Gärung von Hühnerdung zu Biogas

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Hühnerdung ist eine relativ hochwertige organische Düngemittelart, deren Gehalt an reinem Stickstoff, Phosphor (P2O5) und Kalium (K2O) etwa 1,63 %, 1,54 % bzw. 0,085 % beträgt. Hühnerdung muss vor der Anwendung vollständig verrottet werden, damit die in ihr enthaltenen Parasiten und ihre Eier sowie bestimmte ansteckende Keime durch den Verrottungsprozess inaktiviert werden. Da beim Zersetzen von Hühnerdung hohe Temperaturen entstehen, kann es leicht zu einem Verlust von Stickstoff kommen. Daher sollte vor der Verrottung eine angemessene Menge Wasser zugegeben werden, sowie 5 % Kaliumsuperphosphat – so wird die Wirkung des Düngers besser. Die Methode der Vergärung besteht darin, das Hühnerdung in einen Dungteich zu geben, damit sie dort verrotten kann. Alternativ kann man die Dungmenge auch mit Erde bedecken und so ebenfalls zur Vergärung bringen. Nach vollständiger Verrottung wird Hühnerdung zu einem hochwertigen Dünger für den Anbau von Pflanzen. Bei der Anpflanzung von Obstbäumen wird sie oft im Winter als Dünger verwendet, der das ganze Jahr über genutzt werden kann. 　　Angesichts der physiologischen Eigenschaften von Hühnern wird das von ihnen aufgenommene Futter nicht vollständig verdaut und aufgenommen. Etwa 40 % bis 70 % der Nährstoffe werden somit ausgeschieden. Deshalb enthält Hühnerkot die höchste Konzentration an Nährstoffen unter allen Tierexkrementen. Doch wenn Hühnerdung ohne Behandlung oder Vergärung direkt auf die Pflanzen aufgetragen wird, können große Schäden und Risiken entstehen: Wenn sie direkt in den Boden gegeben wird, gärt sie unter geeigneten Bedingungen und erzeugt viel Wärme, wodurch die Wurzeln der Pflanzen zerstört werden. Gleichzeitig enthält Hühnerkot viele Keime, die eine Gefahr für Pflanzen durch Krankheiten darstellen. Daher muss Hühnerdung erst unschädlich gemacht und vollständig verrottet werden, bevor sie auf die Pflanzen aufgetragen werden kann. 　 　　Die traditionelle Methode besteht darin, das Hühnerdung in abgeschlossenen Behältern zu lagern und dort eine anaerobe Fermentation vorzunehmen. Dabei dauert es in der Regel 3–4 Monate, bis die Dungmasse verrottet ist. Heute wird durch Biotechnologie eine aerobe Fermentation eingesetzt, wodurch die Verrottungsgeschwindigkeit um das 10–20-fache erhöht wird. Dadurch werden die großen Moleküle wie Proteine in kleinere Moleküle zerlegt, die von den Pflanzen direkt aufgenommen werden können. Vollständig verrotteter Hühnerdung hat im Allgemeinen keinen unangenehmen Geruch mehr. Der Hauptbestandteil von Biogas ist Methan. Biogas setzt sich aus 50 % bis 80 % Methan (CH4), 20 % bis 40 % Kohlendioxid (CO2), 0 % bis 5 % Stickstoff (N2), weniger als 1 % Wasserstoff (H2), weniger als 0,4 % Sauerstoff (O2) sowie 0,1 % bis 3 % Schwefelwasserstoff (H2S) zusammen. Da Biogas einen geringen Anteil an Schwefelwasserstoff enthält, hat es einen leichten Geruch. Seine Eigenschaften sind denen von Erdgas ähnlich. Wenn die Luft 8,6–20,8 % (gemessen am Volumen) an Biogas enthält, entsteht eine explosionsfähige Gemischluft. 1 Methanogenese-Mikroorganismen (Assoziationen zwischen Bakterien: Förderung, Hemmung, Konkurrenz usw.) 　　