Nah-Infrarot-Reflektions Spektroskopie (NIRS) als Monitoringtool

Automatische Fütterungseinrichtung für einen Laborbiogasfermenter

Weiterentwicklung der Nah-Infrarot-Reflektions Spektroskopie (NIRS) als Monitoringtool für den Biogasprozess und die Biogaskette

Auftretende Störungen in der Gärbiologie von Biogasanlagen werden nach wie vor über zeitintensive, nasschemische Analysen verifiziert, die ein rechtzeitiges Eingreifen zur Vermeidung von Betriebsausfällen erschweren. Kenntnisse über wichtige physikalisch-chemische Prozessparameter zur Kontrolle des anaeroben Abbaus, wie die organische Trockensubstanz (oTS), Ammonium (NH₄-N), der Carbonatpuffer (TAC) und das Essigsäureäquivalent (HAc_äq.) sind hierfür überaus bedeutsam.
Die NIR-Spektroskopie bietet die Möglichkeit, die spezifischen Prozesskenngrößen des mikrobiellen Abbaus des Fermentersubstrates zu erfassen und zu quantifizieren.
In vorangegangenen Versuchen konnten online-Kalibrationsmodelle entwickelt werden, die eine präzise Abschätzung dieser Parameter erlauben.
Somit kann eine kontinuierliche Prozessüberwachung von Biogasanlagen mit NIRS-Kalibrationsmodellen entwickelt werden, die substrat- und anlagenübergreifend funktioniert.

Zielsetzung

Im Projekt sollen bestehende Kalibrationen erweitert und die Modelle laufend validiert werden. Die NIRS-Messungen sollen eine breite Basis für eine unmittelbare Steuerung des Fermentationsprozesses schaffen.

Einzelne Projektziele sind:

Identifizieren von Trendänderungen der substratspezifischen Kenngrößen (Flüchtige Fettsäuren, Trockensubstanzgehalt im Fermenter) bei variierender Fütterung
Erfassen saisonal bedingter Schwankungen bei Substratwechsel oder einmaliger Stoßbelastung
Ermittlung des Zeitbedarfs zur Stabilisierung der Biozönose nach Laständerung
Erkennen von Prozessinstabilitäten in Abhängigkeit von der Häufigkeit des Substratwechsels oder von Stoßbelastungen
Darstellung potentieller Änderungen in der Gaszusammensetzung und dem Methangehalt mit signifikanten Zusammenhängen zur Fütterung
Einschätzung des Düngewertes des Gärrestes
Ableitung von Aussagen zum Kohlenstoffluss im Biogasprozess (Humusgehalt, Abbaueffizienz)

Methode

In der ersten Versuchsphase kommt ein Laborbiogasfermenter mit einem Nutzvolumen von 240 Litern zum Einsatz, um bereits bestehende Kalibrationen zu verifizieren und zu erweitern. In den Versuchen findet eine automatische Fütterungseinrichtung Anwendung, die eine kontinuierliche Substratzugabe zum Laborbiogasfermenter gewährleisten soll. Die Biogasproduktion wird dadurch auf einem stabilen Niveau gehalten. Zusätzlich einmalige, tägliche Stoßbelastungen erhöhen kurzfristig die Biogasproduktion, die der Abdeckung von Bedarfsspitzen dienen soll. Während der Simulation einer flexiblen und bedarfsorientierten Biogasproduktion sollen die Prozessparameter mit der NIR-Spektroskopie überwacht werden. Schwankungen in der Biozönose durch Laständerung sollen erfasst werden und die NIRS-Daten sollen Auskunft über etwaige Prozessinstabilitäten geben.

Die in der ersten Projektphase gewonnenen Erkenntnisse sollen in einer zweiten Phase auf einen größeren, kontrollierbaren Technikumsmaßstab (2500 Liter) übertragen und weiterhin stetig validiert werden.

Das Projekt wird abgerundet durch die Konzeptionierung einer mobilen Messanordnung mit NIR-Spektometer, mit der die erweiterten Kalibrationen an ausgewählten Praxis-Biogasanlagen validiert werden sollen. Das Hauptaugenmerk dieses Projektabschnitts liegt auf einer online Überwachung der Prozessstabilität im Biogasfermenter mit einer Regelung und Steuerung der Substratzugabe über die NIRS-Daten.

Projektinformation
Projektleitung: Dr. Fabian Lichti
Projektbearbeitung: Dr. Andrea Stockl
Laufzeit: 2012-2015
Finanzierung: Bayerisches Staatministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten
Förderkennzeichen: EW/12/07

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Übersicht: Wirtschaftsdüngermanagement und Biogastechnologie