Untersuchung der Übertragbarkeit und … · reproduziert werden können, und ob an Laboranlagen gewonnene Ergebnisse auf ... Bezeichnung Biogas wird i.d.R. verwendet, wenn das entstandene

Untersuchung der Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit von Versuchen zur Biogasbildung in kontinuierlichen Prozessen sowie erste Studien zu

deren Optimierung

Dissertation zur Erlangung des Grades

Doktor-Ingenieur

der

Fakultät für Maschinenbau

der Ruhr-Universität Bochum

von

Alexandra Anna Kowalczyk

aus Chorzów (Polen)

Bochum 2012

Dissertation eingereicht am: 16. Oktober 2012

Tag der mündlichen Prüfung: 06. Dezember 2012

Erster Referent: Prof. Dr.-Ing. R. Span

Zweiter Referent: Prof. Dr.-Ing. M. Wichern

DANKSAGUNG

Die vorliegende Dissertation entstand in meiner Zeit als Wissenschaftliche Mitarbeiterin

am Lehrstuhl für Thermodynamik der Ruhr-Universität Bochum unter Leitung von Herrn

Prof. Dr.-Ing. Roland Span.

Mein besonderer Dank gilt meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing. Roland Span der mir diese

Arbeit ermöglichte, und dessen Tür immer offenstand. Sein fachliches Wissen und die

Bereitschaft dieses zu teilen haben wesentlich zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen.

Herrn Prof. Dr.-Ing. Marc Wichern danke ich für die Übernahme des Koreferats.

Ein großes Dankeschön geht an die Kollegen der RWE Innogy GmbH für die überaus

kooperative Zusammenarbeit und finanzielle Unterstützung dieser Arbeit. Ihre Bereitschaft

Fermenterinhalt, Substrate und Anlagendaten sowie Messdaten der Biogasanlage Neurath

bereitzustellen ermöglichten erst die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Versuche.

Insbesondere sei hier Herr Dr.-Ing. Thorsten Blanke erwähnt, der maßgeblich zum Start

dieser Arbeit beigetragen hat. Darüber hinaus Frau Dr.-Ing. Kirsten Theobald, die für

Fragen immer offenes Ohr hatte und mit ihren Anregungen eine wertvolle Begleiterin

dieser Arbeit war. Und nicht zuletzt Herrn Peter-Josef Köpp, der bereitwillig alle Fragen

mit einem Lächeln beantwortet hat und Besuche der Biogasanlage Neurath zu jeder Zeit

ermöglicht hat.

Dem gesamten Biogas-Team des Lehrstuhls für Thermodynamik danke ich für die

Unterstützung, das Engagement - auch an Wochenenden und zu später Stunde - und die

etlichen Diskussionen, die häufig neue Perspektiven aufgezeigt haben. Ohne Euch wäre ich

nie soweit gekommen. Mein besonderer Dank gilt hier Frau Dr.-Ing. Mandy Gerber, mit

der ich von Beginn an zusammenarbeiten durfte, und die mich fachlich und persönlich

unterstützt hat. Darüber hinaus möchte ich vielmals den Mitarbeitern der Institutswerkstatt,

vor allem dem Leiter Herrn Christian Gramann sowie Herrn Raimund Koj und Herrn

Achim Lahn für die tatkräftige Unterstützung beim Labor- und Anlagenaufbau und die

weitere fachliche Hilfe danken.

Meinen Korrektoren gebührt mein Dank für die Stunden und die Geduld, die sie sich für

diese Arbeit genommen haben. Eure Kommentare haben diese Arbeit bereichert.

Fünf gemeinsame Jahre in einem Büro: Da gab es viel zu lachen, zu weinen, Erfolge zu

feiern und Niederlagen wegzustecken. Johannes, ich danke Dir für die gemeinsam

verbrachte Zeit und dass ich mich immer an dich wenden konnte.

Durch die Schaffung einer freundschaftlichen Atmosphäre und der Bereitschaft fachlich

und persönlich zu helfen haben meine Kollegen wesentlich dazu beigetragen, dass ich eine

unvergessliche Zeit am Lehrstuhl hatte und bei allen möglichen Schwierigkeiten oder

freudigen Neuigkeiten immer ein Ansprechpartner da war. An dieser Stelle seinen Herr

Dr.-Ing. Rainer Kleinrahm, Herr Sebastian Schwede, Frau Birgit Esch, Herr Andreas Jäger,

Frau Judith Möller, Frau Christine Nizeyimana, Frau Theresa Wiens, Herr Stefan Schimpf,

Herr Dr.-Ing. Markus Richter und Frau Monika Thol genannt.

Für die enorme moralische Unterstützung möchte ich mich bei meiner Familie und meinen

Freunden bedanken, die insbesondere in der letzten Phase dieser Arbeit häufig

zurückstecken mussten. Es ist mir ein besonderes Anliegen meinen Eltern zu danken. Auch

wenn mein Vater den Werdegang dieser Arbeit nicht erleben durfte, möchte ich ihm für die

stetige Förderung meines technischen Interesses danken. Meiner Mutter gilt mein Dank für

die außergewöhnliche moralische Unterstützung, besonders in Tagen des Zweifels, und

meine Bewunderung für ihre besonnene und herzliche Art, von der ich sehr viel lernen

durfte.

Bochum im Januar 2013


I

INHALTSVERZEICHNIS

Abkürzungsverzeichnis ............................................................................................... III

Formelzeichen und Symbole ....................................................................................... IV

1 Einleitung ................................................................................................................... 1

2 Theoretische Grundlagen ......................................................................................... 3

2.1 Anaerober Abbau ................................................................................................. 3

2.2 Prozessparameter ................................................................................................. 6

3 Aufbau der betrachteten Anlagen ......................................................................... 11

3.1 Technikumsanlage ............................................................................................. 11

3.1.1 BGA Neurath als Referenz ....................................................................... 11

3.1.2 Aufbau der Technikumsanlage ................................................................. 13

3.2 Parallelanlagen ................................................................................................... 19

3.3 Messtechnik ....................................................................................................... 22

4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit ............................. 38

4.1 Versuchsreihe 1 .................................................................................................. 44

4.1.1 Versuchsdurchführung.............................................................................. 44

4.1.2 Ergebnisse ................................................................................................. 46

4.2 Versuchsreihe 2 .................................................................................................. 53

4.2.1 Versuchsdurchführung.............................................................................. 54

4.2.2 Ergebnisse ................................................................................................. 58

4.3 Diskussion .......................................................................................................... 66

5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle ............................................................ 75

5.1 Versuchsdurchführung ....................................................................................... 76

5.2 Ergebnisse .......................................................................................................... 79

5.2.1 Versuchsreihe 1 ........................................................................................ 79

5.2.2 Versuchsreihe 2 ........................................................................................ 84

5.3 Diskussion .......................................................................................................... 88

6 Einfluss von Beschickungsausfällen ...................................................................... 91

6.1 Versuchsdurchführung ....................................................................................... 92

6.2 Ergebnisse .......................................................................................................... 94

6.2.1 Parallelanlagen.......................................................................................... 94

6.2.2 Technikumsanlage .................................................................................. 105

6.3 Diskussion ........................................................................................................ 109

7 Anfahrstrategien ................................................................................................... 112

II Inhaltsverzeichnis

7.1 Versuchsdurchführung und Planung ................................................................ 112

7.2 Ergebnisse ........................................................................................................ 116

7.2.1 Versuchsreihe 1 ...................................................................................... 117

7.2.2 Versuchsreihe 2 ...................................................................................... 123

7.3 Diskussion ........................................................................................................ 129

8 Zusammenfassung und Ausblick ......................................................................... 131

Literaturverzeichnis................................................................................................... 138

Anhang ........................................................................................................................ 147

III

Abkürzungsverzeichnis

TBA Tag(e) Beschickungsausfall

AS Anlage mit Anfahrstrategie

BGA Biogasanlage

BHKW Blockheizkraftwerk

CCM Corn Cob Mix

EEG Erneuerbare Energien Gesetz

FI Fermenterinhalt

FM Frischmasse

FSS Fettsäurespektrum

GC Gaschromatograph

GZ Gaszähler

HM Hähnchenmist

MS Massenspektrometer, Maissilage

NawaRo Nachwachsende Rohstoffe

LKS Lieschkolbenschrot

oTS organische Trockensubstanz

PA Parallelanlage

RB Raumbelastung

Ref Referenz

RG Rindergülle

TA Technikumsanlage

TS Trockensubstanz

VR Versuchsreihe

WLD Wärmeleitdetektor

IV

Formelzeichen und Symbole

Formelzeichen

c [n.B.] Sensitivitätskoeffizient

D [m] Durchmesser

ƒ [n.B.] Funktionszeichen

GE [m3kgoTS] Gasertrag

h [m] Höhe

H [MJ/kmol; MJ/m3] Heizwert (molar; volumenbezogen

k [-] Erweiterungsfaktor

m [kg d-1

] Massenstrom

n [min-1

] Drehzahl

p [bar] Druck

r [m] Radius

R [J kg-1

K-1

] spezifische Gaskonstante

Re [-] Reynolds-Zahl

RB [kgoTSm-3

d-1

] Raumbelastung

T [K] Temperatur

u [n.B.] Unsicherheit

U [n.B.] (erweiterte) Messunsicherheit

V [m-3

] Volumen

V [l h-1

] Volumenstrom

w [%] Massenanteil

Z [-] Realgasfaktor

n.B.: nach Bedarf

Formelzeichen und Symbole V

Symbole

Wirkungsgrad

Maßstabsfaktor

Massenanteil

Molanteil

Indizes

AG Antoine-Gleichung

AL Ablesbarkeit

B Betriebszustand

b Bezugspunkt für Verbrennung

BHKW Blockheizkraftwerk

c kombiniert

dyn,t dynamische Zeitkonstante

e erweitert

el elektrisch

F Fermenter

FM Frischmasse

Füll Füll(volumen)

GZ Gaszähler

iv auf das Volumen bezogen

LS Langzeitstabilität

m molar

MB Messbecher

N Neurath, Norm

NI National Instruments

nl nicht Linearität

ÖG örtlicher Gradient

oTS organische Trockensubstanz

VI Formelzeichen und Symbole

p Druck

PA Parallelanlagen

r nicht korreliert

Ref Referenz

Reg Regression

SE Selbsterwärmung

T Temperatur

TA Technikumsanlage

TA,F Fermenter der Technikumsanlage

v im Bezugszustand

V Volumen

w Wasser, Massenanteil

WA Wärmeableitung

WU Wasseruhr

Chemische Formelzeichen

CH4 Methan

CO2 Kohlendioxid

H2 Wasserstoff

H2S Schwefelwasserstoff

N2 Stickstoff

O2 Sauerstoff

1

1 Einleitung

Unter anaeroben Bedingungen kann überall in der Natur organisches Material zu einem

brennbaren Gas umgesetzt werden. Bereits 1776 entdeckte Volta dieses Gas über Sümpfen

und Teichen [Hoppe-Seyler 1886]. Heute ist bekannt, dass dieses Gas überwiegend aus

Methan (CH4) und Kohlendioxid (CO2) besteht. Seit dem frühen 20. Jahrhundert wird es

großtechnisch bei der Behandlung von Klärschlamm gewonnen und energetisch genutzt.

Die erste Biogasanlage (BGA) in Deutschland wurde 1910 erbaut [Eder et al. 2007]. Die

Entwicklung des Biogasanlagenbestandes in Deutschland hat insbesondere im letzten

Jahrzehnt stark zugenommen; wie in Abbildung 1-1 zu sehen ist, hat sich der Bestand in

dieser Zeit fast verfünffacht.

Abbildung 1-1: Entwicklung des Biogasanlagenbestandes und der installierten elektrischen

Leistung in Deutschland [nach Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. 2012]

Diese Entwicklung ist eng verknüpft mit den Förderungsmechanismen für Erneuerbare

Energien, wie dem Erneuerbare Energien Gesetz (EEG). Die Förderung und Nutzung

Erneuerbarer Energien bietet mehrere Vorteile. Der Ausstoß des klimaschädlichen Gases

CO2 wird reduziert. Neben fossilen Energieträgern sorgen die Erneuerbaren Energien für

zusätzliche Ressourcen, womit einer Rohstoffverknappung entgegen gewirkt wird und

damit auch einer Kostensteigerung für die fossilen Brennstoffe [Bundesministerium für

Umwelt Naturschutz und Reaktorsicherheit 2011]. Besonders die Nutzung von organischen

2 1 Einleitung

Stoffen, z.B. landwirtschaftlichen Abfällen oder nachwachsenden Rohstoffen (NawaRo)

bietet eine gute Möglichkeit, fossile Energieträger zu substituieren. Laut Cavinato et al.

2010 sieht auch das United Nations Development Program die Erzeugung von Biogas als

eine der vielversprechendsten Technologien.

Seit der Entdeckung von Biogas werden die Mechanismen der Entstehung untersucht; mit

der industriellen Nutzung des Gases wird heute auch versucht die Anlagentechnik zu

optimieren. Die meisten dieser Untersuchungen finden in Laboratorien statt. Häufig

werden hierfür kleine Laboranlagen eingesetzt. Versuche an großtechnischen Anlagen sind

aufgrund möglicher finanzieller Einbußen kaum zu finden. Vielfach beziehen sich die

vorhandenen Studien auf bestimmte Anlagentypen oder bestimmte Substrate. Unklar ist

bisher, inwieweit Versuchsergebnisse bei gleichen oder variablen Prozessparametern

reproduziert werden können, und ob an Laboranlagen gewonnene Ergebnisse auf

großtechnische BGA übertragen werden können. Dies ist entscheidend, da die Anwendung

von im Labor gewonnenen Erkenntnissen bei großtechnischen BGA zu unerwarteten

Reaktionen führen kann. Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Beantwortung der Fragen

nach der Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit von Versuchsergebnissen. Hierfür

werden im ersten Schritt die Ergebnisse von Versuchen mit gleichen Prozessparametern in

gleichen und unterschiedlichen Maßstäben verglichen. Anschließende Studien wurden

durchgeführt, um den Einfluss der Durchmischung und den Einfluss eines

Beschickungsausfalls auf die Versuchsbedingungen zu untersuchen. Im letzten Schritt

wurden geeignete Anfahrstrategien analysiert, um BGA nach einem Beschickungsausfall

möglichst schnell und sicher in den Volllast-Betrieb zu überführen.

3

2 Theoretische Grundlagen

2.1 Anaerober Abbau

Als natürlicher Prozess findet die anaerobe Fermentation beispielsweise im Pansen von

Wiederkäuern oder in Mooren statt. Dabei werden organische Stoffe zu einem Gas

umgebaut, das je nach Herkunft z.B. Sumpfgas, Deponiegas oder Biogas genannt wird. Die

Bezeichnung Biogas wird i.d.R. verwendet, wenn das entstandene Gas aus der Vergärung

von organischem Abfall oder NawaRo stammt. Der Umwandlungsprozess wird in vier

Phasen unterteilt:

1. Hydrolyse

2. Acidogenese (Versäuerungsphase)

3. Acetogenese (Essigsäurebildung)

4. Methanogenese (Methanbildung).

[Fachagentur Nachwachsende Rohrstoffe e.V. 2010]

Abbildung 2-1: Phasen des anaeroben Abbauprozesses [nach Weiland 2010]

Abbildung 2-1 gibt einen Überblick über die Phasen des Prozesses, welche nachfolgend

näher beschrieben werden.

4 2 Theoretische Grundlagen

Hydrolyse

Das Ausgangsmaterial, auch als Substrat bezeichnet, besteht im Wesentlichen aus

polymeren Verbindungen wie Kohlenhydraten, Fetten und Eiweißen. Mikroorganismen

können Makromoleküle i.d.R. nicht aufnehmen, weswegen die Polymere in der Hydrolyse

in Monomere oder lösliche Polymere aufgespalten werden [Kaltschmitt et al. 2009, Gujer

et al. 1983]. Ohly 2006 gibt an, dass dies neben verschiedenen Aminosäuren und Glucose

auch einige Fettsäuren sind. Dieser Schritt erfolgt nicht durch die fermentativen Bakterien

selbst, sondern durch Enzyme, die von fermentativen Bakterien freigesetzt werden. Die

Abbaugeschwindigkeit der polymeren Verbindungen ist dabei für jede Verbindung

verschieden [O'Rourke 1968]. Für die Hydrolyse von ungelösten Bestandteilen, wie z.B.

Cellulose, werden für die Spaltung mehrere Tage benötigt. Gelöste Komponenten,

beispielsweise einige Zucker, können bereits innerhalb weniger Stunden aufgespalten

werden [Weiland 2010].

Acidogenese

In der Acidogenese, auch Versäuerungsphase genannt, werden die Produkte der Hydrolyse

von fermentativen Bakterien, meist Clostridien, weiter vergärt [Kroeber et al. 2009]. Es

entstehen überwiegend niedere Fettsäuren wie Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure und

Valeriansäure sowie CO2 und Wasserstoff (H2). Aufgrund des höchsten Energiegewinns

für die Bakterien überwiegt bei den Fettsäuren die Essigsäure. Butter- und Valeriansäure

entstehen überwiegend bei dem Abbau von proteinreichen Substraten, da einige der

Aminosäuren zu diesen zwei Fettsäuren abgebaut werden [Batstone et al. 2003]. Daneben

können noch geringe Mengen an Milchsäure und Alkoholen gebildet werden.

[Fachagentur Nachwachsende Rohrstoffe e.V. 2010, Gerber 2009, Kaltschmitt et al. 2009,

Mosey 1983].

Acetogenese

Die in der Hydrolyse und Acidogenese gebildeten niederen Fettsäuren werden in der

Acetogenese in Essigsäure, CO2 und H2 umgewandelt, bevor sie zu CH4 umgesetzt werden

können. Aufgrund der H2-Produktion steigt der Wasserstoffpartialdruck, und kann sich

hemmend auf den Abbau der Fettsäuren auswirken. Propionsäure kann z.B. nur bei einem

Wassersotffpartioaldruck im Bereich von 0,1 bis 10,1 Pa zu Essigsäure umgewandelt

werden [Kaspar et al. 1978b]. Um eine Anreicherung an H2 zu verhindern, müssen die

acetogenen und methanogenen Bakterien eine enge Lebensgemeinschaft bilden.

[Fachagentur Nachwachsende Rohrstoffe e.V. 2010]

2 Theoretische Grundlagen 5

Methanogenese

Grundsätzlich existieren zwei Bakteriengruppen, die das gewünschte CH4 bilden können.

Hydrogenotrophe Methanbildner setzen dafür die Edukte CO2 und H2 um, während

acetoclastische Methanbildner die Essigsäure verwenden [Fachagentur Nachwachsende

Rohrstoffe e.V. 2010]. Wird Klärschlamm vergoren, entstehen bis zu 73 % des CH4 von

acetoclastischen Bakterien [Smith et al. 1966]. Neuere Studien [Bauer et al. 2008, Klocke

et al. 2009, Nettmann et al. 2008] zeigen, dass dies für die Vergärung von NawaRo nicht

der Fall ist. Hierbei überwiegt die Methanbildung durch die hydrogenotrophen

Bakterienstämme. Bei den methanogenen Bakterien muss bedacht werden, dass sie streng

fakultativ anaerob sind, und somit bei Sauerstoffkonzentrationen ab 0,1% abgetötet werden

[Paynter et al. 1968].

Die Leistungsfähigkeit des Prozesses wird demnach stark von der Biozönose der

beteiligten Mikroorganismen und ihren Lebensbedingungen beeinflusst. Die Produkte der

einzelnen Stufen beeinflussen sich gegenseitig. Insbesondere trifft dies auf H2 zu, das

sowohl in der Acidogenese, als auch in der Acetogenese entsteht [Bryant 1979]. Smith et

al. 1970 fanden heraus, dass eine Zugabe von H2 sofort den Abbau von Propionsäure

hemmt. Kaspar et al. 1978a berichteten ebenfalls, dass eine Erhöhung von H2 zu einer

Steigerung der Propionsäurekonzentration führt und gleichzeitig zu einer verringerten

Essigsäurekonzentration und einer erhöhten Methanproduktion.

Tabelle 2-1: Zusammensetzung von Biogas [Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. 2006]

Bestandteile Konzentration im Biogas [Vol.-%]

CH4 50 – 75

CO2 25 – 45

H2 < 1

H2S 0,002 – 2

N2 < 2

O2 < 2

Wasserdampf 2 – 7

Bei der beschriebenen Umwandlung von Substrat zu Biogas entsteht somit ein Gas, das

überwiegend aus CH4, CO2, Wasserdampf sowie Spuren von Schwefelwasserstoff (H2S),

Stickstoff (N2), Sauerstoff (O2) und H2 besteht [Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe


e.V. 2006]. Typische Werte für die Zusammensetzung von Biogas sind in Tabelle 2-1

aufgeführt. Einige Spurengase, wie z.B. die Siloxane oder Ammoniak können aufgrund

ihrer geringen Konzentration für die Betrachtung des Prozesses vernachlässigt werden

[Klinski 2006].

2.2 Prozessparameter

An dieser Stelle sollen die für die Planung, Durchführung und Auswertung der Versuche

notwendigen Prozessparameter kurz charakterisiert und ihre Bedeutung erläutert werden.

Temperatur

Für chemische Reaktionen gilt grundsätzlich: je höher die Temperatur, desto schneller die

Reaktion. Auf Prozesse, an denen Mikroorganismen beteiligt sind kann dies nur bedingt

übertragen werden. Verschiedene Bakterien haben ihr Temperaturoptimum bei

unterschiedlichen Temperaturen. Prinzipiell wird zwischen psychrophilen (< 25°C),

mesophilen (37 bis 42°C) und thermophilen (50 bis 60°C) Temperaturbereichen

unterschieden. Wird der Temperaturbereich unter- oder überschritten, kann dies zu einer

Hemmung oder irreversiblen Schädigung der Mikroorganismen führen. In der Praxis hat

sich jedoch gezeigt, dass insbesondere mesophile Bakterien auch an andere Temperaturen

gewöhnt werden können, solange der Vorgang langsam verläuft. [Fachagentur

Nachwachsende Rohrstoffe e.V. 2010]

Die Mehrzahl der BGA wird im meso- oder thermophilen Temperaturbereich betrieben.

Welcher Bereich bevorzugt wird, hängt stark von dem eingesetzten Substrat ab. BGA, die

NawaRo einsetzen, arbeiten häufig im mesophilen Bereich. Ein Vorteil ist hierbei zum

einen der geringere Wasserdampf- und CO2-Gehalt im Biogas, woraus ein höherer CH4-

Anteil resultiert. Zum anderen ist der Eigenenergiebedarf an Wärme bei einer mesophilen

Fahrweise geringer als bei einer thermophilen. Außerdem zeichnet sich der Prozess durch

eine größere Stabilität gegenüber Temperaturschwankungen aus. [Kaltschmitt et al. 2009]

Raumbelastung

Einer der wichtigsten Parameter für den Betrieb einer BGA ist die Raumbelastung (RB),

welche die dem Fermenter zugeführte Masse an Organik pro Zeit und

Fermenterfüllvolumen angibt. Berechnet wird die Raumbelastung anhand von

Gleichung (2-1) [Kaltschmitt et al. 2009].


i iFM oTS

oTS FM oTS 1

Füll Füll Füll

n

i

m wm m w

RBV V V

(2-1)

FM

oTS

Füll

:Massenstroman zugeführter Frischmasse(Substrat)

:Massenanteilan oTSimSubstrat

:aktuelles Füllvolumen im Fermenter

m

w

V

Bei großtechnischen Anlagen wird eine möglichst hohe Raumbelastung angestrebt, da

hohe Raumbelastungen bei einem guten Abbau zu einer höheren Gasausbeute bei

gleichbleibenden Investitionskosten führen. Allerdings kann durch eine zu hohe

Raumbelastung eine Hemmung der Biogasproduktion auftreten. Ist die Raumbelastung zu

hoch, bzw. wird sie plötzlich erhöht, kann es zu einer Anreicherung von H2 kommen.

Dadurch wird der Abbau des Substrates zu Propionsäure begünstigt, anstatt zu Essigsäure,

CO2 und H2. Neben einer Erhöhung der Propionsäurekonzentration kann es auch zu einer

Erhöhung der Konzentration anderer höherer Säuren kommen. [Bryant 1979]

Einen festen Grenzwert für die zulässige Raumbelastung gibt es nicht. Vielmehr ist er von

der Art des Substrats, der Fahrweise und der Fermenterbauart abhängig [Comino et al.

2010]. Typischerweise liegt die Raumbelastung für die Vergärung von NawaRo in einem

Bereich von 2 bis 4 kgoTSm-3

d-1

[Weiland 2010]. In verschiedenen Studien wird

insbesondere die Raumbelastung erhöht, um kontrollierte Prozessinstabilitäten zu

provozieren und diese anschließend zu untersuchen [Bauer et al. 2008, Blume et al. 2010].

pH-Wert

Die am Biogasbildungsprozess beteiligten Mikroorganismen, insbesondere die

Methanbildner, benötigen einen bestimmten pH-Wert-Bereich, welcher jedoch nicht für

alle Bakteriengruppen gleich ist. Säurebildende Bakterien bevorzugen einen Bereich

zwischen 4,5 und 6,3 [Eder et al. 2007], bzw. zwischen 5,0 und 6,5 [Kaltschmitt et al.

2009]. Auch für die Methanbildner werden variierende Bereiche angegeben. Weiland 2010

gibt beispielsweise einen Bereich von 6,5 bis 8,5 an, wobei er einen optimalen Bereich

zwischen 7,0 und 8,0 definiert.

Steigt im Fermenterinhalt (FI) die Konzentration an Ammonium, so steigt der pH-Wert.

Kommt es hingegen zu einer Anreicherung an Fettsäuren, so sinkt er. Diverse Puffer im

System, z.B. Calciumcarbonat oder Ammoniak, verhindern eine sofortige Änderung des

pH-Wertes. Die Puffer sind in der Lage, die entstehenden Säuren/Basen bis zu einem

gewissen Grad „abzufangen“.


Wirkt der Carbonatpuffer, so wird CO2 frei und der CH4-Gehalt im Biogas sinkt. Ist die

Pufferkapazität erschöpft, sinkt der pH-Wert, was sich insbesondere auf die acetogenen

und methanogenen Mikroorganismen auswirkt [Kaltschmitt et al. 2009]. Georgacakis et al.

1982 geben an, dass für einen stabilen Prozess ein Carbonatpuffer von 6000 mg l-1

Calciumcarbonat bei einem pH-Wert über 7,1 erforderlich ist.

Wird dem Fermenter Stickstoff z.B. in Form von ammoniumhaltigen Substraten wie Gülle

oder Mist zugeführt, erhöht dies die Stabilität und der pH-Wert bleibt zwischen dem des

Cabonat- und Ammoniakpuffers. Ammoniak im System kann aber auch zu einer

Hemmung der Methanproduktion führen. [Georgacakis et al. 1982]

Aufgrund der verzögerten Veränderung des pH-Wertes durch die Puffer im System ist der

pH-Wert allein nicht zur Prozesskontrolle geeignet.

Organischen Fettsäuren

Organische Säuren entstehen, wie in Abschnitt 2.1 beschrieben, während des anaeroben

Abbaus. Über die Konzentration der einzelnen Säuren können die Stabilität des Prozesses

beurteilt und mögliche, auftretende Hemmungen bestimmten Stufen des Abbauprozesses

zugeordnet werden [Chynoweth et al. 1971, Hill et al. 1989, McCarty et al. 1961]. Von

Interesse sind hierbei vor allem Essigsäure, Propionsäure, Buttersäure und Valeriansäure.

Einen festen Grenzwert für die Säuren gibt es nicht, da unterschiedliche BGA je nach

Fahrweise und Pufferkapazität mit ganz unterschiedlichen Konzentrationen betrieben

werden können. Für die Beurteilung der Stabilität einer bestimmten Anlage ist daher

vielmehr der zeitliche Verlauf des Fettsäurespektrums entscheidend. [Angelidaki et al.

1993]

Üblicherweise ist die Essigsäurekonzentration höher als die der anderen Säuren [Weiland

2010]. Laut Ohly 2006 spricht aber eine Anreicherung von Essigsäure für eine Hemmung

in der Methanogenese. Laut Wang et al. 1999 kommt es ab einer Essigsäurekonzentration

von 1400 mg l-1

zu einer Beeinträchtigung des Propionsäureabbaus. Grundsätzlich kann

Essigsäure direkt zu CH4 umgesetzt werden, oder sie wird zuerst in CO2 und H2

umgewandelt, bevor dann aus diesen Produkten CH4 entstehen kann [Bryant 1979]. Die

Umwandlung von Essigsäure zu CO2 und H2 findet bei geringen

Essigsäurekonzentrationen statt [Conrad 1999, Castro et al. 2004, Karakashev et al. 2006].

Ein Anstieg in der Konzentration der Propionsäure ist ein Indikator für eine Prozessstörung

in der acetogenen Phase [Kaltschmitt et al. 2009, Märkl et al. 2006]. Wird die

Prozessstörung erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet (z.B. Stopp der Substratzufuhr),

kann sich die Propionsäurekonzentration weiter erhöhen, auch wenn die Konzentrationen

anderer Säuren bereits fallen [Boe et al. 2010, Nielsen et al. 2007]. Literaturwerte für eine


maximale Propionsäurekonzentration liegen bei 1000 mg l-1

. Wang et al. 1999 und Mösche

et al. 1999 nennen Propionsäure als guten Indikator für Prozessinstabilitäten, da sie

hemmend auf die methanogenen Mikroorganismen wirkt.

Das Verhältnis von Essigsäure zu Propionsäure kann ein weiterer Parameter zur

Beurteilung der Prozessstabilität sein, da sich das Verhältnis bei Zugabe von Substrat

direkt verändert [Märkl et al. 2006] Von Weiland 2008 wird ein Verhältnis von Propion-

zu Essigsäure >1 bei Propionsäurekonzentrationen über 1000 mg l-1

als Indikator für eine

Prozessstörung angegeben. Ahring et al. 1995 sind dagegen der Ansicht, dass das

Verhältnis von Propion- zu Essigsäure nicht als Indikator für Prozessinstabilitäten geeignet

ist.

Ahring et al. 1995 und Kaltschmitt et al. 2009 nennen die n- und iso-Buttersäure sowie iso-

Valeriansäure als besonders gute Indikatoren für eine Prozessstörung in der acetogenen

Phase. Wang et al. 1999 und Mösche et al. 1999 geben neben der Propionsäure auch die

Buttersäure als guten Indikatoren an.

Wird eine Änderung im Muster des Fettsäurespektrums (FSS) erkannt, können

Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Dies kann z.B. ein Herabsenken der Raumbelastung

sein, damit die überschüssigen Säuren abgebaut werden können. [Gallert et al. 2008]

Gasproduktion

Die Gasproduktion kann zur Bewertung des Biogasprozesses herangezogen werden. Ein

Abfall in der Gasproduktion bei gleichbleibender Raumbelastung signalisiert

Prozessstörungen. Allerdings treten deutliche Änderungen in der Gasproduktion häufig erst

dann auf, wenn eine signifikante Prozessstörung vorliegt. [Switzenbaum et al. 1990, Boe et

al. 2010]

Gasqualität

Das Biogas besteht hauptsächlich aus CO2 und CH4. Veränderungen in den

Konzentrationen dieser beiden Stoffe (CH4 sinkt) zeigen eine Prozessstörung an.

Allerdings tritt dieser Effekt, ebenso wie die Reduktion der Gasproduktion, erst ein, wenn

eine signifikante Prozessstörung bereits vorliegt [Switzenbaum et al. 1990].

Konzentrationsänderungen von CO2 und CH4 können auch durch Schwankungen des pH-

Wertes verursacht werden, da die Löslichkeit von CO2 im Fermenterinhalt vom pH-Wert

abhängig ist.


Durchmischung

Eine dem Prozess entsprechende Durchmischung wird in der Literatur als grundlegend für

die ausreichende Verteilung der Enzyme und Mikroorganismen im Fermenter angesehen

[Parkin et al. 1986, Lema et al. 1991, Stenstrom et al. 1983]. Dadurch wird der Kontakt

sowohl zwischen den zahlreichen am Biogasbildungsprozess beteiligten Mikroorganismen

als auch zwischen den Mikroorganismen und dem Substrat aktiv gefördert. Hierdurch

werden Nährstoffgradienten sowie die Bildung von Sink- und Schwimmschichten

vermieden [Kaltschmitt et al. 2009, Stenstrom et al. 1983, James et al. 1980, Weiland

2010]. Darüber hinaus begünstigt die Durchmischung die Ausgasung des entstehenden

Gases und verhindert Gradienten anderer Prozessparameter, wie z.B. der Temperatur [Ong

et al. 2002, Meynell 1978].

Wie Ergebnisse von Lübken et al. 2007a zeigen, dürfen die unterschiedlichen Bakterien

nicht gänzlich über den Fermenterinhalt verteilt werden. Die Bildung von Agglomeraten

sollte nicht verhindert werden, da methanogene Bakterien aktiver sind, wenn sie in der

Nähe von hydrolytischen Bakterien angesiedelt sind.

Wie anhand der vorgestellten Parameter zu sehen ist, hängt der Biogasbildungsprozess von

vielen Parametern ab. Um beim Anfahren von BGA (Labor und großtechnischer Maßstab)

möglichst geeignete Bedingungen für die Mikroorganismen zu schaffen, sollte ein

Inoculum verwendet werden, das an die zu untersuchenden Bedingungen angepasst ist

[Gerardi 2003, Liu et al. 2002, Muxi et al. 1992]. Beispielsweise eignet sich der

Fermenterinhalt aus einer Abwasseraufbereitungsanlage nicht für Versuche mit NawaRo.

11

3 Aufbau der betrachteten Anlagen

Im Rahmen dieser Arbeit wurden kontinuierliche Versuchsanlagen im Biogaslabor des

Lehrstuhls für Thermodynamik der Ruhr-Universität Bochum in Betrieb genommen und

nach ersten Versuchsreihen modifiziert. Die Versuchsanlagen diesen der Schaffung einer

Datenbasis zur Evaluierung von Modellen des Biogasbildungsprozesses, sowie zur

Beantwortung wichtiger Fragestellungen aus dem Bereich der anaeroben Fermentation

Hierzu gehören eine Anlage im Technikumsmaßstab mit einem maximalen Füllvolumen

von 390 l sowie drei baugleiche Anlagen (nachfolgend als Parallelanlagen bzw. PA1, PA2

und PA3 bezeichnet) mit einem maximalen Füllvolumen von 22 l. An dieser Stelle soll der

Aufbau der Anlagen und die verwendete Messtechnik vorgestellt werden. Der dargestellte

Aufbau zeigt einen aktuellen Stand der Anlagen. Auf frühere Versionen, die für die

Betrachtung einiger Versuche erforderlich sind, wird verwiesen.

3.1 Technikumsanlage

Die Technikumsanlage sollte zunächst für Versuche zur Übertragbarkeit von Ergebnissen

aus Laborversuchen auf großtechnische BGA verwendet werden. Daher erfolgte die

Konzeptionierung der Technikumsanlage nach den Vorgaben einer geometrischen

Ähnlichkeit zu der großtechnischen BGA in Neurath, die von der RWE Innogy AG

betrieben wird (vgl. Ruhland 2007).

Da für die Auslegung der Technikumsanlage Kenntnisse über die BGA Neurath

erforderlich sind, soll diese hier zunächst mit den wichtigsten Komponenten und mit den

für die Dimensionierung der Technikumsanlage erforderlichen Abmessungen vorgestellt

werden. Darüber hinaus ist die Kenntnis der entsprechenden Messtechnik und ihrer

Unsicherheiten erforderlich, um Ergebnisse aus dem Labor und der BGA Neurath zu

vergleichen.

3.1.1 BGA Neurath als Referenz

Im Wesentlichen besteht die BGA Neurath aus

der Substratvorlage (Silageplatte für feste Substrate, Sammelgrube für Wirtschaftsdünger),

dem Eintragsystem (Schubboden als Vorlage für feste Substrate mit nachfolgendem

Schneckensystem, Anmaischbehälter mit entsprechender Pumptechnik),

dem Hauptfermenter mit Zentralrührwerk,

dem Kombispeicher mit biologischer Entschwefelung,

dem Gärrestlager,

12 3 Aufbau der betrachteten Anlagen

sowie einem Block-Heiz-Kraftwerk (BHKW) mit vorgeschaltetem Kondensatabscheider

und Aktivkohlefilter

und entsprechender Mess- und Steuerungstechnik.

Eine genauere Beschreibung der BGA Neurath findet sich in Kowalczyk 2007, wobei seit

der damals durchgeführten Studie einige Veränderungen an der Anlage vorgenommen

worden sind. An dieser Stelle soll nur auf den Hauptfermenter eingegangen werden. Die

Betrachtung der relevanten Messtechnik findet in Abschnitt 3.3 statt.

Der Fermenter stellt das Kernstück der BGA Neurath dar. Dort findet der hauptsächliche

Abbau der Organik zu Biogas statt. Er ist somit entscheidend für die Dimensionierung der

Technikumsanlage. Seine Abmaße finden sich in Tabelle 3-1.

Tabelle 3-1: Dimensionen des Fermenters der BGA Neurath (entnommen der techn. Zeichnung der

BGA Neurath, Farmatic Anlagenbau GmbH 2006)

Fermenter

Durchmesser Grundfläche DN 16,22 m

Max. Füllhöhe hN 14,99 m

Füllvolumen VN 3098,80 m3

Gasraum (zylindrischer Teil, bei max. Füllhöhe)

Durchmesser Grundfläche 16,22 m

Höhe 0,50 m

Volumen 103,37 m3

Gasraum (Kegelstumpfdach)

Durchmesser Grundfläche 16,22 m

Höhe 2,43 m

Winkel 20,00 °

Volumen 229,03 m3

3 Aufbau der betrachteten Anlagen 13

Über den Umfang des Fermenters sind vier Strömungsbrecher angebracht, die die

Durchmischung unterstützen sollen. Die Durchmischung des Fermenters erfolgt über ein

zentrales Rührwerk der Fa. PRG, das mit drei Rührorganen mit jeweils zwei Rührblättern

ausgestattet ist.

