Dunkelfermentation: Wasserstoff aus organischen Abfällen – Ausbeute und Grenzen

Die Dunkelfermentation ist ein anaerober Prozess, bei dem Bakterien Zucker aus Biomasse oder organischen Abfällen ohne Beteiligung von Licht zu Wasserstoff, Kohlendioxid und organischen Säuren abbauen. Anders als bei der klassischen Methangärung bleibt der Prozess auf der Stufe der Acidogenese stehen: Es bilden sich flüchtige Säuren (Essig-, Buttersäure), Methan entsteht jedoch nicht, weil die Methanogenen gehemmt werden. Theoretisch lassen sich aus 1 mol Glucose maximal 4 mol H₂ gewinnen (Essigsäureweg), in der Praxis sind die Ausbeuten jedoch um ein Mehrfaches niedriger, weshalb die Technologie im Stadium von Forschung und Pilotversuchen verbleibt.

Chemie des Prozesses

Zwei wichtige Stoffwechselwege:

• Essigsäureweg: C₆H₁₂O₆ + 2H₂O → 2CH₃COOH + 2CO₂ + 4H₂ (max. 4 mol H₂/mol Glucose).
• Buttersäureweg: C₆H₁₂O₆ → CH₃CH₂CH₂COOH + 2CO₂ + 2H₂ (2 mol H₂/mol Glucose).

In realen Mischkulturen entsteht ein Spektrum von Produkten (Acetat, Butyrat, Ethanol, Lactat), und die Wasserstoffausbeute liegt üblicherweise im Bereich von 1–2,5 mol H₂ je mol Hexose. Die Bildung von Propionat oder Lactat senkt die Ausbeute noch weiter.

Mikroorganismen

Für die Wasserstoffbildung sind vor allem Bakterien der Gattung Clostridium (zur Sporenbildung fähig) und Enterobakterien (z. B. Enterobacter) verantwortlich. Bei gemischten Schlammkulturen wird das Inokulum vorbehandelt, z. B. durch kurzzeitiges Erhitzen oder Absenken des pH-Werts, um Methanogene und wasserstoffzehrende Bakterien zu eliminieren und sporenbildende Bakterien zu erhalten.

Prozessparameter

Entscheidend ist ein niedriger Wasserstoffpartialdruck; ein Überschuss an H₂ in der Lösung verschiebt den Stoffwechsel in Richtung Säuren und hemmt die Wasserstoffbildung. Intensives Rühren oder Durchspülen mit Inertgas verbessert die Ausbeute, erschwert jedoch die Reinigung.

Nebenprodukte

Die Dunkelfermentation nutzt nur einen Teil der Energie des Substrats. Der Rest – Fettsäuren und Alkohole – enthält den Großteil der Energie und muss verwertet werden: in einer zweiten Stufe der Methangärung (zweistufiges System), in der Photofermentation oder in mikrobiellen Elektrolysezellen. Aus diesem Grund wird der Prozess selten allein betrachtet; sinnvoller sind Hybridsysteme.

Berechnungsbeispiel

Annahmen: Molke aus einer Molkerei enthält 45 g/l Lactose (Disaccharid, ~342 g/mol); zur Vereinfachung nehmen wir an, dass sie nach der Hydrolyse 2 mol Hexose je mol Lactose liefert. Auf 1 m³ Molke: 45 kg Lactose sind 45.000 g / 342 g/mol ≈ 131,6 mol, also ca. 263 mol Hexose. Bei einer Ausbeute von 1,5 mol H₂/mol Hexose: ≈ 395 mol H₂ ≈ 0,79 kg H₂ ≈ 8,9 m³ H₂ (Normbedingungen, 22,4 l/mol). Die Energie dieses Wasserstoffs (Heizwert 33,3 kWh/kg) beträgt ca. 26 kWh je m³ Molke. Zum Vergleich: Dieselbe Molke würde in der Methangärung ein Vielfaches an Energie in Form von Methan liefern, weil dabei das gesamte organische Material genutzt wird. Die Berechnung veranschaulicht, warum die Dunkelfermentation üblicherweise die erste Stufe und nicht der gesamte Prozess ist.

Technologische Reife

Dunkelfermentationsprozesse wurden in Laboren und Pilotanlagen unterschiedlicher Größenordnung erprobt. Die wichtigsten Hürden sind: niedrige Ausbeuten, Instabilität von Mischkulturen, Kosten der Reinigung des Gasgemisches (H₂/CO₂, mitunter Spuren von H₂S) sowie die Wirtschaftlichkeit im Wettbewerb mit Elektrolyse und Reforming. Daher ist sie als Entwicklungstechnologie und nicht als fertige kommerzielle Lösung zu betrachten.

Wo sie sinnvoll ist

• in Lebensmittelverarbeitungsbetrieben mit homogenen Zuckerströmen (Molke, Pressrückstände, Melasse);
• als Element einer zweistufigen H₂+CH₄-Vergärung (sog. Biohythan), bei der die erste Stufe die Hydrolyse verbessert;
• in Forschungsprojekten zu Bioraffinerien, in denen die Säuren Rohstoff für weitere Produkte sind.

Reinigung von Wasserstoff-Biogas

Das Gas aus der Dunkelfermentation enthält üblicherweise 30–60% H₂ (der Rest ist überwiegend CO₂) mit Beimengungen von Schwefelwasserstoff und Wasserdampf. Die Abtrennung von Wasserstoff in Kraftstoffqualität erfordert Adsorption (PSA), Membranen oder Wäscher, und die Verdichtung und Speicherung des Wasserstoffs verbrauchen zusätzliche Energie. Dieser Teil der Kette wird in Veröffentlichungen, die sich auf die Ausbeute im Reaktor konzentrieren, mitunter ausgeblendet, kann aber in der Wirtschaftlichkeitsanalyse ebenso wichtig sein wie der Bioreaktor selbst.

Zusammenfassung

Die Dunkelfermentation ist eine interessante Richtung, die es ermöglicht, kohlenhydrathaltige Abfälle ohne Beteiligung von Licht zur Wasserstoffproduktion zu nutzen (die Anlage benötigt allerdings Hilfsenergie); die begrenzte Ausbeute und die Notwendigkeit, die Säuren zu verwerten, machen sie jedoch vorerst zu einer Forschungstechnologie und zu einem Element von Hybridsystemen.