DE102007018565A1 - Device for automatic determination of hydrocarbonate buffer, ammonium content and/or the content of organic dry substance from fermentation substrate, comprises a reactor in which the fermentation substrate is mixed with acid - Google Patents
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Abstract
Description
Das neu entwickelte Gerät erlaubt es, auf einfache Art und Weise auf Biogasanlagen automatisch den Hydrogencarbonatpuffer sowie den Ammoniumgehalt zur Abschätzung der Prozessstabilität der Vergärung zu beurteilen. Im Gegensatz zu Verfahren, die eine manuelle Bestimmung ermöglichen, können hier quasi kontinuierlich Messungen durchgeführt werden. Dadurch verringert der Anlagenbetreiber das Versauerungsrisiko, das zum Erliegen der Biogasproduktion führen würde. Finanzielle Verluste sowie das Entleeren des Reaktors wären die Folge.The newly developed device allows, in a simple way and On biogas plants automatically the hydrogen carbonate buffer as well the ammonium content for estimating the process stability of the To judge fermentation. Unlike procedures that enable a manual determination, can here quasi-continuous measurements are carried out. Thereby the plant operator reduces the risk of acidification, which leads to Halting biogas production would result. financial Losses and emptying of the reactor would be the result.
Darüber hinaus erlaubt es die Bestimmung des organischen Trockensubstanzgehaltes, der ein weiterer wichtiger Prozeßparameter zur Steuerung von Biogasanlagen darstellt.About that In addition, it allows the determination of the organic dry matter content, this is another important process parameter for controlling Represents biogas plants.
Alle Messungen mit dem Gerät basieren auf einer volumetrischen oder manometrischen Messung, bei der zu untersuchende Stoff aus dem flüssigen Substrat in die Gasphase übertragen wird.All Measurements with the device are based on a volumetric or manometric measurement, at the substance to be examined transferred to the liquid substrate in the gas phase becomes.
Die Versauerung kommt dadurch zustande, dass der erste Schritt der Vergärung, die sog. Hydrolyse rascher abläuft als der zweite Schritt, die Methanbildung. Während der Hydrolyse werden organische Säuren gebildet. Deren Säurewirkung wird durch den Hydrogencarbonatpuffer und den Ammoniak/Ammoniumpuffer im Gärsubstrat vorläufig abgepuffert. Der Hydrogencarbonatpuffer im Gärsubstrat ist in dem Biogas begründet, das gebildet wird. denn ca. 40–50% des gebildeten Biogases besteht aus CO2. Dieses löst sich zum Teil im Gärsubstrat und dient in Form von HCO3 – und CO3 2– als Protonenakzeptor. Werden nun immer mehr organische Säuren gebildet, kann der Hydrogencarbonatpuffer die entstehenden Protonen nicht mehr abpuffern, so dass dies zu niedrigen pH-Werten führt (d. h. die Protonenkonzentration erhöht sich). Dies tritt insbesondere dann auf, wenn leicht verfügbare Kohlenstoffverbindungen in zu hohen Dosen eingesetzt werden (z. B. Fette). Deshalb kann der Anlagenbetreiber die Säurebildung dadurch reduzieren, dass er keine weiteren leicht verfügbaren Kohlenstoffverbindungen in den Fermenter zudosiert.The acidification comes about because the first step of the fermentation, the so-called hydrolysis, is faster than the second step, the methane production. During hydrolysis, organic acids are formed. Their acidity is preliminarily buffered by the bicarbonate buffer and the ammonia / ammonium buffer in the fermentation substrate. The bicarbonate buffer in the fermentation substrate is due to the biogas that is formed. because about 40-50% of the biogas formed consists of CO 2 . This dissolves partly in the fermentation substrate and serves in the form of HCO 3 - and CO 3 2- as a proton acceptor. If more and more organic acids are formed, the hydrogencarbonate buffer can no longer buffer the resulting protons, so that this leads to low pH values (ie, the proton concentration increases). This occurs especially when readily available carbon compounds are used in excessive doses (eg fats). Therefore, the plant operator can reduce acid formation by not adding any more easily available carbon compounds to the fermenter.
Ammonium gelangt mit dem organischen Material entweder als Ammonium oder als organisch gebundener Stickstoff in den Fermenter. Letzterer wird im Fermenter z. T. zu Ammonium abgebaut.ammonium arrives with the organic material as either ammonium or as organically bound nitrogen in the fermenter. The latter will in the fermenter z. T. degraded to ammonium.