3.1.2 Aufbau der Technikumsanlage

Bei der Konzeptionierung der Technikumsanlage konnten strömungstechnische

Kennzahlen wie die Reynolds-Zahl (Re) für den Scale down, wie es laut Zlokarnik 2006

erforderlich wäre, nicht verwendet werden. Die Reynolds-Zahl ist eine Funktion der

Drehzahl, der kinematischen Viskosität und des Durchmessers des Rührbehälters. Die

Viskosität des Fermenterinhaltes kann nicht herabgesetzt werden, da sich hierdurch die

Bedingungen für die Mikroorganismen erheblich verändern. Bei gleichbleibender

Reynolds-Zahl ergäbe sich damit für den Laborfermenter eine Drehzahl von 6961 min-1

,

welche nicht realisierbar ist.

Da die Berücksichtigung strömungstechnischer Kennzahlen nicht möglich ist, erfolgte die

Konzeptionierung des Laborfermenters anhand einer geometrischen Ähnlichkeit zum

Hauptfermenter der BGA Neurath. Die Größe der Anlage war dabei dem zur Verfügung

stehenden Platz im explosionsgeschützten Bereich des Biogaslabors anzupassen.

Dementsprechend mussten aus Sicherheitsgründen alle Komponenten so gewählt werden,

dass sie den Anforderungen des Explosionsschutzes genügen.

Für die Dimensionierung der Technikumsanlage wurde ein Füllvolumen von 400 l

festgesetzt. Mit den in Tabelle 3-1 gegebenen Dimensionen ergibt sich nach folgender

Gleichung

22 N N

TA TA TA 3

r hV r h

(3-1)

TA

TA

TA

N

N

Füllvolumen der TA

Radius des Fermenters der TA

Höhe des Fermenters der TA

Radius des Hauptfermenters der BGA Neurath

Höhe des Hauptfermenters der BGA Neurath

Maßstabsfaktor

V

r

h

r

h

somit ein Maßstabsfaktor von19,8. Die daraus resultierenden Dimensionen des

Fermenters der Technikumsanlage nach Ruhland 2007 sind in Tabelle 3-2 aufgeführt.


Tabelle 3-2: Dimensionen des Fermenters der Technikumsanlage [Ruhland 2007]

Fermenter inkl. Gasraum

Durchmesser DTA 0,82 m

Höhe hTA 0,83 m

Volumen VTA 0,43 m3

Fermenter Füllstand

Durchmesser DTA, F 0,82 m

Höhe hTA, F 0,76 m

Volumen VTA, F 0,40 m3

Aufgrund der korrosiven Eigenschaften des Fermenterinhaltes und des entstehenden

Biogases, in denen u.a. Schwefelsäure und Schwefelwasserstoff enthalten sind, musste auf

einen Werkstoff zurückgegriffen werden, der für diese Bedingungen geeignet ist. Die Wahl

fiel auf den Edelstahl mit der Werkstoffnummer 1.4571. Aufgrund der

Materialeigenschaften wurden von Ruhland 2007 die erforderlichen Wandstärken

bestimmt.

Aktuell besteht die Anlage im Wesentlichen aus drei Teilen:

dem Fermenter,

dem Gärrestspeicher und

dem Beschickungssystem.

In Abbildung 3-1 ist der Aufbau der Anlage ersichtlich. Im Anhang A-1 bis A-4 sind

technischen Zeichnungen des Fementers, des Deckels und des Beschickungskastens der

Technikumsanlage mit den wichtigsten Abmaßen angefügt.


Abbildung 3-1: 3D-Ansicht der Technikumsanlage

Der Fermenter der Technikumsanlage weist, ebenso wie der Hauptfermenter der BGA

Neurath, vier Strömungsbrecher im Inneren auf. Die Durchmischung erfolgt über ein

zentrales Rührwerk. Das Rührwerk wurde, bis auf die Rührwelle, anhand der

geometrischen Ähnlichkeit zum Rührwerk der BGA Neurath von der Fa. PRG ausgelegt.

Die Fa. PRG hat auch das Rührwerk für die BGA Neurath konstruiert. An der Rührwelle

waren anfangs drei zweiflügelige Schrägblattrührorgane über Madenschrauben befestigt.

Bei den ersten Versuchsreihen wurde allerdings eine unzureichende Durchmischung des

Fermenters bei maximaler Füllhöhe festgestellt, weshalb die Rührorgane ausgetauscht


wurden. Aktuell sind zwei dreiflügelige pumpleistungsoptimierte Propeller der Fa.

TURBO Misch- und Verfahrenstechnik Industrierührwerke GmbH verbaut. Eine in der

Höhe variable Positionierung der Rührorgane war und ist weiterhin möglich.

Neben dem Rührwerk, das zentral auf dem Deckel angebracht ist, verfügt der Deckel über

weitere Anschlüsse. Eine Übersicht der Anschlüsse ist in Abbildung 3-2 dargestellt.

Abbildung 3-2: Deckel der Technikumsanlage mit verschiedenen Anschlüssen

Die Funktion der Anschlüsse und die ausgeführten Modifikationen sehen wie folgt aus:

1. Zwei Schaugläser zur Beobachtung der Flüssigkeitsoberfläche (Beurteilung der

Durchmischung). Bei diesen mussten Wischer (Lumiglas Scheibenwischer Typ SWI, T-

Griff) nachgerüstet werden, da sonst der kondensierende Wasserdampf eine Beobachtung

der Flüssigkeitsoberfläche verhindert.

2. Ein Messstab zur visuellen Füllstandsmessung wurde nachträglich so positioniert, dass die

den Füllstand angebenden Markierungen über eines der Schaugläser abgelesen werden

können. Diese Nachrüstung war aus zwei Gründen erforderlich. Zum einen wurde nach den

ersten Versuchsreihen ersichtlich, dass kein konstanter Füllstand im Behälter allein über

den Überlauf zum Gärrestspeicher gehalten werden kann. Zum anderen konnten die

ausgewählten Füllstandsschalter der Fa. Baumer (LBFS 125212) bisher nicht in Betrieb


genommen werden. Die Bohrlöcher für den Anschluss der Füllstandsschalter mit

entsprechendem Gewinde sind bereits im Deckel vorhanden und werden über einen

Blindstopfen gegen die Umgebung abgedichtet.

3. Ein Kugelventil dient der Beschickung der Anlage mit flüssigem oder angemaischtem

Substrat. Um die Dichtigkeit der Anlage zu verbessern, wird das Kugelventil zusätzlich mit

einem Gummistopfen verschlossen.

4. Ein Rohranschluss für die Gasleitung zum Gaschromatographen (GC) befindet sich am

Ansatz für ein Schauglas. Ursprünglich wurde dieser Anschluss auch für die Gasleitung

zum Gaszähler verwendet. Da bei Störungen während einer Versuchsreihe Sperrflüssigkeit

aus dem Gaszähler in den GC gelangt ist, wurde die Leitung zum Gaszähler von derjenigen

zum GC entkoppelt

5. Direkt am Deckel des Fermenters ist eine Schlauchtülle angebracht, die zurzeit die

Verbindung zum Gaszähler, zur Überdrucksicherung und zur Gasphase des

Gärrestspeichers darstellt. Laut den Konstruktionsplänen sollte dieser Anschluss nur als

Verbindung zur Überdrucksicherung dienen. Nach der ersten Versuchsreihe musste diese

auch zur Koppelung der Gasphasen von Fermenter und Gärrestspeicher verwendet werden.

Grund hierfür waren sich unterschiedlich einstellende Drücke in Gärrestspeicher und

Fermenter. Der Füllstand im Fermenter sank durch einen höheren Druck im Fermenter

unter das Soll ab. Seit der letzten durchgeführten Versuchsreihe wird dieser Anschluss

auch als Anbindung an die Leitung zum Gaszähler genutzt.

6. Ein Flansch zur Schleuse, die den Fermenter mit dem Beschickungssystem verbindet.

Die am Deckel angeflanschte Schleuse ist erforderlich, damit kein Gasaustausch zwischen

dem Beschickungssystem und dem Fermenter stattfindet. Auf diese Weise wird nicht nur

vermieden, dass für den Prozess schädlicher Sauerstoff in den Fermenter gelangt, sondern

auch die Anreicherung von methanhaltigem Biogas im Beschickungssystem. Die

Abtrennung erfolgt jeweils über einen pneumatischen Schieber (AKO, L20N), der über die

Messsoftware angesteuert wird. Die Schleuse ist mit zwei Gasanschlüssen ausgestattet.

Über einen wird Helium zur Spülung der Schleuse eingeleitet. Der andere verbindet die

Schleuse mit der Abluft, so dass Helium, Biogas, Luft oder ein Gemisch dieser Gase aus

der Schleuse ausgetragen wird. Die Spülung der Schleuse erfolgt im Normalfall vor und

nach jedem Beschickungsvorgang.

Das an den oberen Teil der Schleuse befestigte Beschickungssystem dient der

automatischen Beschickung der Technikumsanlage mit festen Substraten. Im oberen Teil

ist auf einer Schiene eine Schubladenkonstruktion angebracht. In dieser befinden sich 33

Zylinder, die am Boden jeweils mit einem Deckel über einen Hubmagneten verschlossen

werden. Im Weiteren werden diese als Dosen bezeichnet. Diese können mit Substrat befüllt

werden und öffnen dann in den in der Messsoftware eingestellten Intervallen. Hierdurch

können Beschickungsintervalle, z.B. alle zwei Stunden, realisiert werden. 24 der 33 Dosen


sind funktionstüchtig und können über die Messsoftware angesteuert werden. Nach dem

Öffnen fällt das Substrat in den Trichter des Beschickungssystems und über die Schleuse

in den Fermenter.

Der Fermenter selbst ist zur Thermostatisierung mit einem Heizband umwickel. Im unteren

Drittel des Fermenters befindet sich ein Probenahmestutzen. Vom Boden des Fermenters

geht ein Rohr ab, das durch ein Scheibenventil geschlossen wird und zur Leerung des

Fermenters benutzt wird. Drei weitere Anschlüsse am Fermenter (zwei unten, einer oben)

sind momentan mit einem Blindflansch versehen. Über die Höhe des Fermenters verteilt

sind Aufnahmen zur Montage von drei PT-100 installiert. Die PT‘s dienen zur Messung

der Temperatur des Fermenterinhaltes. Etwas unterhalb der Mitte befindet sich ein Siphon,

der die Verbindung zum Gärrestspeicher herstellt. Ursprünglich war dies eine einfache

Rohrverbindung, die den Füllstand im Fermenter konstant halten sollte. Die Gründe für die

notwendigen Änderungen, sowie der aktuelle Stand werden nachfolgend beschrieben.

Modifizierung des Überlaufs

Im Rahmen der ersten an der Technikumsanlage durchgeführten Versuchsreihe wurde ein

Druckunterschied in den Gasphasen von Fermenter und Gärrestspeicher festgestellt. Die

Gasphase des Gärrestspeichers ist direkt mit der Abluftleitung verbunden, weswegen sich

hier nahezu Umgebungsdruck einstellt. Durch das entstehende Biogas im Fermenter steigt

der Druck an. Als Folge läuft der Fermenterinhalt solange in den Gärrestspeicher über, bis

sich ein Gleichgewicht einstellt und der Füllstand konstant bleibt. Dies hatte ein Absinken

des Füllstandes im Fermenter zur Folge, so dass das Füllvolumen nicht mehr genau

bestimmt werden konnte. Um Abhilfe zu schaffen, wurden die Gasphasen beider Behälter

über eine Schlauchleitung verbunden und der Gärrestspeicher von der Abluftleitung

getrennt. Hierdurch sind gleiche Druckbedingungen in beiden Gasphasen gegeben.

Allerdings traten auch bei diesem Aufbau Probleme bei folgenden Versuchsreihen auf.

Wurde der Füllstand auf seinem maximalen Wert gehalten, führte leichte Schaumbildung

zur Verstopfung der Gasleitungen. Hierdurch war erneut eine Anpassung des Füllstandes

erforderlich, der dann in der aktuellen Versuchsreihe nur noch abgeschätzt werden konnte.

Aus diesem Grund wurde eine Lösung entwickelt, bei der der Füllstand innerhalb

festgelegter Grenzen automatisch reguliert werden soll. Die beiden Systeme -

Gärrestspeicher und Fermenter - sollen dazu voneinander getrennt werden. Hierfür wird in

den Siphon ein Quetschventil der Fa. AKO Armaturen & Separations GmbH

(VFX065.03LF.35.30LA) eingebaut, das pneumatisch angesteuert werden kann. Des

Weiteren werden zwei Füllstandsschalter der Fa. Baumer (LBFS 125212) am

Fermenterdeckel angebracht. Über eine entsprechende Konstruktion können beide

innerhalb bestimmter Grenzen in der Höhe variiert werden. Sie definieren einen minimalen


und maximalen Füllstand. Meldet der höher positionierte Füllstandsschalter das Erreichen

des maximalen Füllstandes an die Messsoftware, wird das Quetschventil für ein definiertes

Zeitintervall geöffnet, maximal aber bis der untere Füllstandsschalter meldet, dass der

minimale Füllstand unterschritten wurde. Auf diese Weise soll die Einhaltung eines

Füllstandbereiches gewährleistet werden. Dieser Lösungsvorschlag konnte nicht mehr im

Rahmen dieser Arbeit vollständig umgesetzt werden.

Übergangsweise wurde eine zusätzliche Möglichkeit geschaffen, um den Füllstand zu

bestimmen. In der Nähe eines Sichtfensters (vgl. Abbildung 3-2) wurde ein Edelstahl-Stab

montiert, der in einem Abstand von 8 mm Markierungen zur Bestimmung des Füllstandes

aufweist. Das zu jeder Markierung korrespondierende Volumen wurde experimentell

ermittelt.

Der Gärrestspeicher besteht ebenfalls aus Edelstahl. Er weist bis zum Überlauf ein

Fassungsvermögen von 45 l auf. Der im Gärrestspeicher befindliche Fermenterinhalt kann

über das Scheibenventil am Boden des Gärrestspeichers abgelassen werden. Am Deckel

des Gärrestspeichers ist die bereits beschriebene Verbindung zur Gasphase des Fermenters

montiert. Sobald das im Siphon montierte Quetschventil und die Füllstandsschalter in

Betrieb sind, wird dieser Anschluss verwendet, um den Gärrestspeicher wieder mit der

Abluft zu verbinden. In den Deckel wurde auch eine Anschlußmöglichkeit für einen

Füllstandsschalter nachgerüstet. Dies war erforderlich, da bisher keine Aussage darüber

gemacht werden konnte, wann der Gärrestspeicher geleert werden muss.

3.2 Parallelanlagen

Neben der Technikumsanlage wurden für das Biogaslabor weitere Anlagen errichtet, die

vom Aufbau gleich sind und den Parallellauf von Versuchen ermöglichen. Diese Anlagen

werden im Weiteren als Parallelanlagen (PA) bezeichnet. Im Rahmen der Arbeit von Wiese

2008 wurde die Anlagenkonstruktion durchgeführt. Es wurden drei baugleiche Anlagen

(PA1, PA2, PA3) mit einem Füllvolumen von 20 l konstruiert und aufgebaut. Das

maximale Füllvolumen wurde nach den ersten Versuchsreihen auf 22 l erhöht.

Als Material für die Fermenter wurde Borsilicatglas verwendet. Über einen

Doppelglasmantel wird der Fermenterinhalt temperiert. Ein Umlaufthermostat der Fa.

Huber (Wärme Umwälzthermostat CC2-202C) pumpt hierzu Wasser als

Wärmeträgermedium um. Der Deckel ist aus PVC gefertigt. Damit der Deckel gasdicht mit

dem Fermenter abschließt, hat der Flansch am Fermenter eine Nut für einen O-Ring. Der

Verschluss wird über eine geeignete Schelle realisiert (vgl. Abbildung 3-3.).


Abbildung 3-3: Übersicht über eine der drei baugleichen Parallelanlagen

Zentral auf dem Deckel befindet sich das Rührwerk der Fa. TURBO Misch- und

Verfahrenstechnik Industrierührwerke GmbH. Die Welle und die drei Rührorgane bestehen

aus Edelstahl. Aufgrund unzureichender Durchmischung während der ersten Versuche

wurde die Anzahl der dreiflügeligen Propeller-Rührorgane von zwei auf drei erhöht. Diese

sind über Madenschrauben an der Rührwelle befestigt und können somit in Anzahl und

Position variiert werden. Die Durchführung der Rührwelle durch den Deckel wurde mit

einem Simmerring realisiert. Hier traten im Rahmen der Inbetriebnahme erhebliche

Schwierigkeiten mit der Dichtigkeit auf. Die Rührwelle konnte nicht exakt zentrisch

positioniert werden, wodurch erhebliche Verschleißerscheinungen auftraten. Aus diesem

Grund wurde der Simmerring der Fa. Brammer GmbH (025X052X07 B2PTNIBL) durch

den Simmerring 25x52x7 BAUM VI der Fa. Hengstenberg ersetzt. Zusätzlich wurde ein

Kugellager (Fa. BEARING SERVICE Wälzlager-Vertriebs GmbH, SUCTF205) am

Deckel angebracht, das die Zentrierung der Rührwelle sicher stellen soll.


Abbildung 3-4: Darstellung der verschiedenen Anschlüsse am Deckel der Parallelanlagen

Weiterhin sind auf dem Deckel (vgl. Abbildung 3-4) folgende Einbauten angebracht:

ein PT-100 zur Messung der Temperatur des Fermenterinhaltes,

eine Schlauchtülle für den Anschluss der Überdrucksicherung und des Gasbeutels

von dem eine weitere Schlauchverbindung zum Gaszähler führt,

ein Swagelok-Rohranschluss für die Anbindung an den GC,

der Beschickungsstutzen mit Kugelventil,

sowie eine Gewindebohrung für einen zukünftigen Anschluss eines pH-Meters.

Die Integration eines Gasbeutels in die Gasleitung vom Fermenter zum Gaszähler ist

erforderlich, um Druckunterschiede im Zusammenhang mit Beschickung und Probenahme

auszugleichen.

Ursprünglich wies der Beschickungsstutzen eine Krümmung auf. Bei der Beschickung mit

festen Substraten kam es wiederholt zu schwer zu behebenden Verstopfungen, auch wenn

die Substrate angemaischt waren. Daher wurde ein neuer Beschickungsstutzen ohne

Krümmung konstruiert, welcher aufgrund des Rührwerkes in einem Winkel von 75°

angebracht werden musste.

Am Boden des Fermenters befindet sich der Auslass, der mit einem Ventil verschlossen

wird, das baugleich mit dem am Beschickungsstutzen ist. Über dieses Ventil ist nicht nur

eine Entleerung des Fermenters möglich, sondern auch die Probenahme und die Entnahme

von Fermenterinhalt zum Anmaischen.


Technische Zeichnungen des Fermenters sowie des Deckels mit den wichtigsten Maßen

finden sich in Anhang A-5 und A-6.

3.3 Messtechnik

Um den Biogasbildungsprozess zu beobachten, sowie das Verhalten und die Leistung der

Anlagen zu beurteilen, wurden verschiedene Messgrößen während der Versuche

aufgenommen. Für den Vergleich von Messergebnissen unterschiedlicher Laboratorien

und Messreihen ist die Angabe über die Bestimmung und Größe der Unsicherheit einer

Messung notwendig. 1978 beauftragte das Comité International des Poids et Mesures

(CIPM) das Bureau International des Poids et Mesures (BIPM), eine international geltende

Vorschrift zur Bestimmung und Angabe von Messunsicherheiten zu erarbeiten. 1993

erschien der Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement [International

Organization for Standardization 1995]. [DIN V ENV 13005, Deutscher Kalibrierdienst

1998, DIN 1319-4, Pesch 2003]

In diesem Abschnitt sollen die einzelnen Messtechniken sowie die Vorgehensweise bei der

Ermittlung der Unsicherheiten der betrachteten Messgrößen nach International

Organization for Standardization 1995 und ISO/IEC Guide 98-3 aufgezeigt werden. Die

erweiterte Messunsicherheit Ue ist das Produkt aus der kombinierten Standardunsicherheit

uc und dem Erweiterungsfaktor k (vgl. Gleichung (3-2)).

e c ( )U k u y (3-2)

Der Erweiterungsfaktor k wird entsprechend der Verteilung und der gewählten

Überdeckungswahrscheinlichkeit, i.d.R. 95% oder 95,45%, bestimmt. Die Verteilung der

kombinierten Standardunsicherheit uc muss anhand des Messunsicherheitsbudget

(Aufstellung aller Messunsicherheitsbeiträge inkl. ihrer Verteilungen) ermittelt werden.

Die häufigsten Verteilungsarten sind die Rechteckverteilung ( 0,95 3 1,65k ), die

Student-t-Verteilung (k = tp) und die Normalverteilung (k = 2). In Anhang A-7 ist

beispielhaft eine Berechnung der erweiterten Messunsicherheit für den trockenen

Normvolumenstrom dargestellt.

Temperatur

An der Technikumsanlage wird die Temperatur des Fermenterinhaltes in drei

unterschiedlichen Höhen erfasst. Bei den Parallelanlagen erfolgt die Messung der

Temperatur des Fermenterinhaltes jeweils an einer Stelle, wobei der Messsensor in den

Deckel geschraubt ist. Weitere vier Temperatursensoren messen die Temperatur in der


Gasphase der Gaszähler. Für jeden Messpunkt wird ein Einschraub-

Widerstandthermometer (PT-100) mit Anschlusskopf Form B, 1/3 Klasse B verwendet.

Für die Temperaturmessung setzt sich die kombinierte Standardunsicherheit wie folgt

zusammen:

2 2 2 2 2 2 2 2

c i Re NI Ref SE WA dyn,tÖG( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )gu u y u y u y u y u y u y u y u y (3-3)

2

Re

2

NI

2

Ref

2

SE

( ) Unsicherheitsbeitrag der Regressionsrechnung

( ) Unsicherheitsbeitrag der Messbrücke (National Instruments)

( ) Unsicherheitsbeitrag der Referenzmesskette

( ) Unsicherheitsbeitrag durch

gu y

u y

u y

u y

2

ÖG

2

WA

2

dyn,t

die Selbsterwärmung

( ) Unsicherheitsbeitrag durch den örtlichen Gradienten

( ) Unsicherheitsbeitrag durch die Wärmeableitung

( ) Unsicherheitsbeitrag durch die dynamische Zeitkonstante

u y

u y

u y

Damit ergeben sich für die im Labor verbauten Temperatursensoren die in Tabelle 3-3

angegebenen erweiterten Messunsicherheiten.

Tabelle 3-3: Unsicherheitsbeiträge ui(y) und erweiterte Messunsicherheit Ue für die

Temperatursensoren der Laboranlagen, mit k = 1,65 (TA: Technikumsanlage, PA: Parallelanlage;

GZ: Gaszähler)

Sensor in uReg

[K]

uNI

[K]

uRef

[K]

uSE

[K]

uÖG

[K]

uWA

[K]

udyn, t

[K]

Ue

[K]

TA oben 0,003 0,087 0,001 0,001 0,003 0,000 0,003 ± 0,14

TA mitte 0,001 0,087 0,001 0,001 0,003 0,000 0,003 ± 0,14

TA unten 0,003 0,087 0,001 0,001 0,003 0,000 0,003 ± 0,14

PA 1 0,003 0,087 0,001 0,001 0,003 0,000 0,003 ± 0,14

PA 2 0,002 0,087 0,001 0,001 0,003 0,000 0,003 ± 0,14

PA 3 0,002 0,087 0,001 0,001 0,003 0,000 0,003 ± 0,14

GZ 1 0,019 0,087 0,001 0,142 0,003 0,021 0,003 ± 0,28

GZ 2 0,023 0,087 0,001 0,142 0,003 0,021 0,003 ± 0,28

GZ 3 0,020 0,087 0,001 0,142 0,003 0,021 0,003 ± 0,28

GZ 4 0,001 0,087 0,001 0,142 0,003 0,000 0,003 ± 0,27


Bei den Temperatursensoren, die die Temperatur des Fermenterinhaltes messen wirkt sich

der Unsicherheitsbeitrag der Messbrücke (uNI) am stärksten auf die erweiterte

Messunsicherheit aus. Dagegen hat die Selbsterwärmung bei den Temperatursensoren in

den Gaszählern den größten Einfluss auf die erweiterte Messunsicherheit, da hier in der

Gasphase gemessen wird.

In der BGA Neurath sind zwei Temperatursensoren der Fa. Endress+Hauser (Omnigard M

TR10) in unterschiedlicher Höhe angebracht. Die PT’s haben laut Herrn Berger von

Endress+Hauser (Berger 2012) die Genauigkeitsklasse A. Damit ergibt sich bei einer

maximalen Temperatur von 50°C eine Unsicherheit von ± 0,25 K.

Gasdruck

Für die Messung des absoluten Gasdrucks in der Gasphase der Gaszähler, die an die vier

Laboranlagen angeschlossen sind, werden Industrie-Druckaufnehmer mit einem

keramischen Sensorelement (Althen GmbH Meß- und Sensortechnik, HPSA-KDVAA-

002-A) verwendet. Gleichung (3-4) gibt Auskunft über die unterschiedlichen Beiträge zur

kombinierten Standardunsicherheit.

2 2 2 2 2 2

c i Re NI Ref( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )g nl LSu u y u y u y u y u y u y (3-4)

2

Re

2

NI

2

Ref

2

( ) Unsicherheitsbeitrag der Regressionsrechnung

( ) Unsicherheitsbeitrag der Messbrücke (National Instruments)

( ) Unsicherheitsbeitrag der Referenzmesskette

( ) Unsicherheitsbeitrag durch

g

nl

u y

u y

u y

u y

2

die Nichtlinearität

( ) Unsicherheitsbeitrag durch die LangzeitstabilitätLSu y

Tabelle 3-4: Unsicherheitsbeiträge ui(y) und erweiterte Messunsicherheit Ue für die

Druckmessung, mit k = 1,65 (GZ: Gaszähler)

Sensor in uReg

[mbar]

uNI

[mbar]

uRef

[mbar]

unl

[mbar]

uLS

[mbar]

Ue

[bar]

GZ 1 0,5 24,7 0,1 1,0 1,0 ± 0,041

GZ 2 0,4 24,7 0,1 1,0 1,0 ± 0,041

GZ 3 0,5 24,6 0,1 1,0 1,0 ± 0,041

GZ 4 0,2 24,8 0,1 1,0 1,0 ± 0,041


In Tabelle 3-4 sind die erweiterten Messunsicherheiten und die Unsicherheitsbeiträge für

die Drucksensoren aufgeführten. Klar erkennbar ist, dass die Messbrücke (uNI) den

dominanten Beitrag zur erweiterten Messunsicherheit liefert.

Normvolumenstrom

Angeschlossen an alle Anlagen ist je ein Trommelgaszähler (Dr.-Ing. Ritter Apparatebau

GmbH & Co. KG, Typ TG05/2). Als Sperrflüssigkeit wird das Weißöl Autin B verwendet.

Mit diesen Trommelgaszählen wird der Volumenstrom des feuchten Biogases bei

Betriebsbedingungen gemessen. Um diesen für unterschiedliche Anlagen und

unterschiedliche Versuchsreihen vergleichbar zu machen, wird mit Hilfe des gemessenen

Drucks und der Temperatur auf trockenen Normvolumenstrom umgerechnet, desweiteren

als Normvolumenstrom bezeichnet. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass das

Biogas zum Zeitpunkt der Messung wasserdampfgesättigt ist. Die Berechnung des

Wasserdampfdruckes erfolgt anhand der von Gerber 2009 verwendeten erweiterten

Antoine-Gleichung (Gleichung (3-5)) aus ASPEN. Die Koeffizienten sind Gerber 2009

entnommen. Laut dieser Arbeit liegen die Abweichungen der Antoine-Gleichung bei 1 bar

und 20°C bei nur 0,001% im Vergleich zur IAPWS Formulation 1995 von Wagner und

Pruß.

75 2w 1 4 5 6

3

[ ] 10 exp / ln( / ) ( / )/

CCp bar C C T K C T K C T K

T K C

(3-5)

1 5

6

2 6

3 7

4

73,6490 C 7,3037

7258,2000 C 4,1706 10

C 0,0000 2,0000

C 0,0000

C

C

C

Wagner et al. 2002 geben die Unsicherheit ihrer Gleichung im relevanten

Temperaturbereich mit ± 0,02% an. Nach dem Abzug des Wassers aus dem Volumenstrom

wird über die ideale Gasgleichung (Gleichung (3-6)) vom trockenen

Betriebsvolumenstrom auf einen trockenen Normvolumenstrom umgerechnet.

mit

p V m R T

m R const

(3-6)

Insgesamt ergibt sich für die Berechnung des Normvolumenstroms Gleichung (3-7).

NV


B w NN B

B N

( )p p TV V

T p

(3-7)

N N

N N

N

B

B

B

:Normdruck =1,013 bar

:Normtemperatur 273 K

:Normvolumenstrom

:Betriebsdruck

:Betriebstemperatur

:Betriebsvolumenstrom

p p

T T

V

p

T

V

Der Einfluss durch die Verwendung der idealen Gasgleichung wird für die Berechnung der

Unsicherheit vernachlässigt. Die Realgaskoeffizienten der im Biogas enthaltenen Gase

liegen bei den gegebenen Bedingungen nahezu bei z = 1.

Daraus ergibt sich für die Berechnung der kombinierten Standardunsicherheit die folgende

Formel:

2 2 2 2 2 2

c i Re NI Ref( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )g nl LSu u y u y u y u y u y u y (3-8)

2

GZ

2

T

2

p

2

AG

( ) Unsicherheitsbeitrag des Trommelgaszählers

( ) Unsicherheitsbeitrag der Temperaturmessung

( ) Unsicherheitsbeitrag der Druckmessung

( ) Unsicherheitsbeitrag der Antoine-Gleichung (ASPEN)

u y

u y

u y

u y

Die sich ergebende erweiterte Messunsicherheit und die jeweiligen Unsicherheitsbeiträge

für jede Anlage sind in Tabelle 3-5 angegeben. Bei der Bestimmung des

Normvolumenstroms wirkt sich insbesondere der Beitrag des Gasdruckes aus.

Tabelle 3-5: Unsicherheitsbeiträge ui(y) und erweiterte Messunsicherheit Ue für die Bestimmung

des Normvolumenstroms, mit k = 1,65 (TA: Technikumsanlage, PA: Parallelanlage)

Für Anlage uGZ

[lN h-1

]

uT

[lN h-1

]

up

[lN h-1

]

uAG

[lN h-1

]

Ue

[lN h-1

]

PA 1 -0,012 -0,004 0,160 -2,5 10-5

± 0,263

PA 2 -0,008 -0,004 0,159 -2,5 10-5

± 0,262

PA 3 -0,008 -0,004 0,159 -2,5 10-5

± 0,262

TA -0,008 -0,004 0,158 -2,5 10-5

± 0,261


Für die Messung des Volumenstroms ist in Neurath ein DPO 10E-B1H2A2F

Durchflussmesser der Fa. Endress+Hauser verbaut. Eine Angabe der genauen

Messunsicherheit ist hier aus mehreren Gründen nicht möglich. Der Durchflussmesser

wurde mit trockener Luft kalibriert, es wird aber nasses Biogas gemessen. Intern erfolgt

eine Umrechnung auf einen Standardvolumenstrom; hier ist allerdings nicht bekannt

welche Standardtemperatur und welcher Standarddruck dabei angenommen werden.

Zudem werden Betriebsdruck und Betriebstemperatur angenommen, aber nicht gemessen.

Somit können die gemessenen Werte erheblich von der Realität abweichen. Hiermit wäre

es noch möglich eine Unsicherheit der Messung grob abzuschätzen. Allerdings tritt bei der

Messung ein weiteres Problem auf. Ab einem Volumenstrom von 400 m3h

-1 wird dieser als

konstant angezeigt. Höhere Volumenströme werden nicht entsprechend ihrem eigentlichen

Wert aufgezeichnet. Damit wird zwar ein Volumenstrom aufgezeichnet, dieser erlaubt aber

keine Aussage über den tatsächlichen Volumenstrom.

Ein alternativer Ansatz besteht in der Bestimmung des produzierten Biogases über die

Leistung des BHKW und den Methangehalt. Hierbei muss allerdings beachtet werden, dass

in das BHKW nicht nur Biogas aus dem Fermenter gelangt, sondern auch aus dem

Kombispeicher. Daher kann der berechnete Wert nur eine grobe Schätzung darstellen.

Eingesetzt wird an der BGA Neurath ein BHKW der Fa. Pro2 Anlagentechnik GmbH

(Modul-Typ: BIEM 716). Dieses ist mit einem Motor der Fa. Deutz Power Systems GmbH

& Co. KG (TCG 2016 V 16) und einem Generator der Fa. Marelli Motori (M8B 400)

ausgestattet. Nach Angabe von Kreuels 2012 hat der Motor einen elektrischen

Wirkungsgrad von 40,3% im Auslegungspunkt.

Für den Versuchszeitraum hat eine Analyse der vom BHKW an die Messsoftware

gesendeten Daten zur produzierten Leistung große Unstimmigkeiten mit den Daten der

Stromeinspeisung ergeben. An einigen Tagen werden null Betriebsstunden des BHKW

angegeben. Wird dieser Tag mit den Daten der Stromeinspeisung verglichen, so zeigt diese

eine Stromeinspeisung über den ganzen Tag. Das BHKW muss also an diesem Tag

gelaufen sein.

Aufgrund der geschilderten Problematik wird daher der Normvolumenstrom über die

Werte der Einspeisung grob abgeschätzt. Zu beachten ist, dass hierbei zusätzlich Verluste

durch den Transformator etc. auftreten. Zudem kann es zum Abfackeln des produzierten

Biogases kommen, wodurch dieses nicht verstromt wird.

Nach Auskunft von Richter 2012 sind sowohl für die Einspeisung, als auch für den

Eigenstrombedarf der BGA Neurath Stromzähler der Klasse 0,5 eingesetzt. Damit haben

sie eine Genauigkeit von ± 0,5% vom Messwert.

Die Berechnung des Volumenstroms an CH4 erfolgt nach Gleichung (3-9).


4

CH4

elCH

BHKW iv

PV

H

(3-9)

4

CH4

CH 4

el

BHKW

iv 4

Volumenstrom CH

elektrische Leistung des BHKW

elektrischer Wirkungsgrad des BHKW

volumenbezogener Heizwert von CH

V

P

H

Der volumenbezogene Heizwert von CH4 kann nach DIN 51857 mit

CH4

m b vv b

m v v

( )( )

H T pH T

R T z

(3-10)

m 4

v

m

v

v

b

molarer Heizwert von CH

Druck im Bezugszustand (hier 1,01325 bar)

molare Gaskonstante

Temperatur im Bezugszustand (hier 273,15 K)

Realgasfaktor im Bezugszustand

Bezugstemperatur für die Verbr

H

p

R

T

z

T ennung (298,15 K)

berechnet werden. Die für die Berechnung erforderlichen Werte werden der DIN 51857

entnommen. Um vom Methanvolumenstrom auf den Biogasvolumenstrom umzurechnen,

wird der Methangehalt herangezogen. Da hierbei viele Faktoren auf die Unsicherheit

Einfluss haben, die nicht genauer quantifiziert werden können, wird diese mit ± 20%

abgeschätzt.

Füllvolumen

Für das Füllvolumen der Technikumsanlage kann für die ersten Versuchsreihen nur eine

Abschätzung der Unsicherheit vorgenommen werden, da sich der Füllstand während der

Versuche verändert hat und keine Möglichkeit bestand, diesen genau zu bestimmen. Für

die ersten Versuchsreihen wird die Unsicherheit auf ± 15 l abgeschätzt

Um den aktuell eingesetzten Messstab zur Bestimmung des Füllvolumens zu kalibrieren,

wurde die Technikumsanlage zunächst bis zu einem Volumen unterhalb des Messstabes

befüllt. Um die Schrittweiten auf dem Messstab den entsprechenden Volumina

zuzuweisen, wurde anschließend Wasser mit Hilfe eines Messbechers eingefüllt. Die

Schrittweite liegt bei 5 l. Für die aktuelle Bestimmung über den Messstab setzt sich die

kombinierte Unsicherheit demnach zusammen aus:


2 2 2 2

c i WU MB AL( ) ( ) ( ) ( )u u y u y u y u y ( 3-11)

2

WU

2

MB

2

AL

( ) Unsicherheitsbeitrag der Wasseruhr

( ) Unsicherheitsbeitrag des Messbechers

( ) Unsicherheitsbeitrag durch die Ablesbarkeit

u y

u y

u y

Damit ergibt sich mit einem k-Faktor von 1,65 eine erweiterte Unsicherheit Ue von ± 6,2 l,

wobei die Wasseruhr den höchsten Unsicherheitsbeitrag (3,5 l) aufweist.

Die Bestimmung des Füllstandes bei den Parallelanlagen erfolgt anhand einer Skala auf

dem Glasmantel. Das Intervall der Skalenschritte beträgt 1 l. Das Füllvolumen kann auf

± 0,5 l genau abgelesen werden.

An der BGA Neurath erfolgt die Füllstandsmessung über den hydrostatischen Druck.

Eingesetzt wird der Waterpilot FMX 167 der Fa. Endress+Hauser. Hier wurde laut Köpp

2012 im Laufe des Betriebes bemerkt, dass trotz gleicher Anzeige ein sich verändernder

Füllstand zu beobachten ist. Ursache hierfür ist die sich ändernde Dichte des

Fermenterinhaltes. Daraufhin wurde ein sogenannter „Fettkoeffizient“ eingeführt, der

Abhilfe schaffen sollte. Allerdings muss dieser regelmäßig angepasst werden. Köpp 2012

schätzt die Unsicherheit mit ± 40 cm ab. Mit den in Tabelle 3-1 angegebenen Abmaßen

ergibt sich eine erweiterte Unsicherheit von ± 83 m3.

Reduzierter Normvolumenstrom

Bei Versuchen an unterschiedlichen Anlagengrößen ist es sinnvoll, den gemessenen

Normvolumenstrom auf das Füllvolumen der jeweiligen Anlage zu normieren; in weiterem

wird diese Messgröße als reduzierter Normvolumenstrom bezeichnet. Die erweiterte

Unsicherheit setzt sich aus der Unsicherheit des trockenen Normvolumenstroms und der

Unsicherheit des Füllvolumens zusammen. Für die vier Laboranlagen und die BGA

Neurath sind die Werte in Tabelle 3-6 angegeben. Bei den Parallelanlagen und der BGA

Neurath wirkt sich der Unsicherheitsbeitrag des Normvolumenstroms stärker auf die

erweiterte Messunsicherheit aus. Bei der Technikumsanlage dominiert dagegen der

Unsicherheitsbeitrag des Füllvolumens.


