Die Biogasanlage nützt das anfallende Gas zur Gewinnung von Energie über Solarzellen oder Wärmezellen
Eine Biogasanlage dient in erster Linie der Erzeugung von Biogas. Dieses wird durch die Vergärung von Biomasse hergestellt. Bei landwirtschaftlichen Bioanlagen werden in der Regel die Exkremente von Tieren, wie Festmist und Gülle, als Substrat eingesetzt. Es gibt jedoch auch Biogasanlagen, die nicht-landwirtschaftlich betrieben werden. Bei diesen wird dann das Material aus der Biotonne verwendet, um Biogas zu erzeugen. Aus dem Gärrest wird Dünger hergestellt. Das Gas, das während des Prozesses entsteht, wird meistens zur Wärme- und Solarerzeugung genutzt.
In einer solchen Anlage erfolgt der sauerstofflose mikrobielle Abbau des Substrates. Es dürfen niemals Holz und Stroh benutzt werden, da diese Materialien nur schwer abbaubar sind. Die Biomasse setzt sich aus vielen komplexen Dingen zusammen. In erster Linie bestehen sie aus Fetten, Proteinen und Kohlehydraten. Unterschiedliche Arten von Mikroorganismen nutzen diese Masse als Lieferant für Energie.
Die Organismen
Die Organismen können beim Abbau ohne Sauerstoff nur einen minderen Teil der enthaltenen Energie nutzen. Der nicht umsetzbare Teil befindet sich im Methan und wird als Abfallprodukt angesehen. Infolgedessen sind die spezifischen Umsatzraten an Substraten im Bezug auf die Biomasse wesentlich höher. Die Mikroorganismen müssen daher eine große Menge Substrat umsetzen, um den Energiebedarf zu decken. Das Hauptprodukt ist das Methan und das Kohlendioxid. Beide Stoffe sind gasförmig, weswegen sie sich vom Gärsubstrat trennen und folglich die Hauptkomponente des Biogases bilden.
Je nachdem wie die chemische Zusammensetzung stattgefunden hat, kann sich pro eingesetzter Masse eine unterschiedliche Menge an Biogas ergeben. Auch der Anteil an Methan kann sehr verschieden sein. Wenn Pflanzen zur Verwendung als Substrat angebaut werden, dann muss der erwartete Ertrag an Frischmasse pro Hektar mit einbezogen werden.
Der Abbau ohne Sauerstoff ist die Grundlage der Entstehung von Faulgasen wie beispielsweise Sumpf-, Klär- und Biogas. Unterschiedliche Arten von Mikroorganismen sind jeweilig beteiligt. Wegen der vielseitigen Stoffwechselfähigkeit der Mikroorganismengemeinschaft können quasi alle organischen Stoffe abgebaut werden. Faserartige Anteile aus Cellulose sind jedoch besonders schwer abbaubar. Damit sich genügend Methan bildet, muss dem Gärsubstrat ausreichend Wasser zugefügt werden.
Der Abbauprozess
Der Abbauprozess findet in vier Einzelprozessen statt. In der Regel findet eine laufende Zufuhr an Substraten statt, wodurch die vier Phasen analog durchgeführt werden können.
Die erste Phase wird als Hydrolyse bezeichnet.
Die Mikroorganismen können die Makromoleküle, wie Proteine oder Kohlehydrate nicht unmittelbar in die Zelle aufnehmen. Aus diesem Grund müssen erst einmal diverse Arten von Exoenzymen ausgeschieden werden. Diese werden die Makromoleküle in ihre lösliche Oligomere und Monomere hydrolysieren. Kohlehydrate werden dann in Oligo- und Monosaccharide zerlegt. Proteine werden zu Aminosäuren abgebaut.
Die zweite Phase wird als Versäuerungsphase bezeichnet.
Die Produkte, die aus der ersten Phase entstanden sind, werden nun durch Säure bildende Mikroorganismen verstoffwechselt. Es entstehen Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid, die als Ausgangsprodukte der Methanbildung dienen.
Die dritte Phase wird als Essig bildende Phase beschrieben.
Während dieser Phase werden die niedrigen Carbon- und Fettsäuren sowie die niedrigen Alkohole durch acetogene Mikroorganismen zu Essigsäure umgesetzt.
Die vierte Phase wird als Methan bildende Phase beschrieben.
In der letzten Phase wird die Essigsäure durch Methanbildner in Methan umgewandelt. 30 % des Methans entsteht nach einer bestimmten Gleichung aus CO2 und Wasserstoff. In der landwirtschaftlichen Biogasanlage wird dies entgegen der bisherigen Lehrbuchmeinung bei einer etwas höheren Raumbelastung und höherer Temperatur geschehen.
Die vier Phasen können nicht strikt getrennt werden, weil auch schon in der zweiten Phase Essigsäure und Wasserstoff entsteht. Die Methanogenese erfordert aber spezifische Stoffwechselfähigkeiten, die nur in Phase 4 zu finden sind.