Thermodynamische Aspekte der anaeroben Vergärung

• Philipp Lins
• Prof. Dr. Paul Illmer

Viele biologische und (bio-)chemische Grundlagen des anaeroben Substratabbaus sind noch immer ungeklärt. Es haben sich daher eine Reihe empirisch ermittelter Prozessparameter etabliert, die - oft mäßig erfolgreich - zur Beschreibung von Vergärungen herangezogen werden. Häufig werden jedoch Werte gemessen, die theoretischen und thermodynamischen Überlegungen widersprechen, was nach einer kritischen Auseinandersetzung mit diesem theoretischen Hintergrund verlangt.

In der vorliegenden Arbeit werden thermodynamische Daten rund um acetogene und methanogene Reaktionen unter Einbindung der wichtigsten Intermediate (H₂, CO₂, Formiat, Acetat, Propionat und Butyrat) analysiert. Es werden temperaturkompensierte Δ_rG⁰-Werte für eine thermophile Prozessführung berechnet. Weiters werden reale, in einem 750 m³ Reaktor gemessene Konzentrationen der genannten Intermediate für die Berechnungen der Gibbs'schen freien Energie herangezogen, was im Vergleich zu den häufig in der Literatur angegebenen Standardwerten zu signifikant veränderten Ergebnissen führt. Es konnte somit gezeigt werden, dass die Gibbs'sche freie Energie unter Standardbedingungen (Δ_rG⁰′ beziehungsweise Δ_rG⁰) im Vergleich zur Gibbs'schen freien Energie (Δ_rG) einer Reaktion unter den tatsächlich vorherrschenden Bedingungen nur eine bedingte Aussagekraft besitzt und nicht ohne weiteres zu Schlussfolgerungen herangezogen werden darf. Die Berechnung von Δ_rG-Werten wird anhand eines einfachen Beispiels demonstriert.

Several biological and (bio)chemical basics of anaerobic digestions are still not understood. Thus, various empiric process parameters were introduced to describe anaerobic degradation of organic substrates, but the increase in controlling and understanding the process remained moderate. Even more - sometimes parameters reach an order of magnitude, which should not be possible from a thermodynamic point of view so that it seems worth to have a look at these thermodynamic assumptions.

In the present work, we analyzed thermodynamic data of acetogenic and methanogenic reactions in which the main intermediates, (H₂, CO₂, formic-, acetic-, propionic- and butyric acid) are involved. The first step to approximate reality was to compensate the Δ_rG⁰-values for temperature. The next - more sophisticated - step was to include real concentrations of various intermediates into the calculation - concentrations that were measured within a 750 m³ thermophilic fermenter. The resulting values for Gibbs free energy were significantly different from those usually presented in literature. Thus, Gibbs free energies calculated under standard conditions (Δ_rG⁰′ or Δ_rG⁰) are less convincing compared to those based on in situ conditions (Δ_rG) and should be interpreted with precaution when trying to assess or optimize fermenter conditions. A comprehensible example for calculating Δ_rG is presented.

Seiten 604 - 608