Hydrolyse
Die Hydrolyse stellt die erste Stufe der Biogaserzeugung dar. Das Wort Hydrolyse entstammt der altgriechischen Sprache und bedeutet übersetzt sinngemäß "Auflösung durch Wasser". Grundsätzlich ist damit die Aufspaltung einer chemischen Verbindung durch das Hinzufügen von Wasser gemeint. Dadurch können die Moleküle biologischer Stoffe wie Eiweiße, Fette oder Saccharide in ihre einzelnen Bestandteile zerlegt werden. So werden zum Beispiel Fette in langkettige Fettsäuren, Kohlenhydrate in Zucker und Proteine in einzelne Aminosäuren umgewandelt. Diese Umwandlungen müssen vollständig abgeschlossen sein, bevor die in der Biomasse enthaltenen Bakterien dazu in der Lage sind, die Substrate aufzunehmen und sie durch ihren Stoffwechsel in Methan und einen kleinen Teil Rest-Biomasse umzuwandeln. Die Hydrolyse ist also absolute Voraussetzung dafür, um überhaupt Biogas erzeugen zu können, da die hochmolekularen Substanzen zunächst in niedermolekulare umgewandelt werden müssen.In der Biogaserzeugung vollzieht sich die Hydrolyse, indem das Ausgangsmaterial durch Bakterienstämme in seiner molekularen Struktur aufgespaltet wird und sich anschließend an diesen Spaltstellen Wassermoleküle anlagern, so dass die Ausgangssubstanz in immer kleinere Teile zerfällt. Wie schnell und effektiv dieser Prozess vonstatten geht, hängt dabei von der Zusammensetzung der Ausgangssubstanz sowie weiteren Faktoren wie Temperatur usw. ab. So können beispielsweise stark stärkehaltige Substanzen wesentlich leichter gespalten werden als Ausgangsstoffe, die zu großen Teilen aus Lignin und/oder Cellulose bestehen (z.B. Holz, Stroh etc.). Damit die Hydrolyse bei der technischen Erzeugung von Biogas stattfinden kann, wird das Ausgangssubstrat zunächst über mehrere Tage in einem speziellen Gärbehälter, dem so genannten Fermenter, gelagert. Damit die Biomasse im Fermenter möglichst homogen bleibt und sich keine Schwimm- oder Sinkschichten bilden, wird sie durch ein spezielles Rührwerk ständig in Bewegung gehalten. Weiterhin verfügt der Fermenter über ein eigenes Heizsystem, mit dem die Temperatur im Inneren konstant bei etwa 35-40 Grad Celsius gehalten werden kann. Die Heizung funktioniert dabei beim Großteil der Anlagen über einen Wassermantel, der den Gärbehälter umschließt. In diesem Wassermantel ist ein elektrisches Heizelement eingebaut, mit dem das Wasser stufenlos erhitzt werden kann.
Um den Hydrolyse-Prozess zu beschleunigen und den PH-Wert der Biomasse möglichst im optimalen Bereich zu halten, setzt man heute oft so genannte Co-Substrate ein. Dabei handelt es sich um Zusätze, die zusammen mit der Biomasse in den Fermenter gegeben werden. Zur Regulierung des PH-Werts wird beispielsweise gerne Kalk verwendet. Andere Stoffe werden als Co-Substrate eingesetzt, weil sie nicht immer bzw. nicht ganzjährig durchgängig verfügbar sind, wie Fettabscheider-Rückstände aus der Gastronomie oder Trester aus der Herstellung von Bier, Wein und Säften. Ein weiterer Grund bestimmte Stoffe nur als Co-Substrat einzusetzen, ist der hohe Trockensubstanzgehalt. So können zum Beispiel Bioabfälle aus Privathaushalten oder Industrie nicht als alleinige Biomasse in den Fermenter gegeben werden, da sie zu wenig Wasser enthalten und so die Hydrolyse nicht stattfinden könnte. Das Zugeben von Wasser könnte dieses Problem lösen, würde aber die Biogasherstellung teuer und aufwendig machen. Daher verwendet man diese Stoffe gerne als Co-Substrate oder setzt sie in speziellen Trockenfermentationsanlagen ein, die sich allerdings in Deutschland noch im Entwicklungsstadium befinden.