Tabelle 3-6: Unsicherheitsbeiträge ui(y) und erweiterte Messunsicherheit Ue für die Bestimmung

des reduzierten Normvolumenstroms, mit k = 1,65 (TA: Technikumsanlage, PA: Parallelanlage)

Anlage uVfüll

[lN lFüll-1

h-1

]

uVN

[lN lFüll-1

h-1

]

Ue

[lN lFüll-1

h-1

]

PA 1 -0,003 0,0073 ± 0,013

PA 2 -0,003 0,0072 ± 0,013

PA 3 -0,003 -0,0072 ± 0,013

TA aktuell -0,0014 0,0004 ± 0,002

TA vorher -0,0032 0,0004 ± 0,005

BGA Neurath -0,0014 0,0107 ± 0,018

Masse

Für die Beschickung der Anlagen werden die Massen der jeweiligen Substrate mit der

Präzisionswage der Fa. Kern (Modell EW6200-2NM) gewogen. Diese hat einen Eichwert

von 0,1 g [KERN & Sohn GmbH 2006] und damit eine Unsicherheit von ±0,1 g.

Für die Bestimmung der in Neurath eingetragenen Substrate werden unterschiedliche

Hilfsmittel verwendet. Die Menge an Hähnchenmist und Lieschkolbenschrot wird mit

Hilfe eines Radladers und einer Straßenfahrzeugwaage bestimmt. Die

Straßenfahrzeugwaage von der Fa. OAS AG (Model: EFS20, Auswertelektronik SWT) hat

die Handelsklasse 3. Bei einer Wägung von bis zu 10 t beträgt die Genauigkeit einen

digitalen Ziffernschritt, was im Falle der verwendeten Waage ± 20 kg entspricht. Bis 40 t

beträgt die Genauigkeit ± 2 Ziffernschritte und ab 40 t ± 3 Ziffernschritte bis zur

maximalen Belastung von 50 t. Pro Schaufel des Radladers können ca. 2000 kg an Substrat

aufgenommen werden. Bei den üblichen Mengen an Lieschkolbenschrot und

Hähnchenmist ergibt sich damit eine Unsicherheit von jeweils ± 38 kg. [Vergühl 2012]

Über den Anmaischbehälter wird die Gesamtmasse aller eingetragenen festen Substrate

bestimmt. Das Wägesystem der Fa. TEWE Electronic besteht aus vier

Scherkraftaufnehmern (je 10.000 kg) und einer Waage (W 100), die allerdings nicht

eichfähig ist.

Die Genauigkeit der Waage wurde im Laufe des Betriebs überprüft. Hierfür wurde der

Schubboden soweit wie möglich leer gefahren und das Gewicht des verbliebenen

Substrates abgeschätzt. In den folgenden acht Tagen wurde jegliches auf den Schubboden

eingebrachte Substrat vorher über die Straßenfahrzeugwaage gewogen. Der Schubboden


wurde erneut soweit wie möglich leer gefahren und das Gewicht des verbliebenen

Substrates abgeschätzt. Die über die Straßenfahrzeugwaage ermittelte Masse wurde mit der

von dem Wägesystem aufgezeichneten verglichen und ein Korrekturfaktor bestimmt. Unter

folgenden Annahmen

Maximale Tagesmenge: 35.000 kg

Substratmenge pro Radladerschaufel: 2.000 kg

Gewicht Radlader inkl. Substrat ≤ 10 t

ergibt sich nach acht Tagen eine erweiterte Unsicherheit von ± 388 kg d-1

.

Die Menge an FerroLiq (der Fa. Bioreact GmbH) wird über Markierungen am

Vorratsbehälter bestimmt. Laut Köpp 2012 weist der Vorratsbehälter ein Volumen von

1000 l und ein Gewicht von 1200 kg auf. Bei einer täglichen Zufuhr von 55 kg an FerroLiq

wird die Unsicherheit mit 5 kg abgeschätzt.

Zudem wurde die Anlage zum Zeitpunkt der Versuche mit einer flüssigen

Spurenelementmischung Bioreact SL 1000 ER (Fa. Bioreact GmbH) beschickt. In der

Regel wurden den Substraten pro Tag ca. 2,3 kg beigemischt. Die Menge wurde einmalig

in einen Plastikmessbecher mit Hilfe einer elektrischen Küchenwaage eingewogen und der

Füllstand markiert [Köpp 2012]. Aufgrund der nicht bekannten Genauigkeit der Waage

und der Handhabung wird hier eine Unsicherheit von ± 10 g angenommen.

Substratvolumen

Neben den festen Substraten, dem FerroLiq und der flüssigen Spurenelementmischung

Bioreact SL 1000 ER wird dem Prozess in der BGA Neurath auch Rindergülle

beigemischt. Das Volumen an Rindergülle wird über den Durchflussmesser Promag 50P

der Fa. Endress+Hauser bestimmt. Hierbei ist eine Genauigkeit von ± 0,5% angegeben

[Endress + Hauser 2006].

TS-/oTS-Bestimmung

Die Bestimmung des Trockensubstanz (TS) - Gehaltes erfolgt nach DIN EN 12880, die der

organischen Trockensubstanz (oTS)-Gehaltes nach DIN EN 12879. Hierbei ist jeweils eine

Dreifachbestimmung vorgesehen.

Da die Unsicherheiten bei der TS/oTS-Bestimmung sehr stark vom Probenmaterial

abhängig sind, können hier keine allgemeinen Angaben gemacht werden. Falls erforderlich

wird diese bei der Auswertung angegeben. Zur Berechnung der kombinierten

Standardunsicherheit soll aber die Gleichung angegeben werden, da sich diese von den


bisherigen unterscheidet. Bei der TS/oTS-Bestimmung korrelieren einige

Unsicherheitsbeiträge. Dies ist der Fall, da das Probengewicht jeweils mit der gleichen

Waage (Shimadzu AUX-120) gemessen wird. Um eine obere Grenze für die Unsicherheit

durch die korrelierten Größen zu erhalten, kann nach Deutscher Kalibrierdienst 1998

folgende Formel verwendet werden:

2 2 2

i r( ) ( ( ) )u y u y u (3-12)

2

i

2

r

( ) Unsicherheitsbeitrag der korrelierten Messgrößen

( ) Unsicherheitsbeitrag der nicht korrelierten Messgrößen

u y

u y

Der Unsicherheitsbeitrag der korrelierten Größen ui2 setzt sich dabei aus den vier

Wägungen der Massen zusammen, der Unsicherheitsbeitrag der nicht korrelierten Größe

ur2 aus der Standardabweichung einer Dreifachbestimmung und dem Erweiterungsfaktor

der Student-t-Verteilung für einen Freiheitsgrad von 2 und ein Vertrauensniveau von

95,45%.

Raumbelastung

Um die Raumbelastung in den Anlagen zu ermitteln, ist die Kenntnis des Füllstandes, der

Masse der eingesetzten Substrate und des oTS-Gehalt der Substrate erforderlich. Dies wird

anhand von Gleichung (2-1) (Abschnitt 2.2) gezeigt. Durch diese Einflüsse kann sich, je

nach Versuchsreihe und Versuchstag, die Unsicherheit der Raumbelastung verändern. Die

Anzahl der Unsicherheitsbeiträge ergibt sich hierbei wie folgt:

oTS Füll

222 2 2 2

i r FM,i w ,i V( ) ( ) ( ) ( ) ( )u y u y u u y u y u y (3-13)

oTS

2

FM,i

2

w ,i

( ) Unsicherheitsbeitrag der korrelierten Messgrößen

Unsicherheit aus der Wägung der einzelnen Massen der Substrate

( ) Unsicherheitsbeitrag aus der Bestimmung des oTS-Gehalts

der Substr

u y

u y

Füll

2

V

ate

( ) Unsicherhheitsbeitrag aus der Bestimmung des Füllvolumensu y

Fettsäurespektrum

Für einige der vorgestellten Versuchsreihen war die Analyse des Fettsäurespektrums

notwendig. Diese Untersuchungen wurden durchgeführt von der Wessling Holding GmbH

& Co. KG. Von der Firma wird ein Konservierungsmittel zur Verfügung gestellt, das

während der Probenlagerung und des Transportes die weitere Gärung verhindert. In


Tabelle 3-7 sind die von der Firma Wessling Holding GmbH & Co. KG angegebenen

Nachweisgrenzen und die Messunsicherheiten aufgeführt. Dabei ist die erweiterte

Messunsicherheit mit einer Sicherheit von 95% bestimmt worden [Averesch 2011].

Tabelle 3-7: Nachweisgrenzen und erweiterte Messunsicherheit (Ue) bei der Bestimmung des

Fettsäurespektrums [nach Averesch 2011]

Essig-

säure

Propion-

säure

n-

Butter-

säure

iso-

Butter-

säure

Valerian

-säure

iso-

Valerian

-säure

Capron-

säure

Nachweis-

grenze

[mg kg-1

]

50 50 50 50 50 50 50

Ue [%] 15,75 11,17 61,94* 45,86* k.A. 18,26 k.A.

* Werte lagen im Ringversuch unterhalb der Nachweisgrenze (Mittelwert n-Buttersäure 20,1 mg kg-1

, iso-

Buttersäure 28,8 mg kg-1

pH-Wert

Für die ersten Versuche wurde das pH-Meter der Fa. OAKTON pHTestr 30 mit einer

Unsicherheit von ±0,01 pH [OAKTON 2010] verwendet. Im Laufe dieser Arbeit wurde

dieses pH-Meter durch das Thermo Scientific Orion Star (tragbar) ersetzt. Verwendet wird

dabei die Elektrode pH-/Pt1000 von Fisher Scientific. Die Unsicherheit verbessert sich

damit auf ±0,002 pH [Thermo Scientific].

An der BGA Neurath wird das pH-Meter Testo 230 eingesetzt. Dieses hat laut Hersteller

eine Genauigkeit von ± 0,01 pH [testo AG 2004].

Gasqualität

Die Zusammensetzung des entstandenen Biogases wird mit einem gekoppelten

Gaschromatographen-Massenspektrometer System (GC/MS) bestimmt, dessen Aufbau in

Abbildung 3-5 dargestellt ist.


Abbildung 3-5: Gaschromatograph mit Wärmeleitdetektor (WLD) und Massenspektrometer (MS)

zur Bestimmung der Gasqualität

Zunächst wird das Biogas mit Hilfe einer Pumpe in den Ventilofen gesaugt. Von dort aus

wird es auf die beiden GC’s (Focus GC, Thermo Electron Corporation, Axel Semrau)

verteilt. Der rechte GC ist mit einem Wärmeleitfächigkeitsdetektor (Thermo Fisher

Scientific, Axel Semrau) ausgestattet, dem eine Molsiebsäule (ShinCarbon ST 100/120,

Restek) vorangeht. Hierrüber werden die Stoffe CH4, CO2, O2 und N2 vermessen. Der linke

GC verfügt über eine Kapillarsäule (GS-GasPro, J&W Scientific Products) und ist mit dem

MS (DSQ II, Thermo Electron Corporation, Axel Semrau) gekoppelt. Mit dem MS wurde

für einen Teil der vorgestellten Versuche der H2S-Anteil bestimmt.

Während dieser Arbeit fanden Umrüstungen an dem GC/MS-System statt. Dadurch

ergeben sich für einige Versuchsreihen veränderte Unsicherheiten. Für beide Fälle sind die

jeweiligen Unsicherheiten in Tabelle 3-8 aufgeführt.


Tabelle 3-8: Erweiterte Messunsicherheiten Ue für die Bestimmung der Gasqualität (laut Kappels

2010 und Habighorst 2011)

Komponente vor Umbau nach Umbau

CH4 ± 4,1484 mol-% (k = 2,18) ± 1,5224 mol-% (k = 2,32)

CO2 ± 3,3830 mol-% (k = 2,21) ± 1,0714 mol-% (k = 2,25)

O2 ± 0,2100 mol-% (k = 2,17) ± 0,0306 mol-% (k = 2,87)

N2 ± 0,2790 mol-% (k = 2,32) ± 0,0498 mol-% (k = 2,87)

H2S ± 616,57 ppm (k = 2,13) -

Die Gasanalyse an der BGA Neurath erfolgt mit dem airTox Gasphotometer der Fa.

Fresenius Umwelttechnik. Diese wurde im Laufe des Betriebs über eine

Vergleichsmessung durch die Fa. bonalytic GmbH überprüft. Sie stimmte im Rahmen der

Messunsicherheit mit den Werten des airTox Gasphotometers überein. Die Fa. bonalytic

GmbH gibt für die CH4- und CO2-Messung eine Genauigkeit von ± 1,5% absolut an

(Auskunft durch Dills 2012a). Die Genauigkeit für H2 und H2S ändert sich mit dem

Messbereich. Laut Dills 2012b beträgt diese bei 150 ppm H2 beispielsweise 1 bis 2 ppm.

Bei 1000 ppm H2 steigt sie auf maximal 30 ppm. Die von der Fa. bonalytic GmbH

angegebenen Werte beziehen sich auf trockenes Gas im Normzustand.

Um die Werte aus dem Labor und der BGA Neurath gegenüberzustellen, ist eine

Überprüfung zwischen den Ergebnissen der Fa. bonalytic GmbH und den im Labor

gewonnenen Werten erforderlich. Hierzu wurde eine Gasprobe aus der Technikumsanlage

in einen Gasbeutel entnommen. Die Zusammensetzung wurde zuerst im Labor (nach

Umbau) gemessen und der Beutel anschließend an die Fa. bonalytic GmbH zur Analyse

verschickt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3-9 aufgeführt:

Tabelle 3-9: Ergebnisse der Gasanalyse aus einem Probenbeutel durch das Biogaslabor und die Fa.

bonalytic GmbH (Angabe unter der Annahme: CH4 + CO2 = 100%)

CH4 [mol-%] CO2 [mol-%]

Biogaslabor 57,97 42,03

Bonalytic GmbH 57,20 42,78


Damit liegen die Abweichungen der Werte klar im Rahmen der Messunsicherheiten der

beiden Analysen.

Korrektur Gasverluste

Bei der Beschickung mit angemaischtem oder flüssigem Substrat an der Technikumsanlage

oder den Parallelanlagen kommt es überwiegend zu Gasverlusten durch ein Verstopfen der

Beschickungsstutzen oder wenn das Substrat nicht gänzlich in die Anlage gelangt. Im

ersten Fall ist eine Beseitigung der Verstopfung notwendig, was bei geöffnetem

Kugelventil stattfindet. Dabei kann solange Gas entweichen, bis die Verstopfung beseitigt

ist und das Ventil wieder geschlossen werden kann. Im zweiten Fall muss das Kugelventil

ein weiteres Mal geöffnet werden, ohne dass der Stopfen vollständig abdichtet. Eine

weitere Ursache für Gasverluste ist der inkorrekte Einsatz des Stopfens. Dichtet dieser

nicht vollständig ab, so entweicht immer etwas Gas bei der Beschickung. Einflüsse auf den

Gasverlust hängen sehr stark vom Anwender, den eingesetzten Substraten und dem

Versuchsverlauf ab, wodurch für den Gasverlust keine Werte angegeben werden können.

Bei der Beschickung der Technikumsanlage mit festen Substraten über das automatische

Beschickungssystem treten ebenfalls Gasverluste auf. Da die Schleusenöffnungszeit immer

gleich ist, kann hierfür ein Gasverlust abgeschätzt werden, der für jede Schleusenöffnung

auf das entstandene Gasvolumen an einem Tag addiert werden sollte. Um den Gasverlust

zu bestimmen, wurde für einen Tag eine genauere Betrachtung der entstandenen

Gasvolumina durchgeführt. Während der Zeit der Schleusenöffnung wird nahezu kein

Biogas über den Trommelgaszähler erfasst. Für einen Zeitraum von 5 min vor der

Schleusenöffnung wird ein mittlerer Volumenstrom berechnet. Die Dauer der

Schleusenöffnung wird bestimmt und aus beiden Werten ein Gasvolumenverlust berechnet.

Da es während der Schleusenöffnung zur Messung sehr geringer Gasmengen kommt, wird

dieses Gasvolumen von dem berechneten Wert abgezogen. Es ergibt sich ein mittlerer

Volumenverlust von 3,96 l pro Schleusenöffnung mit einer Standardabweichung von 0,25 l

(n=38).

Werden Proben für die Analyse der Gasqualität genommen, so ergibt sich auch hierbei ein

Gasvolumenverlust, da die Proben vor dem Trommelgaszähler genommen werden. Eine

analoge Bestimmung des Gasvolumenverlustes zu der Bestimmung des Gasverlustes

während der Schleusenöffnung konnte nicht erfolgen, da anhand einer Analyse der für die

Technikumsanlage aufgezeichneten Messwerte des Normvolumenstroms kein Bereich

erkannt werden kann, der den Verlust wiedergibt. Ein ähnliches Problem tritt bei den

Parallelanlagen auf. Bei 48 Messungen über einen Tag, konnten in der Betrachtung des

gemessenen Volumenstroms nur 16 Probenahmen definitiv ausgemacht werden. Grund

hierfür ist der zu geringe Volumenstrom der Parallelanlagen. Für die Bestimmung der


Gasverluste wurde daher ein System bestehend aus zwei Eudiometern verwendet. Die

beiden Eudiometer wurden in Reihe geschaltet, an die Gasleitung zum GC angeschlossen

und die Ausgleichsgefäße mit Waser befüllt. Vor und nach jeder Probenahme durch den

GC wurde das Volumen in den Eudiometern bestimmt, welches sich durch die

Probenahme verändert hat. Mit diesem Aufbau ergab sich ein mittlerer Gasvolumenverlust

durch die GC-Probenahme von 429,39 ml mit einer Standardabweichung von ± 3,99 ml

(n=6, ±Up = 4,38 ml mit k = 1,65).

Da die Probemenge auch abhängig vom Druck in den Anlagen ist, wurde der experimentell

ermittelte Wert mit Hilfe der Berechnung analog zu den Gasvolumenverlusten durch die

Schleusenöffnung überprüft. Aufgrund der geringen Normvolumenströme kann besonders

die Endphase des Verlustes nicht genau bestimmt werden, weswegen diese Methode nur

sehr grobe Richtwerte liefert. Die Überprüfung hat aber gezeigt, dass sie in einer ähnlichen

Größenordnung liegen wie die experimentellen Werte.

38

4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit

Laut Charles 1985 ist ein theoretischer Scale up nur dann möglich, wenn zwei

Bedingungen erfüllt werden. Zum einen müssen in allen Maßstäben die exakt gleichen

Bedingungen geschaffen werden. Zum anderen müssen sowohl die örtlichen und zeitlichen

Veränderungen aller Variablen genau vorhergesagt werden, als auch die Reaktion der

Mikroorganismen auf jede dieser Veränderungen. Der überwiegende Teil von Versuchen

zur anaeroben Fermentation wird im Labormaßstab durchgeführt. Hier entsprechen die

Bedingungen in der Regel nicht denen in einer großtechnischen BGA. Kann beispielsweise

die gleiche Temperatur noch verhältnismäßig leicht realisiert werden, so ist dies bei

einigen rheologischen Größen, wie in Abschnitt 3.1 gezeigt, kaum möglich. Daher ist es

fraglich, inwieweit sich die Ergebnisse von Untersuchungen im Labormaßstab auf

großtechnische BGA übertragen lassen.

Raposo et al. 2011 und Gronauer et al. 2006 stellen fest, dass in der Literatur kaum

vergleichbare Ergebnisse zum Methanertrag vorhanden sind. Gründe hierfür liegen laut

Raposo et al. 2011 und Gronauer et al. 2006 in einer unterschiedlichen Betriebsführung.

Hierzu zählen die Art und Größe der Versuchsanlagen und die verwendeten

Messmethoden. Diese können einen erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse haben, da es

unzählige Parameter gibt die den Prozess beeinflussen. Davon sind viele bisher kaum

untersucht worden. In vielen Veröffentlichungen fehlen genaue Angaben zu der

Betriebsführung, was die Vergleichbarkeit und Übertragbarkeit erschwert. Zudem beziehen

sich in der Literatur vorgestellte Ergebnisse häufig auf bestimmte Substrate, Temperaturen

oder Anlagentypen. Einige Arbeiten zum Scale up von Fermentationsprozessen beziehen

sich ganz allgemein auf die anaerobe Fermentation oder auf den

medizinisch/pharmazeutischen Bereich (z.B. Zhang et al. 2004 (Medizin/Pharmazie), Aiba

et al. 1977 (allgemein) oder Schmidt 2005 (Escherichia coli)). Diese Arbeiten können als

Ansätze für mögliche Probleme beim Scale up des Biogasbildungsprozesses dienen. Die

Ergebnisse aus Arbeiten, die sich nicht direkt mit dem Biogasbildungsprozess

beschäftigen, können allerdings nicht direkt übernommen werden.

Eine der ersten Publikationen zu Übertragbarkeitsversuchen bei dem

Biogasbildungsprozess stammt von Calzada et al. 1986. Hier wurden Experimente in drei

Maßstäben durchgeführt – 0,15 l, 11 l und 1000 l. Ein direkter Vergleich der Ergebnisse ist

nur schwer möglich, da die Bedingungen in den unterschiedlichen Maßstäben verschieden

waren. So war beispielsweise die Temperatur in den 0,15 l und 11 l Reaktoren gleich, aber

in dem 1000 l Reaktor nicht. Dafür waren die Beschickungsintervalle für den 11 l und

1000 l Reaktor gleich, während der 0,15 l Reaktor mit anderen Intervallen betrieben wurde.

Eine gute Übereinstimmung zwischen Versuchen im Labormaßstab und einer

großtechnischen BGA fanden Gallert et al. 2003. Als Substrat wurde in ihren

4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit 39

Untersuchungen Bioabfall verwendet. Aivasidis et al. 1990 arbeiteten mit Abwasser als

Substrat. Auch ihre Resultate ergaben, dass eine Übertragbarkeit generell gegeben ist.

Aivasidis et al. 1990 geben an, dass die Ergebnisse im größeren Maßstab denen im Labor

entsprechen, oder etwas besser sind. Es fehlen aber genaue Angaben auf welche Parameter

sich diese Aussage bezieht. Aivasidis et al. 1990 erachten es als möglich eine

großtechnische Anlage anhand von Laborversuchen und Versuchen an Technikumsanlagen

auszulegen und das Verhalten vorherzusagen.

In den Untersuchungen von Brunn et al. 2009 ist die Reproduzierbarkeit und

Übertragbarkeit von Experimenten analysiert worden. Als Substrat wurde für die Versuche

Bioabfall aus Haushalten, industrieller Bioabfall und Fett verwendet. Die

Reproduzierbarkeit konnte bei dieser Untersuchung nachgewiesen werden (Abweichungen

von < 10%). Die Übertragbarkeit allerdings nicht. Die großtechnische Anlage hat bis zu

36% mehr an Gas produziert, als die verwendeten Laboranlagen. Brunn et al. 2009

erklären die Abweichungen mit unterschiedlichen Beschickungsintervallen und Substraten.

Substrate für die Versuche im Labormaßstab wurden nur einmal wöchentlich bereitgestellt.

Besonders bei so heterogenen Substraten, wie sie dort Verwendung fanden, kann dies zu

erheblichen Abweichungen führen.

Wulf et al. 2009 stellen in ihrem Bericht einen Ringversuch vor, an dem 30 Laboratorien

teilnehmen. Geklärt werden sollte die Übertragbarkeit von Gasertrags-Versuchen aus dem

Labor auf Praxisanlagen. Hierzu wurden in den teilnehmenden Laboren zuerst

Gasertragstests im Batch-Betrieb durchgeführt. Bereits hier zeigten sich anfangs größere

Abweichungen zwischen den Laboratorien. Für Cellulose lag der Variationskoeffizient bei

16%. In weiteren Durchläufen wurden die Abweichungen geringer und der

Variationskoeffizient fiel auf 8%. Wulf et al. 2009 führen dies hauptsächlich auf die

Auswertung der Messergebnisse zurück. Durch eine Erhebung von Gaserträgen

großtechnischer Biogasanlagen im Vergleich zu den vom Kuratorium für Technik und

Bauwesen in der Landwirtschaft (KTBL) angegebenen Richtwerten für Biogaserträge

sehen Wulf et al. 2009 eine Übertragbarkeit auf Biogasanlagen gegeben. Hier fehlt

allerdings die Betrachtung des gesamten Prozesses.

Cavinato et al. 2010 führten Versuche bei einer Temperatur von 47°C, durch. Der

Fermenter im Technikumsmaßstab hatte dabei ein Volumen von 380 l, der im industriellen

Maßstab 1400 m3. Die Beschickung fand mit Gülle, Mist, Mais, Abfall aus der

Obstverarbeitung und Brot statt. Genaue Spezifikationen zum Betrieb der Anlagen fehlen,

es wird nur darauf verwiesen, dass die Betriebsbedingungen an der Technikumsanlage

denen der großtechnischen BGA angepasst worden sind. In der Studie von Cavinato et al.

2010 war die spezifische Gasproduktion in der Technikumsanlage etwas höher, als in der

großtechnischen BGA. Der Gehalt an Organik war in der Technikumsanlage geringer,

40 4 Überprüfung von Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit

während die Konzentration an flüchtigen Fettsäuren in der großtechnischen BGA höher

war.

Eine Ausführliche Studie zur Übertragbarkeit führten Gronauer et al. 2006 in

Zusammenarbeit mit Wilderer et al. 2005 durch. Die Anlagengrößen lagen bei 2 l, 36 l,

3500 l und 900 m3. Dabei fand zuerst ein Vergleich der Ergebnisse an den 2 l, 36 l und

3500 l Anlagen statt, die im Batch-Verfahren betrieben wurden. Ein Vergleich von fünf

Ansätzen an den 2 l Anlagen hat dabei eine Standardabweichung von 5% in der

Methanausbeute (Volumenstrom Methan bezogen auf die eingesetzte Organik) ergeben. Im

Vergleich der Anlagen im Batch-Verfahren unter Verwendung einer Standardbiozönose

war die Biogas- und Methanausbeute bei der Anlage mit 3500 l Volumen am höchsten,

gefolgt von den 2 l Anlagen. Bei den 36 l Anlagen lag die Gasausbeute ca. 34% unter der

der 3500 l Anlage. Die Abweichungen der 36 l Anlagen zu den 2 l Anlagen waren

innerhalb der Standardabweichung. Darüber hinaus wurde ebenfalls im Batch-Verfahren

die Co-Vergärung von Maissilage, Grassilage und Rapsöl untersucht. In einer weiteren

Versuchsreihe wurden die 36 l Anlagen, die 3500 l Anlagen und eine Praxisanlage mit

900 m3 möglichst parallel gefahren. Hier wurden zwischen der Anlage mit 3500 l Volumen

und der Praxisanlage Abweichungen im Methanertrag von 27% festgestellt. Gronauer et

al. 2006 stellen jedoch fest, dass die Ergebnisse unter Vorbehalt zu betrachten sind, da eine

identische Beschickung der Fermenter nicht sichergestellt werden konnte.

Tabelle 4-1 gibt eine Übersicht über die in der Literatur gefundenen Studien zur

Reproduzierbarkeit und Übertragbarkeit von Versuchsergebnissen im Bereich des

Biogasbildungsprozesses. Die Zusammenstellung zeigt, dass bisher kaum Versuche mit der

Fragestellung der Reproduzierbarkeit durchgeführt worden sind. Untersuchungen zur

Reproduzierbarkeit sind aber entscheidend, um zu beurteilen in welchem Rahmen die

generellen Abweichungen bestimmter Parameter, wie des Normvolumenstroms, liegen.

Nur dann können Versuchsergebnisse unterschiedlicher Parameterstudien eingeordnet

werden; z.B. kann ein Anstieg im Normvolumenstrom durch Änderung der Temperatur

tatsächlich eine Reaktion des Systems auf die Temperaturänderung sein, oder auch nur

innerhalb der Reproduzierbarkeit von Versuchen variieren.


Tabelle 4-1: Übersicht über die in der Literatur gefundenen Studien zur Reproduzierbarkeit und

Übertragbarkeit von Versuchsergebnissen zum Biogasbildungsprozess

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In den bisherigen Studien zur Übertragbarkeit (vgl. Tabelle 4-1) ist es nicht gelungen

entscheidende Faktoren, wie die Raumbelastung oder Beschickungsintervalle für alle

Anlagengrößen gleich zu halten. Eine Studie von Lübken et al. 2007b mit Rapsöl als Co-

Substrat zeigt beispielsweise eine erhöhte Biogasproduktion und einen höheren

Methanertrag bei häufigeren Beschickungsintervallen. Gronauer et al. 2006 konnten die

genannten Faktoren für Versuche im Batch-Verfahren und die quasi-kontinuierlichen

Versuche bis zu einer Größe von 3500 l erreichen. Für den Vergleich im quasi-

kontinuierlichen Betrieb mit einem Praxisfermenter (900 m3) ist es ihnen aber nicht

gelungen. Aus diesen Gründen konnte bisher nicht endgültig beurteilt werden, wie gut sich

Versuche eines Maßstabes auf einen anderen, insbesondere auf einen industriellen,

übertragen lassen.

Die dargestellte Literaturrecherche zeigt die Relevanz weiterer Untersuchungen zur

Klärung inwieweit Versuche zum Biogasbildungsprozess reproduzierbar und auf

unterschiedliche Maßstäbe übertragbar sind. Diese Arbeit beschäftigt sich mit beiden

Punkten. Dabei sollen bei den Untersuchungen die als entscheidend angesehenen

Parameter Raumbelastung, Beschickungsintervalle, Substratzusammensetzung, das

verwendete Inoculum und die Temperatur bei allen Anlagen gleich belassen werden. Die

Durchmischung kann aufgrund unterschiedlicher Rührwerke und der

Strömungseigenschaften für die Versuche zur Übertragbarkeit nicht in allen Anlagen

gleich gehalten werden. Allerdings wird dafür gesorgt, dass alle Anlagen ausreichend

kontinuierlich durchmischt werden. Um die Werte zukünftig vergleichbar zu machen und

die Kritik von Raposo et al. 2011 und Gronauer et al. 2006 an bisherigen Studien zu

berücksichtigen, soll die Versuchsdurchführung und die Auswertung möglichst genau

beschrieben werden. In Kapitel 3 sind bereits die für die Versuche verwendeten Anlagen,

sowie die eingesetzte Messtechnik inkl. der sich ergebenden Unsicherheiten detailliert

beschrieben. Besonders die Angabe von Messunsicherheiten konnte in den in Tabelle 4-1

zusammengefassten Studien nicht gefunden werden.

Zur Untersuchung der Übertragbarkeit sind zwei Versuchsreihen durchgeführt worden.

Zunächst wurde die Übertragbarkeit von Ergebnissen an den Parallelanlagen auf die

Technikumsanlage getestet. Für beide Anlagengrößen wurde das gleiche Inoculum

verwendet; die Parameter Temperatur, Raumbelastung, Beschickungsintervalle,

Substratzusammensetzung und Dauer der Durchmischung wurden soweit möglich gleich

belassen. Die Versuche in den zwei Maßstäben unterschieden sich durch die verwendeten

Materialien für die Anlagen, und die Anlagengröße. Die Ergebnisse für den reduzierten

Normvolumenstrom (auf das Füllvolumen bezogener Normvolumenstrom des trockenen

Gases), die Gasqualität und den Abbau an Organik wurden miteinander verglichen.


Diese erste Versuchsreihe wurde auch genutzt, um die Reproduzierbarkeit von Versuchen

zu untersuchen. Dazu wurden Versuche unter den gleichen Bedingungen (gleicher

Anlagentyp und Anlagengröße, gleiche Materialien, gleiche Durchmischung, gleiche

Temperatur, gleiches Inoculum, gleiche Substrate, gleiche Raumbelastung und gleiche

Beschickungsintervalle) durchgeführt und die Ergebnisse für den Normvolumenstrom, die

Gasqualität und den Abbau an Organik verglichen. Hierfür eignen sich durch den gleichen

Anlagenaufbau die drei Parallelanlagen.

In einer zweiten Versuchsreihe wurde die Übertragbarkeit von Ergebnissen der

Technikumsanlage auf eine großtechnische BGA, die BGA Neurath, überprüft. Ergänzend

wurde eine der Parallelanlagen betrieben, um die Ergebnisse der ersten Versuchsreihe zu

stützen und den Einfluss unterschiedlicher Beschickungsintervalle zu untersuchen.

Parameter wie die Temperatur, das verwendete Inoculum, die eingesetzten Substrate, die

Raumbelastung sowie die Beschickungsintervalle (Ausnahme Parallelanlage) werden

gleich belassen, um die Prozessbedingungen soweit wie möglich anzugleichen. Eine

identische Durchmischung kann aufgrund der verschiedenen Rührwerke nicht

gewährleistet werden. Eine ausreichende Durchmischung war aber in allen Anlagen

gegeben.

4.1 Versuchsreihe 1

4.1.1 Versuchsdurchführung

Zu Versuchsbeginn wurden die drei Parallelanlagen (PA) und die Technikumsanlage (TA)

mit Fermenterinhalt aus der BGA Neurath befüllt. Zu diesem Zeitpunkt wurde die BGA

Neurath mit Maissilage (MS), Rindergülle und Corn Cob Mix (CCM) beschickt.

Die Versuchsdauer betrug 40 Tage, in denen die Anlagen in einem mesophilen Bereich bei

39°C mit Standardabweichungen von 0,2 K für die Technikumsanlage, 0,35 K für PA1,

0,84 K für PA2 und 0,34 K für PA3 betrieben wurden. Als Substrate für die Versuchsreihe

wurden Rindergülle und CCM gewählt. Beide Substrate sind im Vergleich zu z.B.

Maissilage sehr homogen, wodurch sie sich besonders für Versuche zur Übertragbarkeit

und Reproduzierbarkeit eignen. Rindergülle bietet zudem den Vorteil, dass sie über eine

hohe Pufferkapazität verfügt und damit einer eventuellen Übersäuerung vorbeugt. Die

Beschickung erfolgte bei allen Anlagen einmal täglich, wobei die Substrate mit

Fermenterinhalt aus der jeweiligen Anlage angemaischt wurden.

Die Beschickungsmengen wurden so gewählt, dass die berechnete Raumbelastung für alle

Fermenter gleich war. Über den Versuchszeitraum ist die Raumbelastung von 0,20 auf

2,54 kgoTSm-3

d-1

angehoben worden. Die Schritte sind für die Technikumsanlage in

Abbildung 4-1 veranschaulicht.


Abbildung 4-1: Verlauf der Raumbelastung der Technikumsanlage über der Versuchsdauer

Abweichungen in der Raumbelastung ergaben sich durch geringe Unterschiede beim

Einwiegen der Substrate und durch die Verluste an angemaischten Substraten bei der

Beschickung. Diese konnten nicht gänzlich vermieden werden. In Abbildung 4-2 sind die

relativen Abweichungen der Raumbelastung der drei Parallelanlagen zu der

Technikumsanlage dargestellt. Bis zum 15. Versuchstag lagen die Abweichungen

innerhalb der erweiterten Messunsicherheit der Raumbelastung für die Technikumsanlage

(Bereich in Abbildung 4-2 nicht dargestellt). Zwischen dem 16. und 32. Versuchstag waren

die Abweichungen überwiegend innerhalb der erweiterten Messunsicherheit, allerdings

wurde an einigen Tagen die erweiterte Messunsicherheit, besonders von PA3 überschritten.

Ab dem 33. Versuchstag erhöhten sich die Abweichungen der Parallelanlagen zur

Technikumsanlage, und die Unsicherheit der Raumbelastung für die Technikumsanlage

wurde aufgrund der höheren Raumbelastung geringer. Unter Berücksichtigung der

Messunsicherheit der Raumbelastung bei den Parallelanlagen kann aber davon

ausgegangen werden, dass die Abweichungen auch in den letzten Versuchstagen nicht

signifikant sind. Die Abweichungen in der Raumbelastung zwischen den Parallelanlagen

und der Technikumsanlage zeigen allerdings, dass die Raumbelastung bei den

Parallelanlagen aufgrund der Verluste bei der Beschickung eher etwas niedriger war.


Abbildung 4-2: Relative Abweichungen in der Raumbelastung zwischen der Technikumsanlage

(TA, Nulllinie) und den drei Parallelanlegen (PA) über dem Versuchszeitraum (Ue: erweiterte

Messunsicherheit der Raumbelastung)

Vor und nach der Beschickung der Anlagen wurde jeweils eine Gasprobe zur Bestimmung

der Gasqualität genommen. Der Biogasvolumenstrom wurde über die gesamte

Versuchsdauer kontinuierlich gemessen. Die Durchmischung erfolgte für beide

Anlagengrößen ohne Unterbrechungen und wurde während der Versuchsdauer nicht

verändert. Über den Versuchszeitraum verteilt erfolgte in einem wöchentlichen Rhythmus

die Bestimmung des TS und oTS-Gehaltes.

4.1.2 Ergebnisse

Zur Beurteilung des Biogasbildungsprozesses können verschiedene Parameter

herangezogen werden. Üblicherweise werden das produzierte Gasvolumen, die

Gasqualität, der pH-Wert, der oTS-Gehalt/Abbau und das Fettsäurespektrum herangezogen

[Ahring et al. 1995]. Wie von Angelidaki et al. 1994 beschrieben, konnte auch in den

vorgestellten Versuchsreiheneine eine verzögerte Veränderung vom pH-Wert, dem Abbau

von Organik und der Gaszusammensetzung festgestellt werden. Dies trifft insbesondere

auf den pH-Wert zu, weswegen er nicht in die Auswertung mit einbezogen wird.

Nachfolgend werden die Parameter Normvolumenstrom, Gasqualität und TS/oTS-Gehalt

im Hinblick auf Reproduzierbarkeit und Übertragbarkeit betrachtet. Auch wenn einige

dieser Parameter nur langsam reagieren, so können sie durchaus für einen Vergleich

herangezogen werden.



Um die gesamte Versuchszeit abzubilden, wird für jeden Tag und jede Anlage ein mittlerer

Normvolumenstrom berechnet. Aufaddierungen der Gasverluste durch die Probenahme zur

Gasqualitätsanalyse auf den Tagesvolumenstrom sind hier nicht sinnvoll. Die Gasverluste

durch die Probenahme und die Beschickung überlagern sich i.d.R. zeitlich, wodurch eine

klare Trennung nicht möglich ist. Daher erfolgt der Ausschluss der Ausreißer durch

Probenahme und Beschickung für jeden Tag anhand einer Analyse des Verlaufs des

Normvolumenstroms für jeden Tag. Eine Korrektur ist zwingend erforderlich, da sich die

Gasverluste relativ gesehen unterschiedlich stark für die beiden Anlagengrößen auswirken.

