Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Eine energetisch sinnvolle Beseitigung und Verwertung von Bioabf\u00e4llen und anderen Biomassen ist allgemein erforderlich. Einzig durch den klimaneutralen Prozess der Verg\u00e4rung ist eine nennenswerte Energieproduktion in diesem Zusammenhang m\u00f6glich. Da dieser Prozess mikrobiologisch sehr sensibel ist, ben\u00f6tigt er st\u00e4ndig optimale Bedingungen (pH-Wert, Redoxwert, Temperatur, N\u00e4hrstoffangebot). Um solch optimale Bedingungen betriebssicher zu gew\u00e4hrleisten, sollte im Rahmen des Projektes eine neu-artige online-Prozessregelung entwickelt werden. Ein Bedarf daf\u00fcr ergibt sich auch durch das stark gestiegene Aufkommen von Verg\u00e4rungsanlagen, andererseits aus dem bei Betreibern und Anlagenbauern zu beobachtenden Trend zu Quereinsteigern, die eigentlich nicht den notwendigen Erfahrungshorizont besitzen. Dies hat in der Vergangenheit immer wieder zu Ausf\u00e4llen von Biogasanlagen gef\u00fchrt. Insbesondere kleinere Biogasanlagen k\u00f6nnen zu problematischen Situationen f\u00fchren, die wirtschaftlich nur durch ein Experten-Regelsystem gel\u00f6st werden k\u00f6nnen, das es derzeit noch nicht auf dem Markt gibt.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIm 1. Planungsabschnitt des Projektes wurden die theoretischen Grundlagen f\u00fcr eine Fuzzy-Logik Regelstrategie erarbeitet, die im Prinzip eine auf Expertenwissen basierende multivariable Regelung darstellt. Im 2. Planungsabschnitt wurde der Versuchsaufbau f\u00fcr eine vollautomatisch betriebene Triplett Laborversuchsanlage mit 3 parallelen Bioreaktoren zur Verg\u00e4rung von Feststoffsuspensionen von der HAW Hamburg in Eigenbau realisiert. Dazu geh\u00f6rte die automatisierte Substratdosierung und die online Erfassung der Prozessparameter Temperatur, pH, Redox, Methan, CO2 und Gasbildungsrate, ferner offline die Bestimmung von kurzkettigen Fetts\u00e4uren, Alkoholen, und von Ammonium\/Ammoniak, Phosphat, Organik oTS, organ. Beladungsrate OLR, hydraulischer Retentionszeit HRT. Es sollte im Rahmen des Projektes zuerst eine Fermentationsdatengrundlage f\u00fcr prozessrelevante Daten geschaffen werden, um daraufhin mit gesonderten Testfermentationen die bereits vor diesem Projekt in davon unabh\u00e4ngigen Versuchen an der HAW entwickelte Fuzzy Logik-Regelstrategie anzupassen und zu validieren. Die zu diesem Projekt nicht geh\u00f6rende Vorlaufphase besch\u00e4ftigte sich mit der schwierigen Verg\u00e4rung des relativ definierten, aber neuartigen Modellsubstrates Katzenfutter in Dosen, das exemplarisch f\u00fcr Speisereste steht und viel Eiwei\u00df sowie Fett enth\u00e4lt.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Testfermentationen liefen bei 2 Reaktoren kontinuierlich und ununterbrochen \u00fcber insgesamt 1.000 Tage, wobei keinerlei Supplemente, wie z.B. Spurenelemente, verwendet wurden. Als Substrat kam hierbei milchsauer vergorene R\u00fcbensilage-Mus (Mix aus R\u00fcbe und Blatt) mit einem pH-Wert von 3,4 zum Einsatz. Die Fuzzyregelungsperiode erstreckte sich \u00fcber mehr als 260 Tage, wobei zuvor die Hauptversuchszeit f\u00fcr den Aufbau der Vollautomatik-Triplettanlage und die Testfermentationen zur Bestimmung der optimalen Temperatur und Beladungsrate sowie des F\u00fctterungsmodi verwendet wurde. Da die Silage als Suspension zum Einsatz kam, resultierte aus der OLR bei gegebenem Reaktorvolumen gleichzeitig die HRT. Als Temperaturen wurde 37\u00b0C, 45\u00b0C, 55\u00b0C, 60\u00b0C und 65\u00b0C getestet und dabei das Abbauverhalten in Abh\u00e4ngigkeit verschiedener F\u00fctterungszyklen pro tag studiert. Zur Charakterisierung des Abbauverhaltens und der Reaktorbelastbarkeit eignete sich insbesonders in Abh\u00e4ngigkeit zur Zeit nach der F\u00fctterung das Verh\u00e4ltnis von dem Fermentationsmetaboliten Essig- zu Propions\u00e4ure. Es wurde f\u00fcr eine kurze 3w\u00f6chige Periode auch frischer, gesiebter (1 mm) R\u00fcbensaft ohne milchsaure Vorhydrolyse verwendet, wobei keine Lag-Phase zu beobachten war.