Methanogenese-Mikroorganismen sind ein Sammelbegriff, der fünf Hauptgruppen umfasst: fermentierende Bakterien, Wasserstoff- und Essigsäureproduzenten, Wasserstoffverbrauchende Essigsäureproduzenten, Wasserstoffverbrauchende Methanproduzenten sowie Essigsäureverbrauchende Methanproduzenten. Die fünf großen Gruppen von Bakterien bilden eine Nahrungskette. Aufgrund der physiologischen Stoffwechselprodukte dieser Bakterien sowie ihrer Auswirkungen auf den pH-Wert des Fermentationsbads kann der Prozess der Biogasfermentation in Phasen der Hydrolyse, der Säurebildung und der Methanbildung unterteilt werden. Die Aktivität der ersten drei Bakteriengruppen kann dazu führen, dass organische Stoffe zu verschiedenen organischen Säuren umgewandelt werden. Deshalb werden sie gemeinsam als methanfreie Bakterien bezeichnet. Die Aktivität der beiden letzten Bakteriengruppen kann dazu führen, dass verschiedene organische Säuren in Methan umgewandelt werden. Deshalb werden sie gemeinsam als Methanbildner bezeichnet. 　　(1) Methanbildende Bakterien fehlen. Methanbildende Bakterien können komplexe, große organische Moleküle in einfache, kleinere Moleküle umwandeln. Es gibt eine große Vielfalt an solchen Bakterien. Je nach dem Substrat, auf dem sie wirken, lassen sie sich in Faserverbinder, Halbfaserverbinder, Stärkeabbauende Bakterien, Eiweißabbauende Bakterien, Fettabbauende Bakterien sowie einige spezielle Bakterien wie Wasserstoffproduzenten und Essigsäureproduzenten einteilen. 　　(2) Methanbildende Bakterien  Methanbildende Bakterien sind die Hauptkomponenten der Biogasfermentation – sie sind für die Produktion von Methan verantwortlich. Sie bilden den Kern der Biokraftstoffherstellenden Mikroorganismen. Sie sind streng anaerob, äußerst empfindlich gegenüber Sauerstoff und Oxidationsmitteln. Der optimale pH-Wert liegt im neutralen oder leicht alkalischen Bereich. Sie wachsen mithilfe von Kohlendioxid und Wasserstoff und geben Methan als Abfallstoff ab; es handelt sich dabei um die einfachsten Mikroorganismen, die Wachstumsstoffe benötigen. 　　2. Prinzip der Biogasfermentation (Assoziation mit dem Stoffwechsel von Mikroorganismen) Die Biogasfermentation, auch anaerobe Vergärung genannt, bezeichnet den Prozess, bei dem verschiedene organische Stoffe unter anaeroben Bedingungen von verschiedenen Biogasfermentierungs-Mikroorganismen abgebaut und umgewandelt werden, wodurch letztendlich Biogas entsteht. Der derzeit allgemein anerkannte Prozess der Biogasfermentation ist in der Abbildung dargestellt:
(Hinweis: ① I und II bezeichnen die Theorie der drei Phasen; ② I, II, III und IV bezeichnen die Theorie der vier Gruppen.)
3. Theorie der drei Phasen
3.1 Die Flüssigkeitsbildung im Prozess der Biogasfermentation
Es gibt viele verschiedene Arten von organischen Stoffen, die als Rohstoffe für die Biogasfermentation verwendet werden können – wie zum Beispiel Tierexkremente, Pflanzenreste, Abfälle aus der Lebensmittelverarbeitung sowie Alkoholabfälle. Die wichtigsten chemischen Bestandteile dieser Stoffe sind Polysaccharide, Proteine und Fette. Dabei sind Polysaccharide die Hauptbestandteile der Fermentierungsrohstoffe. Dazu gehören Stärke, Zellulose, Halbzellulosen sowie Pektine. Die meisten dieser komplexen organischen Verbindungen sind in Wasser unlöslich. Sie müssen zunächst von den extrazellulären Enzymen der Gärungsbakterien in lösliche Zucker, Peptide, Aminosäuren und Fettsäuren abgebaut werden, bevor sie von Mikroorganismen aufgenommen und genutzt werden können. Nachdem die fermentierenden Bakterien die oben genannten löslichen Stoffe in ihre Zellen aufgenommen haben, wandeln sie diese durch Fermentation in Fettsäuren wie Essigsäure, Propionsäure und Buttersäure sowie in