Bisherige einfache Parameter wie z. B. der pH-Wert sind aufgrund der hohen Pufferkapazität des Substrates für eine Überwachung der Prozessstabilität ungeeignet, denn ein Abfallen des pH-Wertes erfolgt rasch sobald die Pufferkapazität erschöpft ist. I. d. R. sind Gegenmaßnahmen in diesem Stadium der Versauerung bereits erfolglos.Previous simple parameters such. B. the pH are due to the high Buffer capacity of the substrate for monitoring process stability unsuitable, because a drop of the pH is fast as soon as the buffer capacity is exhausted is. I. d. R. are countermeasures at this stage of acidification already unsuccessful.
Andere Verfahren zur Kontrolle der Prozessstabilität:Other methods of controlling process stability:
- 1. Die Bestimmung des Musters der kurzkettigen Fettsäuren ist zur Prozeßbeurteilung geeignet, ist allerdings teuer und aufwändig. Zur Analyse stehen gaschromatographische Methoden oder Schnelltests auf photometrischer Basis zur Verfügung.1. Determination of a pattern of short-chain fatty acids is suitable for process evaluation, but is expensive and elaborate. For analysis are gas chromatographic Methods or rapid tests are available on a photometric basis.
- 2. Eine weitere Methode ist die Bestimmung der Pufferkapazität mittels Titration. Hierfür wird das Gärsubstrat in der Regel bis zu einem pH-Wert von 4 titriert. Das Verfahren dauert relativ lange, und zudem ist der Einsatz einer pH-Elektrode notwendig.2. Another method is to determine the buffer capacity by titration. For this purpose, the fermentation substrate usually titrated to a pH of 4. The procedure takes a relatively long time, and moreover, is the use of a pH electrode necessary.
- 3. die colometrische oder volumetrische Ammoniumbestimmung dient zur Abschätzung, um NH3-Toxizität auftreten kann und wie groß der NH4/NH3 Puffer zur Abpufferung von organischen Säuren ist.3. the colometric or volumetric determination of ammonium is used for estimation, NH3 toxicity may occur and how big the NH4 / NH3 buffer for buffering organic Acids is.
- 4. Weitere Verfahren werden derzeit erprobt, z. B. die Bestimmung von Trockensubstanz und organische Trockensubstanz mittels Nah-Infrarot.4. Other methods are currently being tested, for. Eg the determination of dry matter and organic dry matter by means of near-infrared.
Bestimmung des Hydrogencarbonatpuffers:Determination of the bicarbonate buffer:
Die Messung im Gerät erfolgt durch das Austreiben von CO2 aus dem Substrat durch Ansäuern und der anschließenden volumetrischen oder gasförmigen Messung des Gases. Aufgrund der hohen optischen Dichte und der großen Anzahl größerer Teilchen sind Methoden, die auf Titration und/oder colometrischen Verfahren basieren, weniger gut geeignet bzw. nicht einsetzbar – insbesondere bei einer automatisierten Messung. Die volumetrische Bestimmung des Hydrogencarbonatpuffers ist bekannt (C), allerdings fehlt eine automatisierte Version, die insbesondere auf Neu- und Großanlagen benötigt wird.The measurement in the device is carried out by expelling CO 2 from the substrate by acidification and the subsequent volumetric or gaseous measurement of the gas. Due to the high optical density and the large number of larger particles, methods based on titration and / or colometric methods are less suitable or can not be used - especially in an automated measurement. The volumetric determination of the bicarbonate buffer is known (C), but lacks an automated version that is needed especially on new and large plants.
Bestimmung der organischen Trockensubstanz (oTS):Determination of the organic dry substance (oTS):
Die Messung der oTS erfolgt mittels Zudosierung von H2O2 und einem Katalysator, z. B. einer Eisenhaltigen Lösung. Dadurch entweicht der organische Kohlenstoff aus der wässrigen Probe in Form von CO2. Dieses Verfahren wurde bisher nur zur Behandlung von relativ leicht belastetem Abwasser eingesetzt. Ein Einsatz in flüssigen Medien zur Bestimmung der Menge an oTS ist nicht bekannt. Ein Einsatz von H2O2 bei sehr hohen Gehalten an Chemischem Sauerstoffbedarf ist nur zur Hygienisierung des Materials bekannt (B). Das Verfahren wird weder manuell noch automatisiert auf Vergärungsanlagen eingesetzt.The oTS is measured by adding H2O2 and a catalyst, eg. B. an iron-containing solution. As a result, the organic carbon escapes from the aqueous sample in the form of CO2. This method was previously used only for the treatment of relatively lightly polluted wastewater. Use in liquid media to determine the amount of oTS is not known. Use of H 2 O 2 at very high levels of chemical oxygen demand is only known for sanitizing the material (B). The process is neither manually nor automatically used on fermentation plants.
