Desintegration und Vorbehandlung von Substraten: Überblick über die Methoden und wann sie sich lohnt

Die Vorbehandlung (Desintegration) von Substraten soll den Abbau von Material, das für Mikroorganismen schwer zugänglich ist, beschleunigen oder steigern, d. h. die Barriere der Hydrolyse verringern. Die besten Effekte erzielt sie bei lignozellulosehaltiger Biomasse (Stroh, Gräser, Kartoffelkraut) und bei Überschussschlamm aus Kläranlagen; bei Maissilage ist der Methanmehrertrag in der Regel gering, sodass sie sich selten lohnt. Die Entscheidung sollte auf einem BMP-Test vor und nach der Behandlung sowie auf einer Energie- und Kostenbilanz beruhen.

Warum die Hydrolyse eine Barriere ist

In den Zellwänden von Pflanzen sind Zellulose und Hemizellulosen durch Lignin abgeschirmt und in kristallinen Strukturen organisiert. Die Enzyme der Bakterien haben einen erschwerten Zugang. In Klärschlamm sind die Zellwände der Bakterien die Barriere. Die Vorbehandlung bricht diese Strukturen auf, vergrößert die Oberfläche und setzt den Zellinhalt frei.

Gruppen von Methoden

Die Temperaturen der thermischen Hydrolyse behandeln wir in einem gesonderten Beitrag.

Was die Erfahrungen sagen

Die Effekte hängen vom Substrat und von den Parametern ab. In der Literatur wird ein Anstieg des Methanertrags aus lignozellulosehaltigen Materialien nach der Behandlung in der Größenordnung von mehr als zehn bis zu mehreren Dutzend Prozent berichtet, doch die Größe des Effekts ist unterschiedlich, und ein Teil der Arbeiten betrifft Laborbedingungen. Schlussfolgerungen aus Untersuchungen im Labormaßstab lassen sich nicht unmittelbar auf den technischen Maßstab übertragen, in dem Energiekosten und Investitionsaufwand hinzukommen. Deshalb ist es wichtig, Daten zu verwenden, die realen Substraten entsprechen.

Energiebilanz — Beispiel

Annahmen: Stroh 5 t/d (TS 90%, oTS 90% der TS), BMP ohne Behandlung 200 NmL CH₄/g oTS, nach der Behandlung 250 NmL CH₄/g oTS (hypothetischer Zuwachs von 25%, zur Veranschaulichung). oTS pro Tag: 5.000 × 0,9 × 0,9 ≈ 4.050 kg. Zusätzliches Methan: (250 − 200) × 4.050 ≈ 202.500 NL ≈ 203 m³ CH₄/d, was bei einem Heizwert von ca. 9,97 kWh/m³ ca. 2.020 kWh/d chemische Energie ergibt. Bei einem elektrischen Wirkungsgrad des BHKW von 40% sind das ca. 810 kWh/d elektrische Energie. Verbraucht die Behandlung 500 kWh/d elektrische Energie und Wärme im Wert von ca. 300 kWh/d, ist die Nettobilanz gering; die Wirtschaftlichkeit hängt von den Preisen ab und davon, ob die Wärme Abwärme ist. Die Rechnung ist mit eigenen Daten zu wiederholen.

Kriterien für die Wahl der Methode

1. Art des Substrats — prüfen Sie zuerst, ob es lignozellulosehaltig ist und eine begrenzte Abbaubarkeit aufweist.
2. Ligningehalt — ein hoher Ligningehalt begrenzt den Effekt, und einige Methoden (Laugen) können Inhibitoren bilden.
3. Verfügbarkeit günstiger Wärme — thermische Methoden sind mit Abwärme sinnvoll.
4. Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit — ob das Gerät mit Fasern und Fremdkörpern stabil arbeitet.
5. Einfluss auf die nachfolgenden Stufen — z. B. Salz nach chemischer Behandlung, Bildung phenolischer Verbindungen, Viskosität.
6. Rechtliche Anforderungen — einige Chemikalien beeinflussen den Status des Gärrests.

Häufige Fehler bei der Bewertung

• Vergleich der Ergebnisse nach der Behandlung mit dem Literaturwert statt mit einer Kontrolle desselben Materials,
• Außerachtlassen der Energie- und Servicekosten,
• Übertragung des Ergebnisses einer Charge auf die gesamte Kampagne,
• Unterschätzung des Einflusses von Feuchtigkeit und Zerkleinerungsgrad auf denselben Test,
• fehlende Analyse des Einflusses auf Schaumbildung, Viskosität und Gaszusammensetzung.

Umsetzungsplan

1. Sammeln Sie für die Saison repräsentative Proben.
2. Führen Sie BMP-Tests für das Rohmaterial und nach mehreren Behandlungsvarianten durch.
3. Berechnen Sie die Energie- und Kostenbilanz für die Größenordnung der Anlage.
4. Führen Sie einen Versuch im Pilotmaßstab durch und erfassen Sie dabei Energieverbrauch und Leistung.
5. Entscheiden Sie über den Maßstab erst nach mehreren Monaten Daten.

Die Vorbehandlung ist ein Werkzeug für außergewöhnliche Substrate, keine universelle Verbesserung; den größten Gewinn bringt sie dort, wo das Material günstig, schwer abbaubar und in großer Menge verfügbar ist.

Rangfolge der Wirtschaftlichkeit — Hinweise

Vereinfacht gilt: Je schwieriger und billiger das Substrat, desto sinnvoller die Behandlung. Für Abfälle aus der Abwasserreinigung und für Stroh sind thermische oder mechanische Methoden mitunter gerechtfertigt; bei Maissilage, die bei typischer HRT nahezu vollständig abgebaut wird, ist der Gewinn minimal; bei Lebensmittelabfällen sind das Hauptziel Homogenität und Hygienisierung, nicht die Ertragssteigerung. Eine gute Gewohnheit ist es, die Kosten der Behandlung von 1 Tonne mit dem Wert des zusätzlichen Methans aus dieser Tonne zu vergleichen.

Einfluss auf die Emissionen

Ein höherer Abbaugrad im Fermenter bedeutet ein geringeres Restpotenzial des Gärrests und damit niedrigere Methanemissionen aus dem Lager. Das ist ein zusätzlicher, schwerer zu bewertender Vorteil, der bei der Analyse berücksichtigt werden sollte, insbesondere in Anlagen mit offenen Gärrestbehältern.