Abbildung 4-3: Primärachse: Abweichungen von PA2 und PA3 zur PA1 über den

Versuchszeitraum; Sekundärachse: Verlauf des reduzierten Normvolumenstroms der PA1

Eine Gegenüberstellung der drei Parallelanlagen zeigt, dass die Anlagen untereinander um

bis zu 13,4% abweichen. Dies entspricht einem absoluten Wert von 0,0032 lN lFüll-1

h-1

und

liegt somit innerhalb der Messunsicherheit (± 0,013 lN lFüll-1

h-1

) für den reduzierten

Normvolumenstrom. Bis auf vier Werte für die PA2 liegen die Abweichungen unter 10%,

wobei der Mittelwert (Berechnung mit dem Betrag der Abweichungen) bei 5% liegt. Der

Wert innerhalb dessen die Abweichungen liegen (10%) ist damit für die Untersuchung des

Biogasbildungsprozesses in einem akzeptablen Bereich, zumal diese Abweichungen aller

innerhalb der erweiterten Messunsicherheit liegen. Abbildung 4-3 veranschaulicht die

Abweichungen und den Verlauf des reduzierten Normvolumenstroms über die

Versuchsdauer. Auf der Primärachse sind die relativen Abweichungen der PA2 und PA3

zur PA1 dargestellt, die in diesem Fall als Referenz dient. Auf der Sekundärachse ist der


täglich produzierte reduzierte Normvolumenstrom von PA1 aufgetragen. Zu sehen ist ein

Anstieg in der Gasproduktion, der durch die Erhöhung der Raumbelastung bedingt ist.

In Abbildung 4-4 wird der Vergleich um die Technikumsanlage erweitert und lässt somit

eine Aussage zur Übertragbarkeit bei unterschiedlichen Anlagengrößen zu. Anstatt von

PA1 dient hier die Technikumsanlage als Referenz. Der produzierte Gasvolumenstrom

wird von den Parallelanlagen im Vergleich zur Technikumsanlage unterschätzt, was sich in

der negativen Abweichung der dargestellten Messwerte äußert. Am zweiten Versuchstag

tritt die größte Abweichung mit -20% auf. Ab dem elften Versuchstag bleiben die relativen

Abweichungen in einem Bereich von minimal -15%. Der Mittelwert liegt bei -8% Am 38.

Versuchstag steigen die Abweichungen auf bis zu +10%. Diese einmalige Überbewertung

des produzierten Biogases kann keiner Störung zugeordnet werden. Allerdings ist auffällig,

dass an diesem Versuchstag die Tagesmenge an Biogas aus der Technikumsanlage im

Vergleich zu dem Tag davor und danach niedriger ist, dies aber bei den Parallelanlagen

(vgl. Abbildung 4-3) nicht der Fall ist.

Abbildung 4-4: Abweichungen der Parallelanlagen PA1, PA2 und PA3 zur Technikumsanlage

(TA) und reduzierter Normvolumenstrom der Technikumsanlage über den Versuchszeitraum


Abbildung 4-5: Reduzierter Normvolumenstrom für den vierten Versuchstag

Abbildung 4-5 und Abbildung 4-6 zeigen den Verlauf des reduzierten

Normvolumenstroms für jeweils einen Tag. Neben dem Vergleich der Tagesproduktion an

Biogas über den gesamten Versuchszeitraum ist so eine Beurteilung der Tagesgangkurven

möglich. Auch wenn sich der mittlere Tagesgasvolumenstrom der einzelnen Anlagen

übereinstimmend verhält, kann der Verlauf innerhalb eines Tages erheblich abweichen.

Zu Beginn der Versuchsreihe weist der Tagesverlauf (vgl. Abbildung 4-5) aller vier

Anlagen ein analoges Verhalten auf. Die Abweichungen sind, bis auf den Zeitraum der

Probenahme zur Analyse der Gasqualität, innerhalb der Messunsicherheit von

± 0,013 lN lFüll-1

h-1

der Parallelanlagen. Damit ist zu diesem Zeitpunkt sowohl eine gute

Reproduzierbarkeit als auch Übertragbarkeit der Ergebnisse gegeben.

Gegen Ende der Versuchsdauer liegt ein anderes Bild vor. Die Verläufe gehen weiter

auseinander. Exemplarisch wird hier in Abbildung 4-6 der letzte Versuchstag betrachtet.

Dieser wurde ausgewählt, da aufgrund der höheren Abweichungen im reduzierten

Normvolumenstrom die Unterschiede und Übereinstimmungen besser zu erkennen sind.

Aus Abbildung 4-6 geht hervor, dass der produzierte Normvolumenstrom durch die

Parallelanlagen im Vergleich zur Technikumsanlage unterbewertet wird. Die

Abweichungen liegen insbesondere nach der ersten Probenahme zur Analyse der

Gasqualität deutlich auseinander. Die Abweichungen von PA1 und PA2 bleiben

untereinander innerhalb der Messunsicherheit. Die Werte der PA3 weichen nach der

Beschickung stärker von PA1 und PA2 ab als vor der Beschickung. Es ist jedoch

ersichtlich, dass der Trend des reduzierten Normvolumenstroms über den Tag sowohl

zwischen den Parallelanlagen, als auch zwischen den Parallelanlagen und der


Technikumsanlage sehr gut wiedergegeben wird. In Abbildung 4-6 ist auch ersichtlich,

dass sich die Gasprobenahme und die Beschickung bei den zwei unterschiedlichen

Maßstäben anders auf den Verlauf des gemessenen reduzierten Normvolumenstroms

auswirken. Während bei der Technikumsanlage die Probenahme nur zu einer leichten

Stagnation führt, ist bei den Parallelanlagen ein deutlicher Einbruch in der Gasproduktion

zu beobachten. Nach Beschickung und Probenahme ist der Verlauf zwischen der

Technikumsanlage und den Parallelanlagen leicht zeitversetzt, da weder die Beschickung

noch die Probenahme zur Gasqualitätsanalyse an allen Anlagen gleichzeitig erfolgen

können.

Abbildung 4-6: Reduzierter Normvolumenstrom für den 39. Versuchstag

Gasqualität

Neben dem produzierten Gasvolumenstrom ist die Gasqualität ein entscheidendes

Bewertungskriterium. Für die Wirtschaftlichkeit einer BGA ist dabei besonders der CH4-

Anteil im Biogas ausschlaggebend. An dieser Stelle soll daher der CH4-Gehalt

stellvertretend für den Vergleich herangezogen werden. Die Gasqualität wurde, wie in

Abschnitt 4.1.1 erläutert, vor und nach der Beschickung bestimmt. Da kein Einfluss der

Beschickung auf die Gasqualität festgestellt werden konnte, werden nachfolgend die

Messdaten vor der Beschickung verwendet.

Angegeben wird der Anteil von CH4 im trockenen Biogas. Aufgrund der Messung mittels

GC wird vereinfacht angenommen, dass sich nur CH4 und CO2 im Biogas befinden.

Gemessener Sauerstoff und Stickstoff ist in dem Biogas überwiegend durch Lufteintrag


während der Beschickung oder der Probenahme für die Gasanalyse vorhanden. Im Biogas

enthaltener Wasserdampf wird nicht über den GC/MS gemessen. Daher findet eine

Umrechnung der gemessenen Werte auf einen Gesamtanteil von 100% statt. Für Methan

ist beispielhaft die Umrechnungsformel in Gleichung (4-1) angegeben. Dies gilt auch für

alle weiteren vorgestellten Studien.

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CH ,korr

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(4-1)

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CO ,gemesen

korriegierter Wert für den Methankonzentration

gemessene Methankonzentration

gemessene Kohlendioxidkonzentration

c

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Abbildung 4-7: CH4-Anteil im trockenen Biogas über der Versuchsdauer (Messungen vor

der Beschickung)

Abbildung 4-7 zeigt den CH4-Gehalt der Technikumsanlage und der Parallelanlagen über

der Versuchsdauer. In den ersten Tagen liegen die Werte der Technikumsanlage deutlich

über denen der Parallelanlagen. Nach drei Tagen gleichen sich die Werte an und liegen für

alle Anlagen im Rahmen der erweiterten Messunsicherheit (± 4,1484 mol-%, vor Umbau

des GC). Zwischen dem 23. und 25. Versuchstag konnten aufgrund von Problemen mit

dem GC keine Analysen durchgeführt werden. Ab dem 25. Versuchstag erhöhen sich die

Abweichungen, liegen aber bis auf die Werte am 29. Versuchstag bei PA1, am 35.

Versuchstag bei allen drei Parallelanlagen und am 38. Versuchstag bei PA1 und PA3

innerhalb der erweiterten Messunsicherheit.


TS/oTS-Gehalt

Neben der Gasproduktion und der Gasqualität ist der Anteil an TS und oTS im

Fermenterinhalt ein Parameter, der zur Beurteilung des Prozessverlaufes betrachtet werden

sollte. Er gibt Aufschluss über den Abbau der Organik in den Anlagen. Die Entwicklung

des TS-Gehaltes entspricht qualitativ der des oTS-Gehaltes. Aus diesem Grund wird an

dieser Stelle nur der oTS-Gehalt betrachtet. Dieser vermittelt einen besseren Eindruck von

der im Fermenterinhalt vorhandenen Organik und damit von dem Abbau oder der

Anreicherung an Organik im Fermenterinhalt.

Die Entwicklung des oTS-Gehaltes in den vier Anlagen veranschaulicht Abbildung 4-8.

Die Fehlerbalken geben die jeweilige erweiterte Unsicherheit der Dreifachbestimmung an.

Zum Versuchsstart (Versuchstag 0) haben alle Anlagen den gleichen Anteil an Organik, da

sie mit demselben Fermenterinhalt aus der BGA Neurath befüllt worden sind. Deutlich ist

im Verlauf die Abnahme des oTS-Gehaltes in den ersten drei Wochen zu sehen. In der

folgenden Woche (bis zum 29. Versuchstag) bleibt der oTS-Gehalt im Fermenterinhalt

aller Anlagen nahezu konstant. Anschließend erhöht sich der Anteil an Organik leicht. Der

Verlauf deckt sich gut mit dem Verlauf der Raumbelastung. Bis zum 26. Versuchstag ist

die Raumbelastung sehr gering. So kann die Organik besser abgebaut werden. Nach der

Erhöhung der Raumbelastung am 27. Versuchstag kommt es zu einer leichten

Anreicherung an Organik im Fermenterinhalt der Anlagen. Der Verlauf des oTS-Gehaltes

stimmt über den gesamten Versuchszeitraum für alle Anlagen überein.


Abbildung 4-8: oTS-Gehalt im Fermenterinhalt der Anlagen über der Versuchsdauer (FM:

Frischmasse)

4.2 Versuchsreihe 2

Nach der Überprüfung der Übertragbarkeit von Ergebnissen aus dem Labormaßstab auf

einen Technikumsmaßstab in der ersten Versuchsreihe, sollte in der zweiten Versuchsreihe

untersucht werden, ob die an einer Technikumsanlage gewonnenen Ergebnisse auch auf

eine BGA im Industriemaßstab anwendbar sind. Um die Ergebnisse der ersten

Versuchsreihe zu stützen, wird auch eine der drei Parallelanlagen parallel zu der

Technikumsanlage und der industriellen BGA gefahren. Für den Vergleich wurde zunächst

die bereits beschriebene BGA Neurath ausgewählt. Aufgrund der nicht vorhandenen bzw.

nicht funktionierenden Messung des produzierten Gasvolumenstroms (vgl. Abschnitt 3.3)

fand eine Suche nach einer alternativen BGA statt.

Die Kriterien für eine alternative Anlage waren:

1. Die Anlage befindet sich in einem Umkreis von max. 200 km um Bochum (vertretbare

Entfernung zur Beschaffung von Substraten)

2. NawaRo werden als Substrat eingesetzt

3. Es besteht die Möglichkeit der Verwendung gleicher Substrate und

4. der Beprobung des Fermenterinhaltes

5. Fermenterinhalt aus der BGA kann im Labor zum Befüllen der Technikumsanlage und der

PA2 verwendet werden

6. Zugriff auf Messdaten der BGA ist gegeben


7. Folgende Messgrößen müssen erfasst werden: Substratmasse, Füllvolumen des Fermenters,

Gasqualität und Gasvolumen

8. Gute Kommunikation mit den Anlagenbetreibern

Viele kleinere, vor allem landwirtschaftliche BGA, verfügen nicht über die entsprechende

Messtechnik. Daher wurde die Suche auf Anlagen mit einer Biogasaufbereitung und

Einspeisung ins Erdgasnetz eingegrenzt. Neben der direkten Kontaktaufnahme mit den

Biogasanlagenbetreibern wurde auch Kontakt zu Firmen aufgenommen, die Biogasanlagen

bauen und betreiben, sowie der Energieagentur NRW und der Landwirtschaftskammer

NRW.

Nur eine Anlage der Fa. Biogas Altena GmbH & Co. KG entsprach fast allen

Anforderungen. Mit einer Entfernung von 350 km lag diese Anlage zu weit weg, um eine

wöchentliche Abholung der Substrate und Beprobung der Anlage zu realisieren. Alle

anderen BGA sind entweder aufgrund der eingesetzten Substrate, einer mangelnden

Ausstattung mit Messtechnik oder schlechten Kommunikationswegen nicht in Frage

gekommen. Aus diesen Gründen ist die Wahl bei der BGA Neurath geblieben, bei der zwar

die wichtige Gasvolumenstrommessung fehlt, aber alle anderen Kriterien erfüllt werden.

4.2.1 Versuchsdurchführung

Vor der Versuchsreihe war mit den Betreibern der BGA Neurath zu klären, wie die

täglichen Abläufe zum Versuchsstart aussahen, bei welchen Störungen an der BGA

Neurath Benachrichtigungen notwendig waren und wie der Datenaustausch erfolgen sollte.

An der BGA Neurath entsprach ein Betriebstag einem tatsächlichen Tag. Das bedeutet,

dass die Tagesdaten immer ab Mitternacht vorlagen und daher erst am nächsten Tag

übermittelt werden konnten. Für die Technikumsanlage und die Parallelanlage (PA2) hieß

dies, dass sie um zwei Tage zu der BGA Neurath versetzt gefahren werden mussten.

Während der Versuchsreihe wurden an der BGA Neurath die Substrate Maissilage,

Rindergülle, Lieschkolbenschrot und Hähnchenmist verwendet. Zusätzlich wurde zur

Stabilisierung des Prozesses die flüssige Spurenelementmischung Bioreact SL 1000 ER

und das Eisenpräparat FerroLiq der Fa. Bioreact GmbH beigemischt.

Zu Beginn der Versuchsreihe wurden die Technikumsanlage und die PA2 mit

Fermenterinhalt aus der BGA Neurath befüllt. Dafür wurde der Fermenterinhalt aus

Neurath geholt und direkt in die Anlagen eingefüllt, um lange Standzeiten und den

Fütterungsausfall so gering wie möglich zu halten. Die Fütterung an diesem Tag wurde so

angepasst, dass die insgesamt eingetragene Menge der in Neurath entsprach. Nach

Beendigung des Einfüllvorgangs wurden beide Anlagen mit Helium gespült, um den

Sauerstoff aus den Anlagen weitestgehend auszuspülen.


Die Tagesberichte der BGA Neurath mit den eingetragenen Substratmengen, der Anzahl an

Chargen und der Temperatur im Fermenter wurden täglich an das Biogaslabor gefaxt.

Diese Werte waren zwingend erforderlich, um Technikumsanlage und PA2 mit der

gleichen Raumbelastung und Temperatur zu betreiben. Während der Versuche lag die

Temperatur des Fermenterinhaltes mit 40 bis 41°C im mesophilen Bereich. Die tägliche

Angabe des Füllvolumens, bzw. Füllstandes in Neurath war nicht erforderlich, da dieser

konstant auf dem maximalen Füllvolumen gehalten wurde. Die Angabe über die

Chargenanzahl war erforderlich, um an der Technikumsanlage die gleichen

Beschickungsintervalle zu realisieren. Die PA2 wurde aufgrund des Versuchsaufbaus nur

einmal täglich beschickt.

Die Beschickung der Technikumsanlage mit den festen Substraten erfolgte über das

automatische Beschickungssystem. Hierfür wurde die Tagesration der festen Substrate

nacheinander abgewogen und vermischt. Anschließend wurde die Menge auf die Anzahl

der Dosen aufgeteilt, die der Chargenmenge entsprach. Üblicherweise musste die

Befüllung aufgrund der begrenzten Dosenanzahl zweimal täglich erfolgen. Rindergülle,

FerroLiq und Spurenelementlösung wurden der Technikumsanlage einmal täglich über das

für die Beschickung zur Verfügung stehende Kugelventil zugegeben. An der BGA Neurath

erfolgte die Beschickung mit Rindergülle, FerroLiq und der Spurenelementlösung

ebenfalls nur einmal täglich. Für die Beschickung der PA2 mussten die Substrate

angemaischt werden. Hierfür wurden ca. 2 l Fermenterinhalt mit Hilfe des unteren

Kugelventils aus der Anlage abgelassen, die Substrate eingewogen und die Maische über

den Beschickungsstutzen eingetragen.

Die Raumbelastungen sind in Abbildung 4-9 dargestellt. Die große Abweichung zwischen

der BGA Neurath und der Technikumsanlage zu Beginn ergab sich durch das Einsetzen

der Fütterung im Labor nach Versuchsstart. Die Beschickungsmenge wurde für die

Technikumsanlage an die verbliebenen Stunden des Tages angepasst. Durch diese

Anpassung „fehlte“ die Substratmenge, die in der Zeit vom Abholen des Fermenterinhaltes

zum Befüllen der Anlagen bis zum Versuchsstart normalerweise eingetragen worden wäre.

Diese Unterbrechung in der Beschickung gab es an der BGA Neurath nicht. Die PA2

wurde mit der gesamten Tagesration zu Versuchsbegin beschickt.


Abbildung 4-9: Raumbelastung der Anlagen über der Versuchszeit

Abbildung 4-10: Relative Abweichungen in der Raumbelastung der Technikumsanlage und der

PA2 zur BGA Neurath über der Versuchsdauer

In Abbildung 4-10 und Abbildung 4-11 sind die relativen Abweichungen in der

Raumbelastung zu sehen. Dabei zeigt Abbildung 4-10 die Abweichungen der

Technikumsanlage und der PA2 zur BGA Neurath. Es ist ersichtlich, dass die

Raumbelastung der Technikumsanlage bis auf drei Ausnahmen sehr gut mit der an der

BGA Neurath übereinstimmt. Die Werte der PA2 weichen deutlich stärker ab. Dies zeigt

auch Abbildung 4-11, in der die Abweichungen der PA2 zur Technikumsanlage dargestellt

sind. Insbesondere zwischen dem 19. und 30. Versuchstag sind Abweichungen über 5% zu

beobachten. In diesem Zeitraum waren die Verluste bei der Beschickung der PA2 höher als

sonst. Insgesamt bewegen sich die Abweichungen der PA2 in dieser Versuchsreihe im


gleichen Bereich, wie während der Versuchsreihe 1. Dennoch liegen die Abweichungen

überwiegend innerhalb der erweiterten Messunsicherheit. Die maximale Unsicherheit in

der Raumbelastung tritt im Laufe dieser Versuchsreihe bei der PA2 in der zweiten Woche

auf (Up = ± 0,46 kgoTS m-3

d-1

); insgesamt liegt die erweiterte Unsicherheit in dieser

Versuchsreihe höher, als in der ersten Versuchsreihe.

Abbildung 4-11: Relative Abweichungen der Raumbelastung (RB) der PA2 zur

Technikumsanlage über der Versuchsdauer

Täglich wurden der pH-Wert des Fermenterinhaltes und die Gasqualität bestimmt. Für die

Bestimmung des pH-Wertes der PA2 wurde der zum Anmaischen benutzte

Fermenterinhalt verwendet. Um den pH-Wert des Fermenterinhaltes der

Technikumsanlage zu bestimmen, musste eine Probe über den Probenahmestutzen gezogen

werden. Der Probenahmestutzen wurde auch verwendet, um Fermenterinhalt abzulassen,

damit der Füllstand in etwa gleich blieb. Daher wurde der Ablass als Probemenge für die

pH-Wert-Bestimmung verwendet. In Neurath wurde für die pH-Wert-Bestimmung

zunächst Fermenterinhalt umgepumpt und dann eine Probe gezogen. Die Probe für die

Analyse der Gasqualität wurde an der Technikumsanlage und der PA2 meistens vor der

Beschickung genommen. An der BGA Neurath erfolgte eine kontinuierliche Bestimmung

der Gasqualität.

Aufgrund der fehlenden Volumenstrommessung an der BGA Neurath wurde auf das

Fettsäurespektrum als einem weiteren Parameter zurückgegriffen, um die Ergebnisse der

verschiedenen Anlagen miteinander vergleichen zu können. Das Fettsäurespektrum ist

zudem ein guter Indikator für die Prozessstabilität. Einmal wöchentlich wurde das

Fettsäurespektrum im Fermenterinhalt der Anlagen bestimmt. Dabei fand die Bestimmung

im Fermenterinhalt der Technikumsanlage und der PA2 analog zur Beschickung um zwei


Tage versetzt zu der in Neurath statt. Am gleichen Tag wurden auch Proben für die

Bestimmung des TS/oTS-Gehaltes gezogen. Um eine repräsentative Probe zu erhalten,

wurde an der BGA Neurath zuerst Fermenterinhalt zur Spülung der Leitungen umgepumpt,

bevor die Probe gezogen wurde. An der Technikumsanlage wurde die Probe aus dem

Ablass genommen. Dieser hatte meist ein Volumen von mind. 3 l, wodurch eine

repräsentative Probe gegeben war. War der Ablass geringer, so wurde zunächst

Fermenterinhalt über den Probenahmestutzen abgelassen, bis eine ausreichende Menge zur

Verfügung stand. Bei der PA2 wurden über das unter Kugelventil immer zuerst ca. 2 l

Fermenterinhalt abgelassen, wieder eingefüllt, und dann eine Probe genommen. Der

verbliebene Ablass wurde zum Anmaischen der Substrate verwendet.

Die Durchmischung der einzelnen Anlagen unterschied sich nicht nur durch

unterschiedliche Rührwerke, sondern auch durch die Fahrweise. Die Laboranlagen wurden

kontinuierlich in einer Drehrichtung durchmischt. An der BGA Neurath wurde das

Rührwerk über eine Stunde in einer Drehrichtung bewegt. Anschließend folgte eine Pause

von 15 min, gefolgt von einer Richtungsänderung über 30 min. Bevor das Rührwerk

wieder mit der ursprünglichen Drehrichtung gefahren wurde, erfolgte erneut eine Pause

von 15 min. Dieser Zyklus wurde stetig wiederholt.

4.2.2 Ergebnisse

Die Betrachtung der Ergebnisse erfolgt analog zur ersten Versuchsreihe. Es werden die

wichtigsten Parameter, die zur Beurteilung der Übertragbarkeit notwendig sind, betrachtet.

Ergänzend zu den Parametern aus Versuchsreihe 1 wird die Entwicklung des

Fettsäurespektrum zur Beurteilung der Übertragbarkeit herangezogen. Die Dauer der

Versuchsreihe betrug insgesamt 56 Tage. In den letzten 16 Tagen traten bei den

Laboranlagen Betriebsstörungen auf, wie eine starke Verstopfung der Schleuse des

Beschickungssystems. Dadurch konnten die Betriebsbedingungen nicht mehr genau

eingehalten werden, weswegen dieser Zeitraum nicht in den Ergebnissen dargestellt wird

und die Versuche nach 56 Tagen abgebrochen worden sind.


Bei der Betrachtung des reduzierten Normvolumenstroms müssen die in Abschnitt 3.3

beschriebenen Besonderheiten berücksichtig werden. Der für die BGA Neurath berechnete

Normvolumenstrom ist nur eine grobe qualitative Abschätzung, mit einer abgeschätzten

Unsicherheit von 20%. Der vom Messprogramm aufgenommene Normvolumenstrom der

Technikumsanlage und der PA2 wurde um die Gasverluste korrigiert. Da im Gegensatz zur


Versuchsreihe 1 keine klaren Einbrüche in der Gasproduktion aufgrund der Beschickung

erkannt wurden, wurden hier alle Messwerte für den Normvolumenstrom berücksichtigt.

Der Verlauf der reduzierten Normvolumenströme ist in Abbildung 4-12 dargestellt. Zu

Beginn der Versuchsreihe (bis Versuchstag 10) unterscheidet sich die produzierte

Biogasmenge bezogen auf das Füllvolumen deutlich unter den Anlagen. Dabei ist zu

berücksichtigen, dass die größten Unterschiede zu Beginn durch den Versuchsstart

hervorgerufen wurden. Hier sind im Labor erst Messwerte ab dem Nachmittag

aufgenommen worden. Bei der PA2 trat zusätzlich am ersten Versuchstag ein Problem mit

der Messtechnik auf. Hierdurch konnten bis zur Behebung, was am dritten Versuchstag

nachmittags der Fall war, keine Messwerte aufgezeichnet werden.

Abbildung 4-12: Reduzierter Normvolumenstrom über der Versuchsdauer

Eine Auftragung der relativen Abweichungen zur BGA Neurath zeigt Abbildung 4-13. Die

Abweichungen der Technikumsanlage zur BGA Neurath liegen ab dem sechsten

Versuchstag im Mittel bei -10%. Damit liegen die Werte in einem Bereich, der in

Versuchsreihe 1 für die Abweichung zwischen den Parallelanlagen und der

Technikumsanlage ermittelt werden konnte. Die Abweichungen der PA2 zur BGA Neurath

sind höher. Zwischen dem 10. und 19. Versuchstag liegen sie im Mittel bei 13%, bis zum

38. Versuchstag steigt der Mittelwert auf -20%. An den letzten beiden Tagen fällt der

reduzierte Volumenstrom der PA2 im Vergleich zur BGA Neurath und der

Technikumsanlage deutlich ab. Zusätzlich wird geprüft, wie sich die Abweichungen der

PA2 zur Technikumsanlage verhalten. Die beiden Anlagen wurden mit unterschiedlichen

Beschickungsintervallen betrieben, wodurch größere Unterschiede zu erwarten sind. In

Abbildung 4-14 sind die relativen Abweichungen im reduzierten Normvolumenstrom der

PA2 zur Technikumsanlage zu sehen. Bis zum neunten Versuchstag nehmen die


Abweichungen stetig ab und liegen dann in einem Bereich von 10%. Aufgrund der in

Abbildung 4-10 und Abbildung 4-11 gezeigten Abweichung in der Raumbelastung, der

unterschiedlichen Fütterung und den Ergebnissen für den reduzierten Normvolumenstrom

(Abweichungen bis 10%) aus Versuchsreihe 1 liegen die Abweichungen in einem

zufriedenstellenden Bereich.

Abbildung 4-13: Relative Abweichung des reduzierten Normvolumenstrom der Technikumsanlage

und der PA2 zur BGA Neurath über der Versuchsdauer

Abbildung 4-14: Relative Abweichung des reduzierten Normvolumenstroms der PA2 zur

Technikumsanlage über der Versuchsdauer


Gasqualität

Analog zum reduzierten Normvolumenstrom ergeben sich auch in der Gasqualität die

größten Unterschiede in der ersten Versuchswoche. Ab dem elften Versuchstag ist eine

sehr gute Übereinstimmung unter den drei Anlagen erkennbar. Die absoluten

Abweichungen im CH4-Anteil liegen hier (bis zum 19. Versuchstag) in einem Bereich von

± 2,5% für die Technikumsanlage und PA2 bezogen auf die BGA Neurath. Ab dem 20.

Versuchstag werden insbesondere die Abweichungen zwischen der PA2 und der BGA

Neurath höher. Insgesamt bewegen sich die Abweichungen nur geringfügig über den

Messunsicherheiten (BGA Neurath und Labor ± 1,5%).

Abbildung 4-15: CH4-Anteil im Biogas über der Versuchsdauer

TS/oTS-Gehalt

Durch den Versatz um zwei Tage fangen die Technikumsanlage und PA2 mit einem etwas

geringeren oTS-Gehalt im Fermenterinhalt an, als die BGA Neurath. Abbildung 4-16 stellt

die Entwicklung des oTS-Gehaltes des Fermenterinhaltes der drei Anlagen dar. Dabei

geben die Fehlerbalken die erweiterte Messunsicherheit Up einer jeden Messung an.


Abbildung 4-16: oTS-Gehalt der BGA Neurath, der Technikumsanlage (TA) und der PA2 über der

Versuchsdauer (FM: Frischmasse)

Bei allen Anlagen ist ein Anstieg des oTS-Gehaltes im Fermenterinhalt zu beobachten. Bei

der BGA Neurath ist dieser mit 0,5% FM am geringsten. Bei der Technikumsanlage und

PA2 ist der Anstieg mit 1,4% FM fast dreimal so hoch wie bei der BGA Neurath. Der

Verlauf deutet auf einen schlechteren Abbau der Organik im Labor hin, insbesondere bei

PA2, wo die Raumbelastung etwas niedriger ist als in der Technikumsanlage und der BGA

Neurath (vgl. Abbildung 4-10). Die Anreicherung von Organik in den Laboranlagen

bestätigt allerdings die Ergebnisse im reduzierten Normvolumenstrom, der für die

Laboranlagen geringer ausfällt als für die BGA Neurath.

Fettsäurespektrum

Wie in Kapitel 1 beschrieben, bietet das Fettsäurespektrum eine gute Möglichkeit, um den

Zustand des Biogasbildungsprozesses zu beurteilen. In Abbildung 4-17 ist zunächst die

Entwicklung des Fettsäurespektrums an der BGA Neurath zu sehen. Die Essigsäure

erreicht am 22. und 36. Versuchstag mit 1300 mg kg-1

ihr Maximum. Bei der Propionsäure

ist ein leichter Anstieg gegen Ende der Versuchsreihe zu beobachten. Die höchste

Konzentration wird am 30. Versuchstag mit 770 mg kg-1

erreicht. Höherkettige Fettsäuren

konnten im Fermenterinhalt der BGA Neurath im gesamten Zeitraum nicht nachgewiesen

werden.


Abbildung 4-17: Entwicklung des Fettsäurespektrums der BGA Neurath über der Versuchsdauer

Bei der Technikumsanlage weicht die Entwicklung des Fettsäurespektrums von dem an der

BGA Neurath stark ab. In der ersten Versuchswoche steigt die Konzentration an

Essigsäure um fast das Siebenfache an, die der Propionsäure um über das Vierfache.

Neben diesen beiden Säuren, die in der BGA Neurath als einzige über der Nachweisgrenze

liegen, konnten bei der Technikumsanlage am achten Versuchstag auch alle anderen

untersuchten Säuren nachgewiesen werden. Dies lässt nicht nur auf eine Hemmung der

Methanogenese schließen (erkennbar am hohen Anstieg der Essigsäure), sondern auch auf

eine Hemmung der anderen Phasen des Biogasbildungsprozesses. In den folgenden

Wochen sinkt die Essigsäurekonzentration. Allerdings steigt die Propionsäure-

konzentration bis zum 36. Versuchstag stetig an. Insbesondere ist über den gesamten

Versuchszeitraum auch iso-Valeriansäure nachweisbar. Die Konzentration an iso-

Buttersäure steigt bis zum 22. Versuchstag an, nimmt dann aber wieder ab. Der Verlauf

bestätigt die These, dass das Substrat in der Technikumsanlage schlechter abgebaut wird,

als in der BGA Neurath (Erhöhung des oTS-Gehaltes im Fermenterinhalt). Allerdings ist

dann zu erwarten, dass in Verbindung mit der Organikanreicherung und den hohen

Konzentrationen an allen Säuren ein Einbruch in der Gasproduktion einhergeht und die

Qualität des Biogases abnimmt. Dies ist nicht der Fall, wie Abbildung 4-14 und Abbildung

4-15 zeigen. Eine genaue Analyse der Ergebnisse findet im Abschnitt 4.3 statt.


Abbildung 4-18: Entwicklung des Fettsäurespektrums der Technikumsanlage über der

Versuchsdauer

Der Verlauf des Fettsäurespektrums der PA2 lässt darauf schließen, dass bei dieser Anlage

die größten Hemmungen vorhanden sind. Aufgrund der nur einmal täglich stattfindenden

Beschickung mit der gefahrenen Raumbelastung war bei dieser Anlage mit einem Anstieg

der Fettsäuren zu rechnen. Abbildung 4-19 stellt den Verlauf des Fettsäurespektrums des

Fermenterinhaltes der PA2 über der Versuchsdauer dar. Die Entwicklung in der ersten

Versuchswoche entspricht qualitativ dem Verlauf der Technikumsanlage. Die Werte für

die einzelnen Säuren liegen mit Ausnahme der Valeriansäure alle wesentlich höher, als

dies bei der Technikumsanlage der Fall ist. Tendenziell fällt die Essigsäurekonzentration in

den folgenden Wochen und die Konzentration der Propionsäure steigt weiter an, was auch

bei der Technikumsanlage beobachtet werden kann. Die Propionsäurekonzentration

erreicht mit 9700 mg kg-1

am 36. Versuchstag den höchsten gemessenen Wert. Sie ist an

diesem Tag 14-mal höher als bei der BGA Neurath und fast doppelt so hoch wie bei der

Technikumsanlage. Die Konzentrationen der anderen Säuren bleiben ebenfalls bis zum

36. Versuchstag erhöht. Einzig n-Buttersäure und Capronsäure können in der zweiten

Woche abgebaut werden. Bei diesen sehr hohen Konzentrationen an Fettsäuren ist von


einer starken Hemmung des Prozesses auszugehen. Wie bei der Technikumsanlage tritt bei

der PA2 kein deutlicher Einbruch in der Gasproduktion oder ein Abfall des CH4-Anteils

auf, was bei diesen Konzentrationen an Fettsäuren zu erwarten wäre.

Abbildung 4-19: Entwicklung des FSS der PA2 über der Versuchsdauer

Obwohl die Anreicherung der Fettsäuren in der Technikumsanlage und der PA2 massiv ist,

kann kein Einfluss auf den pH-Wert festgestellt werden. Dieser liegt sowohl bei den

Laboranlagen als auch bei der BGA Neurath bei 7,7 mit einer Standardabweichung von

±0,02 für die BGA Neurath, ±0,05 für die Technikumsanlage und ±0,07 für PA2.

Aufgrund des hohen Anstiegs der Fettsäuren in der Technikumsanlage und der PA2 und

dem sich kaum verändernden pH-Wert wurde zum Ende der Versuchsreihe zusätzlich die

Pufferkapazität bestimmt. Die Proben hierfür wurden am 43. Versuchstag genommen. Die

Ergebnisse der Analyse sind in Tabelle 4-2 aufgeführt. Dabei ist zu beachten, dass die

Pufferkapazität über eine Titration mit anschließender Berechnung über empirische

Parameter erfolgt. Die Werte können daher nur untereinander verglichen werden [Post

2012].


Tabelle 4-2: Analyse der Pufferkapazität am 43. Versuchstag (TA: Technikumsanlage; PA:

Parallelanlage)

Anlage Pufferkapazität [mg kg-1

]

BGA Neurath 22.000

TA 21.000

PA2 19.000

Die BGA Neurath hat zum Versuchsende die höchste Pufferkapazität. Allerdings liegen die

Werte für die Technikumsanlage und die PA2 nur knapp darunter. Aufgrund des

Fettsäurespektrums wurde insbesondere bei der PA2 eine deutlich niedrigere

Pufferkapazität erwartet.

4.3 Diskussion

In der ersten Versuchsreihe konnte gezeigt werden, dass die Parameter reduzierter

Normvolumenstrom, CH4-Gehalt und Organikabbau des Biogasbildungsprozess unter

identischen Bedingungen reproduziert werden können. Um identische Bedingungen zu

gewährleisten, wurden alle Anlagen zunächst mit demselben Inoculum befüllt und dann im

mesophilen Bereich betrieben. Die Beschickung fand (in der ersten Versuchsreihe) einmal

täglich statt, wobei Rindergülle und CCM als Substrat verwendet wurden. Die

Raumbelastung wurde über den Versuchszeitraum erhöht, war aber stets für alle Anlagen

gleich. Auch nach einer sprunghaften Erhöhung der Raumbelastung gegen Ende der

Versuchszeit sind die relativen Abweichungen im reduzierten Normvolumenstrom im

selben Bereich geblieben. Bei dem CH4-Gehalt sind die Abweichungen im Rahmen der

Messunsicherheit geblieben. Gründe für die Abweichung von bis zu 10% im reduzierten

Normvolumenstrom(die im Rahmen der erweiterten Messunsicherheit liegen) können die

Heterogenität der Substrate, unterschiedliche Verluste während der Beschickung, geringe

Abweichungen im Füllvolumen sowie minimale Unterschiede in der Temperatur im

Fermenter sein. Die Reproduzierbarkeit der genannten Parameter bei zeitlich versetzten

Versuchsreihen wurde an dieser Stelle nicht geprüft. Hier sei aber auf die weiteren Studien

(Kapitel 1 und Kapitel 1) in dieser Arbeit verwiesen.

Bezüglich des reduzierten Normvolumenstroms und der Gasqualität konnte eine generelle

Übertragbarkeit von Ergebnissen auf unterschiedliche Maßstäbe festgestellt werden. In der

ersten Versuchsreihe (vergleich zwischen der Technikumsanlage und den Parallelanlagen)

fällt der reduzierte Normvolumenstrom in den ersten fünf Tagen bei allen Anlagen


aufgrund der sehr geringen Raumbelastung von 0,2 bis 0,3 kgoTS m-3

d-1

. Durch die

schrittweise Erhöhung der Raumbelastung (vgl. Abbildung 4-1) steigt der

Normvolumenstrom bei allen Anlagen, da mehr Organik zur Verfügung gestellt wird. Den

Zusammenhang zwischen Raumbelastung und produziertem Normvolumenstrom

veranschaulicht Abbildung 4-20 exemplarisch für die Technikumsanlage.

