NeoBio Verbundvorhaben: Neue Entwicklungswerkzeuge zur Optimierung der Mischregime in Bioreaktoren; Teilvorhaben: Entwicklung von WSN-Technik und CFD-Verfahren zur Charkterisierung von Rührsystemen

Rührsysteme in Biogasfermentern haben die Aufgabe, die Fermentersuspension schonend zu rühren, wirksam zu durchmischen und für ein ausgeglichenes Konzentrationsverhältnis der beteiligten Komponenten zu sorgen. In den aktuell deutschlandweit betriebenen ca. 9.000 Anlagen wird in der Regel rein empirisch ausgelegte Rührtechnik eingesetzt, wodurch sich ein erhebliches bisher nicht nutzbares Optimierungspotential ergibt.
Gesamtziel des Projektes ist die Steigerung des Systemwirkungsgrades durch eine Optimierung des Rührprozesses insbesondere an bestehenden Anlagen. Durch eine optimal an den individuellen Substratmix angepasste Rührstrategie kann der Gasertrag bei gleichzeitig reduzierter Antriebsleistung der Rührtechnik signifikant gesteigert werden. Hierzu werden neuartige praxistaugliche Werkzeuge und Verfahren für den direkten Einsatz bei der Auslegung von Rührkonzepten in Biogasfermentern entwickelt. Die komplexen rheologischen Eigenschaften der Fermentersuspensionen werden in großem Umfang charakterisiert.

Eine völlig neue, auf drahtloser Signalübertragung aufbauende Messtechnik soll erstmals eine flexible und umfassende, zeitliche und räumliche Online-Datenerhebung der Strömungs- und Durchmischungsvorgänge während des laufenden Betriebes realer Anlagen realisieren und die tatsächlichen Vorgänge in einem bisher nicht möglichen Maße quantifizierbar und systematisch optimierbar machen. Zudem sollen über neu zu entwickelnde numerische Simulationsansätze erstmals bisher an keiner Stelle abgebildete prozessrelevante Einflussfaktoren wie die für den Einmischprozess wesentlichen Turbulenzen in direkter Rührwerksnähe sowie das Verhalten der freien Oberfläche berechenbar werden. Dies ist besonders bei Paddelrührwerken von Bedeutung, die auch Schwimmschichten aufbrechen können. Bei all diesen Untersuchungen werden die komplexen Substrateigenschaften berücksichtigt. 

So wird die zielgerichtete systematische Optimierung der Rührwerksgeometrie, -anordnung und -steuerung möglich.

Zum Erreichen der Projektziele wird der Arbeitsplan inhaltlich in drei Arbeitspakete gegliedert: AP1 – Sensorik; AP2 – Rheometrie; AP3 – Simulationsmethodik.
AP1: Zur experimentellen Untersuchung der Strömungsvorgänge in Biogasanlagen sollen die Funktionalitäten der am HZDR entwickelten Strömungsfolger mit denen der an der FH Münster entwickelten Funksensoren in Zusammenarbeit mit Fa. Budelmann Elektronik GmbH zu einem neuen Entwicklungswerkzeug kombiniert werden: Konzeptionierung; Sensitivitätsanalyse; Leistungsmanagement; Elektronikdesign; Kompatibilitätsprüfung von Erweiterungen; Aktorentwicklung; Zusammenführung und
Kopplung der Sensoren; Erprobung unter Test- und Realbedingungen; Messwertverifikation; Bewertung
des Mischzustandes.

Im AP2: Erstellung einer umfassenden und repräsentativen Datenbank für die rheologischen Eigenschaften von Fermentersuspensionen. Hierzu soll das vorhandene Rohrviskosimeter eingesetzt und auf verbesserte Auswerteverfahren angepasst werden, welche mit Hilfe von Modellgesetzen bei verbesserter Annäherung des Fließverhaltens repräsentative Viskositäten und Scherraten präziser bestimmbar machen. Über eine große Zahl von Proben werden innerhalb des Rheologiekataloges der Einfluss der relevanten Fluidparameter auf die Viskosität generell und insbesondere die Scherverdünnung erstmalig umfassend und repräsentativ untersucht und statistisch ausgewertet.
Gegenstand des AP3 ist aufbauend auf den vorausgegangenen Untersuchungen die Entwicklung neuer Berechnungs- bzw. Simulationsmodelle, mit denen bisher nicht abgebildete, aber für den Rühr- und Suspensionsvorgang wesentliche physikalische Effekte umfassend beschrieben werden können. Die wesentlichen Arbeitsschwerpunkte dabei sind die Implementierung neuer Materialmodelle, die Abbildung der freien Oberflächenströmung, die Modellierung der Turbulenz im scherverdünnenden Medium sowie der Anwendung der Verfahren bei Rührvorgängen incl. Validierung durch Laborversuche.

Die im Rahmen des Projektes entwickelte Messtechnik stellt ein eigenständiges Werkzeug dar. Die Vermarktung der autonomen Messtechnik (Sensorpartikel/Strömungsfolger) ist über das HZDR unter Einbeziehung der Firma Budelmann Elektronik GmbH vorgesehen. Die HZDR Innovation GmbH stellt hierbei einen möglichen Verwertungspartner für den Vertrieb des Elektroniksystems als auch für Dienstleistungen zur Diagnose und Optimierung von Prozessen in industriellen Behältern dar. Bereits jetzt haben Partnerhochschulen starkes Interesse an den Projektergebnissen bekundet (beispielsweise für den Einsatz in partikulären Strömungen im großtechnischen Maßstab und Rührkesseln). Eine Präsentation in Kombination mit der Testanlage auf Fachmessen ist vorgesehen. Die Sensorik ist unabhängig von den parallel entwickelten Berechnungsmodellen für rein experimentelle Rühreroptimierungen nutzbar und kann nach Weiterentwicklung zur Serienreife direkt eingesetzt werden.
Die im Rahmen der rheometrischen Untersuchungen entstehende Datenbasis ist von grundlegendem Interesse und kann vom Projektpartner Steverding und Anlagenplanern wie z.B. BioConstruct in Melle zur Auslegung neuer und für das Repowering bestehender Anlagen genutzt werden. Für das Institut für Energie und Prozesstechnik liefert sie die Basis für weitergehende Forschungsarbeit.

Das erworbene Knowhow bei der Programmierung der Simulationsmodelle ist nicht nur zur Optimierung euer Rührwerke für Fermenter, sondern auch in zahlreichen weiteren verfahrenstechnischen Anwendungen nicht-newtonscher Fluide und Mehrphasensysteme nutzbar. Die neuen Berechnungsmodelle sind von grundlegendem Interesse. Sie erhöhen direkt die Drittmittelfähigkeit des Institutes, auch im Bereich der Direktbeauftragung und können nach Projektabschluss von Unternehmen
und Forschungsinstituten unmittelbar angewandt werden. Breiter aufgestellte Forschungsprojekte sind in Planung. Ein branchenübergreifender Nutzen soll erschlossen werden.