\nIm automatischen Fuzzyregelungsmodus wurde mit Intervallbeladung die HRT nach anf\u00e4nglichen 5 Tagen auf 7,6 Tage mit einer korrespondierenden OLR von 8,7 kg\/(m\u00b3*d) vorgegeben.[max. stabiler Hochlastbetrieb bei etwa 12-14 kg\/(m\u00b3*d) und 6,5 Tagen Verweilzeit. Gleichzeitig wurden die Fuzzyregeln optimiert. Auch die Regelfenster, Gewichtungsfaktoren und die Anzahl der in der Fuzzyregelung verkn\u00fcpf-ten Messgr\u00f6\u00dfen wurden im Laufe von 8 Versionen angepasst. Danach blieb der Stoffumsatz zu Biogas bei der fixierten Verweilzeit von 7,6 d nahezu gleichbleibend bei etwa 97-98% stabil, w\u00e4hrend die Gasbildungsrate sich auf 5,8 m\u00b3\/(m\u00b3*d) einstellte [max.7,5 m\u00b3\/(m\u00b3*d)]. Die Umsatzrate wurde durch einen Nachg\u00e4rbeh\u00e4lter \u00fcberpr\u00fcft, der lediglich 2-3% mehr Gas erbrachte. Fermentationsprodukte sammelten sich nicht an. Die spezifische Gasbildungsrate bei einem Wert von etwa 0,67 m\u00b3\/kg Organik (oTS). Dieser Wert sank jedoch bei den max. OLR-Beladungsraten auf etwa 0,55, obgleich sich keine Metabolite anh\u00e4uften. Der verwendete Reaktor ohne Einbauten wurde bei jeder Substratzugabe intensiv durchmischt, so dass \u00fcbersch\u00fcssige Biomasse abfloss. Dabei kam es nat\u00fcrlicherweise zu einer Kurzschlussstr\u00f6mung, die die verringerten spezifischen Gasbildungsraten erkl\u00e4rt. W\u00e4hrend der ersten Fuzzyrege-lungsperiode von 100 Tagen stieg nach vorheriger Verd\u00fcnnung (zur Versch\u00e4rfung der Bedingungen) der oTS-Gehalt im Reaktor von 0,6 wieder auf 0,9% an. Der eingesetzte Biomassewert ist insgesamt als sehr niedrig zu bezeichnen. Somit konnte gegen\u00fcber der Referenz-Hofanlage mit gleichem Substrat, die eine HRT von 48-57d und eine Gasbildungsrate von 1,1 m\u00b3\/(m\u00b3*d) aufwies, eine Steigerung der Raumzeitausbeute bis um den Faktor 8 erzielt werden, und dies unter betriebssicheren, stabilen Bedingungen. Solch hohe Produktivit\u00e4ten sind f\u00fcr ein derartiges Substrat und f\u00fcr einen Reaktor ohne Einbauten noch nicht berichtet worden. Bei \u00dcbertragung auf die Hofanlage k\u00f6nnte der dortige 450m\u00b3 G\u00e4rbeh\u00e4lter bei gleicher BHKW-Stromproduktion von 100 kW um den Faktor 7-8 auf 56-65 m\u00b3 reduziert werden, d.h. er k\u00f6nnte wie eine Erntemaschine mobil gebaut werden, eine Baugenehmigung w\u00e4re erspart und damit gewaltige Investkosten.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
1.\tDobler, S., Rohardt, S., Scherer, P.A. (2003) Messdatenerfassung und automatische Dosiereinrichtung von Feststoffen unter LabVIEW f\u00fcr eine hochinstrumentierte Labor-Biogasanlage In: Techni-sche Systeme f\u00fcr Biotechnologie und Umwelt, Tagungsband 11. Heiligenst\u00e4dter Kolloquium, IBA e.V., Heiligenstadt, S. 297-313.
\n2.\tScherer, P.A., Dobler, S., Rohardt, S., Loock, R., B\u00fcttner, B., N\u00f6ldeke, P., Brettschuh, A. (2003) Continuous biogas production from fodder beet silage as sole substrate. Water Science & Technol-ogy 48(4): 229-233.
\n3.\tScherer, P.A. , Lehmann, K. (eingereicht) Application of an automatic fuzzy controller to improve the efficiency of an farmer biogas plant by factor 37. Proceedings of the 10th Int. Congress on Anaerobic Digestion, Montreal 2004.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die Projektziele konnten voll und ganz erreicht werden. Voraussetzung war eine vollautomatische Triplett Versuchsanlage f\u00fcr die Verg\u00e4rung von Feststoffsuspensionen. Die Fuzzy-Logikregelung l\u00e4sst sich jederzeit bei einem beliebigen Reaktortyp ohne Umbauten nachr\u00fcsten und sie kann auch \u00fcber das Internet mit handels\u00fcblichen PCs erfolgen. Bei der Patentrecherche ergaben sich keine Anhaltspunkte f\u00fcr ein Konkurrenzprodukt. Damit wird der Fuzzyregelung, die einfachen biologisch verwandten Prinzipien gehorcht, eine gro\u00dfe Zukunft vorhergesagt, vorausgesetzt, die Zusammenarbeit zwischen erfahrenen Experten aus dem Bereich der ange-wandten Mikrobiologie und Software-orientierten Ingenieuren wird vollzogen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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