Abbildung 4-20: Normvolumenstrom der Technikumsanlage über der Raumbelastung

(Versuchsreihe 1)


Abbildung 4-21: Abweichungen im reduzierten Normvolumenstrom der Parallelanlagen (PA) zur

Technikumsanlage (Nulllinie) über der Raumbelastung

Der Mittelwert für die Abweichungen des reduzierten Normvolumenstrom liegt bei -8%

(Parallelanlagen zur Technikumsanlage), wobei kein Einfluss der Raumbelastung auf die

Abweichungen im reduzierten Normvolumenstrom festgestellt werden konnte (vgl.

Abbildung 4-21). Damit liegen die Abweichungen innerhalb der Reproduzierbarkeit.

Für die erste Versuchsreihe können auch die Parameter CH4-Gehalt und oTS-Gehalt in den

Anlagen von einem Maßstab auf den anderen übertragen werden, da die Abweichungen im

CH4- und oTS-Gehalt jeweils innerhalb ihrer erweiterten Messunsicherheiten liegen.

In der zweiten Versuchsreihe ist an der Technikumsanlage und der PA2 zu Beginn ein

Abfall des reduzierten Normvolumenstroms zu beobachten, der für die Technikumsanlage

und PA2 allerdings unterschiedlich stark ausfällt. Die Technikumsanlage produziert in den

ersten sechs Tagen ca. 20 bis 25% weniger Biogas als die BGA Neurath, während die

Abweichung mit 40 bis 50 % bei der PA2 doppelt so hoch ausfällt. Im weiteren

Versuchsverlauf liegen die Abweichungen für den reduzierten Normvolumenstrom der

Technikumsanlage zur BGA Neurath bei -10%, und damit innerhalb der in

Versuchsreihe 1 ermittelten Abweichungen für die Reproduzierbarkeit des reduzieren

Normvolumenstroms. Die Abweichungen der PA2 zur BGA Neurath sind auch nach der

ersten Woche mit -13 bis -20% höher, als die Abweichungen der Technikumsanlage und

somit nicht innerhalb der Reproduzierbarkeit. Zwischen der PA2 und der

Technikumsanlage weichen die Werte für den reduzierten Normvolumenstrom ab dem

zehnten Versuchstag im Mittel um -10% ab, womit zwischen diesen Anlagen trotz

unterschiedlicher Beschickungsintervalle die gleichen Abweichungen wie für die

Reproduzierbarkeit erzielt werden. Dies lässt den Schluss zu, dass die Übertragbarkeit des


reduzierten Normvolumenstroms mit zunehmendem Unterschied im Maßstab der Anlagen

abnimmt.

Um die Unterschiede in der Raumbelastung als alleinigen Einflussfaktor auszuschließen

fand eine Überprüfung mit Hilfe des Gasertrages (Normvolumenstrom pro Masse Organik)

statt. Diese Größe wird normalerweise verwendet, um anzugeben, wie viel Gas aus der

Organik eines Substrates oder Substratgemisches entsteht und wird i.d.R. in Batch-

Versuchen ermittelt. Aufgrund der sehr konstanten Raumbelastung in der zweiten

Versuchsreihe wurde für die BGA Neurath für jeden Versuchstag ein Gasertrag nach

Gleichung (4-2) berechnet.

N N

oTS Füll

V VGE

m RB V

(4-2)

Anschließend wurden die berechneten Gaserträge verwendet um die Normvolumina zu

ermitteln, die sich mit der Raumbelastungen der Technikumsanlage und der PA2 und dem

Füllvolumen der BGA Neurath ergeben. Bis auf wenige Ausnahmen liegen die

Abweichungen für die mit der Raumbelastung der Technikumsanlage berechneten

Normvolumina und der BGA Neurath unter 1% und für die mit der Raumbelastung der

PA2 berechneten Normvolumina unter 5%. Damit können die Abweichungen in der

Raumbelastung nicht allein für die Abweichungen des reduzierten Normvolumenstroms

verantwortlich sein.

Im Versuchsverlauf nimmt der oTS-Gehalt im Fermenterinhalt der Technikumsanlage und

der PA2 zu, während er in der BGA Neurath konstant bleibt (Abweichungen liegen

innerhalb der erweiterten Messunsicherheit). Die Zunahme des oTS-Gehaltes korreliert mit

der geringeren Biogasproduktion in den Laboranlagen. Wird angenommen, dass der

durchschnittliche, wöchentliche Biogasertrag (nach Gleichung (4-2)) der BGA Neurath bei

gleich gutem Umsatz der Substrate auch für die Laboranlagen gilt, kann berechnet werden,

wie viel Gas aus den Substraten in den Laboranlagen entstehen sollte. Die Differenz

zwischen dem tatsächlich produziertem Biogas und dem berechneten ist negativ, und zeigt

somit einen schlechteren Umsatz der Substrate in den Laboranlagen als in der BGA

Neurath (Anreicherung der Organik im Fermenterinhalt der Laboranlagen). Die Differenz

zwischen berechnetem und tatsächlich produzieren Normvolumenstrom entspricht für die

Technikumsanlage einer Abweichung von 17% und für die PA2 einer Abweichung von

18%. Vom 15. zum 22. Versuchstag hätte aufgrund des leichten Abbaus an Organik im

Fermenterinhalt mehr Gas produziert werden müssen, als es allein aus den Substraten

möglich ist. Werden für diesen Zeitraum die Werte des tatsächlich produzieren

Normvolumenstroms mit denen des berechneten verglichen, kann die Aussage bestätigt

werden, dass in diesem Zeitraum mehr Biogas entstanden ist, als es allein aus den

Substraten der Fall gewesen wäre (Abfall des oTS-Gehaltes im Fermenterinhalt).


In der zweiten Versuchsreihe wurde neben der Entwicklung der Organik im Fermenter

auch die Entwicklung des Fettsäurespektrums analysiert. Während für die BGA Neurath

ein sehr stabiler Verlauf mit niedrigen Konzentrationen an Essig- und Propionsäure

vorhanden ist, steigen bei den Laboranlagen in der ersten Versuchswoche die

Konzentrationen aller Säuren an. Neben Essig- und Propionsäure sind auch n-Buttersäure,

iso-Buttersäure, Valeriansäure, iso-Valeriansäure und Capronsäure nachweisbar. Dies

deutet auf eine massive Hemmung des Prozess hin.

Dagegen sprechen der in dieser Zeit steigende reduzierte Normvolumenstrom und ein

leicht ansteigender CH4-Anteil im Biogas. Im weiteren Versuchsverlauf können zwar

Essig-, Valerian- und Capronsäure abgebaut werden, allerdings steigt besonders die

Konzentration an Propionsäure bedenklich an. Dies ist insbesondere im Fermenterinhalt

der PA2 der Fall. Auch die iso-Valeriansäure kann weder in der Technikumsanlage noch in

der PA2 abgebaut werden.

Um mögliche Gründe für das Verhalten der Laboranlagen zu bestimmen, wurde die

Entwicklung der Fettsäurekonzentrationen dem Verlauf des reduzierten

Normvolumenstroms und des CH4-Gehaltes gegenübergestellt (Abbildung 4-22 und

Abbildung 4-23).

Die in Abbildung 4-22 und Abbildung 4-23 dargestellten Werte für die CH4-Konzentration

und den reduzierten Normvolumenstrom entsprechen den tatsächlichen Werten am

entsprechenden Versuchstag. Mittelwerte für die jeweilige Woche wurden nicht gebildet,

da hierdurch eine Verschiebung der Werte möglich ist, die auf den Abbau oder die

Anreicherung der Fettsäuren zurückzuführen wäre. Die Probe für die Analyse des

Fettsäurespektrums zu Beginn der Versuchsreihe wurde genommen, nachdem der

Fermenterinhalt zum Befüllen der Technikumsanlage und der PA2 im Labor angekommen

ist.


Abbildung 4-22: Konzentrationen der Fettsäuren, CH4-Konzentration und reduzierter

Normvolumenstrom der Technikumsanlage für Versuchsreihe 2

Der starke Anstieg der Essigsäurekonzentration und die erhöhten Abweichungen im

reduzierten Normvolumenstrom und der CH4-Konzentration der Laboranlagen im

Vergleich zur BGA Neurath in der ersten Woche deuten auf eine Störung des Prozesses

hin. Durch die Abfüllung, den Transport und das Befüllen der Anlagen war der

Fermenterinhalt einigen Stressfaktoren ausgesetzt. Während des Abfüllens an der BGA

Neurath in Transportbehälter wurde der Fermenterinhalt dem Luftsauerstoff ausgesetzt.

Während des Transportes konnte der Fermenterinhalt nicht temperiert werden, wodurch es

zu Temperaturverschiebungen kam. Da die Temperatur in den Transportbehältern oder im

Labor vor der Befüllung nicht gemessen wurde, können keine Aussagen gemacht werden,

wie hoch diese waren. Insgesamt dauerten der Transport und die Befüllung der

Laboranlagen nicht länger als 5 h. Durch das Wiedereinsetzen der Beschickung nach dem

Befüllvorgang kommt ein weiterer Stressfaktor hinzu. Die Raumbelastung von über

4 kgoTS m-3

d-1

ist für die Laboranlagen hoch. Bei der PA2 wirkt sich zusätzlich das

Beschickungsintervall von einmal täglich aus, was die höheren Konzentrationen an

Fettsäuren und den stärkeren Abfall der Gasproduktion und der CH4-Konzentration im

Vergleich zur Technikumsanlage erklärt (vgl. Abbildung 4-12 und Abbildung 4-15).


Abbildung 4-23: Konzentrationen der Fettsäuren, CH4-Konzentration und reduzierter

Normvolumenstrom der PA2 für Versuchsreihe 2

Der Anstieg der Fettsäuren aktiviert den Carbonatpuffer, was den Abfall der CH4-

Konzentration in den Laboranlagen begünstigt, da CO2 freigesetzt wird. Die Anreicherung

von Essigsäure im Verlauf der ersten Versuchswoche spricht, wie von Ohly 2006

beschrieben, für eine Hemmung der Methanogenese. Es kann angenommen werden, dass

sowohl die hydrogenotrophen als auch die acetolastischen Methanbildner gehemmt

werden.

Die Entwicklung vom achten zum 15. Versuchstag deutet auf eine H2-Anreicherung hin.

Wie von Smith et al. 1970 und Kaspar et al. 1978a beschrieben sinkt die

Essigsäurekonzentration, die Propionsäurekonzentration steigt weiter an und die

Gasproduktion und der CH4-Gehalt im Biogas nehmen wieder zu. Für einen Anstieg der

H2-Konzentration spricht auch die weitere Anreicherung von iso-Butter- und iso-

Valeriansäure wie es von Bryant 1979 berichtet wurde.

Der kontinuierliche Anstieg der Propionsäure, iso-Butter- und iso-Valeriansäure-

konzentration bis zum 36. Versuchstag spricht dafür, dass H2 nicht ausreichend abgebaut

werden kann. Die fallende, bzw. stagnierende Essigsäurekonzentration deutet darauf hin,

dass diese umgesetzt werden kann. Die Bakteriengruppe, die Essigsäure umsetzt, muss sich

demnach wieder erholt haben. Die erhöhte H2-Konzentration kann demnach entweder


durch gehemmte hydrogenotrophe Mikroorganismen verursacht werden, oder die

Essigsäure wird nicht direkt zu CH4 umgesetzt, sondern zunächst zu CO2 und H2.

Aufgrund der Studien von Bauer et al. 2008, Klocke et al. 2009 und Nettmann et al. 2008

wird angenommen, dass die sonst in BGA mit NawaRo als Substrat überwiegenden

hydogenotrophen Bakterien weiterhin gehemmt sind, und das das Biogas durch die

acetolastischen Bakteiren gebildet wird.

Der pH-Wert schwankt während des gesamten Versuchszeitraums um 7,7. Die Analyse der

Pufferkapazität zum Ende der Versuchsreihe zeigt eine um 14% geringere Pufferkapazität

in der PA2 gegenüber der BGA Neurath und eine um 5% verringerte Pufferkapazität der

Technikumsanlage im Vergleich zur BGA Neurath (vgl. Tabelle 4-2). Aufgrund der

Untersuchungen von Georgacakis et al. 1982 ist anzunehmen, dass die Pufferkapazität

sowohl in der Technikumsanlage als auch in der PA2 ausreichend ist, um einen stabilen

Prozess zu gewährleiten. Aufgrund der Beschickung mit Hähnchenmist und Rindergülle

werden dem Prozess täglich neue Mengen des Carbonat- und Ammoniakpuffer zugefügt,

wodurch die Pufferkapazität trotz der erhöhten Bildung von Fettsäuren erhalten bleibt.

Aufgrund technischer Schwierigkeiten mit dem Beschickungssystem der

Technikumsanlage können die Daten des reduzierten Normvolumenstrom und der

Gasqualität, sowie des Fettsäurespektrums aus den letzten zwei Versuchswochen nicht

verwendet werden. So wurde z.B. ein Verstopfen der Schleuse nicht rechtzeitig erkannt,

wodurch die Technikumsanlage über mehr als einen halben Tag nicht beschickt wurde,

dann aber die ganze Ration auf einmal erhalten hat. Auch bei der PA2 traten in diesem

Zeitraum Probleme bei der Beschickung auf. Durch die Probleme mit der Beschickung

kommt es wiederholt zu einer Stresssituation für die Mikroorganismen, weswegen die

Versuche dann nach 56 Versuchstagen endgültig abgebrochen wurden. Aufgrund der nicht

zu verwertenden Daten und dem damit verbundenen Versuchsabbruch kann keine Aussage

darüber gemacht werden, ob es zu einem Abbau der Fettsäuren in den Laboranlagen

kommt, und damit wieder zu einem stabilen Prozess, oder ob die Mikrobiologie im

weiteren Verlauf so stark gehemmt wird, dass der Prozess zum Erliegen kommt.

Neben der Stresssituation zu Beginn der Versuche können weitere Parameter für

Abweichungen in den Ergebnissen für den reduzierten Normvolumenstrom, die

Gasqualität und die auftretenden Fettsäurekonzentration verantwortlich sein. Ein möglicher

Parameter ist eine unterschiedliche Durchmischung. So gibt auch Gujer et al. 1983 als

mögliche Ursache höhere Turbulenzen in Laboranlagen an. Aufgrund der Höhe von

Anlagen ergeben sich je nach Anlage verschiedene Drücke, die Einfluss auf die Löslichkeit

von Gaskomponenten im Fermenterinhalt haben und sich auch auf die Mikroorganismen

auswirken. Eine weitere Einflussgröße ist das Material aus dem die Anlagen bestehen.


Beispielsweise gelangt in die Technikumsanlage oder die BGA Neurath kaum Licht,

während bei den Parallelanlagen der Fermenterinhalt dem Licht im Labor ausgesetzt ist.

Die in dieser Arbeit vorgestellten Studien weichen von der Studie von Cavinato et al. 2010

ab. Die spezifische Gasproduktion war in der Technikumsanlage bei Cavinato et al. 2010

etwas höher, als in der großtechnischen, während dies in den hier vorgestellten Studien

genau umgekehrt der Fall war. Die umgekehrten Ergebnisse für die Gasproduktion werden

auch von der Konzentration an flüchtigen Fettsäuren unterstützt, die bei Cavinato et al.

2010 in der großtechnischen BGA höher waren als in der Laboranlage.

Bei den Versuchen von Gronauer et al. 2006 im Batch-Betrieb war die Methanausbeute in

der größten Anlage (3500 l) höher (34%), als bei den 36 und 2 l Anlagen. Auch in den

beiden hier vorgestellten Versuchsreihen hat die jeweils größere Anlage mehr Gas

produziert. Allerdings lagen die Abweichungen im reduzierten Normvolumenstrom in

Versuchsreihe 1 dieser Arbeit bei 8% (Technikumsanlage zu den Parallelanlagen), was im

Rahmen der erweiterten Messunsicherheit lag, und in Versuchsreihe 2 bei 10%

(Technikumsanlage zur BGA Neurath), bzw. 13% (PA2 zur BGA Neurath).

Weitere Versuche zur Übertragbarkeit von Versuchsergebnissen in unterschiedliche

Maßstäbe sind erforderlich, um signifikante Einflussparameter weiter einzugrenzen.

Grundlage für zukünftige Versuche können die Ergebnisse und Erkenntnisse aus dieser

Arbeit sein. Zukünftig sollten die Versuche, wie in der Kooperation von Gronauer et al.

2006 und Wilderer et al. 2005, von mikrobiologischen Untersuchungen begleitet werden.

Mikrobiologische Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit waren nicht möglich.

75

5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle

Ein möglicher Parameter mit Einfluss auf die Übertragbarkeit von Versuchsergebnissen

und die Reproduzierbarkeit von Versuchen kann die Durchmischung des Fermenters sein.

So beobachteten beispielsweise Chen et al. 1990 bei einem nichtdurchmischten Fermenter

im Vergleich zu einem kontinuierlich durchmischten Fermenter einen höheren CH4-Ertrag.

Als Substrat verwendeten sie den vergärbaren Anteil kommunaler Abfälle (keine

Lebensmittel oder Gartenabfälle) und Klärschlamm. Dagegen war die Gasproduktion im

kontinuierlich durchmischten Reaktor bei Ho et al. 1985 höher als in dem nicht

durchmischten Reaktor. Sie verwendeten Abwasser aus der Palm-Öl-Herstellung.

In einigen Studien wurde der Effekt der Rührintensität untersucht [Stroot et al. 2001,

Vavilin et al. 2005]. Allerdings konnten im Rahmen einer Literaturstudie keine Berichte

zum Einfluss der Durchmischung bei kontinuierlichen Versuchen unter Einsatz von

NawaRo gefunden werden. Rojas et al. 2010 verwendeten in ihren Untersuchungen zwar

Maissilage, allerdings führten sie ihre Versuche nur in 500 ml Batch-Ansätzen durch.

Ong et al. 2002 untersuchten kontinuierlich, diskontinuierlich (Rührpause 5,5 h, Rührdauer

0,5 h) und nicht gerührte Anlagen, die mit Rindergülle beschickt wurden. Rindergülle

gehört zwar zu den NawaRo, allerdings unterscheidet sich Rindergülle stark von den festen

Substraten, wie Maissilage oder Lieschkolbenschrot. Ein Vergleich zwischen der

kontinuierlichen und diskontinuierlichen Rührweise in den Versuchen von Ong et al. 2002

zeigte keine Auswirkungen auf die Gasproduktion oder Qualität. Eine Gegenüberstellung

zwischen der kontinuierlich und der nicht gerührten Anlage hat gezeigt, dass eine

Erhöhung der Gasproduktion bei der nicht gerührten Anlage beobachtet werden konnte.

Ein Einfluss auf die Gasqualität konnte aber auch hier nicht festgestellt werden.

Messungen der Konzentration an Exopolysacchariden (von Mikroorganismen gebildet, um

unter anderem Agglomerate mit anderen Mikroorganismen zu bilden) haben einen höheren

Wert für die nicht gerührte Anlage ergeben, was auf einen besseren Verbund der Bakterien

untereinander schließen lässt. Dies führt zu einem besseren Abbau der Organik und somit

zu einer höheren Biogasproduktion.

Karim et al. 2005 führten Versuche mit einem effektiven Volumen von 3,73 l durch. Als

Substrat verwendeten sie Rindergülle. Karim et al. 2005 untersuchten dabei

unterschiedliche Möglichkeiten der Durchmischung (ungerührt, kontinuierliche

durchmischt über a) Rezirkulation von Fermenterinhaltes, b) Rezirkulation des Biogases c)

Verwendung eines Rührers, sowie den Einfluss des TS-Gehaltes des Substrates auf die

Durchmischung. Bei dem geringsten TS-Gehalt des Substrates von 5% konnten Karim et

al. 2005 keinen Einfluss der Durchmischung feststellen. Bei einer Verdoppelung des TS-

Gehaltes auf 10% produzierte der kontinuierlich durchmischte Reaktor 22% mehr Gas als

der nicht durchmischte.

76 5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle

Auch Kaparaju et al. 2008 arbeiteten mit Rindergülle als Substrat, die allerdings verdünnt

wurde. In ihren Untersuchungen führte eine Veränderung der Durchmischung zu einer

erhöhten Biogasproduktion. Bei einer minimalen Durchmischung (10 min vor dem

Ablass/der Fütterung) stieg die Biogasproduktion um 12,5%. Bei der intermittierenden

Rührweise (2 h Pause vor dem Ablass/der Fütterung) konnte nur noch eine Steigerung von

1,3% nachgewiesen werden. Bei der minimalen Rührweise konnte ein leicht erhöhter CH4-

Ertrag festgestellt werden.

Diese Beispiele aus der Literatur zeigen, wie sehr die in der Literatur vorgestellten

Ergebnisse variieren können. Zudem fehlen Studien, in denen NawaRo eingesetzt werden.

Weitere Untersuchungen sind daher erforderlich, um beurteilen zu können, wie sich eine

abweichende Durchmischung auf die Übertragbarkeit und Reproduzierbarkeit des

Biogasbildungsprozesses auswirkt.

Die gewählte Durchmischung und damit der Energieverbrauch des eingesetzten Rührwerks

können einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz einer BGA haben. Der

Energieverbrauch hängt (bei gleichem Medium) vom Rührwerkstyp, der Drehzahl und der

Anzahl an Betriebsstunden pro Tag ab. Er kann in einem Bereich von 29-54% des

Eigenstrombedarfs liegen, siehe [Dachs et al. 2006]. Eine Möglichkeit, BGA effizienter zu

betreiben, ist aus diesem Grund die Verringerung des Eigenenergieverbrauches durch eine

Anpassung der Durchmischung. In den vorgestellten Studien wird daher auch betrachtet,

ob der Energieeintrag gesenkt werden kann.

5.1 Versuchsdurchführung

Für diese Parameterstudie wurden zwei Versuchsreihen mit den drei Parallelanlagen

durchgeführt. Analog zu den in Kapitel 1 beschriebenen Versuchen, wurden die Anlagen

zu Versuchsbeginn mit Fermenterinhalt aus der BGA Neurath befüllt und anschließend die

Gasphase mit Helium gespült. In Einklang mit der mesophilen Betriebsweise der BGA

Neurath, wurde auch hier eine Temperatur von rund 38°C gewählt.

Einmal täglich erfolgte die Beschickung mit Substrat. Verwendet wurden hierbei für die

erste Versuchsreihe CCM, Rindergülle sowie Spurenelemente. Diese Substrate wurden

ausgewählt, da sie im Vergleich zu den meisten anderen NawaRo sehr homogen sind. In

der zweiten Versuchsreihe wurde statt CCM Maissilage verwendet, die anderen Substrate

wurden gleich belassen. Die Änderung von CCM auf Maissilage fand statt, da Maissilage

bei unzureichender Durchmischung eher zur Bildung von Schwimmschichten neigt. Auf

diese Weise konnte in der zweiten Versuchsreihe beobachtet werden, ob die gewählten

Rührintervalle zu Schwimmschichten führen. Die maximale Menge der jeweiligen

Substrate und Spurenelemente in der ersten Versuchsreihe wurde in Anlehnung an die in

5 Einfluss unterschiedlicher Rührintervalle 77

der BGA Neurath eingebrachten Mengen bestimmt. Um die Substrate den Anlagen

zuzuführen, wurden diese mit Fermenterinhalt der jeweiligen Anlage angemaischt. Bevor

Fermenterinhalt zum Anmaischen abgelassen wurde, wurde der Füllstand jeder Anlage

notiert. Zur Verhinderung eines Lufteintrages während der Beschickung wurde ein

Trichter/Stopfen-System verwendet, durch das die Maische in die Anlage gedrückt wurde.

Während bei der ersten Versuchsreihe die Gasqualität vor und nach der Beschickung

bestimmt wurde, erfolgte dies bei der zweiten Versuchsreihe nur noch einmal täglich, da

sich kein signifikanter Einfluss der Beschickung auf die Gasqualität gezeigt hat. Das

produzierte Gasvolumen wurde kontinuierlich aufgezeichnet. Die Durchmischung der

Anlagen erfolgte anhand festgelegter Rührintervalle, welche in Tabelle 5-1 aufgeführt sind.

Dabei diente PA3 mit einer kontinuierlichen Durchmischung stets als Referenz.

Tabelle 5-1: Einteilung der Rührintervalle für Versuchsreihe (VR) 1 und 2

PA1 PA2 PA3

VR 1 2h rühren

1h Pause

7h rühren

1h Pause

Referenzanlage,

kontinuierlich

durchmischt

VR 2 10 min rühren

230 min Pause

10 min rühren

50 min Pause

Referenzanlage,

kontinuierlich

durchmischt

In der ersten Versuchsreihe wurden die drei Anlagen zunächst zwei Wochen lang parallel

betrieben, bevor mit der Untersuchung der Rührintervalle begonnen wurde. Dies diente

einer zusätzlichen Überprüfung der Reproduzierbarkeit. Die Raumbelastung wurde über

den Versuchszeitraum schrittweise erhöht. Eine Übersicht zur Raumbelastung ist in

Abbildung 5-1 gegeben. Die Abweichungen zwischen der PA1 und PA2 zur PA3 lagen

überwiegend innerhalb der erweiterten Messunsicherheit der PA3 für die Raumbelastung.

Ausnahmen bildeten vor allem die Versuchstage 20 bis 22, an denen die Raumbelastung in

der Referenzanlage um 0,2 bis 0,3 kgoTS m-3

d-1

höher war als in den zwei anderen Anlagen.

Grund hierfür war ein durch Aufquellen des Fermenterinhaltes erhöhter Füllstand bei den

Anlagen mit Rührintervallen.


Abbildung 5-1: Erhöhung der Raumbelastung (RB) über die Versuchsdauer von Versuchsreihe 1

Aus den vorangegangen Versuchsreihen ist bekannt, dass die Anlagen bei gleichen

Bedingungen auch ein gleiches Verhalten zeigen. Aufgrund dessen entfiel bei der zweiten

Versuchsreihe der zweiwöchige Parallellauf. Außerdem wurde die Beschickungsmenge

konstant gehalten, da aus vorherigen Versuchen ersichtlich wurde, dass es bei einer

direkten Aufnahme der Soll-Raumbelastung zu keinen Problemen mit dem Betrieb kommt.

Allerdings führen zu hohe Raumbelastungen zu deutlichen Instabilitäten, weswegen eine

vorhergehende Versuchsreihe vorzeitig abgebrochen werden musste. Aus der

abgebrochenen Versuchsreihe wurde ersichtlich, dass eine höhere Raumbelastung für die

Parallelanlagen beim Einsatz von Maissilage nicht möglich ist. Ähnliche Ergebnisse

erzielten auch Blume et al. 2010 bei einem kontinuierlich durchmischten Fermenter, der

mit Maissilage beschickt wurde. Ab einer Raumbelastung von ungefähr 5,0 kgoTSm-3

d-1

war bei den Versuchen von Blume et al. 2010 ein signifikanter Abfall in der Gasproduktion

zu beobachten. Als Konsequenz wurde für die zweite, hier vorgestellte Versuchsreihe eine

insgesamt deutlich niedrigere Raumbelastung gewählt. Der Mittelwert der Raumbelastung

für PA1 und PA2 betrug 2,3 kgoTSd-1

m-3

und für PA3 2,4 kgoTSd-1

m-3

. Damit lagen die

Abweichungen innerhalb der erweiterten Messunsicherheit. Schwankungen in der

Raumbelastung waren nur durch den leicht veränderten Füllstand in den Anlagen und

einen Substratwechsel bedingt.

Die Gasqualität wurde bei Versuchsreihe 1 über die gesamte Versuchsdauer gemessen. Bei

Versuchsreihe 2 war dies aufgrund eines technischen Problems mit dem GC/MS-System

nur bis zum 19. Versuchstag möglich. Zu Beginn und zum Ende einer Versuchsreihe

wurde das Fettsäurespektrum analysiert. Die Analysen wurden hier von der Fa. LUFA –

ITL (Agrolab Laborgruppe) durchgeführt. Hier wurde kein Konservierungsmittel

eingesetzt, um den Gärungsprozess der Probe zu stoppen. Es ist damit zu rechnen, dass

einige Fettsäuren während des Transportes abgebaut wurden.


5.2 Ergebnisse

Zur Beurteilung der Auswirkungen/Vorteile von einem bestimmten Rührintervall werden

in erster Linie der produzierte Normvolumenstrom und die Gasqualität betrachtet. Wie bei

den in Kapitel 4 vorgestellten Versuchen, wird auch hier in erster Linie der CH4-Anteil zur

Bewertung herangezogen. Darüber hinaus erfolgt ein Vergleich des Abbaus anhand des

TS- und oTS-Gehaltes sowie der Veränderung des Fettsäurespektrums.

5.2.1 Versuchsreihe 1

Normvolumenstrom

Für die Auswertung des Normvolumenstroms wurde pro Versuchstag ein mittlerer

stündlicher Volumenstrom bestimmt. Dieser wurde um den Gasverlust durch die GC-

Proben korrigiert. Eine Korrektur um die Gasverluste bei der Beschickung fand hier nicht

statt, da für diese Gasverluste kein allgemeingültiger Wert bestimmt werden kann.

Aufgrund der gleichen Vorgehensweise bei der Beschickung aller Anlagen kann davon

ausgegangen werden, dass die Auswirkungen dieser Verluste auf den Tagesvolumenstrom

bei allen Anlagen nahezu gleich sind. In Abbildung 5-2 ist der Verlauf des

Normvolumenstroms zu sehen.

Abbildung 5-2: Verlauf des Normvolumenstroms über der Versuchsdauer

Der vierzehntägige Parallellauf zu Beginn der Versuchsreihe zeigt auch bei Erhöhung der

Raumbelastung eine sehr gute Übereinstimmung im Normvolumenstrom. Die relativen

Abweichungen bleiben trotz der Änderung der Raumbelastung unter denen, die während


der Versuchsreihe zur Reproduzierbarkeit und Übertragbarkeit (vgl. Abschnitt 4.1) erreicht

wurden. In Abbildung 5-3 ist dies grafisch veranschaulicht. Die zwei Ausreißer von PA1

sind durch eine Undichtigkeit in dem verwendeten Gasbeutel hervorgerufen, der daraufhin

ausgetauscht wurde.

Nach dem Beginn der Rührintervalle ist der Verlauf des Normvolumenstroms der Anlagen

bis zum 29. Versuchstag (bis zum 15. Tag nach Beginn der Rührintervalle) weiterhin

ähnlich. Die Abweichungen von PA1 und PA2 zur Referenz (PA3) bleiben innerhalb der

Reproduzierbarkeit und auch innerhalb der erweiterten Unsicherheit für die Bestimmung

des Normvolumenstroms.

Im Verlauf des Normvolumenstroms (Abbildung 5-2) sind ab dem 30. Versuchstag größere

Schwankungen des Normvolumenstroms zu beobachten. Dies deutet auf

Prozessinstabilitäten hin. Bis auf die Abweichungen der PA1 am 35. und 36. Versuchstag

und die von PA2 am 36. Versuchstag bleiben die Abweichungen dennoch im Rahmen der

Reproduzierbarkeit (vgl. Abbildung 5-3).

Abbildung 5-3: Relative Abweichungen im Normvolumenstrom der PA1 und PA2 zur

Referenzanlage (PA3)

Neben der Betrachtung des Verlaufes des Normvolumenstroms über die gesamte

Versuchsdauer, ist die nähere Betrachtung des Tagesverlaufs von Interesse. Abbildung 5-4

zeigt beispielhaft den Verlauf für den 22. Versuchstag,


Abbildung 5-4: Tagesverlauf des Normvolumenstroms am 22. Versuchstag

In der Zeit zwischen 00:00 und 07:00 Uhr wird das verbliebene, gut abbaubare Substrat

vom vorherigen Tag weiter abgebaut. In dieser Zeit erfahren die Anlagen keine

Einwirkung von außen. Der leichte Abfall im Gasvolumenstrom zwischen 07:00 und 09:00

Uhr ist bedingt durch die Probenahme und den Ablass aus dem Fermenter zum

Anmaischen. Das Einfüllen des angemaischten Substrates führt darauf zu einem kurzzeitig

starken Anstieg des Normvolumenstrom. Die darauffolgende leichte Stagnation ist einer

erneuten Probenahme zur Bestimmung der Gasqualität geschuldet. Nach dieser

Probenahme steigt der Normvolumenstrom kontinuierlich an, bis er um 18:00 Uhr sein

Tagesmaximum erreicht. Danach beginnt der Abfall des Normvolumenstroms, bis am

nächsten Tag die Anlagen erneut beschickt werden. Die Rührintervalle haben auf den

Tagesverlauf des Normvolumenstroms keinen erkennbaren Einfluss.

Gasqualität

Der Verlauf des CH4-Gehaltes während des Parallellaufes in den ersten zwei Wochen

dieser Versuchsreihe bestätigt die gute Reproduzierbarkeit der Daten bei gleichen

Bedingungen. Auch im weiteren Verlauf der Versuche ist der Verlauf für alle Anlagen

übereinstimmend (vgl. Abbildung 5-5). Die unterschiedlichen Rührintervalle haben

demzufolge keinen Einfluss auf den CH4-Gehalt im Biogas.

Wie auch beim Normvolumenstrom kommt es ab dem 30. Versuchstag zu Schwankungen.

Dies ist ein weiterer Hinweis auf mögliche Instabilitäten der Anlagen. Eine weitere

Ursache könnte in dem eingesetzten Substrat liegen.


Abbildung 5-5: Verlauf des CH4-Anteils (Probenahme nach der Beschickung) über der

Versuchsdauer

Leistungsaufnahme der Rührwerke

Für die in dieser Versuchsreihe festgelegten Rührintervalle kann festgestellt werden, dass

diese keinen wesentlichen Einfluss auf die produzierte Gasmenge oder die Gasqualität

haben. Hieraus kann gefolgert werden, dass es grundsätzlich möglich ist, den

Eigenenergieverbrauch einer BGA zu senken, indem die Rührzeiten verkürzt werden.

Um zu überprüfen, ob es durch das Anfahren der Rührwerke zu Beginn eines

Rührintervalls zu Leistungsspitzen kommt, wurde die Leistungsaufnahme der Rührwerke

von PA1 und PA2 gemessen. Hierfür wurde ein Drehstrommesser der Firma Voltcraft inkl.

der benötigten Messsoftware (Voltcraft Smart Analyzer) verwendet. Das Produkt ist neu,

wodurch es bei der korrekten Aufzeichnung der Blindleistung Schwierigkeiten gab. Die

Werte können daher nur qualitativ, nicht aber quantitativ beurteilt werden. Es wird

angenommen, dass der Fehler der Blindleistungsmessung konstant ist. Hierdurch können

Aussagen zum möglichen (prozentualem) Einsparpotenzial des Stromverbrauchs gemacht

werden.


Abbildung 5-6: Leistungsaufnahme des Rührwerks der PA1

Abbildung 5-7: Leistungsaufnahme des Rührwerks der PA2

Wie Abbildung 5-6 und Abbildung 5-7 zeigen, war keine wesentlich erhöhte

Leistungsaufnahme nach der Rührpause festzustellen. Bei PA1 dauerte es 7 min (nach

Inbetriebnahme) bis die Leistungsaufnahme sich auf einem konstanten Wert einpendelte.

In dieser Zeit wurden 2,5% mehr Leistung aufgenommen, als im gleichen Zeitraum im

kontinuierlichen Betrieb. Im Fall der PA2 ergab sich ebenfalls (gemittelt) eine um 2,5%


erhöhte Leistungsaufnahme, wobei es direkt nach dem Wiederanfahren des Rührwerkes zu

einer Leistungsspitze kam. Die Dauer bis zum Erreichen der durchschnittlichen

Leistungsaufnahme während der kontinuierlichen Durchmischung betrug hier 13 min. Im

Fall von PA1 könnten damit 29% des Energieverbrauchs für das Rührwerk eingespart

werden und im Fall der PA2 12%.

TS/oTS-Gehalt und FSS

Die unterschiedlichen Rührintervalle hatten keinen Einfluss auf den oTS-Gehalt im

Fermenterinhalt. Zwar ist dieser leicht angestiegen, die Abweichungen zwischen den

Anlagen sind aber innerhalb der erweiterten Messunsicherheit. Damit ist kein Einfluss der

Rührintervalle auf den Abbau feststellbar.

Sowohl an dem Versuchstag, an dem die Rührintervalle gestartet wurden, als auch zum

Versuchsende konnte in allen Anlagen nur Essigsäure in dem Fermenterinhalt der drei

Anlagen nachgewiesen werden. Die Werte für die Essigsäurekonzentration zu Beginn und

zum Ende liegen in einer ähnlichen Größenordnung.

Sonstige Auswirkungen

Während der Stillstandzeit des Rührwerkes kam es zu einem Quellen und Aufschäumen

des Fermenterinhaltes. Insbesondere war dies am ersten Versuchstag mit Rührintervallen

zu beobachten. In der folgenden Zeit trat der Effekt weiterhin auf, allerdings in geringerem

Maße. Hierdurch erklärt sich das stets etwas höhere Füllvolumen der PA1 und PA2. Die

Ausgasung des Biogases wurde in den Pausen nicht mehr aktiv unterstützt, weswegen der

Fermenterinhalt aufquoll. Zusätzlich entstand an der Flüssigkeitsoberfläche Schaum.

Während der Versuche kam es zu einer Verschmutzung der gasführenden Leitungen. Eine

Verstopfung war allerdings nicht aufgetreten.


Normvolumenstrom

In Versuchsreihe 2 entfällt der zweiwöchige Parallellauf zu Beginn. Versuchstag 0 gibt

somit direkt den Beginn der Rührintervalle an. In Abbildung 5-8 ist der Verlauf des

Normvolumenstroms über der Versuchsdauer dargestellt. Durch die konstant gehaltene

Raumbelastung liegen die Werte des Normvolumenstroms während des gesamten

Versuchs in einem ähnlichen Bereich.


Abbildung 5-8: Normvolumenstrom über der Versuchsdauer

Abbildung 5-9: Relative Abweichungen im täglichen Normvolumenstrom der PA1 und PA2 zur

Referenzanlage (PA3)

Am ersten Tag ist die relative Abweichung der PA1 so hoch, dass sie außerhalb des

dargestellten (negativen) Bereiches liegt. Ab dem zweiten Versuchstag ist der

Normvolumenstrom der Referenzanlage mit einer kontinuierlichen Durchmischung (PA3)

etwas geringer, als der der Anlagen mit intermittierender Rührweise. Dies belegt auch die

Darstellung der relativen Abweichungen (Abbildung 5-9). Hier liegen vor allem für PA2


die Abweichungen mit bis zu 20% deutlich über der Reproduzierbarkeit. Die für diese

Versuchsreihe ausgewählten Rührintervalle haben damit zunächst einen positiven Effekt

auf die Gasausbeute. Jedoch schwindet dieser Effekt nach einer gewissen Zeit, bis er nicht

mehr erfasst werden kann. Ab dem 15. Versuchstag liegen die Werte innerhalb der

Reproduzierbarkeit.

