Ziel des Verbundprojektes ist die Entwicklung eines Steuerkonzeptes als Werkzeug zur Auslegung und den Betrieb von Rührsystemen in Biogasanlagen, mit dem dauerhaft ein verfahrenstechnisch optimierter und wirtschaftlicher Einsatz der Rührtechnik zur Biogaserzeugung garantiert werden kann. Als Gesamtzielstellung wird eine, von den Substrateigenschaften unabhängige Maximierung der Biogasausbeute bei minimalem energetischem Aufwand zum Mischen verfolgt. Weiterhin sollen geeignete Kriterien zur Maßstabsübertragung von Mischprozessen nicht-Newtonscher Fluide für ein Scale-Up der Ergebnisse in den Prozesserarbeitet werden. Im Rahmen des Projektes sind die bisher im kleintechnischen Maßstab ermittelten Zusammenhänge zwischen Substrateigenschaften, Mischprozess und Biogasausbeute im Pilotmaßstab zu überprüfen und weiter zu qualifizieren. Mit der geplanten Übertragung prozesstomographischer Untersuchungen in den 1-m3-Maßstab liegen erstmalig quantitative Aussagen zur Bewertung von Mischprozessen opaker, faseriger Stoffsysteme in unterschiedlichen Maßstäben vor, auf deren Basis gesicherte Kriterien für ein Scale-Up erarbeitet werden sollen. Unter zusätzlicher Einbeziehung der von der TU Berlin vorzunehmenden Messungen mittels optischer Sonden sind Aussagen zur Vermeidung von Betriebsstörungen in Biogasfermentern abzuleiten. Auf Basis dieser neuen Forschungsergebnisse erfolgt durch die KSB AG schließlich die Erarbeitung des Regel- und Steuerungskonzeptes.
Im Rahmen des Verbundvorhabens sollen durch den Einsatz der Constant-Temperature-Anemometry, der magnetisch induktiven Geschwindigkeitsmessung und der Particle-Image-Velocimetry Aussagen zur Maximierung der Raum-Zeit-Ausbeute, das heißt einer möglichst vollständigen Einbeziehung des gesamten Reaktorinhaltes in den Mischprozess, abgeleitet werden. An Hand dieser Erkenntnisse werden anschließend Kriterien zur Übertragung relevanter Forschungsergebnisse in den Praxisbetrieb erarbeitet, Maßnahmen zur Vermeidung von Betriebsstörungen abgeleitet und ein Steuerungskonzept für das Rührsystem des Biogasreaktors entwickelt. Durch den Einsatz von Messsonden und optischer Messverfahren werden Geschwindigkeitsfelder sowie Mischzeiten in einer zur großtechnischen Biogasanlage geometrisch ähnlichen Pilotanlage ermittelt. Dabei wird auf ein Modellmedium mit den für Gärsubstrate charakteristischen rheologischen Eigenschaften zurückgegriffen. Der Einsatz von Messsonden ermöglicht die schnelle, punktuelle Charakterisierung des Strömungsregimes. Fluiddynamisch relevante Gebiete werden so detektiert und mittels PIV näher untersucht. Auf Basis dieser neuen Ergebnisse sowie bereits vorliegender Resultate aus einer Technikumsanlage werden Kriterien zum Scale-up erarbeitet, welche durch Geschwindigkeitsmessungen an Biogasanlagen weiter präzisiert werden. Systematische CFD-Simulationen der Strömungsregime in Abhängigkeit der Rührwerkspositionierung und Reaktorgröße unterstützen die exp. Arbeiten.
Das Forschungsvorhaben beinhaltet die Weiterentwicklung (Upscaling) eines zweistufigen Biogasfermentersystems zur Nassvergärung, das aus Haupt- und Nachfermenter besteht. Das System ist dadurch gekennzeichent, dass beide Fermenter in einem gemeinsamen Bauwerk mit kreisformigem Grundriss konzentrisch angeordnet sind und zwar derart, dass der Hauptfermenter außenliegend mit kreisringförmigen Grundriss und der Nachfermenter innenliegend mit kreisförmigem Grundriss angeordnet sind. Wesentlich für die Funktion des Systems ist die Auswahl und richtige Positionierung der Rührwerke im Hauptfermenter. Durch Upscaling der Anlagen ergibt sich die Notwendigkeit diese Rührstraße aufzuweiten, wodurch mit momentaner Rührtechnik Totzonen entstehen würden. Ziel der CFD-Simulation soll es sein, Antworten hinsichtlich Art, Anzahl und Anordnung der Rührwerke für prozessbiologisch optimierte Fermentergeometrien zu geben um diese großtechnisch umsetzen zu können.