FH Münster: Blick in die Blackbox Fermenter

"Ein Fermenter ist wie eine Blackbox - niemand weiß, was da drin genau passiert." Worüber Sven Annas vom Fachbereich Maschinenbau der FH Münster spricht, sind die Biomassebehälter inklusive Rührwerke einer Biogasanlage.

Der Laser belichtet den maßstabsgetreu nachgebauten Fermenter einer Biogasanlage - und alle Partikel, die sich innerhalb des Behälters in der Masse befinden. Bild: FH Münster.

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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 m breit und 10 m 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.“

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.

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