Wie bei der vorhergehenden Versuchsreihe wird auch bei dieser der Tagesverlauf

(Abbildung 5-10) genauer betrachtet. Ausgewählt wurde hierfür exemplarisch der

24. Versuchstag. Der Normvolumenstrom folgt dem gleichen Schema, wie bereits bei

Versuchsreihe 1 (Abbildung 5-4) erläutert.

Die Rührintervalle bei PA1 (10 min rühren, 230 min Pause) können in der Darstellung

erkannt werden, da der Normvolumenstrom leicht schwankt. Der Verlauf von PA2 ähnelt

mit der deutlich kürzeren Pause von nur 50 min dem der Referenzanlage, die kontinuierlich

gerührt wurde.

Abbildung 5-10: Tagesverlauf des Normvolumenstroms für den 24. Versuchstag

Gasqualität

Abbildung 5-11 gibt den Verlauf der CH4-Konzentration während der ersten 19

Versuchstage wieder.


Abbildung 5-11: Verlauf des CH4-Gehaltes bis zum 19ten Versuchstag

Obwohl ein Unterschied zwischen der Referenzanlage und den diskontinuierlich gerührten

Anlagen im Normvolumenstrom zu beobachten ist, trifft dies auf den CH4-Anteil kaum zu.

In der Darstellung ist zu sehen, dass der CH4-Anteil der PA3 vom vierten bis zum 14.

Versuchstag leicht unterhalb des der PA1 und PA2 liegt, wobei sich die Abweichungen im

Rahmen der erweiterten Messunsicherheit befinden (vor Umbau des GC).

TS/oTS-Gehalt und FSS

Die Rührintervalle der PA1 und PA2 beginnen direkt nach der Befüllung, weswegen der

oTS-Gehalt im Fermenterinhalt bei allen Anlagen gleich ist. Während bei den Anlagen mit

diskontinuierlicher Durchmischung der oTS-Gehalt nahezu konstant bleibt, steigt dieser

bei der Referenzanlage (PA3) leicht an (vgl. Abbildung 5-12).

Eine Woche vor Versuchsbeginn wurde an der BGA Neurath, von der das Inoculum

stammt, von der Fa. Bioreact GmbH eine Analyse des Fermenterinhaltes auf das

Fettsäurespektrum durchgeführt. Es konnten nur Essigsäure (0,44 g l-1

) und Propionsäure

(0,03 g l-1

) nachgewiesen werden. Am Ende der Versuchsreihe wurde der Fermenterinhalt

der Parallelanlagen bei der Fa. LUFA – ITL auf das Fettsäurespektrum untersucht. Hier

wurde bei allen Parallelanlagen nur Essigsäure nachgewiesen. Dabei war der Wert von

PA1 im Vergleich zur Referenz (PA3) um 83,5%, und der von PA2 um 77,6% geringer.


Abbildung 5-12: Entwicklung des oTS-Gehaltes über der Versuchsdauer

Sonstige Auswirkungen

Wie auch bei der ersten Versuchsreihe ist ein Quellen und Schäumen des

Fermenterinhaltes zu beobachten gewesen. In den ersten Tagen war dies bei PA1 so stark

ausgeprägt, dass es zu einer Verstopfung der Gasleitung gekommen ist. Daraufhin musste

diese gereinigt werden. Das Ausmaß des Schäumens hat im Laufe der Versuchsreihe

nachgelassen, war aber bis zum Ende zu beobachten.

5.3 Diskussion

Die in dieser Arbeit durchgeführten Versuchsreihen zum Einfluss der Durchmischung auf

den Biogasbildungsprozess, haben gezeigt, dass es abhängig vom gewählten Rührintervall

ist, ob Auswirkungen auf den Normvolumenstrom, die Gasqualität und den Abbau an

Organik signifikant sind. Damit kann die Durchmischung auch einen Einfluss auf die

Reproduzierbarkeit und Übertragbarkeit haben. Die gewählte Durchmischungsart und die

angewandten Rührintervalle sollten stets mit angegeben werden. Sollen

Versuchsergebnisse reproduziert werden, so ist es vergleichsweise einfach die gleiche

Durchmischung zu wählen. Bei der Durchführung von Versuchen in unterschiedlichem

Maßstab ist dies nicht immer möglich (vgl. Abschnitt 4.2.1).

Durch die vier untersuchten Rührintervalle war kein oder ein positiver Effekt auf die

betrachteten Parameter im Vergleich zur Referenzanlage zu verzeichnen. In beiden

Versuchsreihen haben sich die zwei diskontinuierlich gerührten Anlagen ähnlich verhalten.


In Versuchsreihe 1 war bei beiden Anlagen die Dauer der Pause gleich, während bei der

zweiten Versuchsreihe die Rührdauer gleich gehalten wurde. Weitere Unterschiede in den

beiden Versuchsreihen waren die gewählte Raumbelastung und die eingesetzten Substrate.

Die beiden Versuchsreihen können daher nicht direkt miteinander verglichen werden.

In Versuchsreihe 1 war bei beiden Anlagen die Dauer der Pause gleich. Die Rührdauer lag

dabei jeweils über der Dauer der Pause. Bei dem gewählten Substratmix lagen die

Abweichungen im Normvolumenstrom innerhalb der Grenzen für die Reproduzierbarkeit.

Abweichungen im CH4-Gehalt lagen innerhalb der Messunsicherheit. Damit stimmen die

Ergebnisse mit denen von Ong et al. 2002 überein. Der konstante Wert für den oTS-Gehalt

im Fermenterinhalt zeigt zudem, dass die durch die Substrate eingebrachte Organik von

den Mikroorganismen umgesetzt werden konnte. Die langsame Erhöhung der

Raumbelastung sorgt demnach dafür, dass sich eine gut abgestimmte Biozönose im

Fermenterinhalt entwickeln konnte.

In der zweiten Versuchsreihe, mit kürzeren Rührdauern als Standzeiten des Rührwerks,

war zu Beginn eine Mehrproduktion an Biogas von bis zu 20% im Vergleich zur Referenz

zu beobachten. Nach einer gewissen Zeit nimmt dieser Effekt soweit ab, bis er nicht mehr

erfasst werden kann. In Versuchsreihe 2 wurde die Raumbelastung nicht wie in

Versuchsreihe 1 langsam erhöht, sondern direkt mit der Soll-Raumbelastung für diese

Versuchsreihe begonnen. Durch den Transport des Fermenterinhaltes aus der BGA

Neurath zur Befüllung der Anlagen und die veränderten Beschickungsintervalle (zur BGA

Neurath) waren die Mikroorganismen zu Beginn der Versuche einer Stresssituation

ausgesetzt (vgl. Abschnitt 4.3). Die intermittierende Rührweise kann, wie von Ong et al.

2002 beschrieben, zu einem stärkeren Verbund der Mikroorganismen führen, wodurch sich

die Biozönose schneller von den Stressbedingungen der Inbetriebnahme der Anlagen

erholen kann. Hierfür spricht der erhöhte Normvolumenstrom der diskontinuierlich

durchmischten Anlagen zu Beginn der Versuchsreihe. Ab dem 15. Versuchstag stimmen

damit die Ergebnisse für den Normvolumenstrom und die Gasqualität aus Versuchsreihe 2

mit denen aus Versuchsreihe 1 und denen von Ong et al. 2002 überein.

Die Ergebnisse für den Normvolumenstrom in Versuchsreihe 2 decken sich prinzipiell mit

denen von Kaparaju et al. 2008, in denen eine Veränderung der Durchmischung zunächst

zu einem Anstieg der Biogasproduktion führte. Dieser Effekt hätte demnach auch in

Versuchsreihe 1 beobachtet werden müssen. Allerdings fanden Kaparaju et al. 2008 auch

heraus, dass dieser Effekt mit zunehmender Rührdauer abnimmt. In Anbetracht der

geringen Raumbelastung und der längeren Rührzeiten in Versuchsreihe 1 kann der Effekt

so gering gewesen sein, dass er in den Rahmen der Reproduzierbarkeit gefallen ist.

Während der Versuche hat sich insbesondere eine Problemstellung bei diskontinuierlicher

Fahrweise herauskristallisiert. Während der Rührpausen kam es besonders zu Beginn einer


Versuchsreihe zu nicht zu vernachlässigender Schaumbildung an der

Flüssigkeitsoberfläche, sowie zu einem leichten Quellen des gesamten Fermenterinhaltes.

Aufgrund der Pause im Rühren wird das entstehende Biogas nicht so stark ausgetrieben,

wie es während der Rührzeiten der Fall ist, und führt zu den genannten Effekten. In

Verbindung mit bestimmten Stoffen kann der langsame Austrieb des Biogases zu einer

stärkeren Schaumbildung führen. Es wird angenommen, dass diese Stoffe zu Beginn einer

Versuchsreihe in einer höheren Konzentration vorlagen, weswegen es insbesondere da zur

verstärkten Schaumbildung kam. Welche Stoffe hierfür verantwortlich sein können, konnte

im Rahmen dieser Arbeit nicht untersucht werden. Bei der Anwendung von

Rührintervallen ist demzufolge auf eine entsprechende Anpassung der Anlagentechnik

bzw. der Prozessbedingungen zu achten. Der Füllstand sollte reduziert werden,

Gasleitungen und Messtechnik so ausgelegt werden, dass der Schaum keinen Schaden

verursacht. Ein reduzierter Füllstand führt allerdings zu einer reduzierten Gasausbeute.

Neben dem eigentlichen Ziel dieser Untersuchungen hat der Parallellauf in der ersten

Versuchsreihe die Ergebnisse der Versuche zur Reproduzierbarkeit bestätigt. Wie in der in

Abschnitt 4.1 vorgestellten Studie lagen die Abweichungen während des Parallellaufes im

Bereich von bis zu ± 10%.

Aus beiden Versuchsreihen geht hervor, dass es möglich ist den Eigenenergiebedarf von

BGA zu senken, indem statt einer kontinuierlichen Rührweise eine intermittierende

gewählt wird. Die Rührintervalle hatten keine oder positive Auswirkungen auf den

Normvolumenstrom und den CH4-Gehalt. Die Analyse des Energiebedarfs des Rührwerkes

in Versuchsreihe 1 hat ergeben, dass für den Fall 2 h rühren, 1 h Pause eine Einsparrung

von 29% möglich ist. Bei dem Rührintervall 7 h rühren, 1 h Pause könnten 12% des

Energiebedarfs des Rührwerks eingespart werden.

Eine weitere in der Literatur genannte Möglichkeit der Beeinflussung der Durchmischung

wurde im Rahmen der Studie nicht untersucht. Neben der diskontinuierlichen

Durchmischung ist auch eine geringere Intensität der Durchmischung möglich. Dies wurde

beispielsweise von Gomez et al. 2006 untersucht. Sie konnten für den Einsatz von

Klärschlamm mit einer geringeren Rührintensität ähnliche Ergebnisse erzielen, wie mit

einer stärkeren Durchmischung. Entsprechende Ergebnisse erzielten auch Stroot et al.

2001. Hier besteht weiterer Forschungsbedarf bei der Vergärung von NawaRo.

91

6 Einfluss von Beschickungsausfällen

Bei der Durchführung von Versuchen zum Biogasbildungsprozess kommt es in der Regel

zumindest zum Versuchsstart zu einem Ausfall der Beschickung. Hier muss

Fermenterinhalt zum Animpfen häufig von einer großtechnischen Anlage geholt werden.

Zudem ist in der Literatur wiederholt zu finden, dass quasi-kontinuierliche Versuche am

Wochenende nicht beschickt werden (z.B. bei Gallert et al. 2003). Ausfälle können aber

auch durch Probleme mit der Eintragstechnik oder bei einem Substratmangel auftreten. An

großtechnischen BGA kann es aufgrund unterschiedlichster Betriebsstörungen zu einem

gewollten oder ungewollten Ausfall der Beschickung kommen. Mögliche Ursachen hierfür

sind z.B. Wartungsarbeiten am BHKW oder Defekte an der Einbringvorrichtung für die

Substrate. Übliche Ausfälle liegen dabei in einem Zeitraum von einem Tag bis zu einer

Woche. Aus diesen Gründen soll untersucht werden, wie viele Tage Beschickungsausfall

Anlagen tolerieren, ohne dass es zu signifikanten Prozessstörungen kommt, wenn danach

direkt wieder mit der vollen Fütterung begonnen wird. Hierfür wurden mehrere

Versuchsreihen durchgeführt.

Einen ähnlichen Effekt, wie beim Wiedereinsetzen der Fütterung nach einem

Beschickungsausfall, ruft eine plötzliche Änderung der Substratzufuhr hervor. Bisherige

Untersuchungen, z.B. von Ahring et al. 1995, Angelidaki et al. 2006 oder Griffin et al.

1998, zeigen einen Anstieg der Fettsäuren und dadurch einen Abfall des pH-Wertes bei

einer sprunghaften Änderung der Fütterung. In diesen Studien wurde die Raumbelastung

schnell erhöht oder die Anlagen wurden neu angefahren. Hierbei kommt es zu einem

Anstieg der Essig-, Propion- und Buttersäurekonzentration.

In einer von Comino et al. 2010 vorgestellten Studie wurde überprüft, wie sich eine

Erhöhung der Raumbelastung auf die Gas- und CH4-Ausbeute auswirkt. Verwendet wurde

für die Versuche ein Fermenter mit einem Füllvolumen von 102,8 l. Nach der Startphase

wurde die Raumbelastung in drei Schritten erhöht. Dabei fand die Beschickung dreimal

pro Woche statt, wodurch sich Beschickungsausfälle von zwei bis drei Tagen ergeben. Am

Ende jeder Phase fand ein siebentägiger Beschickungsstopp statt. Während des

Beschickungsausfalls beobachteten Comino et al. 2010 eine Abnahme der Gasproduktion.

Bei der niedrigsten Raumbelastung von 4,45 kgoTSm-3

d-1

konnte bei Comino et al. 2010 ein

leichter Anstieg des CH4-Anteils festgestellt werden. Grund hierfür ist aber der veränderte

Substratmix und nicht die Beschickungsausfälle. In der zweiten Phase (5,15 kgoTSm-3

d-1

)

ist bis zur Hälfte ein ähnlicher Trend zu beobachten, danach nimmt der CH4-Anteil im Gas

ab. In der dritten Phase (7,78 kgoTSm-3

d-1

) fällt der CH4-Anteil deutlich ab. Analysen des

Fettsäurespektrums wurden von Comino et al. 2010 durchgeführt, aber nicht veröffentlicht.

92 6 Einfluss von Beschickungsausfällen

6.1 Versuchsdurchführung

Um die Beschickungsausfälle unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu untersuchen,

wurden zum einen Versuche an den Parallelanlagen und zum anderen an der

Technikumsanlage durchgeführt. Nachfolgend soll das Vorgehen für die jeweilige

Anlagenart näher beschrieben werden.

Parallelanlagen

Zu Beginn einer Versuchsreihe wurden die drei Anlagen mit Fermenterinhalt aus der BGA

Neurath befüllt und mit Helium gespült, um die restliche Luft auszuspülen. Nach fünf

Tagen Parallelbetrieb wurde an allen Anlagen ein Beschickungsausfall unterschiedlicher

Dauer (vgl. Tabelle 6-1) simuliert.

Tabelle 6-1: Übersicht über die Dauer des Beschickungsausfalls während der ersten Versuchsreihe

PA1 PA2 PA3

Dauer des Beschickungs-

ausfalls 1 Tag 3 Tage 7 Tage

Aufgrund einer in den ersten Versuchstagen nicht zu beseitigenden Undichtigkeit bei PA1

musste der Versuch an dieser Anlage abgebrochen werden. Aus diesem Grund wurde eine

zweite Versuchsreihe durchgeführt. Da das Material für die Erstbefüllung entscheidend für

die Versuche ist, wurde während der zweiten Versuchsreihe auch der dreitägige

Beschickungsausfall wiederholt, damit die beiden Versuchsreihen verglichen werden

können. Die Temperatur in den Anlagen betrug 39 bis 40°C. Schwankungen traten nur auf,

wenn der Füllstand unter der Eintauchtiefe des PT-100 lag. Hierdurch wurde die

Temperatur anstatt im Fermenterinhalt in der Gasphase gemessen.

Die Vorgehensweise bei der Beschickung und Beprobung der Anlagen erfolgte analog zu

den vorhergehenden Versuchsreihen. Als Substrate wurden Maissilage und Rindergülle

verwendet. Die eingebrachte Menge an Frischmasse (FM) wurde über den

Versuchszeitraum konstant gehalten. Einzige Ausnahme waren sechs Tage innerhalb der

ersten Versuchsreihe, an denen die Masse an Maissilage reduziert wurde, da sie einen sehr

hohen TS-Gehalt aufwies. Wie in Abbildung 6-1 zu sehen ist, stieg die Raumbelastung

kurzzeitig auf 4,5 kgoTSm-3

d-1

an, bis die Ergebnisse der oTS-Bestimmung der Maissilage

vorlagen und die Beschickung korrigiert wurde. In der zweiten Versuchsreihe lag die

Raumbelastung für beide Anlagen im Bereich von 2,2 bis 2,6 kgoTSm-3

d-1

.

6 Einfluss von Beschickungsausfällen 93

Abbildung 6-1: Versuchsreihe 1: Raumbelastung (RB) über der Versuchsdauer (Versuchstag 5 bis

7: Beschickungsausfall für PA2, Versuchstag 5 bis 11 Beschickungsausfall für PA3)

In regelmäßigen Abständen wurden die Anlagen beprobt, um das Fettsäurespektrum und

den TS- und oTS-Gehalt zu bestimmen. Eine Zusammenstellung des Versuchsplans findet

sich in Anhang A-8 und A-9. Die Studie von Ahring et al. 1995 lässt den Schluss zu, dass

besonders innerhalb des ersten Tages ein deutlicher Anstieg der Essigsäurekonzentration

zu erwarten ist. Um dies zu prüfen, wurden am ersten Tag der Beschickungsaufnahme

nach dem Ausfall (nachfolgend als Beschickungstag bezeichnet) vier Proben genommen.

Im weiteren Verlauf wurde die Zeitspanne zwischen den Proben verlängert.

Die Messung des Gasvolumenstroms erfolgte kontinuierlich. Die Gaszusammensetzung

konnte aufgrund technischer Schwierigkeiten mit dem GC/MS-System nicht analysiert

werden.

Technikumsanlage

Im Gegensatz zu den Parallelanlagen wird die Technikumsanlage nicht für jede

Versuchsreihe neu befüllt, da der Aufwand für Leerung, Reinigung und Befüllung

wesentlich höher ist als bei den Parallelanlagen. Eine neue Versuchsreihe wird gestartet,

sobald sich die Anlage von der vorherigen erholt hat, was anhand des Fettsäurespektrums

beurteilt wird. Die Zuordnung der jeweiligen Dauer des Beschickungsausfalls zur

Versuchsreihe ist in Tabelle 6-2 zusammengefasst.


Tabelle 6-2: Zuordnung der Versuchsreihe (VR) zur Dauer des Beschickungsausfalls

VR 1 VR 2 VR 3

Dauer des Beschickungs-

ausfalls 1 Tag 7 Tage 3 Tage

Die Beschickung der Anlage erfolgte quasi-kontinuierlich. Als Substrate wurden

Maissilage und Rindergülle verwendet, wobei die Menge an Frischmasse der jeweiligen

Substrate in allen drei Versuchsreihen konstant gehalten wurde. Maissilage wurde dem

Fermenter stündlich über das automatische Beschickungssystem zugeführt und Rindergülle

einmal täglich über den Kugelhahn am Fermenterdeckel eingefüllt. Im Mittel liegt die

Raumbelastung bei 3,7 kgoTS m-3

d-1

für einen Tag Beschickungsausfall, bei 4,2 kgoTS m-3

d-1

für sieben Tage Beschickungsausfall und bei 3,6 kgoTS m-3

d-1

für drei Tage

Beschickungsausfall.

Entsprechend den Versuchen an den Parallelanlagen erfolgte auch hier eine regelmäßige

Beprobung, um das Fettsäurespektrum und den Gehalt an TS und oTS zu bestimmen. Dem

Versuchsplan in Anhang A-10 sind die Intervalle zu entnehmen. Analog zu den

Parallelanlagen lag die Temperatur im Fermenterinhalt im mesophilen Bereich bei 39°C.

Der Gasvolumenstrom wurde kontinuierlich gemessen und für die ersten beiden

Versuchsreihen die Gasqualität bestimmt. Aufgrund der kontinuierlichen Beschickung

wird hierbei nicht unterschieden zwischen „vor“ und „nach“ der Beschickung. Bei der

dritten Versuchsreihe war es aufgrund eines technischen Defektes am GC/MS-System

nicht möglich, die Gasqualität zu analysieren.

6.2 Ergebnisse

6.2.1 Parallelanlagen

Die Beurteilung der Auswirkung der Beschickungsausfälle erfolgt anhand des produzierten

Gasvolumens, des oTS-Gehaltes im Fermenterinhalt und des Fettsäurespektrums.

Normvolumenstrom

Für die Betrachtung des Normvolumenstroms bei den Parallelanlagen wurde für jeden

Versuchstag ein stündlicher Volumenstrom ermittelt. Es fanden keine Korrekturen des pro

Tag gemessenen Volumens statt, da zum einen die Beschickung bei beiden Anlagen gleich


verlief und zum anderen aufgrund des Defektes des GC/MS-Systems keine Gasproben

gezogen werden konnten.

In der ersten Versuchsreihe sind die Anlagen zunächst über fünf Tage parallel betrieben

worden. In Abbildung 6-2 ist für diesen Zeitraum zu sehen, dass sich die Anlagen gleich

verhalten. Die absoluten Abweichungen liegen hier innerhalb der Messunsicherheit von

± 0,262 lN h-1

. Diese sehr gute Übereinstimmung ist auch in den ersten drei Tagen des

simulierten Beschickungsausfalls zu beobachten. In diesen Tagen fällt die Gasproduktion

stark ab.

Abbildung 6-2: Versuchsreihe 1: Normvolumenstrom über der Versuchsdauer (PA2: 3 Tage,

PA3:7 Tage Ausfall), wobei Versuchstag 8 dem ersten Beschickungstag der PA2 und Versuchstag

12 dem ersten Beschickungstag der PA3 entspricht.

Bei beiden Anlagen ist durch das Wiedereinsetzten der Beschickung am ersten

Beschickungstag (Versuchstag 8 für PA2, Versuchstag 12 für PA1) eine Zunahme des

Normvolumenstroms zu beobachten, bis ein vorläufiges Maximum erreicht wird. Sowohl

bei PA2, als auch bei PA3 wird dieses am dritten Beschickungstag erreicht. Allerdings ist

der Sprung vom ersten auf den zweiten Beschickungstag bei PA2 höher als bei PA3. Durch

eine Verschiebung der Kurven, sodass die Beschickungstage übereinander liegen

(Abbildung 6-3), ist im Zeitraum zwischen Beschickungstag 3 und 10 zu sehen, dass beide

Anlagen nahezu den gleichen, konstanten Verlauf haben. Auch hier liegen die

Abweichungen innerhalb der Messunsicherheit.


Abbildung 6-3: Versuchsreihe 1: Entwicklung des Normvolumenstroms mit dem Beginn der

Beschickung (Beschickungstag 1 entspricht dem Wiedereinsetzten der Beschickung)

Der darauffolgende Anstieg und erneute Abfall ist in einer Änderung des Substrats bzw.

der Beschickung begründet. Durch sehr trockene Maissilage kam es zunächst zu einer

Erhöhung der Raumbelastung (vgl. Abbildung 6-1), was zu einem Anstieg in der

Gasproduktion geführt hat. Anhand der Ergebnisse der TS- und oTS-Bestimmung der

Substrate wurde die Fütterung angepasst (die Raumbelastung wieder gesenkt), wodurch die

Gasproduktion gesunken ist. Ab dem 19. Versuchstag erreichen beide Anlagen wieder

nahezu dieselben Werte für den Normvolumenstrom.

In der zweiten Versuchsreihe (vgl. Abbildung 6-4) zeigt sich für den dreitägigen

Beschickungsausfall zunächst ein dem in Versuchsreihe 1 entsprechender Verlauf. Zu

Versuchsbeginn ist die Biogasproduktion in Versuchsreihe 2 um 0,8 lN h-1

geringer, als die

in Versuchsreihe 1. Ab dem neunten Versuchstag fällt die Biogasproduktion für PA3,

steigt wieder an und beginnt erneut zu fallen.


Abbildung 6-4: Versuchsreihe 2: Normvolumenstrom über der Versuchsdauer (PA2: 1 Tag, PA3:

3 Tage Ausfall), wobei Versuchstag 1 dem ersten Beschickungstag der PA2 und Versuchstag 3

dem ersten Beschickungstag der PA3 entspricht

Bei dem eintägigen Beschickungsausfall ist ein anderer Trend in der Gasproduktion zu

beobachten. Nach dem Ausfall pendelt sich die Gasproduktion ein und zeigt nur einen

kurzen Anstieg am 13. Versuchstag. Dies spricht gegen das verwendete Substrat als

Ursache für den Abfall bei PA3. Ein direkter Vergleich des dreitägigen

Beschickungsausfalls (Abbildung 6-5) zeigt, dass am Ende des Beschickungsausfalls

jeweils nahezu der gleiche Normvolumenstrom produziert wird. Für den ersten

Beschickungstag verhalten sich die Anlagen der unterschiedlichen Versuchsreihen

ebenfalls analog. Ab dem fünften Tag liegen die Werte in Versuchsreihe 2 unter denen von

Versuchsreihe 1. Der Trend bleibt gleich. Während in Versuchsreihe 1 ab dem achten Tag

ein ganz leichter Anstieg des Normvolumenstroms zu beobachten ist, verhält sich die PA3

in der zweiten Versuchsreihe entgegengesetzt. Im weiteren Verlauf zeigen die beiden

Anlagen einen unterschiedlichen Trend.


Abbildung 6-5: Gegenüberstellung der Gasproduktion nach dreitägigem Beschickungsausfalls

(von Versuchsreihe (VR) 1 und 2) ab dem Tag des Beschickungsausfalls, Versuchstag 3 entspricht

dem ersten Beschickungstag

oTS-Gehalt

Zu Beginn der Versuchsreihe 1 ist der oTS-Gehalt in beiden Anlagen gleich, da beide mit

Fermenterinhalt aus der BGA Neurath befüllt worden sind. Nach fünf Tagen im

Laborbetrieb ist der oTS-Gehalt leicht gesunken. Vom fünften zum achten Versuchstag

erfolgte an der PA2 der dreitägige Beschickungsausfall. In dieser Zeit steigt der oTS-

Gehalt der Anlage um 0,2% FM (absolut) an. Der Wert für den oTS-Gehalt hat allerdings

am achten Versuchstag eine erweiterte Messunsicherheit von ±0,32% FM. Aufgrund der

erweiterten Messunsicherheit und der Tatsache, dass der oTS-Gehalt ohne Zufuhr von

Organik nicht steigen kann, ist davon auszugehen, dass der oTS-Gehalt sich ehr im unteren

Bereich befindet und damit gleich oder kleiner dem zu Beginn des Beschickungsausfalls

ist. Bei PA3 fällt der oTS-Gehalt bis zum Wiederbeginn der Beschickung. Beide Anlagen

erreichen am 28. Versuchstag nahezu den gleichen oTS-Gehalt. Dies spiegelt auch den

Normvolumenstrom wieder, der zu diesem Zeitpunkt bei beiden Anlagen nahezu gleich ist.


Abbildung 6-6: Versuchsreihe 1: Entwicklung des oTS-Gehaltes im Fermenterinhalt ab Beginn

der Versuchsreihe (Fehlerbalken: erweiterte Messunsicherheit; PA:2: Beschickungsausfall vom 5.

bis 8. Versuchstag, PA3: Beschickungsausfall vom 5. Bis 12. Versuchstag)

In der zweiten Versuchsreihe ist während der beiden Beschickungsausfälle ein deutlicher

Anstieg des oTS-Gehaltes gegeben (vgl. Abbildung 6-7). Wie bereits erläutert ist eine

Anreicherung während des Beschickungsausfalls nicht möglich. Einzige Ursache könnte

eine Anreicherung der Organik durch Wasserverlust sein, dafür würde auch der Abfall des

Füllvolumens von 19 auf 18,5 l bei der PA2 sprechen. Bei der PA3 ist das Füllvolumen

allerdings gleich geblieben. Bei dem eintägigen Beschickungsausfall kann in guter

Näherung angenommen werden, dass der oTS-Gehalt während des Beschickungsausfalls

nahezu konstant bleiben sollte. Um eine Erhöhung des oTS-Gehaltes von 5,6 auf 6,4% FM

bei einer Anlage mit 19 l Füllvolumen hervorzurufen, müsste ein Wasserverlust von knapp

2,5 l auftreten. Dies ist innerhalb eines Tages bei gleichbleibender Temperatur

unrealistisch, da der Wasserverlust nur durch die Verdunstung von Wasser auftreten kann.

Daher muss angenommen werden, dass vielmehr die Probe zu Versuchsbeginn nicht

richtig gehandhabt worden ist. Wird der ca. 35°C warme Fermenterinhalt über einen

längeren Zeitraum bei Umgebunsbedingungen (22°C, klimatisiert) stehen gelassen, kann es

hier zu einer entsprechenden Verdunstung von Wasser kommen. Für diese These spricht

der bei beiden Anlagen erhöhte oTS-Gehalt. Liegt der oTS-Gehalt zu Beginn der Versuche

über dem am ersten Versuchstag, passt der Abbau an Organik während des

Beschickungsausfalls. Der oTS-Gehalt bei dem dreitägigen Beschickungsausfall nimmt

stärker ab, als der bei dem eintägigen Beschickungsausfall.

Im weiteren Verlauf ist ein erneuter Anstieg des oTS-Gehaltes zu beobachten. Dies trifft

besonders auf den Fermenterinhalt der PA3 zu, bei dem der dreitägige Beschickungsausfall


simuliert wurde. Die Anreicherung von Organik im Fermenterinhalt der PA3 (drei Tage

Beschickungsausfall) spricht für eine Hemmung des Abbaus der Substrate.

Abbildung 6-7: Versuchsreihe 2: Entwicklung des oTS-Gehaltes im Fermenterinhalt ab Beginn

der Versuchsreihe (Fehlerbalken: erweiterte Messunsicherheit; PA2: Beschickungsausfall vom 0.

bis 1. Versuchstag, PA3: Beschickungsausfall vom 0. Bis 3. Versuchstag)

Fettsäurespektrum

In Abbildung 6-8 ist die Entwicklung des Fettsäurespektrums am ersten und zweiten

Beschickungstag für den dreitägigen Beschickungsausfall (Versuchsreihe 1) dargestellt. In

diesem Zeitraum waren nur Essig- und Propionsäure nachweisbar. Die Proben zeigen einen

aufgrund der Fütterung bedingten Verlauf. Durch die Zugabe des Substrates steigen die

Fettsäuren zunächst an. Bis zum nächsten Tag sinken diese wieder, da die Anlage nicht mit

neuem Substrat versorgt wird. Nach der Beschickung am vierten Versuchstag (zweiter

Beschickungstag) steigen die Säuren im Tagesverlauf an. Bei dem siebentägigen

Beschickungsausfall ist der Trend gleich. Die Werte liegen allerdings leicht unter denen

des dreitägigen Beschickungsausfalls. Auch um 18:00 Uhr des zweiten Beschickungstages

ist keine Propionsäure nachweisbar. Es konnte kein signifikanter Anstieg der

Konzentration in den ersten Stunden festgestellt werden. Aus diesem Grund werden diese

Analysen in den nachfolgenden Betrachtungen nicht mit dargestellt. Für Tage, an denen

mehrere Proben genommen wurden, wurde die Analyse verwendet, die von der Uhrzeit


dem Probenahmeschema der restlichen Versuchszeit entspricht. Für den Tag, an dem die

Beschickung wieder einsetzt, ist dies die Probe vor der Beschickung an diesem Tag.

Abbildung 6-8: Entwicklung des Fettsäurespektrums nach Wiedereinsetzen der Beschickung für

den dreitägigen Beschickungsausfall (Werte aus Versuchsreihe 1)

In Abbildung 6-9 bis Abbildung 6-12 sind die Fettsäurespektren aus beiden

Versuchsreihen dargestellt. Innerhalb dieser Versuchsreihen konnten nur Essig- und

Propionsäure nachgewiesen werden. Die höherkettigen Fettsäuren lagen unter der

Nachweisgrenze.

Während des dreitägigen Beschickungsausfalls in Versuchsreihe 1 sinkt die

Essigsäurekonzentration. Propionsäure wird in dieser Zeit soweit abgebaut, dass sie vor

dem Wiederbeginn der Beschickung nicht mehr nachweisbar ist. Während des ersten

Beschickungstages steigt die Konzentration an Essigsäure nur leicht. Am dritten

Beschickungstag erreicht die Essigsäurekonzentration mit 1000 mg kg-1

das Maximum. An

diesem Tag ist auch erstmals wieder Propionsäure im nachweisbaren Bereich enthalten.

Während in den nächsten Tagen die Konzentration der Essigsäure kontinuierlich sinkt,

steigt die Propionsäure noch einmal auf ein Maximum von 210 mg kg-1

an. Ab dem 15.

Versuchstag kann davon ausgegangen werden, dass sich der Prozess vollständig erholt hat.


Die Konzentration der Essigsäure ist deutlich auf einem Niveau unterhalb der

Startkonzentration.

Abbildung 6-9: Fettsäurespektrum für den dreitägigen Beschickungsausfall in Versuchsreihe 1

Aufgrund des Nährstoffmangels sinkt im Verlauf des siebentägigen Beschickungsausfalls

(Abbildung 6-10) ebenfalls die Essigsäurekonzentration. Obwohl der Ausfall vier Tage

länger dauert, sinkt der Wert um nur 40 mg kg-1

unter den Wert (170 mg kg-1

) des

dreitägigen Ausfalls. Hier ist festzustellen, dass die maximale Konzentration der Essig-

und Propionsäure bei dem siebentägigen Beschickungsausfall am fünften Beschickungstag

erreicht wird. Damit wird das Maximum in der Essigsäurekonzentration bei dem

siebentägigen Beschickungsausfall einen Tag später erreicht, als bei dem dreitägigen in der

gleichen Versuchsreihe (Versuchsreihe 1). Das Maximum der Propionsäurekonzentration

wird in beiden Fällen am gleichen Tag nach Wiederbeginn der Beschickung gemessen. Bei

dem siebentägigen Beschickungsausfall ist diese ca. um das 1,5fache höher als bei dem

dreitägigen. Dies widerspricht der Erwartung. Bei dem siebentägigen Ausfall wäre

aufgrund der längeren Zeit zum Abbau der vorhandenen Organik im Fermenter mit einem

schnelleren Anstieg zu rechnen gewesen. Im weiteren Verlauf ist, bis auf den 15.

Beschickungstag, bei dem siebentägigen Ausfall keine Propionsäure mehr nachweisbar.

Die Essigsäurekonzentration sinkt bei dem siebentägigen Ausfall innerhalb von vier Tagen

auf ein Niveau, das einem stabilen Prozess entspricht. Damit wird dies bei dem


siebentägigen Ausfall fünf Tage eher als bei dem dreitägigen Ausfall in der gleichen

Versuchsreihe erreicht.

Abbildung 6-10: Fettsäurespektrum für den siebentägigen Beschickungsausfall in Versuchsreihe 1

Um den eintägigen Beschickungsausfall in der zweiten Versuchsreihe einordnen zu

können, wurde an dieser Stelle der dreitägige Ausfall wiederholt. Ein Vergleich von

Abbildung 6-9 und Abbildung 6-11 zeigt einen prinzipiell ähnlichen Verlauf. Die

Anfangskonzentrationen an Essig- und Propionsäure bei Versuchsreihe 2 sind etwas höher

als bei Versuchsreihe 1. Allerdings findet in der beschickungsfreien Zeit ein leicht höherer

Abbau statt (Konzentration am dritten Tag geringer). In der zweiten Versuchsreihe war ein

Anstieg der Propionsäurekonzentration im Vergleich zu Versuchsreihe 1 erst zwei Tage

später festzustellen. Die maximale Konzentration an Propionsäure in Versuchsriehe 2 ist

um über 50% geringer als in Versuchsreihe 1. Insgesamt ist die Entwicklung des

Fettsäurespektrums für die beiden Versuchsreihen leicht verschoben. Obwohl in der

zweiten Versuchsreihe die Säurekonzentration im Fermenterinhalt fällt, ist auch ein Abfall

im Normvolumenstrom zu sehen. Gründe hierfür können eine deutliche Verzögerung in

der Reaktion der Anlage, oder unentdeckte Probleme mit der Messung des

Normvolumenstroms sein.


Abbildung 6-11: Fettsäurespektrum für den dreitägigen Beschickungsausfall in Versuchsreihe 2

Abbildung 6-12: Fettsäurespektrum für den eintägigen Beschickungsausfall in Versuchsreihe 2


In der Analyse des Fettsäurespektrums zeigt der eintägige Beschickungsausfall im

Vergleich zum dreitägigen ein zeitversetztes Verhalten. Nach dem Einsetzen der

Beschickung steigt die Essigsäurekonzentration langsam an, bis sie am sechsten Tag nach

Beginn der Beschickung einen Maximalwert von 820 mg kg-1

erreicht. Dieser liegt nur

knapp unter dem des dreitägigen Beschickungsausfalls (940 mg kg-1

). Danach erholt sich

die Anlage in einem vergleichbaren Zeitraum zum dreitägigen Beschickungsausfall.

6.2.2 Technikumsanlage

Für die Auswertung werden nachfolgende Abkürzungen verwendet:

1TBA: Versuchsreihe mit einem Tag Beschickungsausfall

3TBA: Versuchsreihe mit drei Tagen Beschickungsausfall

7TBA: Versuchsreihe mit sieben Tagen Beschickungsausfall

Normvolumenstrom

Der Vergleich des Gasvolumenstroms zeigt, dass sich die Technikumsanlage nach allen

untersuchten Beschickungsausfällen schnell erholt. Bei 1TBA wird ein stabiler

Normvolumenstrom innerhalb von nur zwei Tagen erreicht. Der Abfall am 15.

