Die anaerobe Vergärung ist ein biologischer Prozess, bei dem Bakterien organisches Material in basischere Verbindungen abbauen, ohne dass Sauerstoff als Bestandteil des Prozesses benötigt wird. Es wird angenommen, dass diese Bakterien vor etwa 3,800,000,000 Jahren auf der Erde erschienen sind und die vorherrschende Lebensform auf dem Planeten waren, bevor Pflanzen auftauchten. Als das Pflanzenleben vor etwa 3,200,000,000 Jahren entstand, setzte sich die anaerobe Verdauung in natürlichen Umgebungen fort, in denen Sauerstoff fehlte, wie Sümpfen, wassergesättigten Böden und in Böden, die ständig von Wasser bedeckt sind, wie Seen und Flüsse. Die biologischen Prozesse der anaeroben Vergärung erfordern, dass verschiedene Bakterienarten organisches Material in einer Reihe von vier Schritten, einschließlich Hydrolyse, Fermentation, Acetogenese und Methanogenese, zersetzen.
Seit 2011 besteht die Hauptverwendung der anaeroben Vergärung durch die menschliche Industrie darin, Methangas zur Kraftstoff- und Stromerzeugung zu produzieren. Dies geschieht in Abfallbehandlungsanlagen, die landwirtschaftliche Abfälle wie Gülle oder Siedlungsabfälle verarbeiten. Auch die Brauindustrie setzt auf anaerobe Vergärung, um organische Nebenprodukte der Bierherstellung zu Methankraftstoff aufzuspalten, der sonst über kommunale Abwasserbehandlungsanlagen entsorgt werden müsste.
Der Prozess der anaeroben Vergärung in der Natur trägt auch dazu bei, eine Form erneuerbarer Energie namens Erdgas zu erzeugen. Obwohl Erdgas ein fossiler Brennstoff ist, besteht es zusammen mit anderen verwandten Gasen wie Propan und Butan zu etwa 80 % aus Methan und wird von der Erde leichter erzeugt als andere fossile Brennstoffe wie Erdöl. Es ist ein fossiler Brennstoff, der oft neben anderen fossilen Brennstoffen wie Kohle und Öl abgelagert wird.
Industrielle Biomassereaktoren, die Biomasseabfälle wie Gülle zu Brennstoff verarbeiten, produzieren im Allgemeinen weniger Methangas als Volumenprozent als im Erdgas enthalten ist. Die typische Leistung einer eingestellten Biogasmenge aus einem Fermenter beträgt 50 bis 80 % Methan mit einem erheblichen Anteil an Abgas in Form von Kohlendioxid von 20 bis 50 %. Bei dem Verfahren werden auch andere Spurengase erzeugt, die einen gewissen kommerziellen Wert haben, wie Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff, und giftige Gase, die sicher entsorgt werden müssen, werden ebenfalls erzeugt, einschließlich Schwefelwasserstoff und Kohlenmonoxid.
Die biologischen Prozesse, die für eine effektive Abfallvergärung erforderlich sind, können komplex sein und unterliegen streng kontrollierten Bedingungen. Die Temperatur spielt dabei eine große Rolle, da die Bakterien, die den Abfall abbauen, auf verschiedenen Ebenen am besten gedeihen. Einige der Bakterien sind mesophil und gedeihen bei einer moderaten Temperatur von 98° Fahrenheit (36.7° Celsius), und einige sind thermophil und gedeihen bei einer höheren optimalen Temperatur von 130° Fahrenheit (54.4° Celsius).
Die Bedingungen für Temperatur, pH-Wert und andere Faktoren wie das Wasser-Feststoff-Verhältnis der Biomassemischung und das Kohlenstoff/Stickstoff-Verhältnis müssen geändert werden, da das organische Material ebenfalls chemisch abgebaut wird. Die beiden Hauptarten von Bakterien, die bei der anaeroben Vergärung verwendet werden, sind acetogene und methanogene Bakterien, und obwohl sie zusammen verwendet werden, hat jede einzigartige Lebensbedingungen, unter denen sie gedeihen. Acetogene Bakterien produzieren das chemische Acetat während der anaeroben Vergärung und methanogene Bakterien produzieren Methan.
Biomassematerial wird für eine effektive Methanrückgewinnung durch vier Stufen geführt. Die Hydrolysestufe verwendet Wasser, um Feststoffe oder Halbfeststoffe in einfachere Verbindungen zu zersetzen, und dann wird entweder Fermentation oder Acidogenese verwendet, um Kohlenhydratkettenstrukturen in basischere Verbindungen wie Ammoniak, Wasserstoff und organische Säuren aufzuspalten. Als dritter Prozessschritt wird dann die Acetogenese eingesetzt, bei der acetogene Bakterien die organischen Säuren zusammen mit weiteren Nebenprodukten wie Wasserstoff und Kohlendioxid in Essigsäure umwandeln. Der letzte Schritt der Methanogenese verwendet methanogene Bakterien, um diese primären Endprodukte aus Acetat, Wasserstoff und Kohlendioxid zu Methan zu kombinieren, das dann als Kraftstoff verwendet werden kann.