Bestimmung des Ammoniumgehalts:Determination of the ammonium content:
Die Messung des Ammoniumgehalts erfolgt durch Austreiben des Ammoniums als elementarer Stickstoff mittels NaOH und Hypochlorid. Das Meßverfahren ist bekannt (A) und wird derzeit zur manuellen Bestimmung des Ammoniumgehalts eingesetzt, allerdings fehlt auch hier eine automatisierte Version.The measurement of the ammonium content is carried out by expelling the ammonium as elemental nitrogen using NaOH and hypochlorite. The measuring method is known (A) and is currently used for manual determination of the ammonium content, but also lacks an automated version here.
Das
Prinzip des Gerätes soll anhand der Bestimmung des Hydrogencarbontpuffers
detailliert erläutert werden:
Ein definiertes Volumen
an Gärsubstrat wird in einen Reaktor geleitet. Der Reaktor
wird druckdicht verschlossen. Nun wird eine definierte Menge an
Säure zudosiert, die das gelöste Koh lendioxid
austreibt. Dadurch erhöht sich der Druck in dem Reaktor,
der mit einem Manometer erfasst wird. Das Messsignal kann nun elektronisch
erfasst und weiter verarbeitet werden. Nach Abschluss der Reaktion
wird der Reaktor entleert und mit Wasser gespült.The principle of the device is to be explained in detail by the determination of the hydrogen carbonate buffer:
A defined volume of fermentation substrate is passed into a reactor. The reactor is sealed pressure-tight. Now, a defined amount of acid is added, which expels the dissolved Koh dioxide. This increases the pressure in the reactor, which is detected with a manometer. The measuring signal can now be recorded electronically and further processed. After completion of the reaction, the reactor is emptied and rinsed with water.
Genaue Beschreibung:Precise description:
Die
Ventile
Schritt
1: Beladen des Reaktors: Dabei sind die Ventile (
Der
Reaktor (R) wird mit Gärsubstrat aus dem Fermenter (F)
befüllt. Hierzu ist Ventil (
Nun
schließen Ventile (
Schritt
2: Entleeren und Spülen des Reaktors: Dabei sind die Ventile
(
Die
Ventile (
Für
die Bestimmung der oTS sowie des Ammoniumgehalts werden anstelle
der Säure andere Reaktionsmittel eingesetzt (wie oben beschrieben). Diese
können ebenfalls durch Ventil
Literatur:Literature:
-
(A)
jds.fass.org/cgi/reprint/83/8/1837.pdf jds.fass.org/cgi/reprint/83/8/1837.pdf -
(B)
http://www.h2o2.com/index.html http://www.h2o2.com/index.html -
(C) Verfahren zur Bestimmung der Pufferkapazität in Substraten
während und nach der Vergärung in Biogasanlagen
(Deutsche Patentanmeldung
DE 10 2005 046 308.8 DE 10 2005 046 308.8
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 102005046308 [0017] - DE 102005046308 [0017]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- - jds.fass.org/cgi/reprint/83/8/1837.pdf [0017] - jds.fass.org/cgi/reprint/83/8/1837.pdf [0017]
- - http://www.h2o2.com/index.html [0017] - http://www.h2o2.com/index.html [0017]
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DE (1) | DE102007018565A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2559750A1 (en) * | 2011-08-18 | 2013-02-20 | Olaf Kujawski | System-wide control and regulation method for biogas assemblies |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102005046308A1 (en) | 2005-09-27 | 2007-03-29 | Gewitra Mbh | Procedure for the regulation of buffer capacity in fermenting substrates comprises an unique expulsion of percarbonate quantity in the form of carbon dioxide and its volumetric measurement by the addition of acid |
-
2007
- 2007-04-18 DE DE200710018565 patent/DE102007018565A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102005046308A1 (en) | 2005-09-27 | 2007-03-29 | Gewitra Mbh | Procedure for the regulation of buffer capacity in fermenting substrates comprises an unique expulsion of percarbonate quantity in the form of carbon dioxide and its volumetric measurement by the addition of acid |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
http://www.h2o2.com/index.html |
jds.fass.org/cgi/reprint/83/8/1837.pdf |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP2559750A1 (en) * | 2011-08-18 | 2013-02-20 | Olaf Kujawski | System-wide control and regulation method for biogas assemblies |
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