Acidogenese und Acetogenese: Stufen der Methangärung, in denen Säuren und Wasserstoff entstehen

Acidogenese und Acetogenese sind die zweite und dritte Stufe der Methangärung: In der ersten wandeln Mikroorganismen die in der Hydrolyse entstandenen einfachen Verbindungen in kurzkettige Fettsäuren (flüchtige Fettsäuren, FFS), CO₂ und Wasserstoff um, in der zweiten verwandeln sie das FFS-Gemisch in Essigsäure, unter Freisetzung weiterer Mengen CO₂ und Wasserstoff. Erst diese Produkte sind das Nährsubstrat für die Methanogenen. Das Verständnis beider Stufen ist für den Betreiber wichtig, denn hier beginnen die häufigsten Prozessstörungen.

Stellung in der Umwandlungskette

Nach dem Leitfaden EPA AgSTAR verläuft der anaerobe Abbau in vier Schritten: Hydrolyse (komplexe organische Verbindungen wie Proteine, Kohlenhydrate und Fette werden zu einfacheren abgebaut), Acidogenese (säurebildende Mikroorganismen vergären einfache Verbindungen zu FFS, CO₂ und Wasserstoff), Acetogenese (acetogene Mikroorganismen wandeln das FFS-Gemisch in Essigsäure um, unter Freisetzung weiterer Mengen CO₂ und Wasserstoff) und Methanogenese (Methanogene wandeln Essigsäure und Wasserstoff in Biogas um). Das Gesamtbild vermittelt der Beitrag Vier Stufen der Methangärung: von der Hydrolyse bis zum Methan. Für diesen gesamten Weg ist das Gleichgewicht zwischen den Mikroorganismengruppen entscheidend und nicht die Geschwindigkeit einer einzelnen Stufe.

Acidogenese: woher die Säuren kommen

Diese Stufe wird von heterotrophen Mikroorganismen getragen, die organische Verbindungen nutzen und schneller wachsen als Methanogene. Schink weist in seinem Übersichtsartikel von 1997 darauf hin, dass Fettsäuren und Alkohole die wichtigsten Zwischenprodukte des methanogenen Abbaus sind, sodass Acetat, Propionat, Ethanol und ihre höheren Homologen weiter zu Einkohlenstoffverbindungen umgewandelt werden müssen. Die Zusammensetzung der Produkte hängt von Substrat und Bedingungen ab; leicht abbaubare Kohlenhydrate liefern rasch große Mengen an Säuren, was bei hohen Dosen von Produktionsrückständen von Bedeutung ist.

In der Praxis beobachtet der Betreiber die Acidogenese nicht direkt, sondern nur ihre Auswirkungen: die FFS-Konzentration, die Alkalinität und den pH-Wert. Übersteigt die Geschwindigkeit der Säurebildung die ihres Verbrauchs, kommt es zur Akkumulation. Anfangs kann der Carbonatpuffer den pH-Wert halten, deshalb ist der pH-Wert allein ein verzögerter Indikator — der EPA-Leitfaden bezeichnet die Alkalinität als den zuverlässigsten Stabilitätsindikator, weil sich die Akkumulation von FFS und CO₂ in einem Abfall der Alkalinität vor dem pH-Abfall zeigt.

Acetogenese und Syntrophie

Die Umwandlung von FFS in Acetat verläuft nicht wie eine gewöhnliche Reaktion mit positiver Energiebilanz. Schink beschreibt diese Prozesse als sekundäre, also syntrophe Gärungen: Sie sind unter Standardbedingungen endergon und hängen von der engen Kopplung an die Methanogenese ab; die verfügbare Energie ist so gering, dass sie eine sehr effektive Zusammenarbeit der Organismen erzwingt. Vereinfacht gesagt: Eine Gruppe erzeugt Wasserstoff (und Acetat), und hydrogenotrophe Methanogene verbrauchen ihn, wodurch die Reaktion weiterlaufen kann. Diesen Zusammenhang beschreiben wir auch im Beitrag Acetoklastische und hydrogenotrophe Methanogene in der Biogasanlage. Eine Störung des Wasserstoffverbrauchs begünstigt die Anreicherung von Zwischensäuren, und die Symptome müssen gemeinsam mit den übrigen Prozessindikatoren interpretiert werden: Die Gaszusammensetzung allein weist nicht eindeutig auf eine bestimmte Mikroorganismengruppe hin.

Warum das Gleichgewicht fragil ist

Der EPA-Leitfaden betont, dass sich Methanogene langsamer vermehren als die übrigen Gruppen, ihre Population also ausreichend groß sein muss: Sind es zu wenige, reichern sich die FFS an und sind in höheren Konzentrationen für sie toxisch. Damit die Methanogene erhalten bleiben, darf ihr Verlust mit dem Ablauf nicht größer sein als der Zuwachs, was über die Verweilzeit geregelt wird. Die Hauptursache von Störungen ist eine Erhöhung der Belastung (OLR) oder eine plötzliche Änderung der Zusammensetzung der Beschickung, nach der die säurebildenden Bakterien den Methanogenen davonlaufen und den pH-Wert senken; eine zweite Ursache ist der Eintrag toxischer Stoffe, der in der Regel zu einem noch schnelleren Zusammenbruch führt. Den Zusammenhang zwischen Dosierung und Stabilität beschreiben wir im Beitrag Stabilität der Beschickung von Biogasanlagen: warum die tägliche Gesamtmenge nicht ausreicht.

Hilft die Trennung der Stufen? Zweistufige Fermenter führen die ersten drei Stufen (Hydrolyse, Acidogenese und Acetogenese) in einem Behälter durch und die Methanogenese in einem zweiten. Der EPA-Leitfaden stellt jedoch fest, dass die Phasentrennung keinen wesentlichen Vorteil gegenüber der einstufigen Vergärung gezeigt hat und dass die Wahl der Technologie vom konkreten Substrat abhängt.

Worauf im Betrieb zu achten ist

1. Ein Rückgang des CH₄-Gehalts im Biogas ist nach EPA der erste Indikator einer Störung.
2. Alkalinität und ihr Trend: Ein Abfall signalisiert eine Störung früher als der pH-Wert.
3. FFS und das Verhältnis von FFS zu Alkalinität: Die Analysen werden mit der Destillations- oder der chromatographischen Methode in einem spezialisierten Labor durchgeführt, in der Regel nicht täglich; ergänzend dient die Titration — siehe FOS/TAC: Messung und Interpretation sowie FFS in der Biogasanlage.
4. pH-Wert im Ablauf: in einem korrekt arbeitenden Fermenter in der Regel 7,0–8,0, aber das ist ein verzögerter Indikator.
5. Änderungen der Beschickung: Gleichen Sie jede Anomalie mit den Aufzeichnungen zu Lieferungen und Dosen ab.

Bei einer Versauerung wird der im Beitrag Versauerung des Fermenters: Diagnose und Vorgehen beschriebene Plan angewendet. Das Verständnis der beiden mittleren Stufen hilft, den Fehlschluss zu vermeiden, das Problem liege am „Mangel an Methanbakterien“, obwohl es oft schlicht von der Geschwindigkeit herrührt, mit der leicht abbaubare Substrate in den Fermenter gelangen.