Alkohole um. Zudem entstehen dabei eine bestimmte Menge an Wasserstoff und Kohlendioxid. Im Rahmen der Messung der Biogasfermentation wird die Gesamtmenge an Essigsäure, Propionsäure und Buttersäure im Fermentationsmedium als mittelflüchtige Säuren (TVA) bezeichnet. Proteine werden von fermentierenden Bakterien in Aminosäuren abgebaut. Diese können wiederum von den Bakterien zur Herstellung von Zellstoffen genutzt werden. Wenn sie überschüssig sind, können sie weiter abgebaut werden und dabei Fettsäuren, Ammoniak sowie Schwefelwasserstoff ergeben. Der Proteingehalt hat einen direkten Einfluss auf den Gehalt an Ammoniak und Schwefelwasserstoff im Biogas. Die organischen Säuren, die bei der Zersetzung der Aminosäuren entstehen, können wiederum in Methan, Kohlendioxid und Wasser umgewandelt werden. Unter dem Einfluss von bakteriellen Lipasen werden Fettstoffe zunächst in Glycerin und Fettsäuren abgebaut. Das Glycerin kann anschließend über den Zuckstoffwechsel weiter abgebaut werden, während die Fettsäuren von Mikroorganismen weiter in mehrere Acetatsäuren umgewandelt werden. 　　3.2 Die Säurebildung in der Methanogenese 　　3.2.1 Hydrogen- und Essigsäurebildende Bakterien 　　Die fermentierenden Bakterien zersetzen komplexe organische Substanzen und erzeugen dabei organische Säuren sowie Alkohole. Abgesehen von Formiat, Essigsäure und Methanol können diese Stoffe nicht von Methanbakterien genutzt werden. Sie müssen daher von Hydrogen- und Essigsäurebildenden Bakterien in Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt werden. 　　3.2.2 Wasserstoffverbrauchende Essigsäurebakterien Wasserstoffverbrauchende Essigsäurebakterien werden auch als homologe Essigsäurebakterien bezeichnet. Es handelt sich dabei um eine Gruppe von bakteriellen Organismen, die sowohl autotroph als auch heterotroph leben können – also um bakterien mit gemischter Ernährungsweise. Sie können sowohl durch Hz+c0z Acetat erzeugen als auch Acetat durch Stoffwechselprozesse bilden. Durch die Aktivität der oben genannten Mikroorganismen können verschiedene komplexe organische Stoffe zu organischen Säuren sowie Hz/c0z usw. umgewandelt werden. 　　3.3 Die Methanbildung im Prozess der Schwammgasaufbereitung  3.3.1 Die Gruppen der Methanbildner  Methanbildner umfassen zwei Hauptgruppen: Hydrogenverbrauchende Methanbildner und Essigsäureverbrauchende Methanbildner. Im Prozess der Biogasfermentation entsteht Methan durch eine Gruppe von physiologisch hochspezialisierten Archaeen – den Methanogenen. Zu den Methanogenen gehören Hydrogenomethanogene und Acetatomethanogene. Sie bilden die letzte Gruppe in der Nahrungskette des anaeroben Verdauungsprozesses. Obwohl sie unterschiedliche Formen aufweisen, verleiht ihnen ihre Stellung in der Nahrungskette gemeinsame physiologische Eigenschaften. Unter anaeroben Bedingungen verwandeln sie die Stoffwechselendprodukte der ersten drei Bakteriengruppen in Essigsäure sowie H2/CO2 – ohne dass externe Wasserstoffquellen vorhanden sind. Umwandlung in Gase – CH4/CO2 – ermöglicht eine reibungslose Zersetzung organischer Stoffe unter anaeroben Bedingungen. Die derzeit bekannten Prozesse zur Methanbildung werden durch diese beiden verschiedenen Gruppen von Methanbildenden Bakterien bewirkt. 　　① Die Reaktion zur Bildung von Methan aus CO2 und H2 ist folgende: C02 + 4H2 → CH4 + H2O.
② Die Reaktion zur Bildung von Methan aus Essigsäure oder Essigsäureverbindungen ist wie folgt: CH3COOH → CH4 + CO2; CH3COONH4 + H2O → CH4 + NH4HCO3.
