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Blick in die Blackbox Fermenter

FH Münster forscht nach Optimierungspotenzialen für Rührwerke in Biogasanlagen.

Sven Annas untersucht das Rührgetriebe – wie rührt es am effektivsten im nachgebauten Fermenter?

© FH Münster|Pressestelle

Sven Annas vom Fachbereich Maschinenbau ändert die Position des Rührwerks im Fermenter. Gerade arbeitet er mit einer Masse, die eine kleisterähnliche Konsistenz hat.

© FH Münster|Pressestelle

Münster/Steinfurt, 21. Juni 2017. „Ein Fermenter ist wie eine Blackbox – niemand weiß so richtig, was da drin genau passiert.“ Worüber Sven Annas vom Fachbereich Maschinenbau der FH Münster spricht, sind die Biomassebehälter inklusive Rührwerke einer Biogasanlage. Ungefähr 9000 davon gibt es in ganz Deutschland. Ihre Betreiber füllen sie mit Materialien von Zuckerrüben bis Schweinemist, installieren ein oder mehrere Rührwerke und hoffen auf möglichst viel Methangas.

Im Labor für Strömungstechnik untersuchen Sven Annas und sein Projektteam das Stromfeld und wie schnell sich beispielsweise eine Salzlösung im Fermenter durchmischt. Um allgemeingültige Aussagen treffen zu können und störende Einflussfaktoren zu minimieren, verwendet das Team für die Untersuchung Modellfluide und keine Originalsubstrate. „Denn gerade in der Art und Weise des Rührens und der Position des Rührwerks schlummern Potenziale“, so der wissenschaftliche Mitarbeiter, der am Fachbereich promoviert.

„Der Gärungsprozess ist bei allen Anlagen gleich: in einem anaeroben Faulprozess werden Kohlenstoffverbindungen aufgespalten und es entsteht Methangas, aus dem Strom erzeugt werden kann.“ Biogasanlagen in Deutschland sind bis zu 30 Meter breit und 10 Meter hoch mit Masse gefüllt – viel Volumen, das gleichmäßig verfaulen soll. Außerdem wird ständig nachgefüllt. „Rührwerke sollen die Materialien des Fermenters durchmischen, um für eine optimale homogene Verteilung von Futter, Wärme und Bakterien zu sorgen, und erleichtern zusätzlich das Aufsteigen der Gasblasen“, erklärt Annas. „Wir beschäftigen uns hier sozusagen mit der Frage, wie wir möglichst effektiv rühren können.“

Strömungsgeschwindigkeiten ermitteln

Gerade steht eine kleine Biogasanlage im Modellmaßstab 1:40 im Fokus seiner Forschungen. Mithilfe eins Lasers untersucht er in dem Fermenter aus Plexiglas Geschwindigkeitsfelder. „Da das Rührwerk an einer Position im Fermenter fest installiert ist, verrührt es die Masse unterschiedlich stark. Meist wird nur in direkter Rührernähe eine gute Durchmischung erzielt.“ Das kann man sich ähnlich wie beim Kneten mit einer Küchenmaschine vorstellen: Wo sich die Stäbe befinden, wird der Teig schnell vermischt – wo sie gerade nicht sind, sieht das anders aus.

„Zunächst ermitteln wir die Strömungsgeschwindigkeiten im Modell und stimmen diese dann mit Simulationen ab“, erklärt Annas. Aufgrund der guten Übereinstimmung zwischen Simulation und Experiment sei es möglich abzuschätzen, wie lange eine komplette Durchmischung dauern wird und welchen Einfluss verschiedene Positionen des Rührwerks haben. Wie beim Teig auch spielt dabei die Konsistenz der Biomasse eine große Rolle. „Deshalb benutzen wir Modellflüssigkeiten mit ähnlichen Eigenschaften der Proben, die die Anlagenbetreiber hier abgeben. Für die Bestimmung der Geschwindigkeit kommen transparente Flüssigkeiten zum Einsatz, die eine ähnliche Konsistenz wie Kleister haben.“
Aus den Bildern der Laserlichtschnittanlage lassen sich konkrete Geschwindigkeiten errechnen und Rückschlüsse auf das Durchmischungsverhalten ziehen. Hierbei werden mittels Laserlicht kleinste Partikel sichtbar gemacht und können so verfolgt werden. Aus der Betrachtung vieler Partikel lässt sich dann auf das Stromfeld schließen. Dabei ist es wichtig, dass die Partikel sehr klein sind, damit sie der Strömung folgen können.

In einem nächsten Projektschritt möchte Annas Optimierungen vornehmen und Theorie und Praxis in Übereinstimmung bringen. „Denn wir können nicht pauschal davon ausgehen, dass ein gutes Stromfeld gleichzeitig eine gute Durchmischung bedeutet. Manchmal schiebt das Rührwerk Massebrocken auch einfach nur vor sich her.“ Außerdem hat das Projekt neben der Simulation noch zwei weitere Säulen im Bereich der Sensorik und der Rheometrie, mit der Fluide wie die Biomassen charakterisiert werden.

Zum Thema:

Bis Oktober 2018 läuft das Projekt an der FH Münster, dabei kooperieren die Fachbereiche Maschinenbau, Energie – Gebäude – Umwelt sowie Elektrotechnik und Informatik mit den beteiligten Professoren Dr. Arno Jantzen, Dr. Jürgen Scholz, Dr. Peter Glösekötter und Dr. Christof Wetter.

Dabei steht am Fachbereich Maschinenbau die Simulation und Bestimmung von Strömungs- und Durchmischungsvorgängen im Modellfermenter sowie die Charakterisierung der Fermentersuspension im Vordergrund. Eine Sensorik zur Messung von Strömungsvorgängen in Biogasanlagen liefert der Fachbereich Elektrotechnik und Informatik. Und am Fachbereich Energie – Gebäude – Umwelt befassen sich Forscher mit Sink- und Schwimmschichten in Biogasanlagen sowie mit der Analyse von Durchmischungen im Originalfermenter.

Originalmeldung:
https://www.fh-muenster.de/hochschule/aktuelles/pressemitteilungen.php?pmid=7201&imgid=14788

Ansprechpartnerin: 
FH Münster
Pressesprecherin
Katharina Kipp M.A.
+49 (0)251 83 64090
2018-04-03T15:24:40+00:0021.06.2017|Kategorien: Energie & Ressourcen, Produktion & Fertigung|Tags: |