In Biogasanlagen spielen organische Säuren eine entscheidende Rolle, da sie als Zwischenprodukte im anaeroben Abbau organischer Substrate entstehen. Die Konzentration und Zusammensetzung organischer Säuren dient als wichtiger Indikator für die Stabilität und Effizienz des biologischen Prozesses. Ein Überschuss oder ein Ungleichgewicht dieser Säuren kann den Betrieb der Biogasanlage negativ beeinflussen, bis hin zu einem Prozesszusammenbruch. Daher ist die Überwachung und Steuerung organischer Säuren essenziell für den wirtschaftlichen und ökologischen Betrieb von Biogasanlagen.

Bedeutung organischer Säuren in Biogasanlagen

1. Rolle im anaeroben Abbauprozess

Organische Säuren entstehen im zweiten Schritt der anaeroben Vergärung, der sogenannten Acidogenese, aus der Hydrolyse von Kohlenhydraten, Proteinen und Fetten. Diese Säuren sind essenzielle Substrate für methanogene Mikroorganismen, die sie in Biogas (Methan und Kohlendioxid) umwandeln.

Typische organische Säuren in Biogasanlagen:

  • Essigsäure (Acetat): Direkter Vorläufer für die Methanbildung.
  • Propionsäure: Ein wichtiger Zwischenstoff, der bei hohen Konzentrationen toxisch wirken kann.
  • Buttersäure und Valeriansäure: Nebenprodukte des Fermentationsprozesses, die von methanogenen Archaeen nur langsam verwertet werden.
2. Leitparameter für Prozessstabilität

Die Konzentration organischer Säuren ist ein empfindlicher Indikator für die Balance zwischen den verschiedenen mikrobiellen Gemeinschaften. Ein Anstieg bestimmter Säuren, wie Propionsäure, kann auf Prozessstörungen hinweisen. Der FOS/TAC-Wert (Verhältnis von flüchtigen organischen Säuren zu Pufferkapazität) ist ein etablierter Kontrollparameter.

Wertebereiche:

  • Stabile Prozesse: FOS/TAC von 0,3–0,5.
  • Warnbereich: FOS/TAC über 0,5 – deutet auf Ansammlung organischer Säuren hin.
  • Kritische Zustände: FOS/TAC über 0,8 – Gefahr eines Säurestaus und Prozessversagens.
Energiegewinnung aus Abwasser, Biogas aus Abwasser

Foto: Unsere Biogasanlage ALMA BHU GMR 

Überwachung organischer Säuren

1. Analytische Methoden
  • Titration: Zur Bestimmung des FOS/TAC-Werts.
  • Gaschromatographie (GC): Quantitative Analyse einzelner organischer Säuren, wie Essigsäure und Propionsäure.
  • Spektrophotometrische Methoden: Schnelltests zur Ermittlung von Gesamt-Säurekonzentrationen.
2. Regelmäßige Kontrolle

Eine kontinuierliche Überwachung ist essenziell, um Prozessstörungen frühzeitig zu erkennen. Automatisierte Sensorsysteme und Prozessanalytik (z. B. Inline-Spektroskopie) gewinnen zunehmend an Bedeutung.

Auswirkungen von Ungleichgewichten organischer Säuren

Ein Überschuss an organischen Säuren, oft als Säurestau bezeichnet, kann zu einem Prozesszusammenbruch führen. Typische Ursachen sind:

  1. Überlastung der Anlage: Zu hohe Substratzufuhr, insbesondere von leicht abbaubaren Stoffen wie Zucker oder Stärke.
  2. Hemmstoffe: Rückstände wie Antibiotika oder Schwermetalle, die methanogene Mikroorganismen beeinträchtigen.
  3. Ungenügende Pufferkapazität: Niedrige Alkalinität führt zu einem pH-Abfall und einer Hemmung der Methanogenese.

Folgen eines Säurestaus:

  • Abfall des pH-Werts unter 6,5 – Methanogene verlieren ihre Aktivität.
  • Erhöhung des CSB-Gehalts im Gärrest.
  • Reduzierte Biogasausbeute und erhöhte Prozesskosten.

Maßnahmen zur Steuerung organischer Säuren

1. Prozessoptimierung
  • Kontrollierte Substratzufuhr: Regelmäßige Fütterung mit ausgewogenem Substratmix.
  • Temperaturmanagement: Stabilisierung der Betriebstemperatur (mesophil oder thermophil).
2. Pufferung des Systems
  • Zugabe von Pufferstoffen: Natriumbikarbonat oder Kalk zur Stabilisierung des pH-Werts.
  • Wahl alkaliner Substrate: Reduktion von sauren Einträgen durch gezielte Substratauswahl.
3. Prozessstörungen beheben
  • Belastungsreduktion: Reduzierung der Substratzufuhr, um den mikrobiellen Abbau zu stabilisieren.
  • Teilweise Substratverdünnung: Verdünnung des Gärsubstrats mit Wasser oder Rezirkulat.
Gewinnung von Biogas mit Abwasser aus der Zuckerindustrie

Foto: Unsere Biogasanlage ALMA BHU GMR mit Nachklärung, Biomasserückführung und aerober Nachbehandlung

Technologien zur Überwachung und Behandlung

1. Biogassensoren

Überwachung von Biogaszusammensetzung und Methanertrag, um Rückschlüsse auf die Verwertung organischer Säuren zu ziehen.

2. Rezirkulation von Prozesswasser

Die Rückführung von Gärrestwasser mit stabiler Alkalinität kann die Pufferkapazität erhöhen.

3. Integration von Vorbehandlungsverfahren
  • Hydrolyse-Reaktoren: Stabilisierung der Hydrolyse und Acidogenese durch getrennte Reaktorführung.
  • Ultraschallbehandlung: Beschleunigt die Hydrolyse komplexer Substrate, wodurch der Säuregehalt kontrollierbar bleibt.
Biogasgewinnung aus Abwässern der Zuckerindustrie mit dem ALMA BHU GMR Verfahren

Foto: Unsere Biogasanlage ALMA BHU GMR mit Nachklärung und Biomasserückführung 

Fazit

Organische Säuren sind ein zentraler Parameter für den Betrieb und die Stabilität von Biogasanlagen. Sie spielen eine doppelte Rolle als notwendige Substrate und potenzielle Hemmstoffe, weshalb ihre Überwachung und Steuerung von entscheidender Bedeutung ist. Mit gezielten Maßnahmen wie Prozessüberwachung, Pufferung und Substratmanagement können Anlagenbetreiber die Biogasproduktion optimieren und gleichzeitig Prozessausfälle vermeiden. Moderne Sensortechnik und analytische Methoden bieten wertvolle Unterstützung, um organische Säuren als Leitparameter effektiv zu nutzen.

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