3.3.2 Physiologische Eigenschaften von Methanbildnern
① Methanbilder benötigen eine streng anaerobe Umgebung zum Wachsen.
Methanbilder kommen in extrem anaeroben Umgebungen vor, wie z.B. in Sedimenten am Meeresboden sowie im Verdauungstrakt von Tieren. 　　② Methanogene haben einfache Nahrungsquellen – sie können nur wenige Kohlenstoffsubstrate verarbeiten, um Methan zu erzeugen. 　　③ Methanproduzenten können am besten in Bedingungen mit einem neutralen pH-Wert überleben. ④ Methanproduzenten wachsen nur langsam. Die folgende Abbildung zeigt die Nahrungskette sowie die Verteilung der Energie im Prozess der Biogasfermentation: 4. Theorie der vier Gruppen. Man teilt den Fermentationsprozess anhand der biochemischen Umwandlungsprozesse (siehe Abbildung) in folgende Kategorien ein: ① Hydrolyse: Dabei werden Kohlenhydrate und Proteine sowie andere große organische Moleküle von Bakterien wie denen der Gattungen Bacteroides und Clostridium in kleinere organische Verbindungen wie Glukose oder Aminosäuren umgewandelt ； 　　②Gärung: Durch Bakterien der Gattungen Clostridium, Bacteroides sowie andere Bakterien (wie Milchsäurebakterien und Propionibacterien) werden die hydrolysierten Produkte weiter abgebaut zu kleinen Molekülen wie Alkoholen, organischen Säuren, Kohlendioxid, Wasserstoff und Ammoniak ； 　　③Acetat- und Wasserstoffbildung: Die durch die Gärung entstehenden kleinen Alkohole sowie einige Fettsäuren werden in Acetat, Formiat, Kohlendioxid und Wasserstoff abgebaut. Über diese Art von Bakterien ist noch wenig bekannt; sogar Gattung und Art sind noch nicht eindeutig festgelegt. Es ist jedoch sicher, dass das von solchen Bakterien erzeugte Wasserstoff eine hemmende Wirkung auf ihr eigenes weitere Wachstum und Vermehrung hat. Daher müssen die Bakterien, die Essigsäure und Wasserstoff produzieren, zusammen mit Bakterien leben, die Wasserstoff nutzen können, wie beispielsweise Methanbakterien und Acetobacter woesei ； 　　④Methanbildung: Methanbildende Bakterien wandeln das in den ersten 3 Phasen entstandene Wasserstoff, Kohlendioxid sowie Formiat, Essigsäure, Methanol und Amine in Methan um. Methanproduzierende Bakterien weisen eine große Vielfalt an Formen auf, doch ihre physiologischen Eigenschaften sind im Großen und Ganzen gleich. Unter Sauerstoffmangel bilden sie Methan als Hauptstoffwechselprodukt. 　　Ökologische Beziehungen zwischen den Mikroorganismen bei der Biogasfermentation
Während des Prozesses der Biogasfermentation sind die methanfreien Bakterien sowie die Methanbildenden Bakterien voneinander abhängig. Sie schaffen füreinander günstige Bedingungen für die Aufrechterhaltung ihres Lebens. Gleichzeitig beschränken sie sich gegenseitig – im Laufe der Fermentation bleibt somit ein Gleichgewicht erhalten. Die wichtigsten Beziehungen zwischen ihnen zeigen sich in den folgenden Punkten:
① Methanproduzierende Bakterien erhalten von den nicht-methanproduzierenden Bakterien den Nährboden, den sie zum Wachsen und zur Methanproduktion benötigen.
② Die nicht-methanproduzierenden Bakterien schaffen für die methanproduzierenden Bakterien günstige Bedingungen hinsichtlich des Redox-Potentials.
③ Die nicht-methanproduzierenden Bakterien beseitigen schädliche Stoffe aus dem Umfeld der methanproduzierenden Bakterien.
④ Die methanproduzierenden Bakterien wiederum beseitigen die Rückkopplungshemmnisse bei den biochemischen Reaktionen der nicht-methanproduzierenden Bakterien.
⑤ Sowohl die nicht-methanproduzierenden als auch die methanproduzierenden Bakterien tragen gemeinsam dazu bei, einen geeigneten pH-Wert im Umfeld aufrechtzuerhalten.
