Acidogenese en acetogenese: fasen van methaangisting waarin zuren en waterstof ontstaan

Acidogenese en acetogenese zijn de tweede en derde fase van methaangisting: in de eerste zetten micro-organismen de eenvoudige verbindingen die bij de hydrolyse zijn ontstaan om in kortketenige vetzuren (vluchtige vetzuren, VVZ), CO₂ en waterstof, en in de tweede zetten ze het mengsel van VVZ om in azijnzuur, met vrijkomen van verdere hoeveelheden CO₂ en waterstof. Pas deze producten zijn voedsel voor methanogenen. Begrip van beide fasen is belangrijk voor de operator, want juist hier beginnen de meest voorkomende verstoringen van het proces.

Plaats in de keten van omzettingen

Volgens de EPA AgSTAR-gids verloopt anaerobe afbraak in vier stappen: hydrolyse (complexe organische verbindingen, zoals eiwitten, koolhydraten en vetten, worden afgebroken tot eenvoudigere), acidogenese (zuurvormende micro-organismen fermenteren eenvoudige verbindingen tot VVZ, CO₂ en waterstof), acetogenese (acetaatvormende micro-organismen zetten het mengsel van VVZ om in azijnzuur, met vrijkomen van verdere hoeveelheden CO₂ en waterstof) en methanogenese (methanogenen zetten azijnzuur en waterstof om in biogas). Het algemene beeld wordt gegeven in het artikel De vier fasen van methaangisting: van hydrolyse tot methaan. Voor de gehele route is de balans tussen groepen micro-organismen cruciaal, en niet de snelheid van één enkele fase.

Acidogenese: waar de zuren vandaan komen

Deze fase wordt uitgevoerd door heterotrofe micro-organismen, die organische verbindingen benutten en sneller groeien dan methanogenen. Schink merkt in zijn overzicht uit 1997 op dat vetzuren en alcoholen de belangrijkste tussenproducten van methanogene afbraak zijn, dus acetaat, propionaat, ethanol en hun hogere homologen moeten verder worden omgezet in verbindingen met één koolstofatoom. De samenstelling van de producten hangt af van het substraat en de omstandigheden; licht afbreekbare koolhydraten leveren snel grote hoeveelheden zuren, wat van belang is bij grote doses productieafval.

In de praktijk observeert de operator de acidogenese niet rechtstreeks, maar alleen de gevolgen: de VVZ-concentratie, de alkaliteit en de pH. Als het tempo van zuurproductie het tempo van verbruik overstijgt, treedt ophoping op. Aanvankelijk kan de carbonaatbuffer de pH handhaven, daarom is de pH-waarde op zich een vertraagde indicator — de EPA-gids noemt de alkaliteit de betrouwbaarste indicator van stabiliteit, omdat de ophoping van VVZ en CO₂ zichtbaar is in een daling van de alkaliteit vóór een daling van de pH.

Acetogenese en syntrofie

De omzetting van VVZ in acetaat verloopt niet als een gewone reactie met een positieve energiebalans. Schink beschrijft deze processen als secundaire, dus syntrofe fermentaties: ze zijn onder standaardomstandigheden endergoon en hangen af van een strakke koppeling met methanogenese; de beschikbare energie is zo klein dat zij een zeer efficiënte samenwerking van organismen afdwingt. Vereenvoudigd: de ene groep produceert waterstof (en acetaat), en hydrogenotrofe methanogenen verbruiken die, waardoor de reactie verder kan verlopen. Dit verband beschrijven we ook in het artikel Acetoclastische en hydrogenotrofe methanogenen in de biogasinstallatie. Verstoring van de waterstofafvoer bevordert de ophoping van tussenzuren, en de symptomen moeten samen met de overige procesindicatoren worden geïnterpreteerd: de gassamenstelling alleen wijst niet eenduidig op een bepaalde groep micro-organismen.

Waarom het evenwicht kwetsbaar is

De EPA-gids benadrukt dat methanogenen zich langzamer vermenigvuldigen dan de overige groepen, dus hun populatie moet voldoende groot zijn: als er te weinig zijn, hopen VVZ zich op en zijn ze in hogere concentraties giftig voor hen. Om methanogenen te behouden mag hun verlies met het effluent niet groter zijn dan de aanwas, wat wordt geregeld via de verblijftijd. De belangrijkste oorzaak van verstoringen is verhoging van de belasting (OLR) of een abrupte verandering van de samenstelling van de voeding, waarna zuurvormende bacteriën de methanogenen voorbijstreven en de pH verlagen; een tweede oorzaak is de invoer van giftige stoffen, wat doorgaans tot een nog snellere instorting leidt. De afhankelijkheid van dosering en stabiliteit beschrijven we in het artikel Stabiliteit van de voeding van een biogasinstallatie: waarom de dagsom van de invoer niet volstaat.

Helpt scheiding van de fasen? Tweetrapsvergisters voeren de eerste drie fasen (hydrolyse, acidogenese en acetogenese) uit in één tank, en methanogenese in een tweede. De EPA-gids merkt echter op dat de scheiding van fasen geen significant voordeel ten opzichte van eentrapsvergisting heeft aangetoond en dat de keuze van de technologie afhangt van het concrete substraat.

Waar op te letten in de exploitatie

1. Daling van het CH₄-gehalte in het biogas is volgens de EPA de eerste indicator van verstoring.
2. Alkaliteit en de trend daarvan: een daling signaleert verstoring eerder dan de pH.
3. VVZ en de verhouding VVZ tot alkaliteit: analyses worden uitgevoerd met een destillatie- of chromatografische methode in een gespecialiseerd laboratorium, doorgaans niet dagelijks; aanvullend is titratie — zie FOS/TAC: hoe te meten en te interpreteren en VVZ in de biogasinstallatie.
4. pH in het effluent: in een correct werkende vergister doorgaans 7,0–8,0, maar het is een vertraagde indicator.
5. Veranderingen van de invoer: leg elke anomalie naast de registratie van leveringen en doses.

Bij verzuring wordt het plan toegepast dat is beschreven in het artikel Verzuring van de vergister: diagnose en aanpak. Begrip van de twee middelste fasen helpt de verkeerde conclusie te vermijden dat het probleem ligt in een “gebrek aan methaanbacteriën”, terwijl het vaak eenvoudigweg voortvloeit uit de snelheid waarmee licht afbreekbare substraten in de vergister terechtkomen.