kommt es zu starken Schwimmschichten, die die Produktion des Gases beeinträchtigen. 

Auch bei der pneumatischen Durchmischung können Schwimmschichten nicht verhindert werden. Bei dieser Methode wird Biogas genutzt, das in den Fermenter gepumpt beziehungsweise eingeblasen wird und die Biomasse vermengt.  

Um die für den Fermentationsprozess benötigte Temperatur zu regulieren und konstant zu halten, sind eine Beheizung und Isolierung des Fermenters nötig. Die Beheizung erfolgt meist über eine Fußbodenheizung oder eine Wandheizung. Dazu werden Edelstahlrohre an der Innenseite oder der Außenseite des Fermenters installiert. Bei liegenden Fermentern kann die Wärme darüber hinaus über eine beheizte Rührwelle zugeführt werden. 

Die wetterfeste Isolierung beziehungsweise Dämmung der Außenseite schützt vor Temperaturspannungen sowie vor Kälte- oder Wärmeverlust unabhängig von der Witterung und anderen äußeren Einflüssen. So kann die konstante Wärme im Inneren des Biogasfermenters einfacher gewahrt bleiben und Kosten für die Heizung werden eingespart. Zum Isolieren sind verschiedenste Materialien geeignet, darunter extrudiertes Styropor, Polyurethan Spritzschaum, extrudierte Polystyrol-Hartschaumplatten und viele weitere. 

Je nach Bauart kann der Fermenter einer Biogasanlage über eine oder mehrere Gärkammern verfügen. Beim einkammerigen Fermenter finden die verschiedenen Phasen der Vergärung von der Hydrolyse bis zur Methanogenese im selben Behälter statt. Das Gas wird anschließend in Gastanks bis zur weiteren Verwendung zwischengespeichert. 

Beim Mehrkammer-Fermenter finden die einzelnen Prozess-Schritte parallel in unterschiedlichen Gärkammern statt. Die in den unterschiedlichen Phasen aktiven Bakterien erhalten so die jeweils besten, an ihre Bedürfnisse angepassten Bedingungen. Dies führt zu stabileren Prozessen, zu einer kontinuierlichen Produktion von Biogas und höheren Ausbeuten. 

Um Sicherheit und Effizienz beim Betrieb eines Fermenters zu gewährleisten, müssen zahlreiche Dinge berücksichtigt werden. Vermeiden Sie die Überfüllung des Fermenters und sorgen Sie dafür, dass nur die vorgesehene Menge an Substrat in den Behälter gelangt. Achten Sie außerdem darauf, dass das Substrat nicht ungewollt in Rohre und Behälter fließt. Verhindern Sie durch regelmäßige Prüfungen, dass der Druck unzulässig ansteigt oder Gas unkontrolliert austritt. Bei einem Stromausfall oder ähnlichen Problemen muss die gesamte Anlage mithilfe steuerungstechnischer, hydraulischer oder mechanischer Maßnahmen in einen sicheren Zustand fahren. 

Um einen störungsfreien und effizienten Vergärungsprozess zu garantieren, müssen die verschiedenen Bestandteile des Fermenters regelmäßig gewartet und instandgehalten werden. Stellen Sie also unter anderem sicher, dass … 

• die Rührwerke intakt sind und funktionieren. Andernfalls müssen eventuell Komponenten ausgetauscht werden. Denken Sie auch an den regelmäßigen Ölwechsel. 
• die Gasspeicherfolie dicht ist und keine Risse oder Leckagen aufweist. 
• die Membrane, Beschichtungen sowie alle Dichtbänder ordnungsgemäß verklebt und unbeschädigt sind und kein Gas austritt. 
• der Gasdruck stimmt. Kontrollieren Sie diesen bitte regelmäßig. 
• das Dach bzw. das Traggestell keine Beschädigungen aufweist und die Konstruktion alle Anforderungen erfüllt. 
• die Überdruck- und Unterdrucksicherung sowie der Dachlüfter funktionieren. 
• alle Schläuche und Rohrleitungen (zum Beispiel für Gas, Wasser oder Überlauf) sauber und intakt sind. 

Ein Fermenter sollte etwa alle fünf bis zehn Jahre gereinigt werden, spätestens jedoch, wenn die Leistung des Fermenters spürbar nachlässt. Substratrückstände und Ablagerungen von Feststoffen schmälern das Gärvolumen oder können Schäden an den Rührwerken, Pumpen oder der Heizung verursachen (oder zumindest deren Wirkungsgrad verringern). Steine und Sand, die mit der Biomasse in den Fermenter gelangen, können zusammen mit weiteren Reststoffen Rohre verstopfen und damit auch die Regelung der Gärtemperatur negativ beeinflussen. 

Bei der Reinigung wird der Gärbehälter mithilfe von Baggern und Hochleistungssaugern vollständig geleert. Alle Rückstände werden anschließend mit Wasserhochdruckreinigern entfernt. Dazu müssen Teile der Anlage demontiert werden, unter anderem das Foliendach sowie die Rührwerke. Daher bietet es sich oft an, die Reinigung im Zuge von Wartungsarbeiten durchzuführen.  

Da die Fermenter-Reinigung für Leben, Gesundheit und Umwelt nicht ganz ungefährlich ist, müssen zahlreiche Gesetze, Verordnungen und Vorschriften zur Arbeitssicherheit und zum Umgang mit wassergefährdenden Stoffen berücksichtigt werden. Auch nach vorheriger Belüftung kann es beispielsweise zu Explosionen, Bränden und zum Austritt giftiger Gase kommen. Wer also nicht über die nötigen Fachkenntnisse, Arbeitsgeräte und entsprechende Gefährdungsbeurteilungen beziehungsweise Erlaubnisscheine verfügt, sollte die Reinigung von einem Fachbetrieb vornehmen lassen. So können Sie sicherstellen, dass alle Rechtsvorschriften und Schutzmaßnahmen eingehalten werden und die Reinigung Ihres Fermenters qualifiziert und sachkundig erfolgt. 

Das Gas, das durch die Vergärung entsteht, steigt im Fermenter nach oben und sammelt sich unter der Decke des Behälters. Besteht das Dach aus einer Folie, dehnt sich diese je nach Füllstand aus. Über ein Rohrleitungssystem wird das Biogas weitertransportiert und in einem externen Speicher, Nachgärbehälter oder Gärrückstandslager zwischengelagert und zur weiteren Verwendung aufbereitet. Für den Fall, dass die Lagerkapazität überschritten wird, müssen Biogasanlagen über eine zusätzliche Gasverbrauchseinrichtung verfügen. Dabei handelt es sich um die sogenannte Gasfackel, die im Notfall überschüssiges Gas verbrennt. 

Nach abgeschlossener Fermentation müssen die Gärreste aus dem Behälter entfernt werden. Bei automatisierten Prozessen, bei denen das Biogassubstrat kontinuierlich zugeführt wird, läuft das Gemisch ab einer bestimmten Höhe über Überlaufrohre in einen Nachfermenter beziehungsweise Nachgärer oder das Gärrestelager. Es kann aber auch mithilfe von Pumpen abgezogen werden.  

Je nachdem, ob es sich um feste oder flüssige Reste handelt, müssen sie dabei unterschiedlich gelagert oder weiterverarbeitet werden. Meist findet zuerst eine Fest-Flüssig-Trennung statt. Das Presswasser kann zum Anmaischen von neuem Substrat eingesetzt werden und so den Weg zurück in die Fermentation finden oder als Flüssigdünger genutzt werden. Die restliche Masse weist einen so hohen Nährstoffgehalt auf, dass es als Düngemittel eingesetzt werden kann.