Versuchstag kommt durch Probleme mit der automatischen Beschickung zustande. Bei

3TBA steigt der Gasvolumenstrom innerhalb der ersten vier Tage auf den Wert vor dem

Ausfall an, steigt aber in den nächsten Tagen weiter an. Bei 7TBA dauert es drei Tage, bis

ein stabiler Normvolumenstrom erreicht wird.


Abbildung 6-13: Entwicklung des Normvolumenstroms bei den drei untersuchten

Beschickungsausfällen (erster Beschickungstag entspricht bei 1TBA dem 1. Versuchstag, bei

3TBA Versuchstag 3 und bei 7TBA Versuchstag 7)

Gasqualität

Aus den bereits erwähnten Gründen war eine Messung der Gasqualität für 3TBA nicht

möglich. Für 1TBA und 7TBA ist der CH4-Anteil in Abbildung 6-14 dargestellt. Bei

1TBA ist in den ersten zwei Tagen nach Beginn der Beschickung zunächst ein leicht

sinkender CH4-Anteil zu beobachten. Dieser steigt in den darauffolgenden zwei Tagen

wieder an. Bei dem siebentägigen Beschickungsausfall ist bis zum elften Versuchstag

keine Änderung in der CH4-Konzentration feststellbar. In den darauffolgenden drei Tagen

kommt es bei beiden Versuchsreihen zu leichten Schwankungen des CH4-Anteils im

Biogas. Diese liegen allerdings überwiegend im Rahmen der erweiterten Messunsicherheit

(nach Umbau des GC). Der Wiederbeginn der Beschickung hat demnach im Fall der

Technikumsanlage keinen nennenswerten Einfluss auf die CH4-Konzentration im Biogas.


Abbildung 6-14: Verlauf des CH4-Anteils (Tag 0: Start des Beschickungsausfalls)

oTS-Gehalt

Zu Beginn jeder Versuchsreihe unterscheidet sich der oTS-Gehalt des Fermenterinhaltes

um bis zu 1% (absolut). Während der oTS-Gehalt bei 1TBA leicht ansteigt, sinkt er bei

3TBA und 7TBA erwartungsgemäß leicht ab. In der ersten Woche nach dem

Wiedereinsetzen der Beschickung sinkt der oTS-Gehalt bei 1TBA leicht (von 7,39 auf

7,11% FM), allerdings ist die erweiterte Messunsicherheit hier mit ± 2,92% FM hoch. Bei

3TBA und 7TBA verändert sich der Wert dagegen kaum.

Fettsäurespektrum

In Abbildung 6-15 ist das Fettsäurespektrum für 1TBA wiedergegeben. Deutlich ist zu

Beginn der Abbau der Säuren aufgrund des Beschickungsausfalls zu sehen. Direkt darauf

steigen in den darauffolgenden zwei Tagen die Werte für Essig- und Propionsäure. Am

darauffolgenden Versuchstag steigt die Konzentration an Essigsäure auf ihr Maximum,

während Propionsäure sich unterhalb der Nachweisgrenze befindet. Während die

Konzentration an Essigsäure im weiteren Verlauf langsam abnimmt, kommt es bei der

Propionsäure immer wieder zu einem Anstieg. Ab dem 14. Versuchstag pendeln sich die

Konzentrationen auf einem akzeptablen Niveau ein.


Abbildung 6-15: Fettsäurespektrum für 1TBA


Bei dem dreitägigen Ausfall, der in Abbildung 6-16 zu sehen ist, bleibt die

Essigsäurekonzentration insgesamt auf einem sehr niedrigen Niveau von unter


400 mg kg-1

. Wie bei 1TBA ist auch hier der Abbau der Säuren in der beschickungsfreien

Zeit zu erkennen. Der darauffolgende Anstieg der Essigsäurekonzentration erfolgt in einem

für die Stabilität der Anlage unbedenklichen Rahmen. Eine Anreicherung von

Propionsäure kann nicht nachgewiesen werden.


Der längste untersuchte Zeitraum eines Beschickungsausfalls betrug sieben Tage. Die

Analysenergebnisse der Untersuchung des Fettsäurespektrums sind in Abbildung 6-17

dargestellt. Erwartungsgemäß ist der Abbau der Fettsäuren in der beschickungsfreien Zeit

hierbei am höchsten. Analog zum ein- und dreitägigen Ausfall ist daraufhin ein Anstieg der

Essigsäurekonzentration zu beobachten. Während bei 3TBA Propionsäure nur zum

Startpunkt nachzuweisen war, ist bei dem 7TBA nach der Wiederaufnahme der

Beschickung auch ein Anstieg der Propionsäurekonzentration zu beobachten. Das

Maximum in der Propionsäurekonzentration wird, wie bei 1TBA, am sechsten Tag nach

dem Wiedereinsetzen der Beschickung erreicht. Insgesamt sind die Konzentrationen an

Essig- und Propionsäure auf einem sehr niedrigen und unbedenklichen Level.

6.3 Diskussion

Die Ergebnisse der durchgeführten Parameterstudie weisen darauf hin, dass das Anfahren

von BGA unter Volllast nach einem Beschickungsausfall ohne das Auftreten erheblicher


Instabilitäten möglich ist. Im Fettsäurespektrum zeigt sich bei allen Versuchen ein

ähnlicher, leicht zeitlich versetzter Verlauf (vgl. Tabelle 6-3). In der Zeit des

Beschickungsausfalls sinken die noch im Fermenterinhalt vorhandenen Fettsäuren,

aufgrund des Mangels an frischen Substraten. Mit dem Einsetzen der Beschickung kommt

es zu einer Erhöhung der Säurekonzentrationen, bis der jeweilige Maximalwert erreicht ist.

Tabelle 6-3 gibt eine Übersicht, wie lange es jeweils gedauert hat, bis die maximale

Essigsäurekonzentration erreicht worden ist. Bei der Technikumsanlage muss bemerkt

werden, dass für 1TBA zwei Tage nach Erreichen der maximalen Essigsäurekonzentration

die maximale Propionsäurekonzentration zu verzeichnen ist. Zudem liegen bei der

Technikumsanlage, im Gegensatz zu den Parallelanlagen, die maximalen Werte der

Essigsäurekonzentration kaum über dem Wert zu Versuchsbeginn. Bei den Parallelanlagen

sind die Konzentrationen an Essig- und Propionsäure beim drei- und siebentägigen

Beschickungsausfall fast doppelt so hoch. Grund für den Unterschied zwischen den

Parallelanlagen und der Technikumsanlage sind die gewählten Beschickungsintervalle.

Während die Parallelanlagen nur einmal täglich beschickt werden können, erfolgt an der

Technikumsanlage eine kontinuierliche Beschickung in stündlichen Intervallen.

Tabelle 6-3: Dauer bis zum Erreichen der maximalen Essigsäurekonzentration nach

Wiedereinsetzen der Beschickung

Parallelanlagen Technikumsanlage

1TBA 7 Tage 5 Tage

3TBA 3/5 Tage (von VR abhängig) 9 Tage

7TBA 5 Tage 5 Tage

In den Versuchsreihen wurden nur Essig- und Propionsäure nachgewiesen. Alle höheren

Fettsäuren lagen stets unter der Nachweisgrenze von 50 mg kg-1

. Diesen Trend zeigt auch

der eintägige Beschickungsausfall an der Technikumsanlage. Hierbei ist der Maximalwert

höher, als bei dem drei- und siebentägigen Beschickungsausfall an der gleichen Anlage.

Allerdings ist hier auch der Startwert zu Beginn des Beschickungsausfalls höher als bei

3TBA und 7TBA. Aufgrund des deutlich kürzeren Ausfalls und der Ergebnisse, die an den

Parallelanlagen gewonnen wurden, wäre ein niedrigerer Wert zu erwarten gewesen.

Im normalen Betrieb ist bei den Parallelanlagen direkt nach der Fütterung ein deutlicher

Anstieg in der Gasproduktion zu beobachten (vgl. Abbildung 5-4). In dem Maße ist dies

bei den Fettsäuren (Abbildung 6-8) nicht zu identifizieren. Wie beispielhaft in Abbildung

6-9 zu erkennen ist, erfolgt die Reaktion auf das Wiedereinsetzen der Beschickung erst


einige Tage später. Mit einer Reaktion (auf die Stabilität des Abbauprozesses) auf das

Wiedereinsetzen der Beschickung muss demnach nicht nur am ersten Tag gerechnet

werden, sondern diese kann auch bis zu einer Woche versetzt auftreten.

Wie der direkte Vergleich der Säurekonzentrationen und der Gasproduktion zwischen dem

dreitägigen Beschickungsausfall an den Parallelanlagen zeigt, hängt das Verhalten neben

der Beschickungsart auch vom Impfmaterial ab. Obwohl bei beiden Versuchsreihen

gleiche Versuchsbedingungen gegeben waren, weicht das Verhalten deutlich voneinander

ab.

112

7 Anfahrstrategien

Um BGA nach einem Beschickungsausfall möglichst schnell und sicher wieder mit

Volllast zu betreiben, können unterschiedliche Anfahrstrategien verfolgt werden. Ebenso

wie bei großtechnischen BGA kann eine geeignete Anfahrstrategie im Labor dazu dienen,

schneller einen stabilen Zustand zu erreichen. So könnte mit einer entsprechenden

Anfahrstrategie ein Anstieg der Fettsäuren, wie er in der zweiten Versuchsreihe zur

Übertragbarkeit festgestellt worden ist, verhindert werden.

In der Literatur sind Untersuchungen zu Anfahrstrategien nach einem Beschickungsausfall

kaum veröffentlicht. Es gibt einige Studien zum erstmaligen Anfahren einer Biogasanlage

(z.B. von Zeeman et al. 1988, Schoen et al. 2008, Fang et al. 1994, Holubar et al. 2003,

Alrawi et al. 2010). Diese können als Anregung für mögliche Anfahrstrategien dienen,

allerdings sind die Ausgangsvoraussetzungen deutlich andere. In vielen der Versuche muss

sich zuerst eine Biozönose entwickeln. In der Studie von Cecchi et al. 1993 musste eine

thermophil betriebene BGA aus technischen Gründen geleert werden. Der Fermenterinhalt

wurde bei Umgebungsbedingungen gelagert. Für das Wiederanfahren wurde ein Teil des

Fermenterinhaltes mit Wasser verdünnt und zunächst auf die Betriebstemperatur von 55°C

gebracht. Damit sich die Mikroorganismen an die neuen Bedingungen anpassen konnten,

erfolgte über sieben Tage keine Beschickung. In der darauffolgenden Phase wurde die

Raumbelastung schrittweise erhöht Mit dem Beginn der Beschickung stieg die

Gasproduktion an. Cecchi et al. 1993 nehmen anhand der von ihnen verwendeten

Parameter einen Anstieg des H2-Gehaltes an, womit eine Hemmung einhergeht. Nach 28

Tagen konnte von einem stationären Prozess ausgegangen werden.

Aufgrund fehlender (veröffentlichter) Studien und dem Bedarf an Anfahrstrategien sowohl

für Labor- als auch großtechnische Anlagen wurden vier verschiedene Strategien zum

Anfahren von BGA entwickelt und in zwei Versuchsreihen an den Parallelanlagen getestet.

Diese wurden aus zwei Gründen ausgewählt:

1. Ein direkter Vergleich zu einer Referenz ist möglich.

2. Untersuchungen von Beschickungsausfällen haben gezeigt, dass die Parallelanlagen

stärker auf den Wiedereinsatz einer direkten Volllast-Beschickung reagieren als die

Technikumsanlage. Sind die Anfahrstrategien an den Parallelanlagen erfolgreich,

kann davon ausgegangen werden, dass sie auch an der Technikumsanlage

erfolgreich sind. Eine Überprüfung sollte aber in weiteren Studien erfolgen.

7.1 Versuchsdurchführung und Planung

In beiden Versuchsreihen werden nach einem siebentägigen Beschickungsausfall jeweils

zwei Anfahrstrategien auf ihre Wirksamkeit untersucht. Die dritte Anlage wird als

Referenz verwendet und wird ohne Anfahrstrategie direkt wieder in den Volllastbetrieb

7 Anfahrstrategien 113

überführt. Ziel ist dabei die Erreichung des Volllastbetriebes in einer möglichst kurzen

Zeit. Hierbei sollten keine Prozessinstabilitäten wie die Anreicherung von Fettsäuren

auftreten. Unter Volllast wird dabei eine Gasproduktion in Höhe derjenigen vor dem

Beschickungsausfall und eine Raumbelastung von ca. 2,3 kgoTSm-3

d-1

verstanden. Die

Raumbelastung wurde bewusst niedriger gewählt, als sie in großtechnischen Anlagen

üblich ist. Bei den Untersuchungen von Rührintervallen hat sich diese Raumbelastung für

nur einmal täglich beschickte Anlagen als geeignet erwiesen. Aufgrund des

Beschickungsintervalls von einmal täglich wirkt sich eine erhöhte Raumbelastung deutlich

stärker aus. Die Dauer bis zum Erreichen der Volllastraumbelastung wird auf neun Tage

festgelegt. In der Literatur finden sich Angaben zwischen drei [García-Diéguez et al.

2010] und 28 [Cecchi et al. 1993] Tagen für ein kontrolliertes Wiederanfahren.

Durchschnittlich dauern Anfahrperioden sieben bis 15 Tage [García-Diéguez et al. 2010].

García-Diéguez et al. 2010 arbeiteten mit einem sogenannten USBF (Upflow Sludge Bed

Filter), einem USAB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) und einem anaeroben Filter. Als

Substrat wurde ein synthetisch hergestelltes, Ethanol enthaltendes Abwasser verwendet. Es

ist zu erwarten, dass diese Ergebnisse nicht direkt auf BGA mit NawaRo als Substrat

übertragen werden können.

Die grundlegende Versuchsdurchführung entsprach der in Kapitel 1 für die

Beschickungsausfälle beschriebenen. Die Temperatur lag bei 37,5°C bis 40°C, wobei keine

sprunghaften Änderungen auftraten. Wie bei den Beschickungsausfällen erfolgte hier eine

tägliche Beschickung, regelmäßige Probennahmen für TS- und oTS-Gehalt, sowie für die

Analyse des Fettsäurespektrums. Die Versuchspläne können Anhang A-11 entnommen

werden. Neben der Erfassung des Normvolumenstroms konnte bei den beiden

Versuchsreihen auch die Gasqualität bestimmt werden. Bei Versuchsreihe 1 war dies

aufgrund eines technischen Defektes erst ab dem 13ten Versuchstag möglich. Die Dauer

der Versuche richtete sich nach dem Betriebsverhalten der Anlagen; entweder bis alle

Anlagen in einen stabilen Prozesszustand überführt wurden oder bis sie deutliche

Instabilitäten aufwiesen.

Versuchsreihe 1

Anfahrstrategie 1: Schrittweises Erhöhen der Raumbelastung

Bakterien der anaeroben Fermentation sind in der Lage, sich neuen Lebensbedingungen

anzupassen, solange diese langsam herbeigeführt werden. Dies führt zu dem Schluss, dass

eine schrittweise Erhöhung der Raumbelastung für die Bakterien einer Anlage besser

verträglich ist [Schoen et al. 2008, Yacob et al. 2006]. Zu Beginn sollte die Steigerung der

Raumbelastung langsam erfolgen. Gegen Ende sind größere Schritte möglich [Angelidaki

et al. 2006, Fang et al. 1994]. Das Massenverhältnis der eingesetzten Substrate (Maissilage

114 7 Anfahrstrategien

zu Rindergülle) soll dabei konstant belassen werden. Aus diesen Überlegungen ergibt sich

mit durchschnittlichen Werten für den oTS-Gehalt von Maissilage und Rindergülle, sowie

der Annahme eines gleichbleibenden Füllstandes, der in Tabelle 7-1 aufgeführte

Versuchsplan.

Tabelle 7-1: Überblick über die Steigerung der Raumbelastung (RB) und der sich daraus

ergebenden Frischmassen (FM) an Maissilage (MS) und Rindergülle (RG)

Tag nach

Wiedereinsatz

der

Beschickung

Relative RB zur

Volllast

RB

mFM,MS mFM,RG

[-] [kgoTSm-3

d-1

] [g d-1

] [g d-1

]

1 0,38 0,87 49 15

2 0,40 0,91 52 16

3 0,44 1,00 57 18

4 0,50 1,14 65 20

5 0,56 1,28 73 22

6 0,64 1,46 83 26

7 0,74 1,69 96 30

8 0,86 1,96 112 34

9 1,00 2,28 130 40

Anfahrstrategie 2: Veränderung des Substratmix

Rindergülle wirkt sich aufgrund ihrer Puffereigenschaft positiv auf die Stabilität des

Biogasbildungsprozesses aus [Fachagentur Nachwachsende Rohrstoffe e.V. 2010]. Zudem

enthält Rindergülle Bakterien aus dem Verdauungssystem der Tiere, die zusätzlich eine

Hemmung verhindern können [Schoen et al. 2008]. Desweiteren weist Rindergülle einen

im Vergleich zu Maissilage geringen TS/oTS-Gehalt auf, wodurch sie schneller und

einfacher abgebaut werden kann.

Bei Anfahrstrategie 2 wird daher die Raumbelastung konstant gehalten, während sich das

Verhältnis von Maissilage zu Rindergülle verändert. Entsprechend der ersten


Anfahrstrategie erfolgt die Änderung exponentiell. Die genauen Angaben finden sich in

Tabelle 7-2.

Tabelle 7-2: Überblick über die Veränderung des Verhältnisses der Frischmasse (FM) an

Maissilage (MS) zu Rindergülle (RG) und die sich ergebende Beschickung

wMS: Massenanteil MS an der Beschickungsmenge

Versuchsreihe 2

Anfahrstrategie 3: Anfahren mit Rührintervallen

Wie bereits in der Parameterstudie zu Rührintervallen (vgl. Kapitel 1) gezeigt werden

konnte, können unterschiedliche Rührintervalle einen positiven Einfluss auf den

Biogasbildungsprozess haben. Dies haben auch Vavilin et al. 2005 herausgefunden.

Studien von Stroot et al. 2001 zeigen einen großen Einfluss von Rührintervallen auf die

Prozessstabilität. Anlagen, die Instabilitäten aufweisen, erholen sich unter Rührintervallen

schneller. Auch konnte ein positiver Effekt beim Anfahren von Anlagen nachgewiesen

werden. Diese wurden stabil angefahren, während kontinuierlich gerührte Anlagen eine

hohe Konzentration an kurz- und langkettigen Fettsäuren aufwiesen. Karim et al. 2005

fanden bei ihren Untersuchungen zur Durchmischung zudem heraus, dass bei einem hohen

Tag nach

Wiedereinsatz

der

Beschickung

wMS

Relative

mFM,MS zur

Volllast

mFM,MS mFM,RG

[-] [-] [gd-1

] [gd-1

]

1 0,29 0,77 100 246

2 0,30 0,78 102 233

3 0,33 0,81 105 210

4 0,38 0,85 110 179

5 0,43 0,87 113 153

6 0,49 0,91 118 124

7 0,56 0,94 122 95

8 0,65 0,97 126 67

9 0,76 1,00 130 40


TS-Gehalt im Substrat die Anfahrphase bei nicht gerührten Anlagen deutlich schneller

beendet werden kann, als bei kontinuierlich gerührten Anlagen.

Aus diesen Gründen wird für die dritte Anfahrstrategie eine diskontinuierliche

Durchmischung gewählt. Das Intervall wird wie folgt festgelegt: 10 min rühren, 50 min

Stillstand des Rührwerkes.

Anfahrstrategie 4: Drosseln der Rührwerkdrehzahl

Neben der Anwendung von Rührintervallen zur Senkung der Rührintensität stellt die

Regelung der Drehzahl eine weitere Möglichkeit zur Reduktion der Rührintensität dar.

Hohe Drehzahlen und damit eine intensive Durchmischung können einen negativen

Einfluss auf den Prozess haben. Hierdurch können sich die Lebensgemeinschaften der

Bakterien nicht ausreichend bilden. Eine Reduzierung der Drehzahl um die Hälfte kann

eine Erhöhung der Biogasproduktion zur Folge haben [Ong et al. 2002]. Gomez et al. 2006

konnten zudem eine Begünstigung der Prozessstabilität bei gedrosselter Drehzahl

feststellen. Kaparaju et al. 2008 haben darüber hinaus einen besseren Abbau an Fettsäuren

bei niedriger Drehzahl feststellen können.

Für die letzte Anfahrstrategie ist daher eine um die Hälfte reduzierte Drehzahl (von

160 min-1

auf 80 min-1

) vorgesehen. Eine noch niedrigere Drehzahl wurde nicht gewählt,

da ein Absetzen von Partikeln vermieden werden soll.

7.2 Ergebnisse

Wie bei den vorangegangenen Versuchsreihen wird der gemessene Normvolumenstrom

um die Gasverluste bei den GC-Probenahmen korrigiert. Bei der Auswertung werden die

Versuchsreihen in drei Phasen eingeteilt:

1. Zeitraum des Beschickungsausfalls

2. Dauer der Anfahrstrategie

3. Entwicklung nach Beendigung der Anfahrstrategie

Für die Vorstellung der Ergebnisse werden folgende Abkürzungen verwendet:

AS1, AS2, AS3, AS4: Anlage mit der Anfahrstrategie 1-4

Ref1: Referenzanlage in Versuchsreihe 1

Ref2: Referenzanlage in Versuchsreihe 2



Normvolumenstrom

Um den Erfolg der Anfahrstrategien zu beurteilen, ist eine Betrachtung des produzierten

Normvolumenstroms zur Referenz erforderlich. Der Verlauf des Normvolumenstroms über

der Versuchsdauer ist in Abbildung 7-1 dargestellt. Wie anhand vorheriger Versuche zu

erwarten war, verhalten sich alle Anlagen während der Zeit des Beschickungsausfalls

annähernd kongruent. In diesem Zeitraum bleiben die relativen Abweichungen (vgl.

Abbildung 7-2) im Rahmen der Reproduzierbarkeit.


Mit Beginn der Beschickung steigt bei allen Anlagen der Normvolumenstrom an. Dabei

steigt der Normvolumenstrom von Ref1 innerhalb von zwei Tagen auf einen Wert, auf

dessen Niveau er bis zum Ende der zweiten Phase bleibt. Damit steigt er deutlich schneller,

als der von AS1 und AS2 (erkennbar an der negativen Abweichung, Abbildung 7-2). Für

AS1 war dies zu erwarten, da hier die Raumbelastung exponentiell gesteigert wurde.

Obwohl die Raumbelastung bei AS2 der der Ref1 entspricht, fällt der produzierte

Normvolumenstrom deutlich geringer aus. In Bezug auf den Normvolumenstrom verhalten

sich AS1 und AS2 während der zweiten Phase analog. Zum Ende der zweiten Phase

weisen beide Anlagen unter Anfahrstrategie die gleiche, negative Abweichung zu Ref1

auf.


Abbildung 7-2: Relative Abweichung des Normvolumenstroms zu Ref1

In der dritten Versuchsphase nähert sich AS2 immer weiter Ref1 an. Auch die

Gasproduktion von AS1 steigt, bis sie am 24. Versuchstag der von AS2 entspricht. Hierauf

fällt der Normvolumenstrom bei allen Anlagen ab. Bei AS1 ist dieser Abfall, relativ

gesehen, deutlich stärker ausgeprägt als bei den anderen Anlagen. Gegen Ende der

Versuchszeit erholt sich aber auch diese Anlage.

Gasqualität

Da es nicht möglich war die Gasqualität in den ersten zwölf Versuchstagen zu bestimmen,

kann keine Aussage darüber getroffen werden, ob sich die Zusammensetzung des Biogases

verschoben hat. Die Befüllung der Anlagen fand zu Versuchsbeginn wie bei den anderen

Versuchsreihen mit Fermenterinhalt der BGA Neurath statt. Diese Anlage läuft über einen

langen Zeitraum sehr stabil. Durch die aus früheren Versuchen bekannten Werte ist

anzunehmen, dass der CH4-Anteil vom Startpunkt bis zum 13. Versuchstag um 15-20%

gefallen ist. Der Verlauf in Abbildung 7-3 zeigt, dass mit dem Beginn von Phase 3 Ref1

und AS2 einen ähnlichen Verlauf haben und ihr CH4-Anteil im gleichen Bereich liegt. Die

Werte von AS1 liegen darunter. Erst am 23. Versuchstag erreichen alle drei Anlagen

erstmals wieder den gleichen CH4-Anteil. Die Abweichungen im CH4-Anteil von AS1 und

AS2 zu Ref1 liegen dabei überwiegend außerhalb der erweiterten Messunsicherheit (nach

Umbau).


Abbildung 7-3: CH4-Anteil ab dem 13ten Versuchstag

oTS-Gehalt

Aufgrund der unterschiedlichen Beschickung nach Versuchsbeginn ist mit einer

abweichenden Entwicklung des oTS-Gehaltes im Fermenterinhalt zu rechnen. In

Abbildung 7-4 ist der Verlauf graphisch dargestellt. Auffällig ist die hohe

Messunsicherheit bei AS1 am siebten Versuchstag. Bei der Dreifachbestimmung des

Wertes wichen alle Proben stark voneinander ab, so dass kein Ausreißer bestimmt und

ausgeschlossen werden konnte.

Der einwöchige Beschickungsausfall führt bei allen Anlagen zu einer Reduktion der

Organik im Fermenterinhalt. Bei Ref1 (mit direkter Volllast Beschickung) steigt direkt in

der darauffolgenden Woche der oTS-Gehalt im Fermenterinhalt über den Startwert. Die

Werte von AS1 und AS2 verändern sich in diesem Zeitraum kaum. Bei AS1 ist dies durch

die niedrige Raumbelastung zu Beginn der Fall; bei AS2 aufgrund des hohen Gülleanteils

im Substrat, der mit einem oTS-Gehalt von 4,69% FM ± 0,18% FM unterhalb des Wertes

des Fermenterinhaltes liegt.


Abbildung 7-4: oTS-Gehalt über der Versuchsdauer (Fehlerbalken entsprechen der erweiterten

Messunsicherheit)

In der dritten Versuchswoche fällt der oTS-Gehalt in Ref1 leicht, während der in AS1 und

AS2 ansteigt. In dieser Woche wird die Volllast-Raumbelastung in den Anlagen mit

Anfahrstrategie erreicht. Am Ende der Versuchsreihe liegt der oTS-Gehalt in allen

Anlagen im Bereich des Startwertes.

Fettsäurespektrum

In der ersten Versuchsreihe zeigt sich (vgl. Abbildung 7-5 bis Abbildung 7-7) für alle drei

Anlagen vom Trend her eine übereinstimmende Entwicklung für Essig- und Propionsäure.

Der Wert für den Essigsäuregehalt am siebten Versuchstag variiert nur gering für die drei

Anlagen. Dabei weist Ref1 mit 200 mg kg-1

im Vergleich zu 210 mg kg-1

(AS2) und

240 mg kg-1

(AS1) den geringsten Wert auf. Bei Ref1 steigt der Wert für die

Essigsäurekonzentration ab dem zweiten Tag nach Beginn der Beschickung deutlich an. Er

erreicht am 17. Versuchstag das Maximum mit 4400 mg kg-1

. Mit dem Anstieg der

Essigsäurekonzentration geht auch ein Anstieg der Propionsäurekonzentration einher. Das

Maximum in der Propionsäurekonzentration wird am 20. Versuchstag (vgl. Abbildung 7-5)

erreicht. Ab dem 26. Versuchstag befinden sich beide Säuren in einem üblichen Bereich,

wie er auch zu Versuchsbeginn vorlag.


Abbildung 7-5: Entwicklung des Fettsäurespektrums der Ref1 über der Versuchsdauer

Bei AS1 beginnt im Vergleich zu Ref1 der Anstieg der Essig- und

Propionsäurekonzentration um drei Tage verschoben. Dadurch wird auch der maximale

Wert später (am 20. Versuchstag, vgl. Abbildung 7-6) erreicht. Wie bei Ref1 wird am 26.

Versuchstag bereits ein niedriger Wert erreicht, ab dem 29. Versuchstag sind die

Konzentrationen unterhalb derer zu Versuchsbeginn.

Bis zum 20. Versuchstag verhalten sich Essig- und Propionsäure bei AS2 wie bei Ref1.

Am 23. Versuchstag ist die Essigsäurekonzentration bei beiden Anlagen erhöht (vgl.

Abbildung 7-5 und Abbildung 7-7). Der maximale Wert der Essigsäurekonzentration ist

bei AS2 mit 3700 mg kg-1

geringer als bei Ref1 (4400 mg kg-1

) und AS1 (4300 mg kg-1

).

Ab dem 26. Versuchstag sind auch bei AS2 die Werte wieder in einem stabilen Bereich.

Damit zeigt AS2 insgesamt ein besseres Verhalten, als Ref1 und AS1.


Abbildung 7-6: Entwicklung des Fettsäurespektrums der AS1 über der Versuchsdauer


Besonders hervorzuheben ist bei dieser Versuchsreihe die Anreicherung von höherkettigen

Fettsäuren. Neben Essig- und Propionsäure werden im Verlauf der Versuchsreihe auch n-


Buttersäure, iso-Buttersäure und iso-Valeriansäure nachgewiesen. Valerian- und

Capronsäure konnte bei keiner Anlage nachgewiesen werden. Vor allem bei der Ref1

kommen beide Formen der Buttersäure sowie iso-Valeriansäure vor, was auf eine

Prozessstörung hindeutet. Iso-Buttersäure ist ab dem 13. Versuchstag nachzuweisen, n-

Buttersäure ab dem 15. Versuchstag. Während die n-Buttersäure innerhalb von maximal

sechs Tagen abgebaut wird, benötigt der Abbau der iso-Buttersäure 14 Tage. Die iso-

Valeriansäure zeigt bei dieser Anlage ein zu iso-Buttersäure analoges Verhalten. Dabei

liegen die Werte für die iso-Valeriansäure stets höher als für die jeweilige Form der

Buttersäure.

n- und iso-Buttersäure treten bei AS 1 später auf als bei Ref1. n-Buttersäure ist nur am

20. Versuchstag im nachweisbaren Bereich; iso-Buttersäure nur vom 20. bis zum 23.

Versuchstag. Bei dieser Anlage reichert sich Buttersäure in einem deutlich kürzeren

Zeitraum an, was auf eine etwas bessere Stabilität hindeutet. Auch iso-Valeriansäure tritt

bei AS1 später auf als bei Ref1; allerdings drei Tage vor n- und iso-Buttersäure. Die iso-

Valeriansäure fällt bei dieser Anlage erst am 29. Versuchstag unter die Nachweisgrenze.

Bei AS2 tritt n-Buttersäure überhaupt nicht auf. iso-Buttersäure ist vom 15. bis zum 20.

Versuchstag zu erfassen. Ebenso wie bei AS1 reichert sich hier iso-Valeriansäure vor den

anderen höherkettigen Fettsäuren an und benötigt länger um vollständig abgebaut zu

werden. Insgesamt sind die Konzentrationen der einzelnen Fettsäuren bei AS2 geringer als

bei Ref1. Dies deutet auf eine höhere Stabilität der Anlage gegenüber Ref1 hin.


Normvolumenstrom

In der ersten Versuchswoche kam es zu einer zunächst unentdeckten Leckage am

Gasbeutel der Ref1. Aus diesem Grund werden die Werte des Normvolumenstroms für

Ref1 vom zweiten bis zum siebten Versuchstag nicht betrachtet. In Abbildung 7-1 ist der

Abfall des Normvolumenstroms aufgrund des Beschickungsausfalls zu sehen. AS3 und

AS4 stimmen gut überein, weswegen davon ausgegangen werden kann, dass sich Ref2 in

diesem Zeitraum analog verhält. In Abbildung 7-9 ist zu sehen, dass die relative

Abweichung im Normvolumenstrom zwischen der AS3/AS4 und der Ref2 bei über 25%

liegt. Hier ist auch davon auszugehen, dass bereits eine Leckagestelle am Gasbeutel vorlag.

Nach dem Wiedereinsetzen der Beschickung steigt der Normvolumenstrom bei allen

Anlagen schnell an und erreicht am 15. Versuchstag das Niveau des Versuchsstarts. Dabei

produzieren beide Anlagen mit Anfahrstrategie mehr Gas als Ref2. Die Abweichungen

liegen hier in einem Bereich von bis zu + 25%. Bis zum zwölften Versuchstag liegen die

Abweichungen außerhalb der Reproduzierbarkeit.


In den darauffolgenden Tagen sinkt die Gasproduktion bei allen Anlagen leicht und die

Abweichungen bleiben im Rahmen der Reproduzierbarkeit. Ab dem 20. Versuchstag sind

deutliche Schwankungen in der Gasproduktion von Ref2 und AS4 zu beobachten. Dies

äußert sich auch in steigenden Abweichungen der AS3/AS4 zu Ref2.


Abbildung 7-9: Relative Abweichung im Normvolumenstrom von AS3 und AS4 zu Ref2


Gasqualität

Zu Beginn der ersten Phase liegt der Methangehalt im Biogas bei ca. 50%. Innerhalb eines

Tages steigt er bei allen Anlagen auf einen Wert knapp unter 60%. Wie in Abbildung 7-10

zu sehen ist, fällt der CH4-Anteil im Biogas nach dem Wiedereinsetzen der Beschickung

bei allen Anlagen innerhalb von drei Tagen stark ab. Dies ist ein Hinweis auf Hemmungen

im Biogasbildungsprozesses.

Abbildung 7-10: CH4-Gehalt über den Versuchszeitraum

Ab dem neunten Versuchstag steigt die CH4-Konzentration im Biogas langsam wieder an.

Auffällig hierbei ist der leicht höhere Wert von Ref2. Ab dem 20. Versuchstag pendelt sich

der CH4-Gehalt zwischen 52% und 56% ein. Die CH4-Konzentration von Ref2 liegt auch

wieder im Bereich der Werte von AS3 und AS4. Die Abweichungen befinden sich im

Rahmen der erweiterten Messunsicherheit (nach Umbau des GC).

oTS-Gehalt

Wie zu erwarten war, sinkt der oTS-Gehalt im Fermenterinhalt aller Anlagen während des

Beschickungsausfalls. Bei Ref2 und AS4 steigt innerhalb der ersten Woche nach

Wiederaufnahme der Beschickung der oTS-Gehalt nahezu auf den Wert zu Versuchsbegin.

Dieser Anstieg deutet darauf hin, dass das zugeführte Substrat nicht vollständig umgesetzt

werden kann. Der Anstieg bei AS3 erfolgt langsamer. In der darauffolgenden Woche

verbleibt der Gehalt an Organik im Fermenterinhalt bei Ref2 und AS3 nahezu gleich,

während er bei AS4 leicht abnimmt. Am Ende der Versuchsreihe erreichen alle Anlagen


wieder das gleiche Niveau. Der Verlauf deutet darauf hin, dass das Substrat in AS3 bei

Wiederaufnahme der Beschickung am besten umgesetzt werden kann.

Abbildung 7-11: oTS-Gehalt über der Versuchsdauer (Fehlerbalken entsprechen der erweiterten

Messunsicherheit)

Fettsäurespektrum

Eine grafische Veranschaulichung der Entwicklung des Fettsäurespektrums findet sich in

den Abbildungen 7-12 bis 7-14. Die Ausgangskonzentration an Essigsäure beträgt

390 mg kg-1

. Höhere Fettsäuren sind zum Versuchsbeginn nicht nachgewiesen worden. Die

Betrachtung des Fettsäurespektrums aller Anlagen über den gesamten Zeitraum zeigt, dass

in den beiden Anlagen mit Anfahrstrategie nur Essig- und Propionsäure nachweisbar

waren, während bei der Referenzanlage auch iso-Valeriansäure nachgewiesen werden

konnte. Ebenso ist zu bemerken, dass die maximale Konzentration an Essig- und

Propionsäure bei Ref2 deutlich über den Werten von AS3 und AS4 liegt.

Ref2 erreicht am elften Versuchstag die maximale Konzentration an Essigsäure

(2100 mg kg-1

) und hält diese über die folgenden zwei Tage. Daraufhin beginnt der Abbau

der Essigsäure. Die Propionsäure steigt aber in diesem Zeitraum noch an zwei weiteren

Tagen (bis zum fünfzehnten Versuchstag) an und beginnt erst dann wieder zu sinken. Vom

13. bis zum 15. Versuchstag ist neben Essigsäure und Propionsäure auch iso-Valeriansäure


nachzuweisen, was deutlich auf eine Instabilität im Prozess hindeutet. Ein stabiler Zustand

der Anlage ist erst am 20. Versuchstag erreicht.

Abbildung 7-12: Entwicklung des Fettsäurespektrums der Ref2 über der Versuchsdauer

Wie bei Ref2 erreichen AS3 und AS4 am elften Versuchstag den maximalen Wert für die

Essigsäurekonzentration, wo auch die maximale Propionsäurekonzentration erreicht wird.

Hierbei ist hervorzuheben, dass bei AS3 der Maximalwert von Propionsäure (360 mg kg-1

)

um die Hälfte geringer ist, als bei Ref2. Dies deutet auf eine sehr geringe Hemmung

während der Acetogenese hin. Die geringe Konzentration an Essigsäure bei beiden

Anlagen ist zudem ein Hinweis auf eine besser funktionierende Methanogenese im

Vergleich zu Ref2. Beide Anlagen unter Anfahrstrategie erreichen einen stabilen Zustand

am 17. Versuchstag und damit drei Tage vor der Referenz (Essigsäurekonzentrationen

< 600 mg kg-1

).


Abbildung 7-13 Entwicklung des Fettsäurespektrums der AS3 über der Versuchsdauer



7.3 Diskussion

Die in der ersten Versuchsreihe getesteten Anfahrstrategien haben zu keiner deutlichen

Verbesserung des Anfahrverhaltens geführt. Sowohl bei AS1 als auch bei AS2 war vor

allem am Anfang der produzierte Biogasvolumenstrom erheblich geringer als bei Ref1. Bei

AS1 war dies aufgrund der zunächst niedrigeren Raumbelastung zu erwarten gewesen.