5. Fermentationsprozesse
Je nach Art der Fermentierungsrohstoffe sowie der Fermentationsbedingungen gibt es verschiedene Fermentationsprozesse. 　　5.1 Grundlegender Prozessablauf der Biogasfermentation
Ein vollständiges Biogasfermentationsverfahren, unabhängig von seiner Größe, umfasst folgende Schritte: Die Sammlung der Rohstoffe (Abwasser), deren Vorbereitung, die Nutzung des Fermenters zur Erzeugung von Biogas, die Nachbehandlung des Ausgangsmaterials sowie die Reinigung und Speicherung des Biogases. Dies ist in der untenstehenden Abbildung dargestellt.

5.2 Grundvoraussetzungen für den Biogasfermentationsprozess (Anforderungen an die Mikroorganismen sowie an die Herstellung des Nährbodens)
(1) Geeignete Fermentierungsbedingungen
Die Temperaturbedingungen im Fermenter lassen sich wie folgt einteilen: ① Normaltemperaturfermentation (auch als Kaltfermentation bezeichnet): 10°C–30°C. Unter diesen Bedingungen liegt die Gasproduktionsrate bei 0,15–0,3 m³/m³·Tag. ② Mittlere Temperatur bei der Fermentation: 30°C bis 45°C. Unter diesen Temperaturen kann die Gasproduktionsrate pro m³ Behälter etwa 1 m³/m³·Tag betragen. ③Hochtemperaturfermentation bei 45°C bis 60°C – unter diesen Temperaturen kann die Gasproduktionsrate pro Kubikmeter Behälter etwa 2–2,5 m³/m³•Tag betragen. Die wirtschaftlichsten Temperaturbedingungen für die Biogasfermentation sind 35 °C, das heißt eine mittlere Fermentiertemperatur. 　　(2) Geeignete Konzentration der Fermentflüssigkeit Die Konzentrationsrange der Fermentflüssigkeit liegt bei 2–30 %. Je höher die Konzentration, desto mehr Gas entsteht. Eine Konzentration des Gärprozessbrennstoffs von über 20 % wird als Trockenfermentation bezeichnet. Die Konzentration der Gärflüssigkeit in den biogasproduzierenden Anlagen auf dem Land kann je nach Menge der Rohstoffe, dem Bedarf an Biogas sowie den saisonalen Veränderungen angepasst werden. Im Sommer beträgt die Konzentration der wärmenden Substanzen 5–6% ； Im Winter wird die Temperatur um 10–12 % durch Zusatzmaterial erhöht. 　　(3) Angemessenes Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff in den Fermentierungsrohstoffen (C:N)
Die Mikroorganismen, die für die Biogasfermentation verantwortlich sind, benötigen am meisten Kohlenstoff – danach folgt Stickstoff. Das Verhältnis der Bedarfe dieser Mikroorganismen an Kohlenstoff und Stickstoff wird als Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis bezeichnet und mit C:N dargestellt. Derzeit wird in der Regel ein Verhältnis von C:N = 25:1 verwendet. Aber es ist nicht ganz streng – 20:1, 25:1 und 30:1 ermöglichen alle eine normale Gärung. 　　(4) Angemessene Säure-Base-Konzentration (pH-Wert) Die für die Biogasfermentation geeignete Säure-Base-Konzentration liegt bei einem pH-Wert von 6,5 bis 7,5. Der pH-Wert beeinflusst die Aktivität der Enzyme und somit die Gärungsgeschwindigkeit. 　　(5) Ausreichende Menge an Keimen – Die Anzahl der Keime sowie ihre Qualität haben einen direkten Einfluss auf die Menge und Qualität des Biogases. Im Allgemeinen muss ein Anteil von 10–30 % am Gesamtvolumen der Gärsubstratflüssigkeit erreicht werden, um einen reibungslosen Start sowie eine starke Gasproduktion zu gewährleisten. 　　(6) Niedrigerer Redoxpotential (anaerobes Milieu) – Methanbakterien, die Biogas erzeugen, benötigen einen Redoxpotential von mehr als –330 mV, um wachsen zu können. Diese Bedingung ist: eine strenge anaerobe Umgebung. Deshalb muss der Biogasanreicher abgedichtet werden.