AS2 hatte von Beginn an die gleiche Raumbelastung wie Ref1, produzierte aber dennoch

weniger Gas, was auf eine schlechte Umsetzung des zugeführten Substrates hindeutet. In

der Gasqualität waren keine Auswirkungen zu beobachten. Das Fettsäurespektrum

entwickelt sich in allen Anlagen ähnlich. Dabei zeigt AS2 leichte Vorteile gegenüber Ref1

und AS1. Trotz des Anstiegs der Essig- und Propionsäurekonzentration steigt bei allen drei

Anlagen nach dem Wiedereinsetzten der Beschickung die Gasproduktion an, allerdings ist

anzunehmen, dass der CH4-Gehalt um 15 bis 20% abgenommen hat. Der Abfall der CH4-

Konzentration in Verbindung mit der Anreicherung von Essigsäure spricht für eine

Hemmung der Methanogenese. Der Anstieg in der Propionsäurekonzentration fällt mit der

Essigsäurekonzentration zusammen, die von Wang et al. 1999 als hemmend für den

Propionsäureabbau genannt wird. Gegen Ende der Versuchsreihe liegen bei allen drei

Anlagen nur noch Essig- und Propionsäure in niedrigen Konzentrationen (unter

500 mg kg-1

) vor.

AS3 und AS4, die in Versuchsreihe 2 untersucht worden sind, zeigen ein anderes Bild. Bei

diesen Anfahrstrategien ist der Anstieg von Essigsäure geringer ausgefallen. Der

Maximalwert der Propionsäurekonzentration war im Vergleich zu Ref2 ca. 50% niedriger.

Von den höherkettigen Fettsäuren konnte nur bei Ref2 iso-Valeriansäure nachgewiesen

werden, bei den beiden anderen Anlagen trat diese nicht auf. Die Anfahrstrategien hatten

zunächst auch einen positiven Einfluss auf die produzierte Gasmenge, wobei Ref2 sich

innerhalb weniger Tage dem gleichen Niveau angenähert hat. Die Analyse der

Biogasqualität gibt dagegen keinen Hinweis auf einen Erfolg der Anfahrstrategien.

Insgesamt kann festgehalten werden, dass sich aufgrund der geringeren

Mischungsintensität bei AS3 und AS4 Agglomerate besser bilden können bzw. nicht

zerstört werden. Die Mikroorganismen können dadurch besser wechselwirken. Es kommt

zu einer besseren und schnelleren Verwertung der einzelnen Zwischenprodukte des

Biogasbildungsprozesses. Dafür sprechen auch die Ergebnisse von Lübken et al. 2007a wo

eine räumliche Nähe zwischen methanogenen und hydrolytischen Bakterien zu einer

erhöhten Aktivität der methanogenen Bakterien führt. Bei dieser Versuchsreihe haben die

Anlagen mit Anfahrstrategie eher einen stabilen Betriebspunkt erreichen können.

Beide Versuchsreihen wurden unter nahezu denselben Voraussetzungen durchgeführt;

dennoch ist ein deutlicher Unterschied zu beobachten. Die Raumbelastung in Ref1 und

Ref2 war fast gleich. In der ersten Versuchsreihe betrug diese zwischen dem achten und

29. Versuchstag 2,60 kgoTSm-3

d-1

und in der zweiten Versuchsreihe 2,54 kgoTSm-3

d-1

. Trotz

gleicher Dauer des Beschickungsausfalls und der sehr ähnlichen Raumbelastung für Ref1

und Ref2 weichen die Konzentrationen der Fettsäuren erheblich voneinander ab. In der

ersten Versuchsreihe betrug der Maximalwert an Essigsäure 4400 mg kg-1

, während er in


der zweiten bei nur 2100 mg kg-1

lag. Eine ähnliche Diskrepanz zeigt sich auch bei den

höherkettigen Fettsäuren. Während in Versuchsreihe 1 neben Propionsäure auch n-

Buttersäure, iso-Buttersäure und iso-Valeriansäure nachgewiesen wurden, war in

Versuchsreihe 2 nur iso-Valeriansäure nachweisbar. Insgesamt zeigt Ref2 ein deutlich

stabileres Verhalten als Ref1. Ursachen hierfür sind insbesondere im verwendeten

Impfschlamm und der Güte der eingesetzten Substrate zu suchen. Insbesondere bei der

Verwendung von Substraten wie Gülle können leicht hemmende Stoffe wie z.B.

Ammoniak in den Fermenter eingebracht werden.

Anders als bei der Studie zu Rührintervallen war bei dieser Studie in Versuchsreihe 2 bei

AS3 kein vergleichbar starkes Aufquellen oder Schäumen des Fermenterinhaltes zu

beobachten. Zwar kam es zu Beginn zu leichter Schaumbildung, diese hat aber zu keiner

Gefährdung der Gasperipherie geführt. Ein leicht höherer Füllstand war aufgrund der

Rührintervalle bei AS3 zu bemerken.

Die Studie von Cecchi et al. 1993 unterscheidet sich insgesamt durch den

Temperaturbereich, die verwendeten Substrate, die Anlagengröße etc. von der hier

vorgestellten Studie, sie entspricht aber dennoch am ehesten der in dieser Arbeit

durchgeführten Versuchsreihen 1. In beiden Studien konnte nach 28 Tagen von einem

stationären Zustand ausgegangen werden. Mit dem Beginn der Beschickung stieg sowohl

in der hier vorgestellten Studie, als auch in der von Cecchi et al. 1993 die Gasproduktion

an. Aufgrund des wiedereingesetzten Abbaus kam es in beiden Studien zunächst zu einer

leichten Hemmung der Gasproduktion. Dies ist in der hier vorgestellten Studie am Anstieg

der Säurekonzentrationen zu erkennen. Cecchi et al. 1993 nehmen einen Anstieg des H2-

Gehaltes an. Ein Maximum der Säurekonzentration wird in dieser Studie sechs bis neun

Tage später erreicht. Damit ist in Anbetracht der Unterschiede in den beiden Studien von

einer guten Übereinstimmung der Ergebnisse auszugehen.

131

8 Zusammenfassung und Ausblick

Der überwiegende Anteil von Versuchen zum Biogasbildungsprozess findet in

Laboranlagen statt, deren Größe stark variieren kann. Zudem ist der Biogasbildungsprozess

ein sehr dynamischer Prozess, der in hohem Maß von den Prozessbedingungen abhängt.

Ziel dieser Arbeit war die Überprüfung der Reproduzierbarkeit von Versuchsergebnissen

und der Übertragbarkeit auf unterschiedliche Maßstäbe. Darüber hinaus wurden Parameter

untersucht, die sowohl die Versuchsergebnisse beeinflussen können als auch von Interesse

für den Betrieb großtechnischer BGA sind.

Bei einem Biogasbildungsprozess kann davon ausgegangen werden, dass eine

Reproduzierbarkeit nur dann gegeben ist, wenn alle Prozessbedingungen gleich sind. Diese

sind neben der Temperatur im Fermenter das verwendete Inocolum, die eingesetzten

Substrate, die gewählte Raumbelastung, die hydraulische Verweilzeit, die Durchmischung,

sowie weitere Einflussfaktoren wie Material und Geometrie der Anlagen.

Zur Untersuchung der Reproduzierbarkeit wurden drei baugleiche Anlagen

(Parallelanlagen) mit einem Füllvolumen von 22 l mit gleichem Inoculum befüllt und

parallel, also unter Einhaltung aller genannten Einflussfaktoren, betrieben. Die

Untersuchungen zeigen, dass bei gleichen Anlagen, einer identischen Betriebsführung und

gleichem Inoculum die Abweichungen im reduzierten Normvolumenstrom (auf das

Füllvolumen bezogener Normvolumenstrom) unter ± 10% bleiben, wobei der Mittelwert

der Abweichungen bei 5% liegt. Diese Abweichungen liegen innerhalb der erweiterten

Unsicherheit für den reduzierten Normvolumenstrom. Der Methan (CH4)-Anteil und der

oTS-Gehalt weichen ebenfalls nur innerhalb der erweiterten Messunsicherheit ab.

Zur Kontrolle der Reproduzierbarkeit fand in weiteren in dieser Arbeit vorgestellten

Studien ein Vergleich des Normvolumenstroms, der Gasqualität und des

Fettsäurespektrums der Parallelanlagen aus unterschiedlichen Versuchsreihen statt. Die

Parallelanlagen wiesen die gleichen Betriebsbedingungen (Temperatur, Raumbelastung,

Durchmischung, hydraulische Verweilzeit) auf; die Versuche fanden allerdings zeitversetzt

statt. Dadurch wurden die Parallelanlagen jeweils mit neuem Fermenterinhalt aus der BGA

Neurath angefahren und mit einer anderen Substratcharge beschickt. Dabei hat sich beim

Normvolumenstrom ein unterschiedliches Verhalten zwischen den Versuchsreihen

herauskristallisiert. Dies war auch bei der Entwicklung des Fettsäurespektrums zu

beobachten. Damit konnte im Rahmen dieser Arbeit gezeigt werden, dass der

Normvolumenstrom und der CH4-Anteil nur unter identischen Bedingungen reproduziert

werden können. Eine Reproduzierbarkeit ist für unterschiedliche Versuchsreihen nicht

mehr gegeben, da sich das Inoculum und die Substrate verändern. Wie sehr sich das

Inoculum und die Substrate verändern hängt von der Betriebsführung der BGA, aus der das

132 8 Zusammenfassung und Ausblick

Inoculum stammt, und der Lagerung/Bereitstellung der Substrate ab. Das einfachste

Beispiel ist ein Substratwechsel an der BGA, die das Inoculum bereitstellt. Durch die

Änderung kann z.B. besonders viel Ammoniak eingetragen werden, an den sich die

Mikroorganismen im besten Fall adaptieren.

Die Übertragbarkeit von Versuchen muss gegeben sein, damit es zu keinen unerwarteten

Reaktionen des Fermenterinhaltes bei der Anwendung von Laborerkenntnissen auf

großtechnische BGA kommt. Ist eine Übertragbarkeit nicht gegeben, so müssen die

Einflussfaktoren identifiziert und bei der Übertragung berücksichtigt werden. Um die

Übertragbarkeit auf unterschiedliche Maßstäbe zu untersuchen, wurden zunächst Versuche

an der Technikumsanlage mit einem Füllvolumen von 390 l und den drei Parallelanlagen

mit 22 l Füllvolumen durchgeführt. Beide Anlagen wurden gleichzeitig mit

Fermenterinhalt der BGA Neurath befüllt und mit gleichen Substraten, gleicher

Raumbelastung, gleichen Beschickungsintervallen und bei gleicher Temperatur betrieben.

Hier wurde gezeigt, dass zwischen der Technikumsanlage und den Parallelanlagen der

Normvolumenstrom im Mittel um 8% abweicht, wobei er bei den Parallelanlagen stets

niedriger ist. Nach einer Startphase von vier Tagen liegen die Abweichungen in der

Gasqualität im Rahmen der Messunsicherheit. Der oTS-Gehalt bei den Parallelanlagen

verhält sich analog zu dem der Technikumsanlage.

In einem zweiten Schritt wurde für den Vergleich die BGA Neurath mit einem

Füllvolumen von 3099 m3 hinzugezogen. In der Versuchsreihe wurde Fermenterinhalt der

BGA Neurath zur Befüllung der Technikumsanlage und der Parallelanlage entnommen.

Anhand der Beschickungsdaten der BGA Neurath wurden die Beschickungsmengen für die

Laboranlagen so berechnet, dass sich die gleiche Raumbelastung und ein gleicher

Substratmix ergaben. An der Technikumsanlage konnten die gleichen

Beschickungsintervalle (i.d.R. 39 Chargen pro Tag) wie an der BGA Neurath realisiert

werden. An der Parallelanlage war dies nicht möglich, weswegen diese Anlage nur einmal

täglich beschickt wurde.

Im reduzierten Normvolumenstrom liegt der Mittelwert für die Abweichungen zwischen

der Technikumsanlage und der Parallelanlage ab dem neunten Versuchstag bei 10%, wobei

auch hier der reduzierte Normvolumenstrom von der Parallelanlage unterschätzt wird.

Wird der reduzierte Normvolumenstrom der Parallelanlage dem der BGA Neurath

gegenübergestellt, so zeigen sich Abweichungen von -13 bis -20%. Dagegen liegen die

Abweichungen des reduzierten Normvolumenstroms zwischen der BGA Neurath und der

Technikumsanlage bei 10%. Damit liegen die Abweichungen zwischen der BGA Neurath

und der Technikumsanlage und der Technikumsanlage und der Parallelanlage im Bereich

der Reproduzierbarkeit. Im Abbau der Organik zeigen sich für die Gegenüberstellung der

BGA Neurath, der Technikumsanlage und der Parallelanlage deutlich differierende

8 Zusammenfassung und Ausblick 133

Ergebnisse. In den beiden Laboranlagen reichert sich im Gegensatz zu der BGA Neurath

Organik im Fermenterinhalt an. Dies spiegelt auch die Entwicklung des

Fettsäurespektrums wieder. Bei der BGA Neurath konnten nur Essig- und Propionsäure in

einem unbedenklichen Bereich nachgewiesen werden. Bei der Technikumsanlage und der

Parallelanlage stiegen Essig- und Propionsäure stark (Essigsäure; Propionsäure bis zu

5600 mg kg-1

bei der Technikumsanlage und bis 9700 mg kg-1

bei der Parallelanlage) an.

Daneben konnten bei der Technikumsanlage und der Parallelanlage im Verlauf der

Versuchsreihe auch alle anderen, höherkettigeren Fettsäuren nachgewiesen werden. Wie in

Abschnitt 4.3 dargelegt worden ist, liegt die Ursache für den Anstieg der Fettsäuren in den

Laboranlagen an dem Abfüllen des Fermenterinhaltes aus der BGA Neurath, dem

Transport und der Befüllung der Laboranlagen und dem Beginn der Beschickung mit der

an der BGA Neurath vorhandenen Raumbelastung. Aufgrund der entstandenen

Stresssituation für die Mikroorganismen werden diese gehemmt. Hauptursache ist dabei

eine Anreicherung von H2.

Die Übertragbarkeit von Ergebnissen in unterschiedlichem Maßstab hängt, ebenso wie die

Reproduzierbarkeit, von den Prozessbedingungen ab. Die Versuche zeigen zudem eine

Abhängigkeit vom Skalierungsfaktor. Insbesondere traten hier große Abweichungen in der

Entwicklung des Fettsäurespektrums auf. Dies kann an einer für die Laboranlagen zu

hohen Raumbelastung gelegen haben. Der Verlauf des reduzierten Normvolumenstroms

und der Gasqualität konnte dagegen gut wiedergegeben werden.

Um zu prüfen, wie stark der Einfluss der Durchmischung auf die Leistungsfähigkeit einer

Anlage ist, wurde eine Studie zu möglichen Rührintervallen durchgeführt. Gleichzeitig ist

eine Analyse des Einsparpotenzials am Eigenenergiebedarf einer BGA möglich gewesen.

Die Studie fand in einem Umfang von zwei Versuchsreihen statt und wurde an den

Parallelanlagen durchgeführt. Eine der Anlagen diente dabei als Referenz und wurde

jeweils kontinuierlich gerührt. Die Befüllung der Anlagen erfolgte mit Fermenterinhalt aus

der BGA Neurath. Die Temperatur, die Raumbelastung und die Substrate wurden bei allen

Anlagen innerhalb einer Versuchsreihe gleich belassen.

In der ersten Versuchsreihe wurde das Rührintervall jeweils länger gewählt als die Dauer

der Rührpause (7h Rühren und 1h Pause bzw. 2h Rühren und 1h Pause). Hierbei konnten

keine wesentlichen Auswirkungen auf die Parameter Normvolumenstrom und

Methananteil im Biogas beobachtet werden. Die in Versuchsreihe 1 gewählten Intervalle

haben demzufolge zu keiner Verbesserung der Leistung der Anlagen geführt. Allerdings ist

die für das Rühren eingebrachte Energie geringer, da das Rührwerk zwischendurch steht.

Mit einem Drehstromzähler wurde geprüft, ob beim Wiedereinschalten des Rührwerks eine

deutlich erhöhte Leistungsaufnahme zu verzeichnen ist. Die Ergebnisse zeigen eine leicht

höhere Leistungsaufnahme in den ersten Minuten der Rührzeit. Sie ist aber deutlich


geringer als die durch die Standzeit verursachte Einsparung. Bei dem Intervall 2 h Rühren

und 1 h Pause können beispielsweise 29% des Energiebedarfs des Rührwerks eingespart

werden.

In der zweiten Versuchsreihe wurden nur kurze Rührzeiten von jeweils 10 min gewählt.

Die Standzeit betrug bei der PA1 230 min und bei PA2 50 min. Da hierbei die Rührzeiten

wesentlich kürzer sind als die Pausen, ist eine deutlich höhere Einsparung am

Eigenenergiebedarf der BGA möglich. In den ersten zwei Wochen kann bei den Anlagen

mit diskontinuierlicher Durchmischung eine höhere Gasproduktion bei vergleichbarem

Methananteil festgestellt werden. In der folgenden Versuchszeit lagen die Abweichungen

im Normvolumenstrom innerhalb der Reproduzierbarkeit.

Rührintervalle können demnach ein gutes Mittel darstellen, um den Eigenstrombedarf von

BGA zu senken. Werden Laborversuche durchgeführt, so sollte die Durchmischung im

Rahmen der Möglichkeiten an den späteren Anwendungsfall angepasst werden bzw. die

Abweichungen vorher bestimmt werden. Zudem ist bei einer diskontinuierlichen

Durchmischung zu bedenken, dass es zu einem Aufquellen des Fermenterinhaltes und zur

Schaumbildung an der Flüssigkeitsoberfläche kommen kann. Dies konnte insbesondere bei

der ersten Versuchsreihe beobachtet werden.

Ausfälle in der Beschickung einer Biogasanlage führen nicht nur zu merkbaren Einbußen

in der Gasproduktion, sondern können beim Wiederbeginn der Beschickung in den

Volllastbetrieb auch zu einer Gefährdung der Stabilität des Abbauprozesses führen. Zur

Untersuchung der Auswirkungen des Anfahrens auf die Prozessstabilität der Anlagen

wurden in einer weiteren Studie drei Beschickungsausfälle simuliert. Diese reichten von

einem Tag bis zu einer Woche. Die Beschickungsausfälle fanden zum einen an den

Parallelanlagen statt, die einmal täglich beschickt wurden. Zum Anderen wurde hierfür die

Technikumsanlage verwendet. Bei dieser Anlage wurde mit Hilfe des automatischen

Beschickungssystems eine quasi-kontinuierliche Fütterung mit 24 Beschickungsintervallen

pro Tag realisiert. Zur Beurteilung der Stabilität der Anlagen wurden der

Normvolumenstrom und das Fettsäurespektrum in allen Versuchsreihen herangezogen. Die

Beurteilung anhand der Gasqualität war nur bei der Technikumsanlage mit ein- und

siebentägigem Beschickungsausfall möglich.

Die Ergebnisse für die Parallelanlagen zeigen, dass bereits ein eintägiger Ausfall einen

Einfluss auf die Entwicklung der Fettsäuren im Fermenterinhalt hat. Der Anstieg der

Fettsäuren ist aber nur gering und nicht als kritisch für die Stabilität des Abbauprozesses zu

beurteilen. Allerdings wurde bei dem eintägigen Beschickungsausfall die höchste

Essigsäurekonzentration gemessen. Den Einfluss des Beschickungsausfalls bestätigt auch

das produzierte Gasvolumen, das nach Wiedereinsetzen der Beschickung sofort wieder


ansteigt. Auch bei einem dreitägigen Ausfall erreicht der Normvolumenstrom innerhalb

kürzester Zeit einen stabilen Wert.

Die Entwicklung des Normvolumenstroms nach einem dreitägigen Ausfall wurde doppelt

untersucht. In der ersten Versuchsreihe stabilisiert sich der Normvolumenstrom innerhalb

von drei Tagen, bei der zweiten Versuchsreihe nach zwei Tagen. Dabei zeigt das

Fettsäurespektrum für die erste Versuchsreihe sowohl höhere Maximalwerte für Essigsäure

als auch für Propionsäure, die aber noch nicht als kritisch einzustufen sind.

Der siebentägige Beschickungsausfall führt zu ähnlichen Maximalwerten der

Essigsäurekonzentration wie der dreitägige Beschickungsausfall in derselben

Versuchsreihe. Allerdings ist die Maximalkonzentration an Propionsäure hierbei um ca.

das 1,5-fache höher. Der Gasvolumenstrom steigt, ähnlich wie bei dem dreitägigen

Beschickungsausfall, innerhalb der ersten drei Tage stark an, bleibt aber erst nach sechs

Tagen auf einem konstanten Level.

An der Technikumsanlage fallen die Ergebnisse anders aus. Der eintägige

Beschickungsausfall führt, ähnlich wie bei den Parallelanlagen, zu den höchsten

Konzentrationen an Essig- und Propionsäure. Der Normvolumenstrom steigt innerhalb von

zwei Tagen und bleibt daraufhin bis auf einen Ausreißer auf einem erwarteten Level. Auch

die Normvolumenströme des drei- und siebentägigen Beschickungsausfalls steigen zügig

an. Das Fettsäurespektrum des drei- und siebentägigen Beschickungsausfalls lies keine

Instabilitäten erkennen. Übliche Ausfallzeiten der Beschickung haben auf die quasi-

kontinuierlich beschickte Anlage unter den gegebenen Bedingungen keinen Einfluss. Die

Verwendung eines anderen Substrats oder eines weniger stabilen Fermenterinhaltes zu

Beginn des Ausfalls kann aber zu deutlich anderen Ergebnissen führen.

In Bezug auf alle untersuchten Ausfälle betrachtet, bleiben bei der Technikumsanlage die

Auswirkungen deutlich geringer als bei den Parallelanlagen, die nur einmal täglich

beschickt werden können. Dies zeigt den starken Einfluss der Beschickungsintervalle auf

den Prozess. Auch bei der Untersuchung der Anfahrstrategien wurden bei den

Parallelanlagen zweimal Beschickungsausfälle von jeweils sieben Tagen hervorgerufen mit

anschließendem Wiedereinsetzen der vollen Beschickungsmenge. Hier zeigen sich deutlich

stärkere negative Auswirkungen auf den Prozess, als dies bei der eigentlichen

Untersuchung der Beschickungsausfälle der Fall war. Die Konzentration an Essigsäure

steigt um mehr als das Vierfache. Neben erhöhten Propionsäurekonzentrationen sind auch

weitere höherkettige Fettsäuren nachweisbar. Bei Laborversuchen sollte darauf geachtet

werden, Beschickungsausfälle möglichst zu vermeiden. Sollten sie notwendig sein, so

muss dies in der Auswertung berücksichtigt werden.

In der letzten Studie wurden vier Anfahrstrategien entwickelt, die das sichere und schnelle

Anfahren von Anlagen in den Volllastbetrieb gewährleisten sollen. Um den Erfolg einer


Anfahrstrategie zu beurteilen, wurde jeweils eine Parallelanlage als Referenz direkt nach

dem Beschickungsausfall in den Volllastbetrieb überführt. In der ersten Versuchsreihe

wurde der Ansatz verfolgt, die Stabilität über eine langsame Änderung der Raumbelastung

zu erhalten (AS1) bzw. die Raumbelastung direkt wieder auf Volllast zu setzen, aber den

Substratmix zu ändern (AS2). Zu Beginn wurde hier erheblich mehr Gülle als Maissilage

zugeführt, um die guten Puffereigenschaften der Gülle auszunutzen. Die beiden

Anfahrstrategien konnten nicht überzeugen. Die Fettsäurekonzentrationen in AS1

erreichten ähnliche Werte wie in der Referenzanlage und konnten nicht schneller abgebaut

werden. In AS2 war die maximale Essigsäurekonzentration um 16% geringer, als in der

Referenzanlage Bei AS1 war aufgrund der zunächst geringeren Raumbelastung ein

reduzierter Normvolumenstrom zu beobachten. Dieser trat bei AS2 ebenso auf, was

aufgrund der gleichen Raumbelastung wie bei der Referenzanlage nicht zu erwarten war.

AS1 führte neben einem reduzierten Normvolumenstrom auch zu einem leicht geringeren

Methananteil im Biogas.

In der zweiten Versuchsreihe wurde basierend auf einer Literaturrecherche und

Ergebnissen aus früheren Versuchsreihen eine Änderung der Rührintensität als

Anfahrstrategie untersucht. In Anfahrstrategie 3 (AS3) wurde eine diskontinuierliche

Rührweise mit 10 min Rührdauer und 50 min Stillstand gewählt. In der zweiten Anlage

wurde die Rührintensität reduziert, indem die Drehzahl des Rührwerks um die Hälfte

reduziert wurde (AS4). Beide Anfahrstrategien führten zu einem Erfolg. Während bei der

Referenzanlage neben Essig- und Propionsäure auch iso-Valeriansäure im messbaren

Bereich lag, traten bei AS3 und AS4 nur die beiden erstgenannten auf. Auch die

Konzentration an Essig- und Propionsäure blieb deutlich geringer. Ein stabiler Bereich

wurde bei diesen Anlagen einige Tage vor der Referenz erreicht. Im Normvolumenstrom

ist ebenfalls ein positiver Effekt feststellbar. Dieser wird aber, ähnlich wie bei der

Untersuchung der Rührintervalle, nach einer Eingewöhnungszeit der Bakterien relativiert.

Für die Qualität des Biogases kann kein Einfluss der Anfahrstrategien festgestellt werden.

Die Änderung der Rührintensität erweist sich bei der Wiederinbetriebnahme nach einem

Beschickungsausfall insgesamt als äußerst zielführend.

Die hier vorgestellte Arbeit hat zur Klärung der Frage der Reproduzierbarkeit und

Übertragbarkeit von Versuchsergebnissen im Bereich der anaeroben Fermentation

beigetragen. Es konnte gezeigt werden, dass beide Punkte stark von den

Prozessbedingungen abhängen, wie z.B. der Durchmischung. Eine gute Reproduzierbarkeit

konnte immer innerhalb einer Versuchsreihe erzielt werden, wenn das Inoculum gleich

war. Damit ist der Einfluss des für Versuche verwendeten Impfmaterials entscheidend für

die gewonnen Versuchsergebnisse. Eine Übertragbarkeit ist nur für den CH4-Anteil und

den reduzierten Normvolumenstrom gegeben. Die Entwicklung im Fettsäurespektrum

konnte dagegen nicht übertragen werden. Bei Anlagen unterschiedlicher Größe ist es kaum


möglich, alle Parameter gleich zu belassen. Weitere Studien sind notwendig, um die

entscheidenden Parameter zu identifizieren und somit Vorgehensweisen zu erarbeiten, die

eine vollständige Übertragbarkeit in unterschiedliche Maßstäbe erlauben.

138

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147

Anhang

A-1. Technische Zeichnung des Fermenters der Technikumsanlage mit den

wichtigsten Abmaßen

148 Anhang

A-2. Technische Zeichnung des Fermenterdeckels der Technikumsanlage

mit den wichtigsten Abmaßen

Anhang 149

A-3. Technische Zeichnung des Beschickungskastens der Technikumsanlage

mit den wichtigsten Abmaßen

150 Anhang

A-4. Technische Zeichnung des Gärrestspeichers der Technikumsanlage mit

den wichtigsten Abmaßen

Anhang 151

A-5. Technische Zeichnung des Fermenters der Parallelanlagen mit den


152 Anhang

A-6. Technische Zeichnung des Deckels der Parallelanlagen mit den


Anhang 153

A-7. Beispielhafte Berechnung der Messunsicherheit nach GUM für den

trockenen Normvolumenstrom

Aufstellung der Modellgleichung:

B w Ntr,N B

B N

( )p p TV V

T p

Anhand der Modellgleichung und bekannter Einflüsse auf die Messung wird bestimmt,

welche Größen zur Messunsicherheit beitragen. In diesem Fall sind dies

der Unsicherheitsbeitrag der Druckmessung,

der Unsicherheitsbeitrag der Temperaturmessung,

der Unsicherheitsbeitrag der Volumenmessung

und der Unsicherheitsbeitrag der Berechnung des Wasserpartialdruckes.

Alle nachfolgenden mathematischen Grundlagen sind International Organization for

Standardization 1995 entnommen. Die Berechnung der erweiterten Messunsicherheit

erfolgt nach:

e c ( )U k u y

c

2

2 2 2

i i i

i

mit ( ) ( ) ( )f

u y u y u xx

.

Die Ableitung wird auch als Sensitivitätskoeffizient ci bezeichnet. Für das vorgestellte

Beispiel lauten die Berechnungsgleichungen für die Sensitivitätskoeffizienten:

B

w

B

B

tr, N B w NV

B B N

tr, N Np

w B N

tr, N B w NT B 2

B B N

tr, N Np B

B B N

( )

( )

B

V p p Tc

V T p

V Tc V

p T p

V p p Tc V

T T p

V Tc V

p T p

Für die tatsächliche Berechnung der Sensitivitäskoeffizienten müssen reale Werte

eingesetzt werden. Hierfür werden typische oder maximale Werte für die Messaufgabe

gewählt. Für das konkrete Beispiel des trockenen Normvolumenstroms aus PA1 wurden

folgende Werte verwendet:

154 Anhang

NT 273,15 K

Np 1,01325 bar

BT 293,15 K

Bp 1,01 bar

wp 0,032 bar

BV 7 l/h

Damit ergeben sich folgende Sensitivitätskoeffizienten:

B

w

B

B

V

p

T

p

0,8975

l6, 4371

h bar

l0,0214

h K

l6,4371

h bar

c

c

c

c

Die Unsicherheiten der einzelnen Beiträge sind i.d.R. als erweiterte Messunsicherheit Up

angegeben. Daher müssen sie zunächst über den Divisor auf die kombinierte

Standardunsicherheit umgerechnet werden. Der Divisor sollte zusammen mit der

erweiterten Messunsicherheit Up in Form des Erweiterungsfaktors k angegeben sein. Ist er

nicht angegeben, so kann im Zweifelsfall eine Rechteckverteilung mit 3k

angenommen werden. Die Rechteckverteilung wird zudem bei Herstellerangaben und

Abschätzungen angenommen. In dem Beispiel sind Divisoren für den Unsicherheitsbeitrag

der Druck- und Temperaturmessung bekannt. Der Beitrag durch die Berechnung des

Wasserdampfpartialdruckes wird abgeschätzt und hat somit eine Rechteckverteilung. Die

Unsicherheit der Volumenstrommessung mit dem Trommelgaszähler wird dem

Kalibrierschein des Trommelgaszählers entnommen und daher als rechteckverteilt

angenommen.

Anhang 155

Um die Berechnung übersichtlicher zu gestalten, empfiehlt es sich, ein

Messunsicherheitsbudget aufzustellen. Dieses sieht für das Beispiel folgendermaßen aus: B

eitr

ag

durc

h

(x

i)

Ver

teil

ung

Div

isor

u(x

i)

c i

u(y

i)

[lNh

-1]

100 u

i2/u

c2

pw 6,7x10-6

Rechteck 1,732 3,9x10-6

6,4371 -2,5x10-6

0,00

TB 0,2781 Rechteck 1,645 0,1690 -0,0214 -0,0036 0,05

pB 0,0408 Rechteck 1,645 0,0248 6,4371 0,1596 99,38

BV -0,021 Rechteck 1,732 -0,0121 0,8975 -0,0121 0,57

uc 0,1601 [lNh-1

]

k 0,95 3

Up 0,263 [lNh-1

]

Der Unsicherheitsbeitrag der Volumenmessung ist laut Kalibrierschein mit -0,3% vom

Messwert angegeben. Um den Beitrag im Messunsicherheitsbudget zu erhalten, wurde

diese Angabe auf den angenommenen maximalen Volumenstrom angewandt. Der Beitrag

durch die Berechnung des Dampfdruckes wurde folgendermaßen berechnet:

( ) 0,02% 0,001% 0,021%mittel mittel mittelw w w wp p p p

Dabei werden die 0,02% Abweichung von Wagner et al. 2002 für die IAPWS Formulation

1995 im relevanten Temperaturbereich angegeben. Gerber 2009 gibt an, dass die

Berechnung des Wasserpartialdruckes nach ASPEN (hier verwendet) bei 1 bar und 20°C

0,001% von der IAPWS Formulation 1995 abweicht.

Der k-Faktor für Up ergibt sich dadurch, dass die Unsicherheit der Druckmessung

dominant ist. Diese ist rechteckverteilt, womit auch eine Rechteckverteilung für die

erweiterte Messunsicherheit Up angenommen wird. Der Faktor 0,95 kommt durch die

Annahme eines Vertrauensniveaus von 95% zustande.

156 Anhang

A-8. Versuchsplan Parallelanlagen zu Beschickungsausfällen

Versuchsreihe 1

Versuchstag Uhrzeit 3 Tage Ausfall 7 Tage Ausfall

0 Start des Beschickungsausfalles, PN für FSS, TS und oTS

1

2

3 09:00 1) PN für FSS, TS, oTS

2) B

11:00 PN für FSS

13:00 PN für FSS

15:00 PN für FSS

4 09:00 1) PN für FSS

2) B

18:00 PN für FSS

5 09:00 1) PN für FSS

2) B

6 B


2) B

1) PN für FSS, TS, oTS

2) B

11:00 PN für FSS

13:00 PN für FSS

15:00 PN für FSS

8 09:00 B 1) PN für FSS

2) B

18:00 PN für FSS

9 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

10 09:00 B B

11 ~09:00 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

12 ~09:00 B B

13 ~09:00 B 1) PN für FSS

2) B

14 ~09:00 B B

15 ~09:00 1) PN für FSS, TS, oTS

2) B


2) B

16 ~09:00 B B

17 ~09:00 B 1) PN für FSS

Anhang 157

2) B

18 ~09:00 1) PN für FSS

2) B B

19 ~09:00 B 1) PN für FSS

2) B

20 ~09:00 B B

21 ~09:00 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

22 - 27 ~09:00 B B

28 ~09:00 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

PN: Probennhame

FSS: Fettsäurespektrum

B: Beschickung

TS: Trockensubstanz

oTS: organische Trockensubstanz

158 Anhang

A-9. Versuchsplan: Parallelanlagen zu Beschickungsausfällen

Versuchsreihe 2

Versuchstag Uhrzeit 1 Tag Ausfall 3 Tage Ausfall



2) B

2 ~11:00 1) PN für FSS

2) B

3 ~11:00 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

4 B 1) PN für FSS

2) B

5 ~11:00 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

6 09:00 B B

7 1) PN für FSS, TS, oTS

2) B

1) PN für FSS

2) B

8 09:00 B B

9 ~09:00 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

10 ~09:00 B 1) PN für TS, oTS

2) B

11 ~09:00 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

12-16 ~09:00 B B


2) B


2) B

16 ~09:00 B B

17 ~09:00 B 1) PN für FSS

2) B

18 ~09:00 1) PN für FSS

2) B B

19 ~09:00 B 1) PN für FSS

2) B

20 ~09:00 B B

21 ~09:00 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

22 - 27 ~09:00 B B

28 ~09:00 1) PN für FSS, TS, oTS 1) PN für FSS, TS, oTS

Anhang 159

A-10. Versuchsplan: Technikumsanlage zu Beschickungsausfällen

Versuchstag 1 Tag Ausfall 3 Tage Ausfall 7 Tage Ausfall

0 Start des Beschickungsausfalls, PN für FSS, TS, oTS


2) B

2 1) PN für FSS

2) B

3 1) PN für FSS

2) B


2) B

4 B 1) PN für FSS

2) B

5 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

6 B B


2) B

1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

8 B B 1) PN für FSS

2) B

9 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

10 B 1) PN für TS, oTS

2) B B

11 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

12 B B

13 B 1) PN für FSS, TS, oTS

2) B

14 1) PN für FSS

2) B B

15 B 1) PN für FSS

2) B

16 1) PN für FSS

2) B B


2) B

1) PN für FSS

2) B

18 B B

19 1) PN für FSS

2) B B

160 Anhang

20 B 1) PN für FSS, TS, oTS

2) B

21-22 B


2) B

PN: Probennhame


B: Beschickung

TS: Trockensubstanz


Anhang 161

A-11. Versuchspläne zu Anfahrstrategien

Versuchstag Uhrzeit

für VR1 VR1 VR2


1-7 Keine Beschickung


2) B


2) B

11:00 PN für FSS

13:00 PN für FSS

15:00 PN für FSS

8 09:00 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

18:00 PN für FSS

9 09:00 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

10 B B

11 09:00 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

12 09:00 B B

13 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

14 09:00 1) PN für TS, oTS

2) B

1) PN für TS, oTS

2) B

15 ~09:00 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

16 ~09:00 B B

17 ~09:00 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

18 ~09:00 B B

19 ~09:00 B B

20 ~09:00 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

21 ~09:00 1) PN für TS, oTS

2) B

1) PN für TS, oTS

2) B

22 ~09:00 B B

23 ~09:00 1) PN für TS, oTS

2) B

1) PN für FSS

2) B

24 ~09:00 B B

25 ~09:00 B B

162 Anhang

26 ~09:00 1) PN für FSS

2) B

1) PN für FSS

2) B

27 B B

28 1) PN für TS, oTS

2) B

1) PN für TS, oTS

2) B

29 1) PN für FSS

2) B Beendigung von VR 2

30 B

31 B

32 1) PN für FSS

2) B

33 B

34 B

35 ~09:00 Beendigung von VR1

PN: Probennhame


B: Beschickung

TS: Trockensubstanz


Lebenslauf


geboren am 11.02.1982 in Chorzów (Polen)

ledig

Berufliche Tätigkeit

seit 10.2007 Ruhr-Universität Bochum

Wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Thermodynamik

Prof. Dr.-Ing. Roland Span

06.2004 – 07.2006 Universität Paderborn

Studentische Hilfskraft am Lehrstuhl für Thermodynamik und

Energietechnik

Prof. Dr.-Ing. Roland Span

Ausbildung

10.2002 – 06.2007 Universität Paderborn

Studium des Allgemeinen Maschinenbaus

(Vertiefungsrichtung: Verfahrenstechnik und Kunststofftechnik

Abschluss: Diplom-Ingenieur

08.1993 – 06.2002 privates Mädchengymnasium St. Michael, Paderborn

Abschluss: Abitur

01.1990 – 07.1993 Concordia Grundschule, Bad Lippspringe

09.1989 – 12.1990 Grundschule, Chorzów

Praktika

09.2006 – 12.2006 RWE Power AG, Essen

02.2003 – 03.2003 Miele und Cie GmbH & Co. KG, Güthersloh

10.2001 Universität Paderborn

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Untersuchung der Übertragbarkeit und … · reproduziert werden können, und ob an Laboranlagen gewonnene Ergebnisse auf ... Bezeichnung Biogas wird i.d.R. verwendet, wenn das entstandene